技术成果_创新成果-科创海

飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构

科技处

-/新材料

随着现代人类对民航运输业需求的增加，飞机冲出跑道的事故时有发生，近十年的统计数据表明飞机发生冲出跑道端的次数逐年增加，已经对飞机和乘员安全产生严重威胁。国际民航组织规定必须设置300m的跑道端安全区。然而很多机场囿于周围建筑物、水域等地形的限制而无法延长跑道，没有足够空间设置跑道端安全区，形成了很大的安全隐患。鉴于这种情况，国际飞行员联合会建议安装一种工程材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System,EMAS)来拦停冲出跑道的飞机。通常EMAS由轻质泡沫混凝土构成，铺设于机场跑道末端。当飞机冲出跑道进入泡沫混凝土后，在机轮的碾压下该泡沫混凝土能够快速碎化形成压溃阻力，使飞机平稳减速并最终停止，实现飞机的安全拦阻。但是泡沫混凝土存在易老化、耐水性能差及压溃后产生大量粉尘的问题。此外，波纹夹芯板以其比强度高、比刚度大、抗冲击和耐疲劳等优点，被广泛地应用在航空航天、船舶、高速列车等工程领域。其主要由上下表层面板以及中间波纹夹芯层构成，一般通过直接胶接法或者预浸料后固化法复合而成。传统的波纹夹心板主要包括三角形波纹板、梯形波纹板以及正弦形波纹板，然而这些夹芯板并不能满足飞机道面拦阻的吸能要求且其具有典型的各向异性特性。因此，如何在解决泡沫混凝土材料老化、耐久性及环境等问题的前提下增加波纹结构的能量吸收效率，是提高对冲出跑道飞机拦阻防护安全的当务之急。

该项目开发出一种应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，该夹心结构包括上层面板、波纹芯层以及下层面板。不同于传统的夹心结构，其夹芯层为双曲波纹结构，沿结构的横向和纵向呈现正交的正弦波纹状外形，可通过调整双曲波纹夹心层的振幅、周期以及堆积层数来构造不同几何形状的双曲波纹夹心板。可铺设于机场跑道末端，当飞机由于意外冲出跑道时，通过机轮碾压双曲波纹夹心板产生塑性变形来吸收飞机的冲击能量使其迅速平稳地减速下来，从而保护乘员的安全。

无Ni且低Cu的Ti-Zr-Cu-Co-Fe合金钎料

科技处

-/新材料

钎焊是当今高技术中一种精密连接技术，在决定钎焊质量的众多因素中，钎料处于重要地位。在航空航天领域，钛合金作为性能较好的轻质金属材料获得了广泛应用，其一些构件以钎焊接头的形式使用。钛合金连接使用较普遍的是钛基钎料，这是由于其钎焊接头具有良好的高温强度和耐腐蚀性能，是钛合金用钎料的理想选择。但是，由于钛合金的钎焊温度需低于其β转变温度，为降低钛基钎料熔点而加入了较多的Cu、Ni元素(普遍≥20wt％)，钎焊时Cu、Ni与母材中的钛反应生成Ti-Cu、Ti-Ni等脆性金属间化合物，导致钎焊接头存在着很大的脆性，降低连接强度，使得一些钛合金钎焊构件的安全可靠性仍有所不足，并限制着钛合金钎焊构件在飞机和航空发动机上的设计与应用。因此研发一种Cu和Ni元素总量更低同时熔点低的新型高性能急冷态钛基合金钎料，对于航空航天等高精端技术的发展具有重要意义。

该技术基于相似相异元素共存(Ti-Zr、Cu-Co和Co-Fe相似元素对)的成分设计思路，加入相似元素Co、Fe置换Ni元素以及部分置换Cu元素，获得低熔点Ti-Zr-Cu-Co-Fe非晶或者非晶/纳米晶合金钎料。本发明无Ni且Cu含量低的Ti-Zr-Cu-Co-Fe合金钎料综合考虑了非晶形成能力，钎料的熔点和接头强度，成功设计并采用熔体旋淬法制备了无Ni且Cu含量低、液相线温度(Tl)低的新型钛锆基非晶或者非晶/纳米晶合金钎料。其中Cu、Co、Fe合金元素的主要作用是降低钎料熔点、提高钎料的非晶形成能力以及提高接头强度。Cu与Ti和Zr形成共晶而获得低熔点的合金钎料，同时Cu元素可以提高钛锆基钎料合金的非晶形成能力。Co元素依据相似相异元素共存原则(Cu-Co、Co-Fe)加入，可以提高钛锆基钎料的非晶形成能力；降低钛合金的共析转变速度，降低钎焊接头脆性，提高钎焊接头的强度。Fe元素依据相似相异元素共存原则(Cu-Fe、Fe-Co)加入，可以提高钛锆基钎料的非晶形成能力；同时Fe元素对钛合金β固溶体具有较好的强化效果。

