日前，國家自然科學基金官網公布了《國家自然科學基金資助的優秀成果選編（六）》，收錄了十二五期間200件優秀成果。整理其中29件材料類研究成果如下：

    數理科學部

    功能材料與結構的多場效應與破壞理論——西安交大王鐵軍

    功能材料和結構的快速發展與應用 提出了許多新的力學問題。如同機械工業初期一樣，力學及結構強度設計必然成為功能材料及功能結構設計中的基礎環節。無論是航天航空柔性結構還是微機電系統中的功能結構，其基本形式都是梁、板、殼和多層介質。力學及多場 耦合因素相關破壞是導致其失效的關鍵因素之一，例如，在多層介質制造過程中，由于熱學、力學量的失配引起的殘余應力或熱落差應變；層狀結構界面間的缺陷引起的應力與電場集中；使用過 程中的熱應力、性能老化、電遷移等都涉及多場耦合，是導致結構失效的重要 原因。因此，研究力場、電場、溫度場等多物理場共存或耦合作用下，功能材料和結構的多場效應與失效機理，具有重要意義。

    項目團隊深入研究了：①功能梯度結構的熱 –力變形理論，豐富和發展了彈性力學基本理論，為功能結構的設計與失效分析提供了基礎理論。②智能材料的電彈性與斷裂理論，完善和發展了電彈性及力電缺陷理論，為功能結構的可靠性分析提供了理論依據。③壓電層狀介質中的彈性波理論，對基于壓電層狀結構的表聲波器件設計具有重要指導意義。

    超高溫條件下復合材料的熱致損傷機理和失效行為——哈工大韓杰才

    高超聲速飛行器涉及的基礎科學問題是國際學術研究的熱點，最大的挑戰之一是高速飛行“熱障”帶來的高溫材料本身和復雜高焓 / 非平衡流動環境與材料的耦合問題，這些都蘊含著未被認知和解決的核心科學問題。針對這些科學問題，項目組重點開展了三方面的研究工作： ①高溫復合材料的氣動熱響應與熱致損傷機理。②高溫復合材料的熱致損傷模型和熱彈性斷裂力學。③復合材料熱 - 力 - 氧化與熱 - 力 - 電耦合失效行為。

    取得的突出進展為：揭示了影響材料溫度的環境與材料表面特性控制要素，從更微觀層次獲得了材料熱沖擊損傷機制和表面層 / 耗盡層 / 反應層的高溫演化規律與失效機制，提出了“超高溫非燒蝕防熱材料體系”；建立了超高溫陶瓷復合材料 2000℃以上靜 / 動態氧化燒蝕模型 和裂紋擴展阻力模型，實現了高溫強韌化與抗氧化性能的微結構協同；完善了裂紋面電邊界條件，實現動態力 / 電條件下多層壓電介質的斷裂強度預報，建立了壓電陶瓷材料熱 - 力 - 電耦合效應下的強度評價方法。

    40K 以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究——中科院物理所、中科大

    中國科學院物理研究所和中國科學技術大學研究團隊經過長期積累與合作， 首次突破麥克米蘭極限溫度，確定鐵基超導體為新一類高溫超導體；合成系列鐵基高溫超導體并確認為第二個高溫超導家族，創造并保持鐵基超導體塊材臨界溫度的最高記錄；基于若干基本物理性質的研究，確認了鐵基超導體具有的主要非常規特性，為理解鐵基超導電性起到了奠基性的作用，在國際上引領了鐵基超導研究的熱潮，進一步探索高溫超導機理，找到更適合應用的超導體做出了貢獻。

    四元半導體光伏材料的關鍵物理問題理論研究——復旦龔新高

    為發展高效、廉價、環境友好的太陽能電池，近幾十年來人們一直在探索各種新型半導體光伏材料。如何理解這些新型材料的復雜物性、發現其中規律、揭示影響光伏性能的關鍵因素，是凝聚態物理研究的重要問題之一。

    圍繞多元半導體等新型光伏材料，項目組發展了新計算方法，發現了I2-II-IV-VI4 族四元半導體 晶體結構和電子結構的演化規律，澄清了相關的長期爭議；發現了四元半導體的特征缺陷，揭示了光伏性能的影響機制，確定了優化光伏性能的生長條件。

