汇总：十二五期间国家自然科学基金资助的优秀材料类研究成果

日前，国家自然科学基金官网公布了《国家自然科学基金资助的优秀成果选编（六）》，收录了十二五期间200件优秀成果。材料牛（cailiaoniu.com）整理了其中29件材料类研究成果如下：

数理科学部

功能材料与结构的多场效应与破坏理论——西安交大王铁军

功能材料和结构的快速发展与应用 提出了许多新的力学问题。如同机械工业初期一样，力学及结构强度设计必然成为功能材料及功能结构设计中的基础环节。无论是航天航空柔性结构还是微机电系统中的功能结构，其基本形式都是梁、板、壳和多层介质。力学及多场 耦合因素相关破坏是导致其失效的关键因素之一，例如，在多层介质制造过程中，由于热学、力学量的失配引起的残余应力或热落差应变；层状结构界面间的缺陷引起的应力与电场集中；使用过 程中的热应力、性能老化、电迁移等都涉及多场耦合，是导致结构失效的重要 原因。因此，研究力场、电场、温度场等多物理场共存或耦合作用下，功能材料和结构的多场效应与失效机理，具有重要意义。

项目团队深入研究了：①功能梯度结构的热 –力变形理论，丰富和发展了弹性力学基本理论，为功能结构的设计与失效分析提供了基础理论。②智能材料的电弹性与断裂理论，完善和发展了电弹性及力电缺陷理论，为功能结构的可靠性分析提供了理论依据。③压电层状介质中的弹性波理论，对基于压电层状结构的表声波器件设计具有重要指导意义。

超高温条件下复合材料的热致损伤机理和失效行为——哈工大韩杰才

高超声速飞行器涉及的基础科学问题是国际学术研究的热点，最大的挑战之一是高速飞行“热障”带来的高温材料本身和复杂高焓 / 非平衡流动环境与材料的耦合问题，这些都蕴含着未被认知和解决的核心科学问题。针对这些科学问题，项目组重点开展了三方面的研究工作： ①高温复合材料的气动热响应与热致损伤机理。②高温复合材料的热致损伤模型和热弹性断裂力学。③复合材料热 - 力 - 氧化与热 - 力 - 电耦合失效行为。

取得的突出进展为：揭示了影响材料温度的环境与材料表面特性控制要素，从更微观层次获得了材料热冲击损伤机制和表面层 / 耗尽层 / 反应层的高温演化规律与失效机制，提出了“超高温非烧蚀防热材料体系”；建立了超高温陶瓷复合材料 2000℃以上静 / 动态氧化烧蚀模型 和裂纹扩展阻力模型，实现了高温强韧化与抗氧化性能的微结构协同；完善了裂纹面电边界条件，实现动态力 / 电条件下多层压电介质的断裂强度预报，建立了压电陶瓷材料热 - 力 - 电耦合效应下的强度评价方法。

40K 以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究——中科院物理所、中科大

中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队经过长期积累与合作， 首次突破麦克米兰极限温度，确定铁基超导体为新一类高温超导体；合成系列铁基高温超导体并确认为第二个高温超导家族，创造并保持铁基超导体块材临界温度的最高记录；基于若干基本物理性质的研究，确认了铁基超导体具有的主要非常规特性，为理解铁基超导电性起到了奠基性的作用，在国际上引领了铁基超导研究的热潮，进一步探索高温超导机理，找到更适合应用的超导体做出了贡献。

四元半导体光伏材料的关键物理问题理论研究——复旦龚新高

为发展高效、廉价、环境友好的太阳能电池，近几十年来人们一直在探索各种新型半导体光伏材料。如何理解这些新型材料的复杂物性、发现其中规律、揭示影响光伏性能的关键因素，是凝聚态物理研究的重要问题之一。

围绕多元半导体等新型光伏材料，项目组发展了新计算方法，发现了I2-II-IV-VI4 族四元半导体 晶体结构和电子结构的演化规律，澄清了相关的长期争议；发现了四元半导体的特征缺陷，揭示了光伏性能的影响机制，确定了优化光伏性能的生长条件。