通过熔体旋淬法制得厚度为20～60微米的非晶或者非晶/纳米晶薄带状合金钎料，薄带连续、韧性和表面质量优良、厚度均匀可调，钎焊接头最大剪切强度高达347MPa。

高效、稳定的稀土配合物发光材料及其产业化

姚卫浩

-/新材料

本项目在稀土配合物发光材料实际应用中的稳定性方面，取得重大突破，获得了系列具有自主知识产权的新型发光材料。该类材料具有发光鲜艳、量子产率高、光/热耐受性好以及制备成本低等特点，在照明、显示、光伏和现代农业等领域有巨大的应用前景。目前，吨级中试产品的性能得到第三方检测认证，产品质量得到用户认可。

低折射率含氟丙烯酸树脂光致聚合物成膜剂

科技处

-/新材料

全息记录材料使用光致聚合物，其实质是在激光照射基础上发生的聚合反应。当两束激光干涉加强时，形成明暗相间的条纹，亮区光引发聚合反应使单体的浓度迅速下降。不过相邻的暗区，几乎不发生聚合反应，留下浓度较高的单体。由于浓度梯度差使得单体从浓度较低的暗区向相邻的浓度较低的亮区扩散迁移，进而在亮区生成光引发聚合物，而暗区则主要是非反应物，如成膜树脂等。如果光聚物和非反应物的折射率有差别，则可形成折射率的空间调制，当这种差别越大时，其折射率的空间调制就会越大。因此，在此基础上，要增加光引发单体和成膜树脂为基础的光致聚合物空间调制，一方面要加快单体在全息记录材料内部的迁移和聚合反应，另一方面要加大光引发后聚合物和成膜树脂的折射率差，进而使得制出的全息记录材料的折射率调制度和衍射效率都有大幅度的提高。目前市场上高折射率的单体已应用很广泛，但低折射率的成膜剂还很少，国内外对于低折射率成膜剂的研究不是很多，使得在上述领域里开发低折射率的薄膜成为迫切的需要，因此制备出一种低折射率的成膜剂对于光致聚合物具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

本成果为解决现有技术中低折射率成膜剂应用中的不足，制备了一种低折射率含氟丙烯酸树脂光致聚合物成膜剂。

新型高硬度镍钛基合金

科技处

-/新材料

在航空、航天、机械、石油、化工、电力、海洋等装备制造业中，存在大量耐摩擦磨损的金属机械零部件，比如轴承或齿轮等。这些金属零部件需要具有高硬度、高强度、耐摩擦磨损性能，以及优良的耐腐蚀性能等。现有高硬度轴承及齿轮材料多采用高弹模、硬质合金以提高其耐磨性及延长使用寿命，如常用的GCr15、M50钢等。然而高弹模、硬质合金在负载情况下，可恢复应变通常小于1％，一旦轴承服役瞬态局部点遭遇过载冲击，轴承在循环高接触压力下易发生破坏性的布氏压痕、表面疲劳剥落等状况，引起轴承及齿轮失效。

研究发现，低弹模、高硬度材质比传统高硬度、高弹模材料具有更高的耐过载损伤及更长的磨损寿命。高硬度镍钛基合金是一种富Ni的合金(Ni>52at％)，具有高硬度、低弹模特性。目前制约高硬度镍钛基合金应用的因素是其存在热处理淬裂，及服役过程组织退化导致硬度大幅度下降等问题。高硬度镍钛基合金的主要强化相为Ni4Ti3相，但随着时效温度升高和时效时间延长，亚稳的Ni4Ti3相会发生长大分解为Ni3Ti2相和Ni3Ti相，从而合金硬度下降。因而高硬度镍钛基合金目前的最高使用温度为400℃，这也限制了其在工业中的应用。因此，虽然高硬度镍钛基合金具有较大的成为优秀轴承材料的潜力，但目前还需要进一步改善其性能。针对上述问题，本成果开发一种新型高硬度镍钛基合金。