    主要成果如下： 1. 發展了預測復雜材料結構與能帶 帶階計算的新方法發展了預測復雜晶體結構的全局優化方法，發現并命名了 I2-II-IV-VI4 族四元半導體的六方相結構。能帶帶階是太陽能電池等半導體異質器件的關鍵參數，但實驗測量和理論計算都非常困難。 建立了基于芯電子能級絕對形變勢的直接計算方法。 該方法被國內外理論組采用，計算結果被廣泛應用于太陽能電池等器件的設計中。 2. 揭示了 I2-II-IV-VI4 族四元半導體晶體結構和電子結構的演化規律提出了研究四元半導體的思路，揭示了 I2-II-IV-VI4 族半導體結構、帶隙和 帶邊等物性隨成分的演化規律，從而澄清了幾十年來關于其結構和帶隙的爭議。 結果被應用于后續理論和實驗研究。 3. 發現了 I2-II-IV-VI4 族半導體的關鍵缺陷，確定了改善光伏性能的生長條件確定了一種陽離子替位是最高濃度的受主缺陷，發現了四元半導體中缺陷簇易于形成這一重要特征；揭示了生長條件影響光伏性能的微觀機制，明確了最優生長條件。

    化學科學部

    二維超薄材料：研究催化活性位點的理想模型體系——中科大謝毅

    超薄二維材料是一種全新的材料， 原子級的厚度使得這類材料能夠暴露出更多的內層原子，為光電催化反應提供了大量有效活性位點。中國科學技術大學謝毅教授等通過在原子級厚二維結構表面制造空位型缺陷或者摻入雜質原子來定向調控其電子結構；進一步利用 X 射線吸收精細結構譜、正電子湮沒譜、電子順磁共振譜、超快時間分辨光譜和第一性原理計算表征和理解原子級厚二維無機材料的原子結構、缺 陷類型以及電子結構，明確這類材料的原子結構、缺陷結構、電子結構與其光、電催化性能之間的構效關系，為催化性能的協同優化提供理論指導和明確的實驗方案，實現了一系列二維超薄結 構在高效光、電催化等功能方面的顯著 提升。總之，原子級厚二維超薄結構成為研究催化活性位點的理想模型體系，其本征物理性質的表面化學法調控為建立明確的結構 - 性能間的關系及高效光、電催化應用提供了一個新的機遇。

    尖晶石氧化物可控制備新方法與電化學應用——南開陳軍

    具有 AB2O4 組成的尖晶石型氧化物是一類重要功能材料，在電、磁、催化、能量儲存與轉化等領域具有廣泛用途，但其制備常采用傳統的固相燒結法，需要高溫較長時間加熱克服擴散阻力和反應能壘，耗能耗時，并且產物形貌難以調控， 粒徑大，比表面積小，電化學活性低，構效關系不明確。南開大學陳軍教授等提出 “還原 - 轉晶”、“氧化沉淀 - 嵌入晶化” 新合成方法，在常壓和低溫（≤ 180℃） 下成功制備了 MxMn3-xO4（M=Co， Mg， Zn）、NCo2O4（N=Ni， Fe， Zn）等系列尖晶石納米材料，實現了組成和晶型的 同步調控，獲得了傳統固相法難以合成的熱力學亞穩態立方 CoMn2O4 和四方 Co2MnO4。進一步研究了鈷錳尖晶石對氧還原、氧析出電催化 反應的催化性能，揭示了立方相、氧缺陷、錳 混合價態對于增強氧 吸附、降低 O2 活化能壘、誘導電荷轉移、提升氧催化活性的促進作用，闡明錳系尖晶石電化學性能與錳平均價態 的類火山型關系（頂點接近 3.5）。構筑了循環性能較好的鋰空氣電池，可逆循環 155 周、容量保持率 92.6%的鋅空氣電池，以及 5A 放電容量 500A?h 的鎂空氣電池。尖晶石制備新方法操作簡單、有利于節能減排，為設計高效廉價非鉑電催化材料、研制可充金屬空氣電池提供了新思路。

    二維碳的新同素異形體——石墨炔的合成——中科院化學所李玉良

    中國科學院化學研究所李玉良研究員首次化學合成了二維碳的新同素異形體——石墨炔，使碳材料家族又誕生了一個新成員，開辟了人工化學合成新碳素異形體的先例，并建立了二維全碳材料石墨炔聚集態結構可控生長新方法，解決了薄膜生長的多個關鍵科學問題，確定了生長機理，確證了石墨炔二維結構及其層間距為 0.365 nm，系統研究了石墨炔薄膜的 基本電學、光學、物理特性，與國內外著名的課題組進行合作研究，在石墨炔的理論、計算機模擬、電學、能源、催化等領域取得了系列研究成果。

