功能驱动的仿生结构多材料构件激光增材制造基础研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51735005
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    300.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0508.成形制造
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The realization of multi-material distribution and multiple functions in the complex integral components is a new development direction of additive manufacturing technology. Nevertheless, due to the constraint of multi-function, the coupling rules of multi-scale structure and multi-material distribution are complex, causing a significant difficulty in achieving the goal of multi-function for the integral components. Considering the extremely harsh outer space environment and the multi-functional requirements of Mars Lander such as heat insulation/heat protection, shock absorption/impact resistance, and anti-radiation hardening, this project obtains the biological inspiration from the shell of Crysomallon squamiferum, the bubble of water spider, and the lobster eyes. The mapping relation and corresponding scale effect between bionic structures and functions are studied and the topology optimization design methods for the macro/micro large scale-span bionic functional structures are established. Based on the multi-material design of the ceramic/Ti-alloy laminated composite material and the carbon nanotubes (CNTs) reinforced Al-based nanocomposite material, the multi-scale interface effect and function regulation mechanism of laser additive manufactured multi-material components are studied. The synergistic evolution mechanisms among the microstructure of multi-material during laser processing (microscale), the melting behavior of powder particles (mesoscale), and the stress and deformation of bionic structures (macroscale) are established, so as to disclose the macro/micro multi-scale coordinated control principles of structures and properties. The evaluation, verification and integrated optimization methods for functions of bionic-structured multi-material components are proposed. Combined with the application background, the exploration of laser holistic manufacturing of multi-functional components is performed, providing key technology and scientific theory for the realization of material - structure - function integration for bionic components.
复杂整体构件实现多材料布局及多功能化是增材制造技术新的发展方向;但多功能约束下多尺度结构与多材料分布的耦合规律复杂,造成整体构件多功能化目标实现困难。本项目面向空间严苛环境下火星探测着陆器对隔热/防热、减震抗冲击、抗辐射加固等功能需求,基于鳞脚蜗牛壳、水蜘蛛水泡、龙虾眼等生物启迪,研究仿生结构与功能的映射关系及尺度效应,建立宏/微大跨尺度仿生功能结构拓扑优化设计方法;基于陶瓷/钛合金层状复合材料、碳纳米管增强铝基纳米复合材料等多材料设计,研究激光成形多材料构件的多尺度界面效应及功能调控机制;建立激光作用下多材料显微组织(微观)、粉末颗粒熔化行为(介观)、仿生结构应力与变形(宏观)的协同演变机制,揭示宏/微多尺度协调的形性控制原理;建立仿生结构多材料构件功能评估验证及集成优化方法,结合应用背景开展多功能构件激光整体制造工艺探索,为实现仿生构件的材料—结构—功能一体化提供关键技术及科学理论。

结项摘要

本项目以航空航天领域复杂整体金属构件多功能化为目标,面向轻量化、承载、隔热/防热、减震抗冲击等多功能需求,系统开展了仿生金属结构设计与优化、多材料激光成形及界面调控、激光增材制造控形与控性以及典型功能验证与应用评价等方面研究,实现了基于仿生概念的多材料构件激光增材制造的结构—材料—工艺—性能一体化调控。主要研究成果如下:(1)构建了基于仿生概念的宏/微跨尺度功能结构优化设计及增材制造方法,包括:面向轻量化及减震/抗冲击功能,建立了仿水蜘蛛网壳结构、仿甲虫翅鞘双曲面结构、仿螳螂虾尾节多层级波纹结构等多杆类、点阵类、波纹类仿生结构优化设计与增材制造方法;面向承载和隔热/防热功能,揭示了仿挪威雪杉承载-热防护梯度多孔结构激光增材制造一体化成形机制;面向形状记忆功能,提出了NiTi合金仿马鞍藻鞍状点阵结构、仿黄道蟹蟹钳微孔结构等仿生设计与增材制造功能构筑方法;面向光聚焦功能,构建了激光增材制造仿龙虾眼异形周期性多通道微阵列结构编译机制及功能构筑原理。(2)揭示了轻合金基多材料仿生构件激光增材制造跨尺度工艺调控及优化机制,包括:发现了激光增材制造过程中刮刀、喷嘴等粉末输运装置与粉末颗粒相互作用规律,揭示了介观尺度粉末-激光瞬态作用及能量吸收传导机制,建立了轻合金基多材料激光增材制造熔池熔体润湿铺展行为的局部能场调控方法,明晰了多材料激光粉末床熔融成形过程强化相组织和异质界面应力演变规律与控制方法。(3)明晰了激光增材制造陶瓷/金属层状复合及金属基纳米复合多材料成形工艺及性能,包括:揭示了仿生层状陶瓷/金属多材料、碳纳米管改性钛基/铝基多材料、梯度界面金属基复合材料激光增材制造形性调控及强韧化机制,建立了高性能金属基多材料构件的界面结构–凝固组织–激光工艺–力学性能的一体化调控方法;建立了稀土原位改性高强铝合金、陶瓷改性金属基复合材料的承载/耐腐蚀/超疏水/高温抗氧化等多功能一体化激光增材制造方法,明晰了激光打印参数及能量密度、成形显微组织特征及各向异性、熔池润湿行为及表面形貌等对激光成形件多功能集成的作用规律。本项目构筑了多功能多材料仿生构件的材料–结构–性能一体化增材制造的科学原理、实现路径与调控方法。