钛合金表面溶胶-凝胶转化膜的制备

科技处

-/新材料

钛合金材料广泛应用于航空、航天、建筑、汽车等诸多工业领域。为了达到一定的防护或功能需要，例如耐蚀性、光洁度、色泽等，需要在钛合金表面涂覆有机底漆或者粘结剂。而保证有机底漆或者粘结剂与钛合金表面可靠、长效、牢固的结合是实现防护或功能需要的关键和前提。目前，用于增强有机底漆或者粘结剂与钛合金表面结合力的方法一般是阳极氧化等技术。但是阳极氧化技术消耗大量电能和水资源，槽液中往往含有大量的强酸、强碱等有害环境和人体健康的物质，同时阳极氧化不可避免会对试样疲劳性能产生不利影响。

溶胶-凝胶转化膜层技术，尤其是有机-无机杂化的溶胶-凝胶转化膜层是目前技术优势十分明显，应用前景十分光明的替代技术。溶胶-凝胶法采用液态溶胶涂覆的方法制备膜层，能够在复杂零部件表面获得均匀、平整的薄膜，不会对金属基体的力学或疲劳性能产生不利影响。目前用于提高金属基体与有机底漆结合力的溶胶-凝胶技术，所使用的溶剂是低级醇，如甲醇、乙醇、异丙醇等，但是大量醇的使用会产生易燃性、安全性等方面的问题，在实际工业应用中需要制定十分严格的安全管理、存储保障措施，这就增加了醇基溶胶的使用风险和成本。另一方面，作为溶剂的醇挥发性很强，在温度较高的环境中尤其如此，这将改变溶胶体系的浓度，进而对前驱体的水解、缩聚反应速率、程度等产生不可知的影响。因此从溶胶体系的稳定性方面考虑，采用醇作为溶剂也是不合适的。

本项目基于溶胶-凝胶反应的机理考虑，开发出一种用于钛合金表面的溶胶-凝胶转化膜层的制备方法，这种溶胶-凝胶制备方法采用低级醇和水的混合物为溶剂、以含有有机功能基团的有机硅氧烷和有机金属醇盐为前驱体、以有机酸为催化剂，涂覆方式为浸涂，所制备的膜层能够提高钛合金与有机底漆或粘结剂之间结合力。

本项目技术优势：1. 采用低级醇和水的混合物作为溶剂，不同于现有技术中单纯使用醇或单纯使用水作溶剂，既克服了单纯醇溶剂会产生的易燃性、安全性、挥发性等问题，又克服了单纯水溶剂会产生的溶胶稳定性差和适用期短的问题。采用本发明的低级醇和水的混合物作为溶剂，所制备的溶胶能够长期保持澄清透明、并在至少一个月的时间内涂覆得到的膜层均匀平整，结合力良好。2. 采用本发明所述的溶胶-凝胶方法在钛合金表面制备的均匀完整的溶胶-凝胶转化膜层，能够提高钛合金与有机底漆或者粘结剂之间的结合力，参照ASTM D 3359-97 Standard Tests Methods for Measuring Adhesion by Tape Test的相关要求，本发明的溶胶-凝胶转化膜层与金属基体和有机底漆或粘结剂之间的结合力均能够达到4B级以上；与传统阳极氧化相比，不消耗电能，不含有毒有害物质，不会对金属基体的力学或疲劳性能产生不利影响。3. 溶胶能够长时间保存，并保持优异的成膜性能，并且膜层与金属基体和有机底漆的结合力优异，这样就有效的延长了溶胶-凝胶转化膜工艺的可施工时间，节约了原材料，有效地避免了当前溶胶-凝胶转化膜制备中存在的适用期短的局限性。与美国波音公司的水基溶胶产品EAP-9相比，本发明的溶胶适用期长达1个月，远大于EAP-9的24小时。4. 经过室温封闭保存30天的溶胶所制备的膜层仍然均匀完整的覆盖了金属表面，没有裂纹，成膜性能良好，根据ASTM D 3359-97的规定达到了5B级以上。