主要成果如下： 1. 发展了预测复杂材料结构与能带 带阶计算的新方法发展了预测复杂晶体结构的全局优化方法，发现并命名了 I2-II-IV-VI4 族四元半导体的六方相结构。能带带阶是太阳能电池等半导体异质器件的关键参数，但实验测量和理论计算都非常困难。 建立了基于芯电子能级绝对形变势的直接计算方法。 该方法被国内外理论组采用，计算结果被广泛应用于太阳能电池等器件的设计中。 2. 揭示了 I2-II-IV-VI4 族四元半导体晶体结构和电子结构的演化规律提出了研究四元半导体的思路，揭示了 I2-II-IV-VI4 族半导体结构、带隙和 带边等物性随成分的演化规律，从而澄清了几十年来关于其结构和带隙的争议。 结果被应用于后续理论和实验研究。 3. 发现了 I2-II-IV-VI4 族半导体的关键缺陷，确定了改善光伏性能的生长条件确定了一种阳离子替位是最高浓度的受主缺陷，发现了四元半导体中缺陷簇易于形成这一重要特征；揭示了生长条件影响光伏性能的微观机制，明确了最优生长条件。

化学科学部

二维超薄材料：研究催化活性位点的理想模型体系——中科大谢毅

超薄二维材料是一种全新的材料， 原子级的厚度使得这类材料能够暴露出更多的内层原子，为光电催化反应提供了大量有效活性位点。中国科学技术大学谢毅教授等通过在原子级厚二维结构表面制造空位型缺陷或者掺入杂质原子来定向调控其电子结构；进一步利用 X 射线吸收精细结构谱、正电子湮没谱、电子顺磁共振谱、超快时间分辨光谱和第一性原理计算表征和理解原子级厚二维无机材料的原子结构、缺 陷类型以及电子结构，明确这类材料的原子结构、缺陷结构、电子结构与其光、电催化性能之间的构效关系，为催化性能的协同优化提供理论指导和明确的实验方案，实现了一系列二维超薄结 构在高效光、电催化等功能方面的显著 提升。总之，原子级厚二维超薄结构成为研究催化活性位点的理想模型体系，其本征物理性质的表面化学法调控为建立明确的结构 - 性能间的关系及高效光、电催化应用提供了一个新的机遇。

尖晶石氧化物可控制备新方法与电化学应用——南开陈军

具有 AB2O4 组成的尖晶石型氧化物是一类重要功能材料，在电、磁、催化、能量储存与转化等领域具有广泛用途，但其制备常采用传统的固相烧结法，需要高温较长时间加热克服扩散阻力和反应能垒，耗能耗时，并且产物形貌难以调控， 粒径大，比表面积小，电化学活性低，构效关系不明确。南开大学陈军教授等提出 “还原 - 转晶”、“氧化沉淀 - 嵌入晶化” 新合成方法，在常压和低温（≤ 180℃） 下成功制备了 M_xMn_3-xO₄（M=Co， Mg， Zn）、NCo₂O₄（N=Ni， Fe， Zn）等系列尖晶石纳米材料，实现了组成和晶型的 同步调控，获得了传统固相法难以合成的热力学亚稳态立方 CoMn₂O₄ 和四方 Co₂MnO₄。进一步研究了钴锰尖晶石对氧还原、氧析出电催化 反应的催化性能，揭示了立方相、氧缺陷、锰 混合价态对于增强氧 吸附、降低 O₂ 活化能垒、诱导电荷转移、提升氧催化活性的促进作用，阐明锰系尖晶石电化学性能与锰平均价态 的类火山型关系（顶点接近 3.5）。构筑了循环性能较好的锂空气电池，可逆循环 155 周、容量保持率 92.6%的锌空气电池，以及 5A 放电容量 500A•h 的镁空气电池。尖晶石制备新方法操作简单、有利于节能减排，为设计高效廉价非铂电催化材料、研制可充金属空气电池提供了新思路。

