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北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)用材料研究室研制開(kāi)發(fā)的半晶聚乙烯醇水凝膠彈性體是一種新型醫(yī)用生物材料，可用于人關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)或替代。本項(xiàng)目成果屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，其應(yīng)用和推廣不但會(huì)產(chǎn)生100萬(wàn)元／年的經(jīng)濟(jì)效益，而且能帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。利用反復(fù)冷凍－融化法可將聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，縮寫PVA）水溶液凝膠化而制成聚乙烯醇水凝膠彈性體（PVA hydrogel elastomers, 縮寫PVAHE），由于其PVA結(jié)晶度為50％－60％，因此又稱為半晶聚乙烯醇水凝膠彈性體。1998年以來(lái)，這種人工關(guān)節(jié)軟骨材料通過(guò)三次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（共19個(gè)月）表明生物相容性很好，植入材料（PVAHE）周圍組織未產(chǎn)生任何炎性反應(yīng)和退變。2000年6月至2001年10月曾在中國(guó)藥品生物制品檢定所動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行PVAHE生物學(xué)評(píng)價(jià)并通過(guò)產(chǎn)品注冊(cè)檢測(cè)。目前，已達(dá)到臨床應(yīng)用的水平。從1996年以來(lái)，本項(xiàng)目的研究和研制開(kāi)發(fā)工作是在北京市自然科學(xué)基金（3962006）、國(guó)家自然科學(xué)基金（59775038）和北京市科技項(xiàng)目合同（954020400）資助下歷時(shí)5年完成的。多年實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和動(dòng)物試驗(yàn)表明，半晶聚乙烯醇水凝膠彈性體是一種很有產(chǎn)業(yè)化前景的醫(yī)用表面修復(fù)材料，它具有以下特點(diǎn)：（1）潤(rùn)滑性能良好（摩擦系數(shù)0.05，磨損系數(shù)小于10-7mm3/Nm）;（2）充分的吸震能力（含水率70％－80％，多微孔）；（3）很好的生物相客性；（4）彈性大，強(qiáng)度高（壓縮模量14MPa，壓縮強(qiáng)度4MPa）；（5）能與宿主骨（軟骨下骨）牢固連接（界面剪切強(qiáng)度1MPa）。 半晶聚乙烯醇水凝膠彈性體的結(jié)構(gòu)和性能非常接近于人關(guān)節(jié)軟骨，其主要用途是在矯形外科手術(shù)中用于修復(fù)或替代關(guān)節(jié)軟骨。典型產(chǎn)品為厚度2~3mm的平板狀水凝膠彈性體（白色、不透明、觸感類似于橡膠）。

非晶合金（又稱金屬玻璃）是一種結(jié)構(gòu)/功能一體化新型金屬材料，被譽(yù)為繼鋼鐵、塑料之后的第三次材料工業(yè)革命性材料。非晶合金因其特殊的原子結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)程無(wú)序）而擁有一系列獨(dú)特的性能，如非晶合金是地球上最強(qiáng)和最耐腐蝕的金屬材料；非晶合金具有高耐磨性能以及優(yōu)異催化降解性能等。非晶合金及其衍生產(chǎn)品（粉末、涂層、催化劑）在海洋工業(yè)、石油化工、3D打印、水處理等行業(yè)具有非常廣泛的應(yīng)用前景。利用所團(tuán)隊(duì)研發(fā)的非晶合金粉末，可通過(guò)堆焊、激光、熱噴涂等技術(shù)制備不同高性能非晶涂層，能賦予零部件防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、抗沖擊、防腐蝕等優(yōu)異性能，極大延長(zhǎng)使用壽命。

納米石材微晶玉石微晶玉石又稱微晶玻璃、晶化石、玉晶石。它是以傳統(tǒng)原材料為基礎(chǔ)，加入特殊化工原料，經(jīng)熔窯熔制、水淬、晶化窯燒結(jié)、磨拋切割，而形成的一種高檔人造納米級(jí)石材。微晶玉石是一種新型綠色環(huán)保材料。它具有板面平整潔凈、色調(diào)均勻一致、紋理清晰雅致、光澤柔和晶瑩、色彩絢麗璀璨、不吸水防污染、耐酸堿抗風(fēng)化、綠色環(huán)保、無(wú)放射性毒害等優(yōu)良特質(zhì)。01 玉石型微晶玻璃02 花崗巖型微晶玻璃板03 大理石型微晶玻璃板04 玉石型微晶玻璃板05 玉石工藝屏風(fēng)06 玉石棋盤07 防腐耐磨板08 泡沫微晶玻璃09 微晶玻璃閥門、管道10 家庭裝飾用玉石板材特點(diǎn)不含有對(duì)人體有害的有機(jī)物。原材料來(lái)源廣泛，成本低廉。可加工切削，用于裝飾材料、禮品定制、管路及構(gòu)件等應(yīng)用。具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，掌握了一種粉末冶金超細(xì)晶粒（均小于5微米）高強(qiáng)度鋼（抗壓強(qiáng)度達(dá)到2000MPa以上）的制備技術(shù)，該新型材料可用于高精度模具、精密齒輪、高強(qiáng)軸承等高精部件的制備。

成果簡(jiǎn)介： 在2016年8月份國(guó)務(wù)院最新發(fā)布的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，重點(diǎn)提及發(fā)展先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料技術(shù)，重點(diǎn)是高溫合金、高品質(zhì)特殊鋼、先進(jìn)輕合金、特種工程塑料、高性能纖維及復(fù)合材料、特種玻璃與陶瓷等技術(shù)及應(yīng)用。技術(shù)團(tuán)隊(duì)能提供非晶軟磁材料相關(guān)制品的全套技術(shù)方案，具體包括非晶合金、非晶帶材、納米晶超薄帶、非晶磁芯、非晶器件等，可以滿足市場(chǎng)的多方