超疏水纳米透明涂层及其制备

科技处

-/新材料

国际上对超疏水性涂层的开发始于20世纪50年代，直到90年代末，随着表面科学技术的发展尤其是表面研究技术手段的提高，模仿荷叶表面结构及性能，制备超疏水性涂层引起了人们的关注，探索实现超疏水涂料的工业化生产是目前涂料行业面临的热点和难点。具有超疏水效果的表面在现实的生产生活中有着广阔的应用前景，如作防水衣物、浴室墙体、外墙涂料、电子元件等，而且在管道微流、防水、防腐蚀、油水分离、生物医用等领域也有着重要的应用。其中，开发透明的超疏水涂层能够大大拓宽其应用范围，透明涂层不仅可以维持基底材料原貌，同时又能保护基底材料表面，赋予表面优异的超疏水性能。

目前，关于制备透明超疏水涂层所采用的材料有二氧化硅、勃姆石氧化铝、氧化锌等，部分采用其中两种材料复合成异质结构或组装成核壳结构。公开的技术方案都能实现透明超疏水效果，但是存在以下几方面的问题：(1)由于纳米颗粒在溶剂中分散性差，且又难以稳定存在，大部分的透明超疏水涂层以溶胶存在形式解决纳米颗粒分散性，再通过高温煅烧，但是这种方法难以工业化应用，又限制了对基底材料的选择；(2)处理工艺方法复杂，成本高昂，需要特殊设备，又不适合大面积制备超疏水涂层。

为此，本项目研究了一种超疏水纳米透明涂层及其制备方法，解决超疏水涂层生产成本高、制备工艺复杂，反应条件苛刻等问题。

聚酰胺酸盐水凝胶及其制备技术

科技处

-/新材料

水凝胶材料是一种具有三维网络结构的新型功能高分子网络体系，性质柔软、溶胀快，能保持一定的形状，具有良好的生物相容性，对外界刺激具有良好的响应性，被广泛应用于农业、矿业、建筑业、医药、化妆品、石油化工等各种领域。

水凝胶材料有各种分类方法，其中，根据水凝胶材料网络键合作用的不同，可分为化学水凝胶材料和物理水凝胶材料。化学水凝胶材料是由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。物理水凝胶材料是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，这种水凝胶材料是非永久性的，通过加热物理水凝胶材料可转变为溶液，所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。

自然界中有很多天然高分子材料是典型的物理水凝胶材料，如琼脂、壳聚糖、海藻酸钠等，在常温下呈稳定的凝胶态，通过加热到一定温度则转变为溶液。但是，天然高分子水凝胶材料一般只具有单一种类的物理相互作用，机械强度低，难以保证其他功能的正常发挥。为此，本项目研究了一种水凝胶材料及其制备技术。

聚酰胺酸盐水凝胶材料及其制备技术，该水凝胶材料由聚酰胺酸盐形成，具有30～100℃的温度敏感性、3～650KPa的压缩强度及9×10-5～5×10-2S/m的电导率，可作为一种新型的智能水凝胶材料。

该水凝胶材料的制备方法为：以第一胺化合物和二酐为原料，采用溶液缩聚法制得聚酰胺酸溶液，然后在所制备的溶液中加入第二胺化合物进行反应，反应完成后通过溶剂交换、过滤等步骤制得聚酰胺酸盐，由制得的聚酰胺酸盐来制备水凝胶材料。

该制备技术合成路线短、工艺简单。

石墨烯能源与传感应用技术

汪国林

-/新材料

本成果从石墨烯的可控生长及多维多尺度宏观结构组装出发，探索调控石墨烯电子结构的有效方法，推动其在纳米能源和传感器件中的集成与应用。主要内容包括：高质量石墨烯薄膜的大面积可控制备、转移工艺，及多维多尺度宏观结构组装技术；开发了高效异质结太阳能电池和光电探测器产品，具有规模集成的纳米能源器件制造方法和工艺。太阳能电池转换效率超过15%；光电探测器的灵敏度比同类商用光电器件高3个数量级，在保持同样光电流响应的情况下，其暗电流和噪声等效功率分别了降低了2个和3个数量级；开发了系列柔性传感器产品，及面向移动医疗可穿戴应用的传感器制造方法和工艺。不仅可探测应变、压力、扭转、有机物、声波等信号，还对多种微变形（包括损伤、振动等）高灵敏度识别，具有与生理信息互联的特点，可监测和扫描生命体的生理状态，如脉搏、呼吸、心跳、语音等人体活动。

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