摘要：材料基因工程是材料领域的颠覆性前沿技术,将对材料研发模式产生革命性的变革,全面加速材料从设计到工程化应用的进程,大幅度提升新材料的研发效率,缩短研发周期,降低研发成本,促进工程化应用。本文从基础理论与方法、关键技术与装备、新材料研发与工程化应用、人才培养以及材料基因工程新理念的形成和推广等方面,综述了中国材料基因工程的研究进展,并提出了未来发展方向建议。

摘要：原子或分子的堆积方式和元素分布是凝聚态物质的核心问题,而局域结构的精确测定则为揭示原子堆积方式和元素分布提供了重要手段。获得与化学成键直接关联的局域结构信息,是人们认识化学反应,理解功能材料设计结构本质的重要依据。基于全散射技术的原子对分布函数方法(PDF),通过考虑原子对间距的空间分布规律,为具有不同结晶状态和团聚方式的凝聚态体系提供了全尺度的结构信息。本文从介绍全散射和原子对分布函数方法的理论基础出发,根据凝聚态物质的聚集形态差异和结构化学特点,列举了近年来在研究凝聚态物质的原子对分布函数过程中,结合原位温度场、反向蒙特卡洛等方法获得的物质局域结构信息和短程到长程的结构演变。通过分析局域结构与长程结构的对比差异,从局域尺度的视角为研究凝聚态物质的化学反应、功能物性优化和外场响应提供了新的思路。

摘要：具有高能量密度、高耐热性和低介电损耗的介电聚合物是先进电力电子应用的理想材料,例如用于电容器的高温储能薄膜。由于高极化和低介电损耗是两个相互矛盾的性质,因而只能在高介电常数(εr)和较低的损耗之间争取最佳的平衡。对于本征型聚合物电介质,介电常数源于电子、原子和偶极极化。然而由于聚合物分子链的性质,碳氢基电介质的电子和原子极化的介电常数被限制在5以下,偶极极化提高固有介电常数是有效的。为此围绕实现本征偶极玻璃聚合物高介电常数获得高储能密度的同时降低介电损耗的设计策略展开,从主链和侧链角度分析冻结链动力学阻止电子传导降低介电损耗的可行性,同时从电子结构角度揭示抑制传导电流的机制,在保持高εr和高玻璃化转变温度(tg)的同时实现高温下高的储能密度,最后对薄膜电容器用极性聚合物研发的难点和重点进行总结和展望。

摘要：聚酰亚胺(PI)电介质兼具优异的电气和机械性能以及高热、化学稳定性,被广泛应用于电力、电子设备的生产制造,是绝缘材料的重要组成部分。近年来,随着绿色能源和可持续发展的需求,社会发展更加需要材料在损伤后能够修复、回收等,以实现再利用。然而,由于PI自身分子结构具有超强的稳定性,分子链在低温条件下难运动,难以实现损伤后的主动修复、回收。因此,必须从本征分子结构角度出发,设计开发适用于PI的新型可逆分子结构来实现材料的动态特性。基于此,本文综述了以PI为基体的回收、修复等动态问题的研究,重点介绍目前动态PI的制备方法、发生动态反应的条件及评估多种损伤形式之间的关系;总结了自修复PI电介质材料,包括共混、共聚及设计制备新型结构单体等工艺手段实现材料的修复特性,以及自修复PI当前的发展现状及面临的困难与挑战;概述了可降解、可回收PI材料的设计制备,通过动态共价键和动态交联网络择优实现PI电介质的回收,对于目前动态PI体系中存在的问题及未来研究方向进行了总结和展望:可以使用新型动态交联剂结合微量有机或无机物料的复合实现PI材料的动态特性和综合性能的协同提升;通过改善工艺或选择动态交联剂实现PI单体和交联剂粉末级别回收,有效避免降解催化剂的影响;需要进一步设计新型功能性单体,从分子结构水平实现可逆以解决PI修复、降解、回收难的问题。