衛(wèi)星在軌運(yùn)行和返回過(guò)程中需經(jīng)歷極端高低溫環(huán)境，構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定是保證衛(wèi)星在軌高精度、返回高安全、任務(wù)高可靠的關(guān)鍵。針對(duì)衛(wèi)星搭載的某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配極易導(dǎo)致的載荷在軌及返回過(guò)程中載荷接收精度不穩(wěn)定、信息傳輸不連續(xù)等問(wèn)題。我校陳駿教授團(tuán)隊(duì)以原創(chuàng)的負(fù)熱膨脹技術(shù)研發(fā)了具有輕質(zhì)、熱膨脹系數(shù)低、力學(xué)性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好的高性能低膨脹鋁基復(fù)合材料，并研制了系列關(guān)鍵連接內(nèi)置件、環(huán)件等高性能低膨脹構(gòu)件，首次將負(fù)熱膨脹技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)的衛(wèi)星上，填補(bǔ)了高性能低膨脹金屬構(gòu)件在工程應(yīng)用領(lǐng)域的空白。該技術(shù)使得某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體之間熱膨脹匹配性增強(qiáng)、界面應(yīng)力大幅度減小，保證了衛(wèi)星在軌與返回過(guò)程中信號(hào)高精度傳輸與接收，助力衛(wèi)星成功返回。 圖1 實(shí)踐十九號(hào)衛(wèi)星成功返回（圖片來(lái)源國(guó)家航天局） 圖2 高性能低膨脹鋁基復(fù)合材料及構(gòu)件應(yīng)用于全球首顆可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（圖片來(lái)源央視新聞?lì)l道）

通過(guò)精細(xì)調(diào)控Ge2+離子前驅(qū)體溶液與已制備的錫納米顆粒反應(yīng)，合成帶隙可調(diào)的半導(dǎo)體錫鍺合金納米晶（0.51 eV至0.71 eV）。使用的錫納米晶模板可以大大降低反應(yīng)的成核、結(jié)晶和生長(zhǎng)的反應(yīng)能壘。與以前報(bào)道的反應(yīng)溫度（約300 ℃）相比，課題組的方法可以在較低的溫度下（60-180 ℃）得到錫鍺合金納米晶。課題組深入闡明了從錫到錫鍺合金納米晶的相變機(jī)理，清晰揭示了從不均勻核殼結(jié)構(gòu)到均勻合金結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程。

自然界中，貴金屬金（Au）的塊體只能以其熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面心立方(fcc)相存在。只有在納米尺度，利用濕法化學(xué)合成方法，人們才能獲得具有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)的，密排六方hcp-4H結(jié)構(gòu)的Au納米材料。雖然通過(guò)配體交換或外延生長(zhǎng)貴金屬的方式，可以在溶液中誘導(dǎo)4H相的Au變?yōu)閒cc結(jié)構(gòu)，獲得更多的結(jié)構(gòu)信息。但是，具體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和相轉(zhuǎn)變過(guò)程仍然無(wú)法確定。本工作利用金剛石對(duì)頂砧（DAC）技術(shù)對(duì)4H相的Au納米材料進(jìn)行研究，探索其結(jié)構(gòu)和相變過(guò)程，達(dá)到高壓貴金屬相工程的目的。? 高壓X射線衍射表明，壓力在1.2 – 26.1 GPa之間，Au的4H結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc相。同時(shí)，該過(guò)程的不可逆性使得貴金屬高壓相工程成為了可能。即通過(guò)控制最高壓力，獲得不同4H/fcc相含量的Au納米材料。同時(shí)，相比純4H相的Au納米帶，具有4H與fcc相交替多相結(jié)構(gòu)的4H/fcc Au納米棒更容易發(fā)生高壓相變。這主要是由于4H/fcc多相Au納米棒中大量相邊界提供的相變成核位點(diǎn)，可以促進(jìn)4H-fcc的相變過(guò)程。此外，課題組通過(guò)高分辨透射電子顯微技術(shù)和密度泛函理論（DFT）計(jì)算的結(jié)合，首次觀測(cè)到了原子尺度的Au相變路徑。發(fā)現(xiàn)Au由4H-fcc的相變機(jī)理為（-112）4H晶面的整平，并伴隨著密堆積方向的改變。這與以往觀測(cè)到的金屬高壓hcp-fcc相的相變機(jī)制完全不同。該工作不僅對(duì)Au納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和相變提出了新的見(jiàn)解，而且提供了一種利用壓力來(lái)調(diào)控貴金屬納米材料晶相含量的新策略，該策略可用于研究基于晶相的催化、表面增強(qiáng)拉曼散射、波導(dǎo)、光熱療法、傳感、清潔能源等領(lǐng)域中。

采用了原位透射電鏡（in situ TEM）來(lái)表征相轉(zhuǎn)化過(guò)程，因其可在原子尺度下直接觀察樣品在外界作用下（力、熱、電、磁等）或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)變化。動(dòng)畫1展示了fcc晶相向4H晶相的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程：首先f(wàn)cc-Au納米粒子中的金原子被高能電子束激活，在CO氣體中擴(kuò)散到界面區(qū)域，金原子擴(kuò)散導(dǎo)致金顆粒燒結(jié)形成緊密接觸的界面，然后從兩相界面開(kāi)始發(fā)生fcc-4H相變。此外，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)fcc金納米顆粒位于納米棒的4H和fcc交界處時(shí)，位于4H區(qū)域的金轉(zhuǎn)變