上海计量院机械制造所成功申报国家重点研发计划专项两项,跨尺度微纳米测量仪的开发和应用

近日,上海计量院机械制造所成功申报国家重点研发计划专项两项。  “硅基MEMS高深宽比三维结构的干涉显微无损测量技术”是国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项,项目由南京理工大学牵头申报,上海计量院与浙江大学、中国电子科技集团公司第十三研究所作为主要课题负责单位参与申报,上海计量院负责课题三“测量系统的量值溯源、校准与误差补偿”。项目将研制硅基MEMS高深宽比结构的智能化快速无损测量系统,通过专用工艺线接口,实现在超净环境下3种工艺线上的验证测量。  “跨尺度微纳米三坐标测量基础理论与技术”是国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项,项目由合肥工业大学牵头申报,上海计量院与哈尔滨工业大学、304所、中科院微电子所、中国计量大学作为主要课题负责单位参与申报,上海计量院负责课题三“非接触纳米定位技术”。项目将研究三维纳米位移和定位的测量理论与技术,研制高分辨力三维组合纳米测头、微纳米三坐标测量机样机,在精密微型零件加工和微纳制造领域进行试验验证。  国家重点研发计划事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全的重大科学技术问题,旨在突破国民经济和社会发展主要领域的技术瓶颈。上海计量院此次的成功申报,无论在项目的质量和数量上,还是在研究内容、经费规模及合作上都有创新和突破。上海计量院将打破原有思维模式,积极探索跨行业、跨单位、跨部门的科技项目合作模式,联合国内著名高校、科研院所和龙头企业协同创新,全力以赴建设与上海张江综合性国家科学中心相适应的质量技术基础平台。

生物体是由材料组成的,力学性能是材料的基本性能指标。不断提高力学性能使其更好地满足实际应用需求是天然与人造材料发展的共同目标,同时也是它们面临的共性难题。在长期的自然选择与进化过程中,天然生物材料的组织结构与力学性能均得到了持续优化,使得生物体实现了对其生存环境的适应,甚至达到巧夺天工的效果。大自然不仅是天才的材料设计师,而且是人类的良师。从材料学与力学的角度揭示自然界中典型生物材料的组织结构以及赋予其优异性能的关键机理,提炼天然与人造材料共性的优化设计原则,能够为高性能人造材料的开发提供宝贵的启示。  近期,中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂实验室项目研究员刘增乾和研究员张哲峰与美国加州大学伯克利分校、加州大学河滨分校、加州大学圣地亚哥分校、普渡大学等单位开展合作,在前期对多种典型生物材料的组织结构、力学性能与损伤机制系统研究的基础上,提炼出了若干天然与人造材料性能优化设计的共性原则,主要包括:梯度结构取向效应、原位结构再取向效应和多级“缝合”界面效应。他们揭示了以上设计原则的内在力学原理,并进一步提出了一系列新的力学理论,为新型高性能仿生材料的设计与研发提供了理论指导。  梯度结构取向效应:针对不同生物材料宏观外形与微观组织结构的取向变化,他们首次提出了新型材料组织结构取向梯度(Gradient
Structural
Orientation)的概念与设计原则,从材料力学的角度建立了梯度组织结构取向与刚度、强度、断裂韧性之间的系列定量关系,例如杨氏模量与取向角度之间具有如下定量关系。  在此基础上,他们阐明了梯度结构取向效应实现性能优化的力学原理,提炼了改善材料抵抗接触损伤能力的仿生设计新思路。研究表明:随着微观组织结构取向逐渐偏离所受外力的方向,材料的刚度和强度从表面到内部逐渐降低,而断裂韧性随着裂纹越来越偏离其容易扩展的I型应力面而逐渐增大,从而达到了表面刚强而内部柔韧的效果,有效减轻了接触应力对材料造成的损伤。  原位结构再取向效应:针对天然生物材料的各向异性组织结构,他们首次提出了生物材料通过原位结构再取向(Adaptive
Structural
Reorientation)实现力学性能全面优化的策略与设计原则。研究发现:自然界中的木材、鱼鳞、骨骼等不同生物材料的微观组织结构在拉伸条件下逐渐偏向外力,而在压缩条件下逐渐偏离外力。这种结构再取向效应不仅有利于改善材料的变形能力,而且能够带来不同力学性能的全面同步提升。在拉伸条件下,增强相与应力轴之间夹角的减小有利于提高材料的刚度和强度,同时裂纹的扩展路径逐渐偏离其容易扩展的最大正应力平面,使得材料的断裂韧性得以同步增强;而在压缩条件下,增强相所受的轴向分应力随着取向逐渐偏离外力而降低,并且其所受的横向束缚作用随之增强,这不仅有利于提高材料抵抗微观局部失稳与整体结构失稳的力学稳定性,而且赋予材料优异的劈裂韧性。他们进一步建立了不同力学性能与结构再取向之间的定量关系,例如,材料的劈裂韧性与压缩应变之间具有如下定量关系。  因此,生物材料可以利用原位结构再取向效应全面改善其在不同应力条件下的刚度、强度、力学稳定性与断裂韧性,从而克服这些性能在传统材料设计中常见的相互矛盾的制约关系。  多级“缝合”界面效应:针对颅骨、鱼鳞、穿山甲鳞片等不同生物材料中广泛存在的微观取向不断变化的锯齿形多级“缝合”界面结构(Hierarchical
Suture
Interface),他们从断裂力学的角度建立了评判裂纹与界面相互作用方式以及裂纹扩展路径的基本准则,首次提出多级“缝合”结构能够通过促进裂纹穿过界面而对界面起到增韧作用的新观点,并且揭示了“缝合”结构的微观几何形状和结构级数对界面韧性的影响与作用机理。研究发现:多级“缝合”结构能够促使裂纹与界面之间的夹角偏离其初始入射角度,并且提高裂纹沿界面扩展路径的复杂崎岖程度,从而显著降低驱使裂纹持续沿界面偏转的有效应力强度因子。例如:裂纹尖端促使裂纹穿过界面与沿界面偏转的有效应力强度因子之比为:  多级“缝合”结构使得裂纹更加倾向于穿过界面而不是进入界面扩展,因此对界面起到有效的增韧作用,并且界面的增韧效果会随着锯齿的尖锐程度以及结构级数的增加而显著增强。他们进一步提出了特征临界应力强度因子比值的概念,该参数能够定量反映多级“缝合”结构对界面的增韧效果以及界面的几何形状和结构级数的影响。

