金属构件塑性变形机制与协同调控研究

【多孔介质的热质传输机理及性能孔尺度调控】　该项目由西安交通大学屈治国等4人承担完成。项目历时9年，从孔尺度层面出发，基于“孔隙参数调控宏观性能”的学术思想，从锂电池多孔电极离子/电子迁移及其固液相变热管理、气体跨尺度输运、微纳孔隙多相传质及溶蚀/沉淀反应机理3个角度开展研究，获得了离子、电子和分子等的迁移和转换过程受多孔介质孔隙形貌、运行参数和界面理化特性耦合影响的主导机制，明确了多孔介质孔隙形貌与其宏观热质输运性能间的量效关系，实现了其宏观性能的跨尺度调控及优化，提出了适用于航空航天装备热防护结构、载人航天的生命保障气体净化设备和航天器热管理器件中多孔介质设计急需的方法和准则，并应用于国防工业实践，支撑了国防领域紧凑、轻量化的热质交换设备的研发。项目发表论文40篇，出版英文专著章节1章，获授权发明专利11件（含国防专利2件），参与制定国家标准1项。该项目获2020年度陕西省自然科学奖一等奖。 （成果处）

【精密塑性变形构件形性调控理论与方法研究】　该项目由西北工业大学李淼泉等4人承担完成。项目研究历时20年，采用物理模拟试验和宏观/微观/纳观耦合分析方法，深入研究钛合金、高温合金、钢和铝合金在力场、温度场与激光下塑性流动行为、微观/纳观精细结构演变与机制；应用不可逆热力学极值理论，研究高温变形时的多尺度模型，分析其塑性流动规律与影响机制；应用有限元模拟理论，研究精密塑性变形构件加工全过程中的形性形成轨迹与宏观/微观耦合调控方法，取得了重要突破和进展。主要研究成果：①建立了统一金属材料高温弹性流动与塑性流动行为的本构关系模型，推导出耦合晶粒尺寸的瞬态塑性流动失稳判据。②创立了金属材料高温变形时宏观/微观/纳观三尺度下微观组织的内变量模型、激光加工时热负荷向量模型和温度场数值分析模型，揭示了力场、温度场与激光对金属材料塑性流动行为的多尺度作用机制和置氢钛合金高温变形时的微观组织细化机制与增强增塑机制。③深入揭示了金属材料构件塑性变形加工全过程中宏观变形/传热与微观组织演变的相互作用规律。突破了传统宏观塑性变形与微观组织演变的非耦合模拟难题，发现了精密塑性变形构件的形性形成轨迹，优化了构件塑性变形加工的全过程参数，解决了高性能关键塑性变形构件的加工调控难题。项目发表论文130篇。该项目获2020年度陕西省自然科学奖一等奖。 （成果处）

【多能场塑性成形的多尺度变形机制与协同调控】该项目由西北工业大学李宏伟等6人承担完成。项目针对多能场塑性成形理论缺失与多尺度变形机制不明的科学问题，历时10年，突破传统塑性成形理论的局限，建立了多能场塑性成形的多尺度变形机制与协同调控理论体系。主要研究成果：①提出了多尺度变形机制定量表征方法，创建了全耦合数值模型。②阐明了力热耦合作用下钛合金形性演变多尺度机制，提出了近等温多道次热成形新方法，实现了高筋薄腹大型隔框高性能成形。③发现了电脉冲作用下高温合金非常规多尺度变形机制，提出了电辅助滚压+电处理成形新方法，实现了薄壁异型截面封严环高性能精确成形。④揭示了电磁场下铝合金多尺度变形的载流高速效应，提出了多时空脉冲强磁场渐进成形新方法，实现了大型贮箱封头非接触直接成形。项目开拓出“多能场塑性成形”新学科方向，组建了陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室，形成了钛合金大型高筋薄腹隔框近等温多道次成形、高温合金薄壁异型截面封严环电脉冲辅助成形、铝合金大型贮箱封头电磁渐进成形3套技术，成功应用于沈飞、航天六院、中科院工程热物理所等单位，攻克了空天高端装备关键构件的高性能精确成形制造难题。项目发表论文被SCI收录70篇。该项目获2020年度陕西省自然科学奖一等奖。 （成果处）

