一、电磁固体的变形与断裂

电磁固体的多场耦合力学研究是固体力学的前沿研究领域，该领域的研究推动了力学多场耦合基础理论的创新，也促进了工程技术应用。本项目针对电磁固体的电/磁致变形与断裂进行了系统深入的研究，在理论、计算、实验三方面获得了一批创新性的成果。

该成果的主要内容包括：

（1）电磁固体变形与断裂的科学实验手段及原创实验发现；

（2）电致疲劳理论及机理；

（3）电磁固体的多场耦合断裂理论及机理；

（4）电磁固体的多场耦合变形理论及机理。

方岱宁院士建立了具有自主知识产权电磁固体变形与断裂的实验表征方法与科学实验测试手段，取得了一批原创性实验发现与首次报道的实验成果；首次建立了一个磁致断裂的小范围屈服理论模型和磁致伸缩材料的基于畴转密度的本构模型；在国际上首次获得实时观测铁电单晶裂纹尖端畴变形貌及演化过程；原创地提出了一个两次90 度翻转的畴变判据。

刘彬教授和方岱宁院士合作，首次提出了电致疲劳裂纹扩展的Paris 定量公式，率先在国际上揭示了贯穿自然裂纹的铁电材料试件低电场下微裂纹形成与高电场下主裂纹扩展的两种电致疲劳失效机制。

黄克智院士创新建立了磁致伸缩材料基于畴转密度的本构模型，实验与理论研究均表明，基于畴转密度的本构模型能基本反映稀土超磁致伸缩材料的三个特点。

该成果发表专著1 部，SCI论文109 篇，SCI总引用907 次（至2010年3月），其中SCI他引713次。两人次获得全国优秀博士学位论文。

2010年获得国家自然科学二等奖，2008年获得教育部自然科学一等奖。

二、基于力学交叉的医疗器械与安全防护

在大众健康方面，非传染性重大疾病（如心脑血管疾病、癌症、糖尿病、帕金森病等）已成为当前社会面临的全球性医疗危机；在现代战争中，爆炸冲击波超压造成的脑损伤和肺损伤也已成为单兵生存面临的主要战场威胁。解决上述问题的有效途径是一方面设计可与人体或人体组织生物集成的可延展柔性新型器件动态、实时监测传输生理信息；一方面可通过设计新型材料和结构对人体重要器官进行有效防护。瞄准这些重大需求，取得以下创新性成果：

（1）将载人航天高技术应用在医疗器械领域，开拓了神经调控研究方向，研制成功了国内第一个治疗帕金森病的植入式脑深部刺激器--脑起搏器，使我国成为继美国之后，全球第二个能够设计生产制造脑起搏器并将其应用于临床的国家；发明碳纳米植入电极、脑起搏器软件重植等技术，建立了与脑起搏器相关的神经调控技术自主知识产权体系；围绕载人航天重大工程的需求，开展了围绕航天员选拔、训练、医监医保方法、技术与系统研究，发明的模拟发射超重负载的胸腹部柔性加载方法，成功应用于航天员训练和第二批航天员选拔，为三次成功的载人航天飞行做出了贡献。

（2）基于力学原理，提出微器件可延展柔性设计方法及定量转印集成方法，制备出不同功能的可延展柔性微器件，并建立了柔性器件结构失效评估手段。利用转印方法自主设计并制备出的一系列超薄可延展柔性微器件实现与人体自然贴合无异物感，如柔性压电传感器件、类皮肤的柔性温度传感器件、柔性心电传感器、类皮肤的柔性光电血氧传感器。作为第一或通讯作者，相关结果发表在Langmuir、Soft Matter、ACS Nano等高影响期刊，被Nature Photonics、 Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、MRS Bulletin、Nano Letters等期刊引用。著名微电子学家Goran Stemme教授（IEEE Fellow）在其2011年发表于IEEE的综述文章中把该方法列为微纳电子器件异质结构集成方法之一。签于在可延展柔性器件领域的工作积累，冯雪于2014年作为首席科学家获得国家基础研究发展计划（973）立项资助（项目号：2015CB351900），展现了力学在多学科交叉创新中的驱动作用。

（3）针对现代战争战场单兵防护能力不断提升的迫切需求，开展新型复合材料防护冲击波机理、设计制备及生物防护效能评估等基础研究。重点揭示了多结构相聚合物复合材料防护宽频段爆炸冲击波机理，研究爆炸冲击波能量耗散和传播规律，并通过亚波长微结构设计，降低超压峰值、过滤高频波、改变波传播方向，实现对冲击波能量的显著衰减，大幅降低战场伤亡，为研制新一代单兵防护装备提供理论基础和技术支撑。以此研究为基础，庄茁作为首席科学家获得国家安全基础研究发展计划（973）立项资助（项目号：613307），突出了力学在多学科交叉创新中的导引作用。

三、微纳米力学与表面超润滑研究

随着人造材料、结构和器件的微型化，微/纳米尺度的力学行为逐渐进入了研究者所关注的热点之一。微/纳米尺度带来了一系列大尺度下所没有或可忽视的效应。如比表面积极大而引起的表面能和表面层效应、摩擦、粘附、浸润和表面输运，微米纳米尺度块体材料与晶粒尺度相所引起的非均匀性和尺度效应，以及纳米晶粒中晶界滑移、晶粒转动等新的形变因素所带来的诸如室温超塑性等新的材料现象和新的韧脆转变机制。近5年以来，AML成员针对微纳米尺度表面粘附接触、摩擦润滑，以及纳米晶粒材料、二维材料等的力学行为展开了系统的研究，在理论、计算、实验三方面获得了一批创新性的成果，如：

