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图1. 本项申请的技术路线图.

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课题设置

本项目从受自然界启发多尺度、多级次的组装原理出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中某些特殊结构性能体系（蜘蛛丝、飞鸟骨骼、贝壳等），揭示自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间的本质关系，构筑从分子到纳米、微米尺度仿生纳米复合结构材料体系，如块体材料（仿骨骼），层状材料（仿贝壳)、纤维材料（仿蜘蛛丝）。这些材料可以作为块材、薄膜材料、纤维材料单独使用，也可相互组合形成多种轻质高强的复合材料体系，根据应用需要也可与其它功能复合，实现结构-功能一体化的高性能复合材料体系。围绕研究目标，本项目设置以下5个课题：

01课题：仿生纳米复合结构材料的设计原理

重点研究内容：从分子、纳米、微米尺度体系深入研究自然界中具有特殊结构性能体系（蜘蛛丝、生物体骨骼、贝壳、肌肉等），特别是对其功能起关键作用的表、界面结构与特性的内在联系进行研究，进而揭示自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间的本质关系，有助于发现和提出新概念、新原理、建立新理论。深入研究纳米复合结构材料界面与界面的匹配与协同，为轻质高强纳米复合结构材料的共性制备提供指导和理论依据。

目标：通过对自然界中具有特殊结构性能体系的研究，揭示微观结构与性能的关系，为功能纳米复合材料的可控制备提供设计原理与依据，为课题2，课题3，课题4和课题5提供基础。

承担单位：北京航空航天大学，中国科学院化学研究所 负责人：郭林 经费比例：18.8%

02课题：新型高性能纳米复合结构材料的设计合成与可控制备

重点研究内容：各向异性的纳米结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是实现程序化组装的基础。将系统地研究通过纳米结构单元的尺寸、形貌和表面化学功能的调控，利用功能分子对特定各向异性纳米结构单元的裸露晶体晶面的选择性吸附作用等进行选区修饰，以及不对称粒子等手段引入空间各

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项异性等手段和方法，可控地赋予纳米结构在不同空间区域的各向异性。发展制备和表征单分散各向异性纳米结构单元的关键技术。

目标：依据自然界中特殊微观结构与性能的关系，设计合成目标分子及纳米结构单元，获得多种具有特定理化性质的组装单元，调控作用于纳米结构单元的各种组装驱动力，实现纳米结构单元的多级程序化组装，制备出具有轻质、高强等特性的面向航空航天、国防的纳米复合结构材料。与课题1，课题3形成互补，为课题4和课题5提供研究对象。

承担单位：中国科学技术大学，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 负责人：俞书宏 经费比例：24.8%

03课题：新型碳纳米纤维的制备及其复合材料的结构设计、界面和性能 重点研究内容：以发展轻型、耐高温、高强和韧性复合材料为背景，研究新型碳纳米纤维的合成和纺丝的基本原理方法和技术；碳纳米纤维的表面处理、功能化、编织和排布的物理化学问题、结构设计和性能；弥散/定向/原位复合材料的结构设计和制备原理和技术；复合材料的表面/界面和增强/增韧/功能化的纳米结构和性能的实验规律、作用机理及其最优结构设计。

目标：发展新型高性能碳纤维的连续、定向制备方法及其增韧陶瓷、增强金属和多功能化树脂基复合材料的多层次结构设计、材料性能、韧化/强化/多功能化等方法，提高陶瓷基、金属基和树脂基复合材料的韧性、强度和抗冲击性和实现材料的多功能化。制备出具有轻质、高强等特性的面向航空航天、国防的纳米复合结构材料。与课题1，2形成互补，为课题4和课题5提供研究对象。 承担单位：天津大学 负责人：李亚利 经费比例：18.8%

04课题：纳米复合结构材料体系的结构与性能表征

重点研究内容：在外加载荷的同时结合高分辨电子显微镜、共聚焦拉曼显微镜和扫描探针显微镜等多种手段对复合材料体系的多尺度结构进行原位、实时、和动态的研究。深入揭示原子尺度的表面化学结构，纳米尺度的界面相互作用、

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以及微米以上尺度的复合聚集态结构对材料力学性能和其它功能的决定性作用。 将充分运用现有仪器设备，强调常规设备的改装、组合联用、及创新使用方法，并在必要的时候开发新设备。

目标：探索从微观和宏观两个方面研究自然材料和人工材料的结构与性能关系的新技术和新设备，实现对新型纳米复合结构材料中多尺度形貌结构和化学成分、复合材料在宏观和微观尺度上的力学性能、屈服及失效机制，和断裂结构的表征；不同结构单元之间复合界面的共价与非共价相互作用；以及力学性能以外其它功能的表征测定。本课题的研究将充分运用现有仪器设备，强调常规设备的改装、组合联用、及创新使用方法，并在必要的时候开发新设备。以课题1、课题2，课题3和课题5提供的材料为研究对象，探索从微观和宏观两个方面研究自然材料和人工材料的结构与性能关系的新技术和新设备，为课题1、课题2、课题3和课题5提供技术支持。

承担单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，中国科学技术大学 负责人：陈立桅 经费比例：18.8%

05课题：纳米复合结构功能材料在航空航天与国防等领域的应用探索 重点研究内容：探索目标分子、纳米结构单元的宏量制备方法，研究组装体材料的宏量制备方法，探索将多尺度、多层次组装技术与传统微纳加工技术的结合方法，围绕国家在航空航天与国防等领域的重大需求，将研发的轻质、高强纳米复合结构材料在相关领域进行探索性应用。

目标：基于课题1、课题2、课题3的研究，发展仿生多级次有序组装纳米复合结构材料宏量制备的新方法。向课题1，课题2和课题3反馈组装单元及组装体的设计需求。

承担单位：中国科学院化学研究所，北京航空航天大学 负责人：赵彤 经费比例：18.8%

为了推动项目的顺利实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，把主要研究内容划分为4个层面，组织5个课题进行分工合作研究。这4个层面是:1）自然

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