【多维度纳米复合功能材料的设计和制备及其光电性能与器件研究】　该项目由西安交通大学汪敏强等6人承担完成。项目围绕太阳能电池、光电探测器和光催化3个应用中的纳米复合材料合成、光电性能调控和光电器件制备若干关键科学技术问题开展研究，通过构筑低维异质结实现了激子分离与输运的调控，显著提升了器件性能，为解决能源和传感技术瓶颈提供了可行思路。主要研究成果：①提出了多种低维异质结构用于改善光敏层的吸光范围和载流子输运，提高了量子点敏化太阳能电池的光电转化效率。率先报道了CdS、CdSe量子点分段敏化ZnO纳米线阵列光阳极和带隙连续调节的CdSxSe1-x合金量子点敏化剂，拓宽了光谱吸收范围，提高了载流子分离与输运；提出的ZnO/PbS异质结纳米线对电极具有更高的催化活性和载流子输运能力。②揭示了强量子限域2D纳米片的耦合机理，并将0D/1D异质纳米线和0D/3D异质结应用于光电探测器，提高了响应度和缩短了响应时间。实现CsPbBr3纳米片从共振能量转移到隧穿主导激子分离的转变，提出配体重组机理解释不同温度退火导致不同程度的纳米片耦合。实现异质结构ZnO/Ag光电导和ZnO/CuI-CuSCN二极管两种不同结构的紫外探测器，获得了提高的窄带紫外响应度。③提出了一步法合成0D/2D异质结纳米粒子，并提出了TiO2基复合光催化材料的增强机理模型，设计并制备了Ag-氧化还原石墨烯-TiO2和MoS2量子点-石墨烯-TiO2三元复合光催化体系，扩展了吸光范围，增大了材料比表面积和增加了反应位点，功能化的共催化剂提高了光催化剂的光催化活性，为合成高效非贵金属复合光催化材料提供了新思路。项目发表论文80余篇，ESI高被引论文1篇；获授权专利6件。该项目获2020年度陕西省自然科学奖二等奖。 （成果处）

【金属熔体凝固过程微观结构表征及转变机理】　该项目由长安大学等2家单位侯兆阳等3人承担完成。项目采用分子动力学方法对FCC、HCP和BCC等不同金属体系的凝固过程进行了模拟，借助微观结构表征方法和团簇结构演化跟踪技术，对金属熔体凝固相变过程微观结构转变特征及动力学机理进行了深入研究。主要研究成果：①建立了精确地表征材料相变过程各种微观结构组态的新方法——团簇类型指数法（CTIM）。该方法能更为准确地区分结构相近但微观结构不同的结构组态，可方便地表征凝固体系各种短程序和中程序团簇结构，以及晶粒和晶界原子。②揭示了金属熔体凝固结晶形核过程、不同团簇结构之间的竞争和重构规律，以及临界晶核形成的微观机理。项目建立了跟踪熔体凝固过程团簇结构演化跟踪技术，通过跟踪研究发现金属熔体在液-固相变初期存在晶态、非晶态和亚稳相团簇之间的竞争，冷却速率显著影响各种团簇结构之间的竞争关系；亚稳孪晶结构是由单相晶核在逐层生长形成，生长动力学对孪晶形貌起决定性作用；临界晶核在α-驰豫阶段逐渐形成，临界晶核具有紧密的堆积结构，但并非球形。③揭示了金属熔体凝固非晶形成过程、微观结构和动力学转变机理，并阐明了它们之间的关联。项目对Ca-Mg、Al-Mg和Cu-Zr等不同合金熔体凝固非晶形成过程体系微观结构进行了识别和表征，发现金属熔体的微观结构并非完全无序，而是存在大量不同结构类型的短程有序结构，二十面体短程序结构和中程序对玻璃转变起决定性作用；在不存在明显化学序的金属玻璃体系中，二十面体中程序结构呈链状或树枝状；项目根据非晶形成过程原子振动特性的演变规律，揭示了玻璃转变在结构、热力学和动力学相互联系的微观机理。项目发表论文被SCI收录32篇。该项目获2020年度陕西省自然科学奖二等奖。 （成果处）