（1）发现了微米-厘米尺度、室内环境和米/秒宏观速度的结构超滑；

（2）揭示了大尺度超润滑行为的若干重要机理，在结构超滑领域取得了突破性研究进展;

（3）系统表征了石墨烯等二维材料的摩擦行为，基于实验结果提出了二维材料接触摩擦中普遍存在的原子级“褶皱”模型；

（4）用纳观尺度实验确认了岩石因化学键合而致界面摩擦“老化”的机制，为发展基于微观机制的新的理论模型提供物理基础；

（5）探索分析了位错力学场的纳观结构

团队成员上述工作发表了系列的顶级论文（如PRL 2008, 2011, 2012, 2013; JMPS 2011, 2012, 2014; Nano Letters 2013; Science 2010; Nature Nanotechnology 2013; Nature Communications 2015；Nature 2011; Nature Materials 2012; Physical Review X 2015等）和取得了多项发明专利。成果被美国国家自然科学基金委、美国材料学会、英国皇家化学协会报道，并被相关领域权威专家在Nature子刊、ScienceDaily、PhysOrg、ChinaDaily、Physics World、Chemistry World等国内、外媒体所报道。

相关研究过中获得两项国家重大研究计划（郑泉水（2013-2017）：超滑机理；航天5院（2015立项）：超滑在空天技术中的应用），以及三项基金委优青项目（徐志平、李群仰、李晓雁）的支持。

四、软材料力学行为与表征

软材料在生物技术、医学工程、材料科学领域等领域具有重要的应用。软材料由于弹性模量低，对外界刺激响应敏感，在各种内外激励下易于发生大变形和失稳行为。本研究对软材料的力学行为与材料性质表征进行了系统的研究，主要获得了如下成果：

以软材料、生物软组织等为对象，对表面失稳问题进行了比较系统的理论分析、数值模拟和实验测量，揭示了软物质多次分岔失稳的物理机制。相关研究工作发表在Phys. Rev. Lett.、J. Mech. Phys. Solids、Soft Matter、J. Appl. Mech.等相关领域权威期刊上。Phys. Rev. Lett.论文被遴选作该杂志当期封面论文，受到美国New Scientist 等科学新闻媒体报道和转载。应Soft Matter主编邀请，在该杂志上发表有关软物质表面失稳力学的综述论文，入选该杂志2012年度10篇最受关注的论文（排第二）。J. Mech. Phys. Solids、Soft Matter、J. Appl. Mech. 3篇论文入选ESI高被引论文。

针对超声弹性成像在临床应用中遇到的诸如软组织发生有限变形，软组织非均匀性和各向异性等问题，研究了快速移动的声辐射力在软组织中激发出的剪切波的特征及波速和软组织本构参数之间的关系。发展了基于剪切波弹性成像技术表征软组织的本构参数并探究其和疾病发生、发展和诊疗间联系的新方法。目前，该方法已被北京友谊医院用于临床测试研究。临床实验结果表明，采用新建立的方法可定量揭示软组织有限变形对基于弹性成像方法判断乳腺肿瘤性质的影响。

截至2014年底发表SCI论文60篇，SCI总引用785次，他引600余次。一人次获得全国优秀博士学位论文奖（2013年）。

五、热防护地面考核测试方法与仪器

重点实验室面向国家重大科技工程、国防重大专项等国家重大需求，致力于发展针对高温／超高温等国防超常规环境的新型试验方法、技术与器件，系统开展超常规环境下失效与安全评估的应用及基础研究。所发展的试验方法技术及科学仪器被重点国防单位应用，解决了一批重点型号研制中的关键问题。

（1）发展高温光学理论实现高温复杂环境下清晰光学成像，提出变形载体制备和高温图像识别等测量新技术；获取得到了高温风洞或燃气射流环境下的清晰图像，基于高温图像处理技术建立形貌、氧化烧蚀、变形、应力、温度等在线全场测量方法。发展的高温光学在线测量方法极大改变了传统地面考核方式，解决了地面考核在线观测“从无到有”的瓶颈问题，使得工程人员能够在线观察高温复杂环境下试件的变化过程并获取定量考核数据，大幅提高了热防护结构／材料地面考核效果和效率。相应学术成果也推动了高温光学与高温实验力学的发展，系列工作发表于Opt. Exp.、Opt. Lett.、Exp. Mech.、Measurement、Measurement Science and Technology、Rev. Sci. Instrum.等光学、仪器、测量类高影响期刊。

（2）基于高温光学自主研制高温地面考核试验装置及科学仪器，突破国外技术封锁，解决国防热防护重大需求中的紧迫急需问题。系列装置与仪器包括高温光学在线可视化测量系统、最高可达2500℃的氧化烧蚀复杂环境模拟测试平台、最高可达2200℃火焰热冲击动态测试系统、最高可达1200℃石英灯阵列热震系统，高温微风洞试验系统等。以上实验装置与设备，不仅为高温固体力学的基础研究提供了实验手段，并已被国防重点单位用于解决重要试验及装备研制中的的关键问题。其中高温光学在线可视化测量系统被航天十一院与总装29基地应用，被评价为“填补了我国高温风洞在线动态可视化测试方面的空白，改变了高温风洞传统测量中无法获取考核过程数据的局限，该技术与设备实现了我国高温风洞地面考核在线可视化测量从无到有的突破，对高温风洞在线测试技术的发展具有里程碑式的意义。”