    上轉換發光材料用于生物成像研究——復旦李富友

    發光生物成像是一種非侵入式、在線實時的活體可視化示蹤技術，因其具有亞細胞層次的分辨率、快速響應、 高靈敏度等特點而廣泛地應用于生物醫學領域。復旦大學李富友教授在上 轉換發光材料的生物成像領域取得重要進展。圍繞活體發光成像領域中存在背 景干擾強等難題展開研究，綜合運用稀土化學、配位化學、納米技術和顯微光學原理，成功地建立了上轉換發光活體成像方法。選擇具有反斯托克斯位移發射、近紅外激發的上轉換發光材料作為研究對象，開發出了小尺寸、高效率的成像探針，并發展了多種通用方法用于材料的水溶性改性和生物功能化；在此基礎上首次提出了激光掃描上轉換發光顯微術和三重態湮滅上轉換發光活體成像術，分別搭建了用于細胞和小動物活體成像的上轉換激光掃描共聚焦顯微鏡 和小動物活體成像系統，用實驗方法證實了上轉換發光生物成像具有背景噪聲低、檢測深度大、光穩定性好等特點； 此外還提出了上轉換發光納米材料的多功能化策略，并成功地在活體水平上實現了小動物多模式成像及功能底物檢測成像，拓展了相關生物成像技術的應用領域。

    碳龍化學：金屬雜戊搭炔和金屬雜戊搭烯——廈大夏海平

    廈門大學夏海平教授團隊建立了原創性碳龍化學，其核心分子骨架包括金屬雜戊搭炔和金屬雜戊搭烯。這類骨架由含一條7 -12 個碳原子組成的“碳龍”將 一種過渡金屬螯合形成金屬雜戊搭炔 / 烯及其衍生物，故也稱其為“碳龍化學”。在配位化學中，絡合物多齒配體配 位的主角長期是 N、P、O、S 等雜原子。 碳龍化學證明了一個顛覆傳統的事實： 純碳鏈可以作為多齒配體，配位主角全部是碳原子。戊搭炔的有機母體骨架是反芳香性的，但金屬雜戊搭炔骨架卻是芳香性的。首例金屬雜戊搭炔由博士生朱從青成功合成與系統表征，并獲得了芳香性的實驗證據，合作者朱軍副教授通過理論計算也證明其芳香性。該化合物還挑戰了化學鍵極限：分子內含有小于 130° 的卡拜碳鍵角。

    特色骨架手性配體：從 SpinPhox 膦- 唑啉到 SKP 雙膦配體——中科院上海有機化學所丁奎嶺

    追求催化的高效率、完美的選擇性并實現其應用是手性合成領域發展的挑戰問題，如何通過分子設計，實現“配體 - 金屬 - 底物 - 環境”之間立體和電子效應的完美匹配是解決上述瓶頸問題的突破口，而手性配體的設計則是實現突破的關鍵。中國科學院上海有機化學研究所丁奎嶺研究員領導的團隊發展了具有特色骨架和創新結構的手性螺環壬二烯基膦 - 唑啉配體 SpinPhox 和手性螺縮酮雙膦配體SKP及其過渡金屬催化劑，在包括C C鍵氫化和烯丙基胺化等不對稱反應中，獲得了成功應用，解決了現有催化劑無法解決的選擇性和效率問題，為包括重磅手性藥物依澤替米貝（Ezetimibe）的合成提供了全新的高效、綠色過程，為多類新型生物活性分子的制備提供了高效新方法。

    手性有機小分子和金屬聯合不對稱催化——中科大龔流柱

    為了發揮有機小分子和金屬催化劑兩者的優勢，克服單一催化劑體系存在的問題，2001 年項目組報道了手性季銨鹽 和鈀配合物“協同催化”的不對稱烯丙基化反應，這是國際上提出手性有機小分子和金屬“聯合催化”概念的最早期論文之一。近年來，他們一直致力于這 個領域的研究，取得了一系列重要進展： ①發展了金 / 手性磷酸、δ-Lewis 酸 / 手 性磷酸和釕 / 手性雙功能有機小分子等聯合催化劑體系，實現了一系列非經典的不對稱串聯反應。②通過金屬 / 有機 小分子“協同”和“接力”催化，初步解決了烯丙基碳 - 氫鍵不對稱官能化反應中的立體選擇性控制問題。