摘要：非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)较钛合金基体具有更高的强度、硬度,优异的耐磨和耐热性能,满足高新技术领域对高性能结构材料的苛刻使用要求,在航空航天、国防军工、汽车制造等领域应用前景广阔。本文针对非连续增强钛基复合材料中基体与增强相的设计及增强相制备技术进行综述,尤其是新兴的碳纳米材料增强相以及激光增材制造技术对DRTMCs组织、性能的影响,重点总结了DRTMCs的后续热变形、热处理及多元多尺度和仿生结构复合材料设计的研究进展,介绍其工程应用的发展现状,提出了研究中的现存问题及具有潜力的发展方向,对进一步提高钛基复合材料综合性能、加快其产业化应用进程具有重要意义。

摘要：锌合金由于其适宜的腐蚀速率、良好的力学性能,成为继镁合金与铁合金后的一种新型的可降解生物医用金属材料。近年来,研究者对锌合金的设计、加工制备以及降解机理进行了大量研究,但对其体内外生物相容性的研究尚不充分,仅评估了体外细胞毒性、溶血、凝血,少数材料植入动物体内进行了组织相容性的表征。然而生物相容性涉及细胞、组织、血液、免疫等复杂的局部反应和全身反应,除了材料本身的物理化学性质,还受到材料与机体相互作用的影响。本文分析了可降解医用锌合金的化学成分和物相组成,阐明了对其进行生物学评价的方法,并结合锌合金生物相容性研究现状,阐述未来的研究方向。

摘要：近年来,随着航空发动机和地面燃机的持续发展,对其关键热端部件的环境抗力和承温能力的要求越来越高,γ′相强化钴基高温合金在抗热腐蚀性能和熔点温度等方面较镍基高温合金具有优势。为了促进此类合金的发展,本文基于国内外在合金开发和蠕变性能等方面的研究成果,结合本课题组的研究工作,总结了该类合金在合金化原理、合金设计方法和蠕变机理等方面的研究现状,凝练出了目前该类合金发展存在的关键基础科学问题,并对未来需要关注的研究方向进行了概述。

摘要：随着电子电气装备的小型化、高功率化、集成化的发展,电介质电容器的需求也朝着功能化、多样化发展,从而对电容器用储能电介质材料也提出了更高的要求以适应更加日益复杂的工作环境。聚酰亚胺作为具有耐高温、耐化学腐蚀、热稳定性等优异特性的工程塑料,被认为是作为耐高温储能电介质薄膜的候选材料,但由于其介电常数较低,大大影响了其作为高温储能电介质的应用,而依据分子结构与性能关系,通过调整其空间结构及构型可同时实现介电性能与耐热性的平衡,因此如何从本征上提升聚酰亚胺的介电与储能特性成为本领域急需解决的关键问题之一。基于聚酰亚胺储能特性提升的机理,从分子结构设计的角度包括聚合物分子结构、新型单体的合成、聚合物–金属络合、共聚改性等方面等分析了提升本征型耐高温聚酰亚胺电介质储能特性的策略。最后,对当前高温储能聚酰亚胺电介质材料的研究进行总结并对未来发展方向进行展望,以期实现下一代电容器用具有优异储能特性的聚合物薄膜的研发。

摘要：二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.

摘要：聚硅氧烷材料因其具有耐老化、电绝缘及疏水等优异性能而被广泛应用于航空、汽车、柔性电子器件、电气等领域。但是,聚硅氧烷材料在使用过程中不可避免地受到力、热、电等破坏,这些损伤可能导致材料性能的降低甚至完全丧失,缩短材料的使用寿命,安全性也面临重大考验。自修复就是材料在其内部裂纹形成时具有阻止裂纹继续扩展并使其愈合的能力,能够在发生损坏后恢复其基本性能,包括机械强度、导电性、断裂韧性和耐腐蚀性等,以防止材料破坏、延长使用寿命、拓展材料的使用范围。因此,研发自修复聚硅氧烷材料具有重要意义。然而自修复聚硅氧烷材料在发展过程中面临诸多问题,例如修复条件的便捷性、自修复与力学性能的矛盾、电损伤的修复等,均成为限制自修复聚硅氧烷材料发展的瓶颈。为此从外援型、本征型自修复的机理出发,综述了基于不同修复策略的自修复聚硅氧烷其结构设计与合成等方面的研究进展,深入探讨了自修复聚硅氧烷分子结构与自修复特性、机械性能等的关联,揭示了自修复发展过程中需要克服的关键问题,分析问题的成因,针对这些问题提出了可能的解决方案,最后对自修复聚硅氧烷在电工领域的应用进行了展望。