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中国科学技术大学工程科学学院张忠教授课题组招收本科生（大学生研究计划）、推免研究生（含硕博连读）、博士后、特聘研究助理、聘期制特任副研究员（有竞争力薪酬福利），欢迎具有力学、材料学、高分子物理及相关学科背景，同时致力于纳米复合材料研究和应用的感兴趣者联系我们。课题组搭建了齐备的微纳米实验力学、纳米复合材料制备和表征设备和实验条件。

导师简介

张忠，中国科学技术大学工程科学学院近代力学系，教授，博士生导师。分别于1990、1996、1999年在中国科学技术大学近代力学系获固体力学学士、硕士和博士学位，于1997-1998年在德国卡尔斯鲁厄研究中心和英国卢瑟福实验室联合培养。2000年德国洪堡学者，2001年获德国政府在洪堡基金会首次设立的Sofja Kovalevskaja Award青年科学家奖，在凯撒斯劳滕大学复合材料研究所组建了独立的研究小组。2005年回国在国家纳米科学中心从事科研工作，曾任中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室主任，北京市纳米材料工程技术研究中心副主任。2022年起任中国科学技术大学工程科学学院近代力学系教授。

主要从事纳米复合材料力学、结构功能一体化纳米复合材料应用研究。承担了国家自然科学基金重大项目课题、基金重点项目、科技部纳米重大研究计划课题、重点国际合作项目和中科院纳米先导A计划项目等。带领团队研发了具有长效超疏水特性的纳米复合防污闪涂层材料、具有极限光吸收特性的纳米复合超黑材料，实现了工程化应用，取得了社会效益和经济效益。

2012年获国家杰出青年科学基金资助，曾获“中国科学院先进工作者”荣誉称号，入选国家百千万人才工程，被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉、享受国务院政府津贴。共发表学术论文250余篇，他引超万次，H因子55，授权/申请发明专利50余项。多次应邀在重要国际学术大会做大会特邀报告和邀请报告。担任国际复合材料领域知名学术期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (IF=7.664)中国区主编，《固体力学学报》副主编，是Acta Mechanica Sinica, Composites Science and Technology, Journal of Composite Materials, Tribology International，《复合材料学报》等国内外学术期刊编委。

研究方向

研究团队建立了微纳尺度界面力学研究新方法，揭示了跨尺度力学传递规律，提出了纳米复合材料构筑新思想，创制了结构功能一体化材料体系，特别是工程化制备的纳米复合超黑材料，实现了空间卫星应用的突破，推动了纳米复合材料领域的发展。具体研究方向如下：

1.低维纳米材料界面力学

低维材料因尺度减小和维度降低而展现出新奇的力学行为。理解并调控低维材料的力学特性及界面行为是固体力学研究的核心科学问题之一。考虑到低维材料在加载测试过程中面临的诸多挑战，该研究方向着眼于建立基于高分辨电镜、光谱、探针等技术相结合的实验测试平台，发展高精度的实验力学测试技术和方法，研究低维纳米材料体系在多种变形模式下的界面力学行为，实现关键力学参量的精确测量。

发展了微孔鼓泡-拉曼光谱-扫描探针联用的微纳力学测试技术，实现对石墨烯变形可控的力学加载，利用探针技术监测孔内石墨烯鼓泡变形，通过拉曼光谱表征孔外界面剪切变形，结合理论计算获得双层石墨烯层间的剪切作用力这一关键力学参量。界面剪切变形对于石墨烯鼓泡变形的影响得以量化，实现石墨烯杨氏模量的准确测量。

基于微孔鼓泡技术，测量了不同多层二维材料的弯曲刚度。由于层间范德华界面剪切变形和滑移影响，材料本征力学参数弯曲刚度和杨氏模量表现为独立力学参量，传统薄板理论中弯曲刚度与厚度关系不再适用。通过引入层间耦合因子，实现了层间剪切/滑移对于材料弯曲变形行为及力学性能影响的定量化表征。

