先进材料的力学设计与三维组装

材料是人类文明进步的基石，是工程技术革新的核心支撑。航空航天、生物医学、智能机器人等前沿领域对新型材料的性能要求日益苛刻，迫切需要发展兼具优异力学性能与多功能特性的新一代材料。传统材料研发高度依赖经验试错，力学分析多作为事后验证与性能表征的辅助手段，难以从原理层面引领新材料体系的源头设计。随着先进计算与高通量制备技术的迅猛发展，材料研发模式正加速从经验试错向理性设计转型。力学作为揭示构效关系、提供设计原理与理论基础的核心学科，正逐步在新材料理性设计中发挥主导与引领作用。经力学定向设计的块体材料，其综合性能可突破组分材料本征性能极限，媲美甚至超越部分天然生物材料，实现诸如高强度与高韧性、刚性承载与柔顺变形等互斥性能的协同与优化。然而，这些具有超常或反常性能的材料往往具有复杂精细的内部结构，难以通过传统制备方法实现可控构筑。

课题组围绕先进材料的定向设计与制造难题，致力于发展多尺度力学理论与数字化三维组装技术，为新材料及其引导的新型器件的机理创新、结构设计与工程实现提供科学基础与技术支撑。主要研究内容如下：

（1）材料变形与失效的力学机理：建立制造缺陷力学演化模型，阐明界面结合、孔洞演化、裂纹扩展的内在机理及其跨尺度传播规律；发展非线性均匀化方法，揭示三维组装材料的微结构特性对宏观性能的调控机制。

（2）数字化三维组装技术：探索多材料界面兼容与跨尺度结构一体化的新型组装策略，拓展可制造材料体系与结构复杂度边界；同时开发配套成形装备及工艺-力学耦合数值仿真工具，为机理研究与材料设计提供可靠的制造与验证平台。

（3）新型材料与功能器件设计：依托前述力学机理认知与自研制造手段，构建材料逆向设计与结构生成算法，尝试开发性能可编程材料与功能可调控器件，支撑复杂工程场景应用需求。