二维碳的新同素异形体——石墨炔的合成——中科院化学所李玉良

中国科学院化学研究所李玉良研究员首次化学合成了二维碳的新同素异形体——石墨炔，使碳材料家族又诞生了一个新成员，开辟了人工化学合成新碳素异形体的先例，并建立了二维全碳材料石墨炔聚集态结构可控生长新方法，解决了薄膜生长的多个关键科学问题，确定了生长机理，确证了石墨炔二维结构及其层间距为 0.365 nm，系统研究了石墨炔薄膜的 基本电学、光学、物理特性，与国内外著名的课题组进行合作研究，在石墨炔的理论、计算机模拟、电学、能源、催化等领域取得了系列研究成果。

上转换发光材料用于生物成像研究——复旦李富友

发光生物成像是一种非侵入式、在线实时的活体可视化示踪技术，因其具有亚细胞层次的分辨率、快速响应、 高灵敏度等特点而广泛地应用于生物医学领域。复旦大学李富友教授在上 转换发光材料的生物成像领域取得重要进展。围绕活体发光成像领域中存在背 景干扰强等难题展开研究，综合运用稀土化学、配位化学、纳米技术和显微光学原理，成功地建立了上转换发光活体成像方法。选择具有反斯托克斯位移发射、近红外激发的上转换发光材料作为研究对象，开发出了小尺寸、高效率的成像探针，并发展了多种通用方法用于材料的水溶性改性和生物功能化；在此基础上首次提出了激光扫描上转换发光显微术和三重态湮灭上转换发光活体成像术，分别搭建了用于细胞和小动物活体成像的上转换激光扫描共聚焦显微镜 和小动物活体成像系统，用实验方法证实了上转换发光生物成像具有背景噪声低、检测深度大、光稳定性好等特点； 此外还提出了上转换发光纳米材料的多功能化策略，并成功地在活体水平上实现了小动物多模式成像及功能底物检测成像，拓展了相关生物成像技术的应用领域。

碳龙化学：金属杂戊搭炔和金属杂戊搭烯——厦大夏海平

厦门大学夏海平教授团队建立了原创性碳龙化学，其核心分子骨架包括金属杂戊搭炔和金属杂戊搭烯。这类骨架由含一条7 -12 个碳原子组成的“碳龙”将 一种过渡金属螯合形成金属杂戊搭炔 / 烯及其衍生物，故也称其为“碳龙化学”。在配位化学中，络合物多齿配体配 位的主角长期是 N、P、O、S 等杂原子。 碳龙化学证明了一个颠覆传统的事实： 纯碳链可以作为多齿配体，配位主角全部是碳原子。戊搭炔的有机母体骨架是反芳香性的，但金属杂戊搭炔骨架却是芳香性的。首例金属杂戊搭炔由博士生朱从青成功合成与系统表征，并获得了芳香性的实验证据，合作者朱军副教授通过理论计算也证明其芳香性。该化合物还挑战了化学键极限：分子内含有小于 130° 的卡拜碳键角。

特色骨架手性配体：从 SpinPhox 膦- 唑啉到 SKP 双膦配体——中科院上海有机化学所丁奎岭

追求催化的高效率、完美的选择性并实现其应用是手性合成领域发展的挑战问题，如何通过分子设计，实现“配体 - 金属 - 底物 - 环境”之间立体和电子效应的完美匹配是解决上述瓶颈问题的突破口，而手性配体的设计则是实现突破的关键。中国科学院上海有机化学研究所丁奎岭研究员领导的团队发展了具有特色骨架和创新结构的手性螺环壬二烯基膦 - 唑啉配体 SpinPhox 和手性螺缩酮双膦配体SKP及其过渡金属催化剂，在包括C C键氢化和烯丙基胺化等不对称反应中，获得了成功应用，解决了现有催化剂无法解决的选择性和效率问题，为包括重磅手性药物依泽替米贝（Ezetimibe）的合成提供了全新的高效、绿色过程，为多类新型生物活性分子的制备提供了高效新方法。

手性有机小分子和金属联合不对称催化——中科大龚流柱

为了发挥有机小分子和金属催化剂两者的优势，克服单一催化剂体系存在的问题，2001 年项目组报道了手性季铵盐 和钯配合物“协同催化“的不对称烯丙基化反应，这是国际上提出手性有机小分子和金属“联合催化”概念的最早期论文之一。近年来，他们一直致力于这 个领域的研究，取得了一系列重要进展： ①发展了金 / 手性磷酸、δ-Lewis 酸 / 手 性磷酸和钌 / 手性双功能有机小分子等联合催化剂体系，实现了一系列非经典的不对称串联反应。②通过金属 / 有机 小分子“协同”和“接力”催化，初步解决了烯丙基碳 - 氢键不对称官能化反应中的立体选择性控制问题。