【无人海洋航行器协同控制理论与方法】　该项目由西北工业大学崔荣鑫等5人承担完成。项目分别针对如下科学问题展开研究：带有模型不确定性的欠驱动运动体编队控制问题；高阶分布式系统的同步跟踪问题；多运动体协同观测与规划问题。主要研究成果：①发现了主从式编队控制与单个运动体控制之间的内在联系。项目阐明了领航运动体信息未知情况下编队队形保持的可能性，推导出运动体编队控制问题到单运动体轨迹跟踪问题的简化过程，构建了基于神经网络自适应控制和事件驱动的编队控制策略，满足了领航航行器速度、模型信息未知情形下的队形控制要求，有效抵抗了外界干扰，降低了通信需求。②阐明了多运动体通信拓扑对分布式协调跟踪误差、跟踪稳定性的影响机理。项目分析了通信拓扑结构对分布式编队稳定性和跟踪误差的影响，首次提出扩展通信拓扑图概念，证明了多运动体编队控制的稳定性边界条件，论证了所有单运动体控制方法应用至多运动体编队控制中的可行性，构建了基于自适应神经网络和路径参数一致性的分布式编队控制方法，实现了参考轨迹仅被部分运动体可知等特殊情况下的编队构形保持能力。③揭示了信息驱动下多海洋航行器路径对海洋观测效率的影响因素。项目定量解析了观测路径对多海洋航行器观测效率的影响，在此基础上，构建出数据采样点、运动模型约束、通信网络拓扑等因素的统一量化方法，提出了基于随机扩展生成树的观测路径规划方法，解决了信息驱动下多海洋航行器路径的分布式协调优化难题。项目发表论文被SCI收录20余篇。该项目获2020年度陕西省自然科学奖二等奖。(www.xing528.com)

（成果处）

【高超声速飞行动力学分析与控制及应用研究】　该项目由西北工业大学许斌等5人承担完成。项目从高超声速飞行器结构特点出发，分析系统非线性动力学特性并提出控制方法，确保飞行稳定性和机动性的协调达到预期的任务要求。主要研究成果：①分层关联特性与高精度控制：提出了基于飞行力学机理的分层递阶动力学分析方法，明确了气动不确定及外界干扰对动力学控制精度的影响；揭示了基于外部跟踪误差设计的传统自适应控制方法控制精度差的内在原因，引入内部学习性能评价提出了内外部结合的复合学习控制方法，突破已有设计框架实现不确定影响下的高精度控制。②静不稳定特性与全局性控制：揭示了系统受扰易出现大幅偏离的内在机理，提出了基于新型切换机制的高超声速飞行器鲁棒自适应控制方法，实现逼近域外鲁棒控制快速拉回以及逼近域内自适应控制精细调整，突破已有鲁棒控制存在收敛性能差及智能自适应控制只能实现半全局稳定的局限性，打破已有单一设计框架实现了静不稳定特性下的全局性控制。③执行器非线性与稳定性控制：揭示了执行器非线性带来的系统失稳与控制偏差现象，发现了参考指令设计对系统稳定性的影响，给出了基于辅助误差信号构造的调整机制保证了系统稳定性，提出基于时变增益补偿的自适应控制方法，使得期望控制信号有效执行实现了执行器非线性下的稳定性控制。项目所开展的动力学分析与控制方法成功用于北京空天技术研究所、国防科技大学、上海航天控制技术研究所等单位的高超声速飞行器飞行控制系统设计、研制、地面测试以及3次飞行试验演示验证。项目发表论文被SCI收录80余篇，ESI高被引论文5篇；获授权发明专利6件。该项目获2020年度陕西省自然科学奖二等奖。

（成果处）

【高频高功率密度电能变换集成理论方法与实现技术】　该项目由西安交通大学王来利等6人承担完成。项目围绕电力电子集成理论与技术开展研究，提出了“功能集成”“磁能重构”“磁场对消”3种集成理论方法及其实现技术，突破了变换器功率密度、能量变换效率与散热能力难以同时提高的技术瓶颈。主要研究成果：①提出了“功能集成”理论方法及其实现技术，揭示了高频变换器物理实体元件与其功能之间的映射关系，提出在功能空间中进行设计的新思路，实现能量变换—结构支撑—热管理等多维功能在同一物理元件中的集成，突破了传统的物理空间设计的极限，达到变换器功率密度、效率和散热能力同时提高的效果。在所提理论方法的基础上，提出了磁封装、磁性基板和3D打印散热绕组等实现技术。②提出了“磁能重构”理论方法及其实现技术，突破了传统基于磁路的磁性元件设计原理，提出基于能量场的设计思想，建立了变结构与变参数法提高磁体空间能量密度的设计方法，显著提高了磁性元件的能量密度。首次研制出基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的多磁导率集成磁件，在功率密度、全功率范围损耗等性能方面超越了传统磁件。③提出了“磁场对消”理论方法及其实现技术，突破传统基于电路的寄生参数优化原理，提出基于磁场的临近效应解耦优化思想，大幅度降低了寄生参数，显著减小了宽禁带功率器件因寄生参数引起的高频振荡电压幅度，提高了器件的安全性。采用所提理论方法与技术手段，解决了氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带功率器件高速开关过程的寄生振荡和开关损耗问题。项目发表论文120篇，其中被SCI收录56篇，ESI高被引论文2篇；获授权发明专利42件，编写教材1部。该项目获2020年度陕西省自然科学奖二等奖。 （成果处）