    低維光功能材料的控制合成與物化性能——中科院化學所趙永生

    中科院化學所趙永生研究員在國際上率先開展了低維有機光功能材料的研究，發現了有機體系中的量子尺寸效應，并在此基礎上研究了激發態的限域和傳播行為，實現了發光調控、光波導與激光、光探測與傳感等功能與應用。 1. 闡明了分子間弱相互作用對聚集行為的決定性影響，解決了有機微納晶的控制合成難題。提出了基于分子間弱 相互作用的有機低維結構的構筑思路； 通過分子設計，利用表面活性劑、化學反應等控制手段，實現了低維微納結構 的可控合成；創新性地在氣相沉積中引入吸附劑控制飽和度，有效提高了低維結 構的均勻性和結晶性。這些高效、可控的制備方法為揭示微觀尺度下的光物理化學 過程并探索其應用提供了物質基礎。 2. 發現了分子激發態的尺寸限域和 傳播現象，實現了有機低維體系的若干新型光功能。首次發現了有機低維材料中的激子限域效應，實現了尺寸依賴的躍遷調控；基于激子限域有效地提高了能量轉移效率，在有機低維體系中實現 了發光調控；進而將激子傳播與光傳播過程相結合，利用一維結構的諧振腔效 應構建了有機納米激光器；通過設計、 合成特定有機低維結構降低光傳輸損耗， 實現了有機微納光波導和光信號調制單元器件，并應用于激光、場發射和光探測等器件。

    光學性質單分散的溶液量子點——浙大彭笑剛

    浙江大學彭笑剛教授團隊提出了一條量子點研究新思路： 作為發光和光電材料，其性質應該由激發態決定。把研究聚焦到溶液量子點的激發態控制后，他們發展 了一系列研究方法，進而證明，單晶性優良的量子點的激發態性質完全決定于表面結構。通過系統研究量子點激發態與表面關系 后，他們發現了一套實驗路線來 精確控制量子點表面，并獲得了理想的量子點發光材料：熒光量子產率（PL QY）近 100%、峰寬到達本征寬度、光發射通道單一、無單粒子閃爍。 新型量子點和新的研究方法的發現， 使得該團隊在基礎研究和應用方向上同時獲得了重大進展。例如，在基礎研究方面，他們回答了困擾量子點領域 20 年的謎團：單顆粒熒光閃爍機理。在應用方面，他們把量子點發光二極管性能大幅提高到接近理論極限、穩定性接近實用水平。

    創建低溫溶解機理及構筑天然高分子基新材料——武大張俐娜

    武漢大學張俐娜教授進行了天然高分子結構、分子尺寸和鏈構象表征以及天然高分子基新材 料構筑的系統研究，并已取得原始創新性和具有實用價值的科研成果。例如，開創嶄新的低溫溶解法，實現難溶性纖維素、甲殼素、甚至聚苯胺在 NaOH/ 尿素水溶液等體系中低溫溶解，并提出低溫下大分子與溶劑形成氫鍵配體導致溶解的新機理。同時，利用低溫溶解的纖維素、甲殼素、殼聚糖和聚苯胺溶液通過物理再生方法構建出一系列新材料 （光、電、磁功能材料、儲能材料、生物醫用材料、分離與吸附材料等），由此打開了利用可再生的生物質資源構建環境友好材料的“綠色”新途徑，并揭示其結構與性能之間的構效關系。

    新型纖維狀能源器件——復旦彭慧勝

    剛性的塊狀或板狀結構已成為能源器件進一步發展的瓶頸問題，如可穿戴設備被認為是下一個全球科技革命的突破口，但目前相對笨重的供能系統無法滿足其輕質、柔性、可集成等綜合性能要求。復旦大學彭慧勝教授在國際上提出并發展出新型纖維狀的太陽能電池、鋰離子電池和超級電容器，與通常的平面結構相比具有質量輕、柔性好、可集成等優點，并可通過低成本的紡織技術實現規模化生產，在新能源領域發展了一個新方向。可望帶來新的科技革命，改變人們的生活方式。