发展了毛细力辅助二维材料转移技术，实现了转角双层石墨烯的制备。通过引入水等介质构筑石墨烯纳米液泡，发现在探针力的激励下石墨烯范德华界面表现出自清洁现象。提出了边缘失稳状态下的相邻液泡之间“长程”作用诱导的液泡自发融合机制。研究揭示了不同于传统奥斯特瓦尔德熟化机制下二维材料弹性能对融合过程的影响。

1.1 Elastocapillary cleaning of twisted bilayer graphene interfaces. Nat. Commun., 2021. 12: 1-9.

1.2 Preparation of twisted bilayer graphene via the wetting transfer method. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020. 12: 40958-40967.

1.3 Bending of multilayer van der Waals materials. Phys. Rev. Lett., 2019. 123: 116101.

1.4 Strain engineering of two-dimensional materials: Issues and opportunities at the interface. Adv. Mater., 2019. 31: 1805417.

1.5 Measuring interlayer shear stress in bilayer graphene. Phys. Rev. Lett., 2017. 119: 036101.

2.纳米复合材料界面力学

结构功能一体化与跨尺度是先进复合材料的重要标志。碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料具有优异的力、电、磁、光、热等特性，是理想的增强相和功能相。碳纳米结构和聚合物基体间的弱界面作用是影响碳纳米复合材料力学性能的关键因素。研究团队搭建了原位拉伸、压缩、弯曲三种形变模式下的拉曼光谱测试系统，基于界面失效和破坏模式的统计分析，揭示了碳纳米复合材料载荷传递规律以及界面行为与宏观力学性能间的定量化关联。

通过带缺口样品紧凑拉伸实验测试复合材料断裂韧性，采用结构和材料属性较均一的碳纳米管作为增强相，同步进行对映截面断口分析，统计了数千根碳管的失效模式，建立了界面作用对复合材料失效的影响规律；引入碳管在裂纹尖端的桥连作用，可抑制裂纹扩展。研究表明碳管和环氧界面的弱相互作用使得失效多以碳管拔出为主；适度表面修饰可有效提高界面作用，碳管失效多以滑移-断裂为主，断裂韧性大幅提高。

利用显微拉曼实现石墨烯/高分子界面在轴向拉伸过程中的原位观测，基于非线性剪滞模型，获取界面的剪切强度。通过原位显微拉曼光谱特征峰位移动测量局域应变，定义微米尺度碳纳米结构平均应变与复合材料宏观应变的比值为“应变传递因子”，以定量化评估界面载荷传递效率，解析复合材料失效模式，实现强韧化设计。

2.1 Degradation and recovery of graphene/polymer interfaces under cyclic mechanical loading. Compos. Sci. Technol., 2017. 149: 220-227.

2.2 Tuning the interfacial mechanical behaviors of monolayer graphene/PMMA nanocomposites. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016.8: 22554-22562.

2.3 Mechanical behavior and properties of hydrogen bonded graphene/polymer nano-interfaces.Compos. Sci. Technol., 2016. 136: 1-9.

2.4 Biaxial compressive behavior of embedded monolayer graphene inside flexible poly (methyl methacrylate) matrix. Carbon, 2015. 86: 69-77.

2.5 Fracture mechanisms of epoxy filled with ozone functionalized multi-wall carbon nanotubes.Compos. Sci. Technol., 2011, 72: 7-13.

3.碳纳米材料宏观聚集体力学性能的优化设计

单壁碳纳米管轴向和单层石墨烯面内的力学性能接近完美石墨片层理论值，如何通过多级次构筑将其传递到宏观尺度，一直是碳纳米复合材料领域最关注的科学问题。基于原位拉曼光谱技术，采用“应变传递因子”定量化评估复合材料界面载荷传递规律，提出高强韧纳米复合材料的结构设计原则，所发展的材料制备方法有效克服了传统纳米复合材料加工过程中遇到的基体粘度、分散性、取向性等难题。