低维光功能材料的控制合成与物化性能——中科院化学所赵永生

中科院化学所赵永生研究员在国际上率先开展了低维有机光功能材料的研究，发现了有机体系中的量子尺寸效应，并在此基础上研究了激发态的限域和传播行为，实现了发光调控、光波导与激光、光探测与传感等功能与应用。 1. 阐明了分子间弱相互作用对聚集行为的决定性影响，解决了有机微纳晶的控制合成难题。提出了基于分子间弱 相互作用的有机低维结构的构筑思路； 通过分子设计，利用表面活性剂、化学反应等控制手段，实现了低维微纳结构 的可控合成；创新性地在气相沉积中引入吸附剂控制饱和度，有效提高了低维结 构的均匀性和结晶性。这些高效、可控的制备方法为揭示微观尺度下的光物理化学 过程并探索其应用提供了物质基础。 2. 发现了分子激发态的尺寸限域和 传播现象，实现了有机低维体系的若干新型光功能。首次发现了有机低维材料中的激子限域效应，实现了尺寸依赖的跃迁调控；基于激子限域有效地提高了能量转移效率，在有机低维体系中实现 了发光调控；进而将激子传播与光传播过程相结合，利用一维结构的谐振腔效 应构建了有机纳米激光器；通过设计、 合成特定有机低维结构降低光传输损耗， 实现了有机微纳光波导和光信号调制单元器件，并应用于激光、场发射和光探测等器件。

光学性质单分散的溶液量子点——浙大彭笑刚

浙江大学彭笑刚教授团队提出了一条量子点研究新思路： 作为发光和光电材料，其性质应该由激发态决定。把研究聚焦到溶液量子点的激发态控制后，他们发展 了一系列研究方法，进而证明，单晶性优良的量子点的激发态性质完全决定于表面结构。通过系统研究量子点激发态与表面关系 后，他们发现了一套实验路线来 精确控制量子点表面，并获得了理想的量子点发光材料：荧光量子产率（PL QY）近 100%、峰宽到达本征宽度、光发射通道单一、无单粒子闪烁。 新型量子点和新的研究方法的发现， 使得该团队在基础研究和应用方向上同时获得了重大进展。例如，在基础研究方面，他们回答了困扰量子点领域 20 年的谜团：单颗粒荧光闪烁机理。在应用方面，他们把量子点发光二极管性能大幅提高到接近理论极限、稳定性接近实用水平。

创建低温溶解机理及构筑天然高分子基新材料——武大张俐娜

武汉大学张俐娜教授进行了天然高分子结构、分子尺寸和链构象表征以及天然高分子基新材 料构筑的系统研究，并已取得原始创新性和具有实用价值的科研成果。例如，开创崭新的低温溶解法，实现难溶性纤维素、甲壳素、甚至聚苯胺在 NaOH/ 尿素水溶液等体系中低温溶解，并提出低温下大分子与溶剂形成氢键配体导致溶解的新机理。同时，利用低温溶解的纤维素、甲壳素、壳聚糖和聚苯胺溶液通过物理再生方法构建出一系列新材料 （光、电、磁功能材料、储能材料、生物医用材料、分离与吸附材料等），由此打开了利用可再生的生物质资源构建环境友好材料的“绿色”新途径，并揭示其结构与性能之间的构效关系。

新型纤维状能源器件——复旦彭慧胜

刚性的块状或板状结构已成为能源器件进一步发展的瓶颈问题，如可穿戴设备被认为是下一个全球科技革命的突破口，但目前相对笨重的供能系统无法满足其轻质、柔性、可集成等综合性能要求。复旦大学彭慧胜教授在国际上提出并发展出新型纤维状的太阳能电池、锂离子电池和超级电容器，与通常的平面结构相比具有质量轻、柔性好、可集成等优点，并可通过低成本的纺织技术实现规模化生产，在新能源领域发展了一个新方向。可望带来新的科技革命，改变人们的生活方式。