    高活性耐硫 NOx 選擇性催化還原催化劑研究——中科院生態環境研究中心賀泓

    柴油車排放 NOx 是造成大氣灰霾、光化學煙霧的重要原因。針對這一難題，中國科學院生態環境研究中心賀泓教授的研究團隊研究發現具有氧化還原活性的過渡金屬氧化物都是選擇性催化還原 （SCR）NOx 的高效催化劑，催化劑的抗硫性能主要靠其表面酸性調節，并據此設計了重型柴油車用釩基 NH3- SCR 催化劑，在中國重型汽車集團有限公司等企業建成了催化轉化器量產生產線，實現了 40 萬臺柴油車的規模化應用，取得了顯著的社會和經濟效 益。進一步研究確認鐵鈦和鈰鎢復合氧化物在 SCR 反應中具有極高的催化 活性，闡明了鐵、鈰氧化物微晶結構是 SCR 反應活性中心。創新制備方法合成高水熱穩定性的 Cu 小孔分子篩催化劑并闡明其反常的“快速 SCR”機理，為催化反應體系和催化轉化器設計提供了有力的理論依據。新型非釩基 SCR 催化劑在重型柴油車上裝車示范應用表明，較現有的釩基催化劑呈現出更優異的活性、熱穩定性與耐高空速特性，為滿足未來柴油車更高排放標準提供了具有國際競爭力的技術儲備。

    工程與材料學部

    新型磁熱效應材料的發現和相關科學問題研究——中科院物理所沈保根

    中國科學院物理研究所沈保根研究員等在La（Fe, Si）13 基化合物、Heusler 合金等材料設計和磁熱效應研究方面取得了一系列有國際影響的原創性成果。與普通氣體制冷相比，以磁熱效應為基礎的磁制冷技術，具有綠色環 保、高效節能等優點。高效磁熱效應材料的探索不僅涉及一系列重要科學問題，也關系到國家能源戰略的需求及可持續發展。探索高效磁熱效應材料是幾十年來國際上材料研究的重要課題。沈保根團隊系統研究了稀土 - 過渡族金屬間化合物的結構、磁性和磁熱效應，發現了一類新型 La（Fe, Si）13 基大磁熱效應材料，室溫磁熵變值超過傳統稀土材料 Gd 的2倍，獲得了 La（Fe, Si）13 基材料的核心發明專利，闡明了巨大磁熱效應來源于與之相伴的晶格負熱膨脹和巡游電子變磁轉變行為，提出了尋找大磁熱效應材料的判據。 在 Heusler 合 金 NiMnGa 中發現了室溫大磁熱效應，揭 示了磁彈性和磁熱效應的密切關聯，證明了大磁熱效應來源于磁場對馬氏體結構相變的調節。 從理論和實驗上研究了 Maxwell 關系用于一級相變體系熵變值的方法，指出了之前的Nat. Mater.、Phys. Rev. Lett. 等論文中報道超大磁熵變的錯誤，給出了相分離體系磁熵變的確定方法，解決了多年來國際上一直有爭議的重要基礎性問題。

    納米金屬力學行為尺度效應的微觀機理研究——中科院力學所武曉雷

    金屬材料晶粒尺度從通常的幾十微米減小至幾百、甚至幾十納米時，宏觀強度提高了 5 - 25 倍、但均勻拉伸塑性顯著降低，歸因于從傳統位錯塑性轉變為晶界塑性產生的尺度效應，澄清尺度效應的微結構機理是理解并調控宏觀性能的關鍵科學問題。利用電子顯微分析和分子動力學計算模擬研究相結合，從納米金屬的變形微結構形成與演化入手， 發現了孿生變形傾向隨晶粒尺度減小的逆尺度效應特性，描繪了納米金屬孿生變形、層錯和點陣位錯形成等微結構形成、演化和交互作用的新規律以及對材料宏觀強韌性能的影響機制。研究成果提供了刻劃納米結構金屬力學行為跨尺度力學理論的物理基礎，豐富了納米金屬變形物理的內涵。