构建了连续碳纳米管骨架结构，有效保证了碳管间应力传递。通过高分子浸渗策略制备了互穿网络复合纤维，碳管体积含量高达50%，突破了传统工艺技术的制约。得益于聚合物与碳管分子尺度耦合，复合纤维“应变传递因子”显著提高，断裂韧性和耐压缩性能远超传统纤维，且兼具优异的导电导热特性，充分展现了碳管作为增强相与功能相的潜力。

受自然界生物体贝壳独特的砖泥结构启发,以氧化石墨烯作为构筑单元，自下而上组装制备了具有多级次结构的氧化石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜。通过构建共价交联、协同氢键调控氧化石墨烯层间相互作用，实现了应力连续传递，获得了强韧兼备的层状纳米复合薄膜，其拉伸强度和断裂韧性均远优于天然贝壳，充分体现纳米复合材料力学设计的优势。

3.1 Lightweight and anisotropic porous MWCNT/WPU composites for ultrahigh performance electromagnetic interference shielding.Adv. Funct. Mater.,2016. 26: 303-310.

3.2 Hierarchical graphene based films with dynamic self-stiffening for biomimetic artificial muscle. Adv. Funct. Mater.,2016. 26: 7003-7010.

3.3 The effect of interlayer adhesion on the mechanical behaviors of macroscopic graphene oxide papers. ACS Nano, 2011. 5: 2134-2141.

3.4 Axial compression of hierarchically structured carbon nanotube fiber embedded in epoxy. Adv. Funct. Mater., 2010. 20: 3797-3803.

3.5 High-strength composite fibers: realizing true potential of carbon nanotubes in polymer matrix through continuous reticulate architecture and molecular level couplings. Nano Lett., 2009. 9: 2855-2861.

4.结构功能一体化纳米复合材料工程化应用

纳米复合材料力学设计和微纳界面力学研究的基础研究成果有力支撑了研究团队和国家电网、中国商飞、空中客车、德国拜耳、西门子、赢创德固赛、默克、日本三菱等世界五百强企业多个合作研发项目，优化设计并制备了多种高性能、多功能纳米复合材料体系，部分成果已实现产业化应用，取得了社会效益和经济效益。

研制了新型电力防污闪纳米复合室温硫化硅橡胶材料，充分发挥纳米集成技术优势，全面提高涂层材料憎水性、耐电痕、耐老化、附着力等综合性能。将其涂覆于瓷绝缘子表面，可有效地减少灰尘和水滴的吸附，大幅度提高抗污闪电压和污秽条件下的击穿电压电力。该防污闪纳米复合涂层材料在服役条件下保持超疏水性能超过十年，实现了产业化应用，获得了社会和经济效益，成果入选建国七十周年中科院创新成果展。

基于碳纳米材料本征吸光和微纳复合结构多重反射吸光协同效应机制，研究团队成功研制的纳米复合超黑材料，在紫外-可见-近红外实现了99.6%的光吸收特性，超过国际同类技术，并实现了大面积工程化制备，服役性能全面满足空间极端环境需求。已成功应用于2021年4月9日发射的试验六号03星和2021年11月5日发射的可持续发展科学卫星1号微光相机，大幅提升了卫星光学系统暗弱目标的探测能力，在深空探测领域具有重大应用前景。

人才培养

研究团队注重全方位育人，尊重学生兴趣志向，激发学生潜能，为每个学生量身打造培养方案。已培养博士毕业生32人，硕士毕业生21人，本科毕业生20余人。其中博士毕业生获中科院院长优秀奖1人次，中科院优博1人次。近五年来，在读研究生获国家奖学金2人次。硕博士研究生主要毕业去向包括：美国伊利诺斯州立大学香槟分校、得克萨斯州立大学奥斯汀分校、加拿大多伦多大学、澳大利亚悉尼大学、新加坡南洋理工大学、香港科技大学、香港城市大学、北京航空材料研究院、中石化等国内外知名高校、科研院所和龙头企业。

联系方式

单位：中国科学技术大学工程科学学院近代力学系

地址：中国科学技术大学西校区力五楼4层

电话：0551-63601243

邮箱：zhongzhang@ustc.edu.cn