近日,由国家市场监督管理总局组织实施的“铯原子喷泉基准钟的开发和应用”“跨尺度微纳米测量仪的开发和应用”“微膜泵驱动核酸微全分析仪”“质子转移反应质谱仪器研制及应用示范”4项国家重大科学仪器设备开发专项项目通过验收。  “铯原子喷泉基准钟的开发和应用”项目由中国计量科学研究院李天初院士牵头承担。项目攻克了冷原子制备、冷却和探测、超稳微波产生、光纤高保真传递时间频率等关键技术,成功研制出铯原子喷泉基准钟(NIM6)、光纤频率传输仪、铷喷泉标准钟、铷喷泉钟工程化样机等仪器。其中,NIM6频率不确定度优于5.8E-16,相当于5400万年不差1秒;光纤频率传输仪,能在1-100
km的光纤链路上以极高稳定度、高可靠地传输频率信号;铷喷泉标准钟经基准钟校准后频率准确度能够达到1.9E-15。项目成果为北京卫星导航中心时间频率系统标准时标的产生、保持、改进和比对提供计量支撑,为建设我国独立自主、准确可靠的时间频率体系具有重要意义。  铯原子喷泉基准钟  “跨尺度微纳米测量仪的开发和应用”项目由上海市计量测试技术研究院牵头承担,项目攻克了宏微联动多轴驱动和多测头集成、原子沉积光栅纳米量值溯源、双角度倾斜式场扫描等关键技术,研制出6种不同型号的跨尺度微纳米测量仪,测量范围达到150mm×150mm×80mm,纳米计量光栅标准节距212.8±0.1nm,光栅高度大于60nm,光干涉测量垂直扫描范围150μm,扫描速度30μm/s,扫描探针显微测量可以实现纳米级分辨力。项目成果为微纳米标准、精密光学仪器、半导体、环境监测等领域提供检测支持,并陆续在航空航天、微电子、环境监测等领域进行推广应用,为提升我国微纳米领域的测量能力奠定了基础。  高精度型跨尺度微纳米测量仪  “微膜泵驱动核酸微全分析仪”项目由中国检验检疫科学研究院、北京博晖创新生物技术股份有限公司等共同承担,项目攻克核酸微全分析仪器核心技术、微流体驱动控制平台与高通量检测及荧光检测单元集成的核心关键技术,研发出了多功能核酸微全分析仪、便携式核酸微全分析仪。针对环境监测、生物计量、检验检疫、疾病诊断与研究等领域不同应用需求,解决多靶标同步高通量、高灵敏、现场快速、准确定量检测等多项分析技术瓶颈性难题,检测灵敏度可比常规PCR敏感高出一个数量级,检测时间为常规PCR方法的1/5。通过该项目实施,建成了国内第一条微流控芯片自动化生产线,多功能核酸微全分析仪及配套HPV芯片试剂的CFDA注册取证并上市销售,销售量550台,在450多家医院开展HPV检测,试剂销售已经超过180万人份。  多功能核酸微全分析仪  “质子转移反应质谱仪器研制及应用示范”项目由北京市计量检测科学研究院、北京凯尔科技发展有限公司等共同承担,项目针对大气雾霾污染源快速追踪、载人航天密闭舱内有毒有害气体监测、公共场所化学毒剂恐怖袭击等领域对在线、实时、超痕量挥发性有机物检测设备的迫切需求,重点攻克了高精度质子转移离子源、飞行时间质谱双场加速和无网反射、四极杆质谱宽动态范围信号采集提取和快速在线数字滤波、高精度质谱评测标准气体研制等关键技术,成功研制了质子转移反应飞行时间质谱仪(PTR-TOFMS)和四极杆质子转移反应质谱仪(PTR-QMS),实现了对多组分挥发性有机物的实时、快速、高灵敏度检测,质量分辨率、检出限等关键技术指标达到国际同类仪器水平。项目研究成果已在大气雾霾监测、密闭舱内环境监测、进出口橙汁产地溯源追踪、肺癌病人快速筛查等领域进行了应用示范,具有广泛的应用前景。 
标签: 科学仪器

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