    航天用非連續增強金屬基復合材料制備科學研究——上海交大張荻

    非連續增強金屬基復合材料在航 天等高科技領域占據戰略地位。上海交通大學張荻教授領銜的科研團隊針對制約該材料發展的復合調控難、界面匹配難、形變加工難三個瓶頸問題開展了復合設計熱 / 動力學、界面調控、形變加工機理三方面系統的基礎工作，取得的主要基礎研究成果為：①建立了金屬基復合材料制備過程中的熱 / 動力學理論模型。 ②揭示了增強體與基體的復合界面調控規律。③發現并揭示了非連續增強鋁基、 鈦基復合材料塑性及超塑性形變機理。

    熱電輸運新效應與新型高性能熱電材料設計——中科院上海硅酸鹽所陳立東

    熱電轉換技術利用半導體材料實現 熱能和電能之間直接相互轉換。目前， 熱電材料的廣泛應用受制于其較低的性 能優值和有限的材料體系，通過多尺度 微觀結構設計實現電熱輸運協同調控是 實現高性能熱電材料的重大挑戰。基于原子分子層次的晶體結構設計與調控， 并通過實驗研究與材料計算的高度融合， 揭示了晶體結構 - 電子結構 - 晶格振動等 結構要素之間的本征關聯及其對電熱輸運性能的影響機制；針對多種不同結構 特征的熱電材料體系，建立了結構調控與微觀設計方法。針對典型孔洞結構方鈷礦熱電化合物，提出了寬頻聲子散射機制［圖（a）］并設計合成了中溫區高性能熱電材料，該成果被美國 MIT 等團隊譽為里程碑的工作；發現了 Cu2-xSe/S 等快離子導體化合物的類液態熱電輸運 效應及其微觀機制［圖（b）］，在多種材 料體系中實現了高熱電性能，引發了國際上對該類體系新型熱電材料的研究熱潮；開發了高效熱電器件及其應用技術， 推動了熱電材料科學和技術的發展。

    聲子晶體等人工微結構材料的新效應——南大陳延峰

    材料的物理性能不僅取決于材料的 組分，還決定于材料的顯微組織。最近 20 多年來，越來越多的研究表明：以光 子晶體 / 聲子晶體和超構材料為代表的人工微結構材料，通過有目的的人工設計， 能夠獲得超越組元材料性質的新穎物性， 實現了均勻材料所沒有的，超乎想象的 力、熱、聲、光、電、磁功能的突破。項目組利用人工微結構設計，對聲子、光子能帶進行裁剪，在聲子晶體 等人工微結構材料方面做出了一系列成果：揭示了聲子晶體新穎的折射規律，成功實現聲波的單負折射和雙負折射效應，以及聲波超透鏡聚焦成像。發展了一種寬帶、無閾值的新型聲波二極管原型器件。首次證實了聲波異常透射現象和聲表面倏逝波，拓展了亞波長材料與器件的研究領域。與加州理工學院合作在Si基光子芯片中觀察到宇稱 - 時間反演自發對稱破缺現象，實現了 1.55 微米通信波段光波的單向傳播與調控。研制了ZnO分布于無鉛壓電材料晶界處的0-3型微結構材料，解決了長期以來制約無 鉛壓電材料實用化的熱退極化問題。

    航空航天用高性能碳 / 碳復合材料基礎理論與應用——西工大李賀軍

    碳 / 碳復合材料屬戰略性高技術材 料，是先進空天飛行器及其動力系統不可或缺的關鍵材料。近年來，高技術武器裝備的跨代發展尤其是多個國家重大專項對碳 / 碳復合材料提出了更高溫度、更抗沖刷、更長時間的嚴酷環境使用要求。研究團隊針對影響該材料應用的一系列關鍵科學問題，揭示了不同織構熱解炭形成機制，實現了基體熱解炭的微結構精細調控，以 T300 碳纖維預制體制備出室溫彎曲強度超過 500MPa、1700℃彎曲強度達 800MPa 的碳 / 碳復合材料。揭示了原位定向納米管 / 線結構形貌控制與增強增韌機理，發展了微納多尺度增強增韌方法， 實現了材料強度與韌性的同步提高，滿足了航空航天領域特殊熱結構件的苛刻性能要求。揭示了涂層高溫防護、自愈合與氧 化失效機理，開拓了多相鑲嵌、自愈合及納米線增韌等多種涂層體系設計及制備方法，解決了涂層與基體界面相容性難題， 使涂層在空氣環境中防護壽命達 1500℃、 1480h，1600℃、900h，在1600℃燃氣風洞沖刷環境下的防護壽命超過300h，為該材料在航空航天熱結構熱防護部件上的應用奠定了基礎。