项目成果

期刊论文数量(70)
专著数量(1)
科研奖励数量(13)
会议论文数量(0)
专利数量(45)
Relation of thermal behavior and microstructure evolution during multi-track laser melting deposition of Ni-based material
镍基材料多道激光熔化沉积过程中热行为与微观结构演化的关系
  • DOI:
    10.1016/j.optlastec.2018.06.042
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
    OPTICS AND LASER TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Du, Lei;Gu, Dongdong;Xia, Mujian
  • 通讯作者:
    Xia, Mujian
Thermal behavior and fluid dynamics within molten pool during laser inside additive manufacturing of 316L stainless steel coating on inner surface of steel tube
钢管内表面316L不锈钢涂层激光内增材制造过程中熔池内的热行为和流体动力学
  • DOI:
    10.1016/j.optlastec.2021.106917
  • 发表时间:
    2021-06
  • 期刊:
    Optics & Laser Technology
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Xinyu Shi;Dongdong Gu;Yanze Li;Donghua Dai;Qing Ge;Yixuan Sun;Hongyu Chen
  • 通讯作者:
    Hongyu Chen
Multi-material additive manufacturing of a bio-inspired layered ceramic/metal structure: Formation mechanisms and mechanical properties
仿生层状陶瓷/金属结构的多材料增材制造:形成机制和机械性能
  • DOI:
    10.1016/j.ijmachtools.2022.103872
  • 发表时间:
    2022-02
  • 期刊:
    International Journal of Machine Tools and Manufacture
  • 影响因子:
    14
  • 作者:
    Rui Wang;Dongdong Gu;Kaijie Lin;Caiyan Chen;Qing Ge;Deli Li
  • 通讯作者:
    Deli Li
Selective laser melted TiB2/Ti6Al4V graded materials and first-principle calculations
选区激光熔化TiB2/Ti6Al4V梯度材料及第一性原理计算
  • DOI:
    10.1016/j.matlet.2019.07.015
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Materials Letters
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Rui Wang;Dongdong Gu;Lixia Xi;Kaijie Lin;Meng Guo;Hongmei Zhang
  • 通讯作者:
    Hongmei Zhang
Laser absorption behavior of randomly packed powder-bed during selective laser melting of SiC and TiB2 reinforced Al matrix composites
SiC 和 TiB2 增强铝基复合材料选区激光熔化过程中随机堆积粉末床的激光吸收行为
  • DOI:
    10.1016/j.optlastec.2019.105600
  • 发表时间:
    2019-11-01
  • 期刊:
    OPTICS AND LASER TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Gu, Dongdong;Yang, Ying;Xia, Mujian
  • 通讯作者:
    Xia, Mujian

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其他文献

选区激光熔化工艺参数对燃料电池316L不锈钢双极板性能的影响
  • DOI:
    10.3901/jme.2021.09.167
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    林开杰;董伟菘;顾冬冬;全景峰;乔竞驰;王超超
  • 通讯作者:
    王超超
某拱坝基础垫层温度应力场仿真分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    水电能源科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    顾冬冬;张晓飞;简威;黄宇
  • 通讯作者:
    黄宇
激光增材制造拓扑优化轻量化圆锥构件力学性能研究
  • DOI:
    10.16080/j.issn1671-833x.2022.14.101
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    航空制造技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    林开杰;吴立斌;杨建凯;张晗;顾冬冬
  • 通讯作者:
    顾冬冬
碾压混凝土拱坝温度应力场仿真研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    水利与建筑工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张晓飞;顾冬冬;简威;丁陆军
  • 通讯作者:
    丁陆军
水利水电技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    底孔坝段温度应力场仿真研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄 宇;张晓飞;顾冬冬;王晓平;王双敬
  • 通讯作者:
    王双敬

其他文献

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AI技术路线图

顾冬冬的其他基金

学术交流类:第八届先进设计制造青年论坛
  • 批准号:
    52342501
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    10 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
激光成形颗粒增强镍基高温合金多相复合与梯度界面协同强韧化机理
  • 批准号:
    51575267
  • 批准年份:
    2015
  • 资助金额:
    65.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
金属基复合材料纳米陶瓷增强相选区激光熔化可控生长机制
  • 批准号:
    51104090
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
具有梯度界面的金属基纳米复合材料直接激光烧结成形研究
  • 批准号:
    51054001
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 批准年份:
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相似海外基金

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知道了

AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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