高活性耐硫 NO_x 选择性催化还原催化剂研究——中科院生态环境研究中心贺泓

柴油车排放 NO_x 是造成大气灰霾、光化学烟雾的重要原因。针对这一难题，中国科学院生态环境研究中心贺泓教授的研究团队研究发现具有氧化还原活性的过渡金属氧化物都是选择性催化还原 （SCR）NO_x 的高效催化剂，催化剂的抗硫性能主要靠其表面酸性调节，并据此设计了重型柴油车用钒基 NH₃- SCR 催化剂，在中国重型汽车集团有限公司等企业建成了催化转化器量产生产线，实现了 40 万台柴油车的规模化应用，取得了显著的社会和经济效 益。进一步研究确认铁钛和铈钨复合氧化物在 SCR 反应中具有极高的催化 活性，阐明了铁、铈氧化物微晶结构是 SCR 反应活性中心。创新制备方法合成高水热稳定性的 Cu 小孔分子筛催化剂并阐明其反常的“快速 SCR”机理，为催化反应体系和催化转化器设计提供了有力的理论依据。新型非钒基 SCR 催化剂在重型柴油车上装车示范应用表明，较现有的钒基催化剂呈现出更优异的活性、热稳定性与耐高空速特性，为满足未来柴油车更高排放标准提供了具有国际竞争力的技术储备。

工程与材料学部

新型磁热效应材料的发现和相关科学问题研究——中科院物理所沈保根

中国科学院物理研究所沈保根研究员等在La(Fe, Si)₁₃ 基化合物、Heusler 合金等材料设计和磁热效应研究方面取得了一系列有国际影响的原创性成果。与普通气体制冷相比，以磁热效应为基础的磁制冷技术，具有绿色环 保、高效节能等优点。高效磁热效应材料的探索不仅涉及一系列重要科学问题，也关系到国家能源战略的需求及可持续发展。探索高效磁热效应材料是几十年来国际上材料研究的重要课题。沈保根团队系统研究了稀土 - 过渡族金属间化合物的结构、磁性和磁热效应，发现了一类新型 La(Fe, Si)₁₃ 基大磁热效应材料，室温磁熵变值超过传统稀土材料 Gd 的2倍，获得了 La(Fe, Si)₁₃ 基材料的核心发明专利，阐明了巨大磁热效应来源于与之相伴的晶格负热膨胀和巡游电子变磁转变行为，提出了寻找大磁热效应材料的判据。 在 Heusler 合 金 NiMnGa 中发现了室温大磁热效应，揭 示了磁弹性和磁热效应的密切关联，证明了大磁热效应来源于磁场对马氏体结构相变的调节。 从理论和实验上研究了 Maxwell 关系用于一级相变体系熵变值的方法，指出了之前的Nat. Mater.、Phys. Rev. Lett. 等论文中报道超大磁熵变的错误，给出了相分离体系磁熵变的确定方法，解决了多年来国际上一直有争议的重要基础性问题。

纳米金属力学行为尺度效应的微观机理研究——中科院力学所武晓雷

金属材料晶粒尺度从通常的几十微米减小至几百、甚至几十纳米时，宏观强度提高了 5 - 25 倍、但均匀拉伸塑性显著降低，归因于从传统位错塑性转变为晶界塑性产生的尺度效应，澄清尺度效应的微结构机理是理解并调控宏观性能的关键科学问题。利用电子显微分析和分子动力学计算模拟研究相结合，从纳米金属的变形微结构形成与演化入手， 发现了孪生变形倾向随晶粒尺度减小的逆尺度效应特性，描绘了纳米金属孪生变形、层错和点阵位错形成等微结构形成、演化和交互作用的新规律以及对材料宏观强韧性能的影响机制。研究成果提供了刻划纳米结构金属力学行为跨尺度力学理论的物理基础，丰富了纳米金属变形物理的内涵。