    節油輪胎用高性能橡膠納米復合材料的設計及制備——北化工張立群

    “節油、 安全” 已成為汽車輪胎的發展趨勢，高性能橡膠納米復合材料（RNC）是發展節油安全輪胎的關鍵。發展新型無機納米填料的低成本納 米分散方法解決納米填料的分散與界面 調控難題，一直是困擾橡膠納米復合材料規模化制備及應用的瓶頸。北京化工大學張立群教授團隊在節油輪胎用 RNC 的設計與制備方面取得了重要成果。團隊率先將分子模擬方法引入到復雜的橡膠復合材料體系的研究中，在納米填料的分散與聚集、納米復合材料的界面及非線性黏彈性等方面取得了重要的理論成果；發明了水相納米解離 - 改性 - 乳液共混共凝聚技術，開發了原位改性熔體分散技術，解決了不同納米填料在橡膠中的納米分散與界面調控的難題，進而開發了高性能的輪胎氣密層用層狀硅酸鹽 RNC、胎面用高填充納米二氧化硅 RNC、鋼絲圈三角膠用納米短纖維 RNC，實現了規模化制備，研制出達到國際最好水平的節油安全輪胎 （B/A 級 ）， 產品 80%以上出口。國際權威汽車雜志德國 AUTO BILD 對全球50個著名品牌輪胎測評，采用本成果生產的節油輪胎與米西林輪胎同獲“最優”評價。本成果為我國輪胎行業應對歐盟輪胎標簽法、各種貿易技術壁壘具有重要的支撐引領作用。

    實現高效率有機 / 聚合物太陽電池的新型聚合物材料及器件結構——華南理工曹鏞

    華南理工大學曹鏞教授團隊面向我國在新能源領域的重大需求，在推動本領域的發展中做出了若干原創性的貢獻。團隊設計和合成了幾類兼具高載流子遷移率、寬吸收光譜、合適能級、可溶液加工等諸多優良特性的聚合物光伏材料；研制出新型水 / 醇溶性共軛聚合物作為太陽電池電 極 / 活性層界面調控層 , 開辟了一種實現器件開路電壓及整體性能大幅提升的新途徑。團隊在國際上率先相繼將單結聚合物太陽電池的能量轉換效率提高到 8%、9% 以上，并在2015年公開報道了10%以上的效率。

    通用高分子材料的無鹵阻燃高性能化——川大王玉忠

    四川大學王玉忠教授通過阻燃機理及構效關系研究，提出和發展了一些新的阻燃原理和技術。例如： 提出了液晶高分子材料原位成纖增強阻燃的學術思想，發明了同時實現阻燃與增強的全新阻燃技術，解決了添加傳統阻燃劑會導致高分子材料力學性能下降的難題；提出了炭源和氣源一體化的膨脹阻燃體系設計思想 , 發明了含氮超支化成炭劑及其構成的新型膨脹協同阻燃 體系，解決了難炭化高分子材料體系的無鹵阻燃高效化難題；發現了次膦 / 磷 酸鹽取代基影響其阻燃作用的規律與機 制，據此發明的復合與雜化協同阻燃體 系用于纖維增強復合材料體系的阻燃，在通過對本體的氣相 / 凝聚相阻燃作用的同時，還會在纖維表面形成凹凸不平炭化層阻止纖維導流作用，從而解決了“燭芯效應”難題。

    生態環境材料與制備工程——北工大聶祚仁

    以多元系復雜金屬鹽溶液單元配合與沉淀作用，研究組構建了多金屬選擇性“配 合 - 沉淀”體系熱力學模型，預測分離行為及形式；揭示了再生金屬結構缺陷產生及抑制規律，確定分解和穩定的臨界條件，實現了再生粉體結構性能修復（XRD 峰的半高寬相差近 3 倍）和活化、特殊粉末成型；提出了控制稀土鹽分解與仲鎢酸銨分解匹配的多元稀土鎢復合新途徑并優化獲得最佳參數，突破稀土鎢深加工材脆性瓶頸。

    信息學部

    新型氮化鎵基異質結構材料與高效能電子器件研究——電子科大郝躍

    西安電子科技大學郝躍教授及其團隊圍繞 GaN 基電子器件領域的關鍵基礎科學與技術問題開展深入探索， 取得了系統的創新性成果。主要創新成果如下： 1. 基于所發現的 GaN 外延薄膜中位錯傾斜-聚團-快速湮滅的新機制，提 出了一種二維 - 三維生長模式交替的冠 狀生長方法，實現了極低位錯密度的 GaN 外延材料，1.7μm 薄膜位錯密度低至 5×107 cm-2 ，比傳統方法改善了近2個數量級。 2. 提出并實現了氣源分時輸運的脈 沖式 MOCVD生長方法與核心設備，解決了AlGaN、InAlN 等多元氮化物半導體材料無法高質量共融生長的難題， 實現了國際同期最高質量的 InAlN 和 AlGaN 材料。 3. 突破了高溫、高壓下GaN 異質結構中高密度二維電子氣溢出的難題，成功實現了新型GaN雙異質結構和多溝道GaN異質結構，將器件工作電壓提高了1倍，高溫下的電子遷移率提高了近2倍。 4. 基于低缺陷新型 GaN 異質結構材料， 結合所提出的浮空場板和新型絕緣柵技術，研制出高效率的Ga微波功率器件，73% 的功率附加效率為同期國際最高水平，被譽為是過去十多年GaN電子器件領域三項最具代表性成果之一。

    氮化鎵單晶襯底材料的生長物理和裝備技術研究——中科院蘇州納米所徐科

    中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所徐科研究員等圍繞 GaN 單晶材料生長方 法和裝備技術、應力和缺陷控制、材料物理和摻雜機理等開展了系統研究，在自主研制的設備上開發出高質量 2 - 4 英寸 GaN 單晶襯底成套制備工藝技術。 主要創新成果如下： 1. 自主研制成功 GaN 生長的氫化物氣相外延 （HVPE） 裝備，開發了GaN單晶襯底的成套工藝技術，研制成功 2 -4 英寸GaN單晶襯底。 2. 深入研究了GaN材料中的位錯滑 移和增殖機理，發現 GaN 材料中位錯的運動規律，在此基礎上設計了圖形界面、開發了 GaN 納米柱技術，將 2 英寸 GaN 單晶位錯密度降低到 103 cm-2 。 3. 開展了電學性能摻雜調控的研究， 獲得了背景電子濃度接近 1015cm-3 、室 溫遷移率大于 1100cm2 （/ V?s）的非摻雜 GaN 單晶材料；通過 Si 摻雜實現了 n 型 高電導率 GaN，通過 Fe 補償摻雜實現 了半絕緣 GaN 單晶材料的制備；揭示了單根位錯對載流子少子壽命的影響機理， 為各類高性能 GaN 基器件研制和應用研究奠定了堅實的材料基礎。 4. 研制的 2 英寸 GaN 單晶襯底實現成果轉化，目前全球用戶達到 200 余家， 主要用于我國藍光激光器、綠光激光器、 超高亮度 LED、高能探測器、功率電子器件，推動了氮化鎵同質外延技術的產業發展。

    基于超材料的太赫茲功能器件研究——天大張偉力

    天津大學太赫茲研究中心張偉力教授團隊利用超材料及石墨烯等國際前沿熱點研究方法，在新型太赫茲功能器件的研究中，取得了多項突破性進展。主要創新成果如下： 1. 提出大尺寸三維太赫茲隱身方案， 從實驗上實現了大尺寸、寬帶的太赫茲隱身器件。隱身區與整體隱身結構的體積比為 0.05∶1，比國際上報道的微結構太赫茲隱身器件高出一個量級，且其構成材料來源廣泛，具有重要的應用前景。 2. 利用二維石墨烯材料，提出了基于石墨烯和半導體復合結構的太赫茲波調控的新方法，在低功率連續激光和低電壓（0.1 -4V）的雙重激勵下，實現了對太赫茲信號的大幅調制，調制深度 高達 83%，帶寬覆蓋了 0.4 -2 THz 范圍。該器件的特征可類比電學中的“二 極管”效應，為太赫茲二維材料和主動控制器件的發展奠定了重要基礎。 利用人工微結構，提出了太赫茲相位突變的控制方法，在太赫茲波段實現了平面型太赫茲異常偏折器件，偏折角度為 25° -84°。在此基礎上，又實現了奇異全波帶菲涅爾波帶片。該研究為太赫茲空間波調制器的發展提供了重要的理論和實驗基礎。

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責任編輯：劉洋

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