航天用非连续增强金属基复合材料制备科学研究——上海交大张荻

非连续增强金属基复合材料在航 天等高科技领域占据战略地位。上海交通大学张荻教授领衔的科研团队针对制约该材料发展的复合调控难、界面匹配难、形变加工难三个瓶颈问题开展了复合设计热 / 动力学、界面调控、形变加工机理三方面系统的基础工作，取得的主要基础研究成果为：①建立了金属基复合材料制备过程中的热 / 动力学理论模型。 ②揭示了增强体与基体的复合界面调控规律。③发现并揭示了非连续增强铝基、 钛基复合材料塑性及超塑性形变机理。

热电输运新效应与新型高性能热电材料设计——中科院上海硅酸盐所陈立东

热电转换技术利用半导体材料实现 热能和电能之间直接相互转换。目前， 热电材料的广泛应用受制于其较低的性 能优值和有限的材料体系，通过多尺度 微观结构设计实现电热输运协同调控是 实现高性能热电材料的重大挑战。基于原子分子层次的晶体结构设计与调控， 并通过实验研究与材料计算的高度融合， 揭示了晶体结构 - 电子结构 - 晶格振动等 结构要素之间的本征关联及其对电热输运性能的影响机制；针对多种不同结构 特征的热电材料体系，建立了结构调控与微观设计方法。针对典型孔洞结构方钴矿热电化合物，提出了宽频声子散射机制［图（a）］并设计合成了中温区高性能热电材料，该成果被美国 MIT 等团队誉为里程碑的工作；发现了 Cu2-xSe/S 等快离子导体化合物的类液态热电输运 效应及其微观机制［图（b）］，在多种材 料体系中实现了高热电性能，引发了国际上对该类体系新型热电材料的研究热潮；开发了高效热电器件及其应用技术， 推动了热电材料科学和技术的发展。

声子晶体等人工微结构材料的新效应——南大陈延峰

材料的物理性能不仅取决于材料的 组分，还决定于材料的显微组织。最近 20 多年来，越来越多的研究表明：以光 子晶体 / 声子晶体和超构材料为代表的人工微结构材料，通过有目的的人工设计， 能够获得超越组元材料性质的新颖物性， 实现了均匀材料所没有的，超乎想象的 力、热、声、光、电、磁功能的突破。项目组利用人工微结构设计，对声子、光子能带进行裁剪，在声子晶体 等人工微结构材料方面做出了一系列成果：揭示了声子晶体新颖的折射规律，成功实现声波的单负折射和双负折射效应，以及声波超透镜聚焦成像。发展了一种宽带、无阈值的新型声波二极管原型器件。首次证实了声波异常透射现象和声表面倏逝波，拓展了亚波长材料与器件的研究领域。与加州理工学院合作在Si基光子芯片中观察到宇称 - 时间反演自发对称破缺现象，实现了 1.55 微米通信波段光波的单向传播与调控。研制了ZnO分布于无铅压电材料晶界处的0-3型微结构材料，解决了长期以来制约无 铅压电材料实用化的热退极化问题。

航空航天用高性能碳 / 碳复合材料基础理论与应用——西工大李贺军

碳 / 碳复合材料属战略性高技术材 料，是先进空天飞行器及其动力系统不可或缺的关键材料。近年来，高技术武器装备的跨代发展尤其是多个国家重大专项对碳 / 碳复合材料提出了更高温度、更抗冲刷、更长时间的严酷环境使用要求。研究团队针对影响该材料应用的一系列关键科学问题，揭示了不同织构热解炭形成机制，实现了基体热解炭的微结构精细调控，以 T300 碳纤维预制体制备出室温弯曲强度超过 500MPa、1700℃弯曲强度达 800MPa 的碳 / 碳复合材料。揭示了原位定向纳米管 / 线结构形貌控制与增强增韧机理，发展了微纳多尺度增强增韧方法， 实现了材料强度与韧性的同步提高，满足了航空航天领域特殊热结构件的苛刻性能要求。揭示了涂层高温防护、自愈合与氧 化失效机理，开拓了多相镶嵌、自愈合及纳米线增韧等多种涂层体系设计及制备方法，解决了涂层与基体界面相容性难题， 使涂层在空气环境中防护寿命达 1500℃、 1480h，1600℃、900h，在1600℃燃气风洞冲刷环境下的防护寿命超过300h，为该材料在航空航天热结构热防护部件上的应用奠定了基础。

节油轮胎用高性能橡胶纳米复合材料的设计及制备——北化工张立群

“节油、 安全” 已成为汽车轮胎的发展趋势，高性能橡胶纳米复合材料（RNC）是发展节油安全轮胎的关键。发展新型无机纳米填料的低成本纳 米分散方法解决纳米填料的分散与界面 调控难题，一直是困扰橡胶纳米复合材料规模化制备及应用的瓶颈。北京化工大学张立群教授团队在节油轮胎用 RNC 的设计与制备方面取得了重要成果。团队率先将分子模拟方法引入到复杂的橡胶复合材料体系的研究中，在纳米填料的分散与聚集、纳米复合材料的界面及非线性黏弹性等方面取得了重要的理论成果；发明了水相纳米解离 - 改性 - 乳液共混共凝聚技术，开发了原位改性熔体分散技术，解决了不同纳米填料在橡胶中的纳米分散与界面调控的难题，进而开发了高性能的轮胎气密层用层状硅酸盐 RNC、胎面用高填充纳米二氧化硅 RNC、钢丝圈三角胶用纳米短纤维 RNC，实现了规模化制备，研制出达到国际最好水平的节油安全轮胎 (B/A 级 )， 产品 80%以上出口。国际权威汽车杂志德国 AUTO BILD 对全球50个著名品牌轮胎测评，采用本成果生产的节油轮胎与米西林轮胎同获“最优”评价。本成果为我国轮胎行业应对欧盟轮胎标签法、各种贸易技术壁垒具有重要的支撑引领作用。

实现高效率有机 / 聚合物太阳电池的新型聚合物材料及器件结构——华南理工曹镛

华南理工大学曹镛教授团队面向我国在新能源领域的重大需求，在推动本领域的发展中做出了若干原创性的贡献。团队设计和合成了几类兼具高载流子迁移率、宽吸收光谱、合适能级、可溶液加工等诸多优良特性的聚合物光伏材料；研制出新型水 / 醇溶性共轭聚合物作为太阳电池电 极 / 活性层界面调控层 , 开辟了一种实现器件开路电压及整体性能大幅提升的新途径。团队在国际上率先相继将单结聚合物太阳电池的能量转换效率提高到 8%、9% 以上，并在2015年公开报道了10%以上的效率。

通用高分子材料的无卤阻燃高性能化——川大王玉忠

四川大学王玉忠教授通过阻燃机理及构效关系研究，提出和发展了一些新的阻燃原理和技术。例如： 提出了液晶高分子材料原位成纤增强阻燃的学术思想，发明了同时实现阻燃与增强的全新阻燃技术，解决了添加传统阻燃剂会导致高分子材料力学性能下降的难题；提出了炭源和气源一体化的膨胀阻燃体系设计思想 , 发明了含氮超支化成炭剂及其构成的新型膨胀协同阻燃 体系，解决了难炭化高分子材料体系的无卤阻燃高效化难题；发现了次膦 / 磷 酸盐取代基影响其阻燃作用的规律与机 制，据此发明的复合与杂化协同阻燃体 系用于纤维增强复合材料体系的阻燃，在通过对本体的气相 / 凝聚相阻燃作用的同时，还会在纤维表面形成凹凸不平炭化层阻止纤维导流作用，从而解决了“烛芯效应”难题。

生态环境材料与制备工程——北工大聂祚仁

以多元系复杂金属盐溶液单元配合与沉淀作用，研究组构建了多金属选择性“配 合 - 沉淀”体系热力学模型，预测分离行为及形式；揭示了再生金属结构缺陷产生及抑制规律，确定分解和稳定的临界条件，实现了再生粉体结构性能修复（XRD 峰的半高宽相差近 3 倍）和活化、特殊粉末成型；提出了控制稀土盐分解与仲钨酸铵分解匹配的多元稀土钨复合新途径并优化获得最佳参数，突破稀土钨深加工材脆性瓶颈。

信息学部

新型氮化镓基异质结构材料与高效能电子器件研究——电子科大郝跃

西安电子科技大学郝跃教授及其团队围绕 GaN 基电子器件领域的关键基础科学与技术问题开展深入探索， 取得了系统的创新性成果。主要创新成果如下： 1. 基于所发现的 GaN 外延薄膜中位错倾斜-聚团-快速湮灭的新机制，提 出了一种二维 - 三维生长模式交替的冠 状生长方法，实现了极低位错密度的 GaN 外延材料，1.7μm 薄膜位错密度低至 5×10⁷ cm^-2 ，比传统方法改善了近2个数量级。 2. 提出并实现了气源分时输运的脉 冲式 MOCVD生长方法与核心设备，解决了AlGaN、InAlN 等多元氮化物半导体材料无法高质量共融生长的难题， 实现了国际同期最高质量的 InAlN 和 AlGaN 材料。 3. 突破了高温、高压下GaN 异质结构中高密度二维电子气溢出的难题，成功实现了新型GaN双异质结构和多沟道GaN异质结构，将器件工作电压提高了1倍，高温下的电子迁移率提高了近2倍。 4. 基于低缺陷新型 GaN 异质结构材料， 结合所提出的浮空场板和新型绝缘栅技术，研制出高效率的Ga微波功率器件，73% 的功率附加效率为同期国际最高水平，被誉为是过去十多年GaN电子器件领域三项最具代表性成果之一。

氮化镓单晶衬底材料的生长物理和装备技术研究——中科院苏州纳米所徐科

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所徐科研究员等围绕 GaN 单晶材料生长方 法和装备技术、应力和缺陷控制、材料物理和掺杂机理等开展了系统研究，在自主研制的设备上开发出高质量 2 - 4 英寸 GaN 单晶衬底成套制备工艺技术。 主要创新成果如下： 1. 自主研制成功 GaN 生长的氢化物气相外延 (HVPE) 装备，开发了GaN单晶衬底的成套工艺技术，研制成功 2 -4 英寸GaN单晶衬底。 2. 深入研究了GaN材料中的位错滑 移和增殖机理，发现 GaN 材料中位错的运动规律，在此基础上设计了图形界面、开发了 GaN 纳米柱技术，将 2 英寸 GaN 单晶位错密度降低到 10³ cm^-2 。 3. 开展了电学性能掺杂调控的研究， 获得了背景电子浓度接近 10¹⁵cm^-3 、室 温迁移率大于 1100cm² （/ V•s）的非掺杂 GaN 单晶材料；通过 Si 掺杂实现了 n 型 高电导率 GaN，通过 Fe 补偿掺杂实现 了半绝缘 GaN 单晶材料的制备；揭示了单根位错对载流子少子寿命的影响机理， 为各类高性能 GaN 基器件研制和应用研究奠定了坚实的材料基础。 4. 研制的 2 英寸 GaN 单晶衬底实现成果转化，目前全球用户达到 200 余家， 主要用于我国蓝光激光器、绿光激光器、 超高亮度 LED、高能探测器、功率电子器件，推动了氮化镓同质外延技术的产业发展。

基于超材料的太赫兹功能器件研究——天大张伟力

天津大学太赫兹研究中心张伟力教授团队利用超材料及石墨烯等国际前沿热点研究方法，在新型太赫兹功能器件的研究中，取得了多项突破性进展。主要创新成果如下： 1. 提出大尺寸三维太赫兹隐身方案， 从实验上实现了大尺寸、宽带的太赫兹隐身器件。隐身区与整体隐身结构的体积比为 0.05∶1，比国际上报道的微结构太赫兹隐身器件高出一个量级，且其构成材料来源广泛，具有重要的应用前景。 2. 利用二维石墨烯材料，提出了基于石墨烯和半导体复合结构的太赫兹波调控的新方法，在低功率连续激光和低电压（0.1 -4V）的双重激励下，实现了对太赫兹信号的大幅调制，调制深度 高达 83%，带宽覆盖了 0.4 -2 THz 范围。该器件的特征可类比电学中的“二 极管”效应，为太赫兹二维材料和主动控制器件的发展奠定了重要基础。 利用人工微结构，提出了太赫兹相位突变的控制方法，在太赫兹波段实现了平面型太赫兹异常偏折器件，偏折角度为 25° -84°。在此基础上，又实现了奇异全波带菲涅尔波带片。该研究为太赫兹空间波调制器的发展提供了重要的理论和实验基础。

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