特种极端环境材料研究团队

特种极端环境材料研究团队

（极端服役环境特种材料研究团队）

一、团队介绍

中南大学“特种极端环境材料研究团队”以黄伯云院士为学术顾问，长江学者特聘教授刘文胜为学术带头人，现有科研人员11人，其中长江学者特聘教授1人，国家卓青1人，高级职称10人，省部级人才3人。拥有国内一流的材料设计、制备及测试表征平台。近年来，主持/承担了国家科技重大专项、国家重点研发计划、173计划重点、国防“973”、国家自然科学基金重点、高层次人才基金等项目30余项，科研经费每年近2千万元。现有全日制研究生69人，其中博士生32人，硕士生37人，毕业学生主要去向为美国肯塔基大学、新西兰奥克兰大学、清华大学、中南大学、中国工程物理研究院、中国航天科技集团等国内外科研院所和知名企业。

二、成员介绍

三、研究方向和研究体系

研究方向：

1.难熔金属材料

针对我国新一代武器装备对高性能钨合金的迫切需求，瞄准极端服役环境钨合金组织和力学响应行为等核心科学问题，创新突破多尺度模拟手段的数据时空界限，结合高速撞击后遗留组织实现了变形起源-发展-转化连续性描述，获得了钨颗粒设计准则；颠覆钨合金设计制备思路，创新提出基于电子浓度中心对称的“短程有序结构”设计理念改善纯钨本征脆性，利用原创的溶质元素固液相扩散竞争调控等关键技术实现钨固溶体刃位错-螺位错滑移变形及粘结相原位共格析出强化，研制出的新型高强韧钨合金强韧性协同大幅提升。成果成功应用于型号缩比件，穿深效能达国际先进水平。

图1. 新型高强韧钨合金材料

2.高性能铝合金

聚焦铝合金在服役环境下的性能优化难题，长期开展高性能铝合金微观组织调控及合金强韧化设计等方面的研究工作,提出 "目标性能导向" 的合金设计理念，构建了成分-组织-性能协同调控的技术体系。研究方向包括：基于多尺度计算的铝合金成分优化设计、纳米析出相/界面强化机制与微观组织精准调控以及铝合金的环境适应性评价及工程化应用等。承担研国家级项目4项、横向重大课题2项，在Journal of Materials Science & Technology、Materials and Design、Metallurgical and Materials Transactions A、Journal of Alloys and Compounds、Materials Science and Engineering A等国内外知名刊物上发表论文80余篇，获得授权国家发明专利30余项。

3.陶瓷纤维材料

聚焦高超声速飞行器、大推力/高推重比航空发动机等国家重大战略装备对高性能氧化铝连续纤维材料的迫切需求，结合多尺度材料计算方法，系统开展氧化铝纤维组织结构设计、前驱体溶胶制备及其可纺机制、纤维组织结构演变规律与调控机理、以及高温服役行为等科学问题与关键技术研究。基于晶界工程策略，通过构筑晶界溶质原子有序偏聚结构，突破了氧化铝纤维强度-热稳定性之间的倒置难题，开发出多体系千米级高强高热稳定氧化铝纤维材料，综合性能达到国际先进水平。相关成果在Journal of the European Ceramic Society、Ceramics International等陶瓷领域top期刊发表论文40余篇，授权发明专利10余项。

图2 氧化铝连续纤维产品及微观组织结构

4.电子封装材料

针对航空航天电子器件封装用纳米银颗粒面临的低温封装、高温服役的关键需求，采用分子动力学与计算流体力学多场耦合模拟方法，结合原位分析表征技术，系统探究化学还原环境中混合动力学、浓度梯度分布及表面活性剂分子构型对银颗粒形核-生长-自组装过程的跨尺度调控机制。研究工作涵盖从原子尺度晶界重构行为、纳米液滴聚结动力学到介观尺度自组装形貌演变，建立基于种子介导反应动力学的尺寸聚焦模型与形貌可控合成策略，揭示高比表面积自组装银颗粒在微纳尺度合成与烧结过程中的关键科学规律，实现纳米银线/片/网等多形态自组装单元结构的设计。研究成果为高可靠性电子互连材料提供从原子尺度结构优化到介观尺度组装强化的创新路径，推动精密电子封装技术向亚微米级结构调控与低温高致密化烧结方向跨越发展，有力支撑航空航天柔性电路、新能源汽车功率芯片及5G毫米波器件的先进制造需求。

图3 多形貌微纳银粉的自组装构筑与低温烧结

5.材料计算与模拟方向

致力于解决材料在极端服役环境下的关键科学问题，结合第一性原理计算、分子动力学模拟、位错动力学、微观力学等方法，探索材料在高低温、高压、高电迁移、高应变率、强冲击、强腐蚀、强辐照等极端服役条件下的行为机制。研究工作涵盖纳-微-介-宏观跨尺度模拟，实现从电子原子起源、相结构发展、微观组织演变到材料失效响应的时空连续性描述，聚焦先进人工智能算法AI4S（深度学习、大语言模型等）在材料设计、制备、服役、表征上的应用。方向围绕材料的研究与应用，开发了多款热力学、分子动力学、扩散动力学、晶体学和深度学习相关软件，为材料性能预测与设计提供支撑，助力新材料的研制与工程应用。

图4 材料起源-发展-转化-完成时空连续性模型，实现极端环境下材料行为的准确描述

6.材料微观组织与力学性能多尺度计算

针对航空航天用金属结构材料服役过程面临的高温、高压、高应变和高盐等复杂极端环境，利用晶体塑性有限元、相场模拟、分子动力学、相图计算等多尺度计算方法，结合深度学习，深入研究航空航天用高强铝合金和钨合金等金属结构材料在极端环境下的多尺度组织演变机理，以及电化学腐蚀、力学变形和损伤失效等行为。

图5 金属材料微观组织及力学性能演变多尺度模拟

代表性论著 

1.刘文胜，蔡青山，黄宇峰，先进钨材料及其制备, 中南大学出版社, 2023.

2.The bifunctional low mismatch nano strengthening phase leads to a high strengthductility W-Ta-Ni-Fe-Cu alloy, Journal of Materials Science & Technology, 2024, 205: 139-149.

3.Effects of cerium micro-alloying on microstructural evolution and dispersion strengthening in Al-Yb-Er-Zr alloy, Journal of Alloys and Compounds, 2024, 1010: 177229.

4.Effects of Cerium micro-alloying on microstructural evolution and dispersion strengthening in Al-Yb-Er-Zr alloy, Journal of Alloys and Compounds  (2024) 177229.

5.Precipitation behavior and properties of an Al-8.26Zn-1.95Mg-1.89Cu-0.08Sc-0.17Zr alloy with different dislocation morphologies via pre-treatment, Journal of Materials Research and Technology 29 (2024) 4714-4727.

6.Synergy of strength-ductility in a novel Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc-Hf alloy through optimizing hierarchical microstructures, Journal of Materials Science & Technology. (2024) 105-122.

7.Atomic-scale investigation on the evolution of T1 precipitates in an aged Al-Cu-Li-Mg-Ag alloy, Journal of Materials Science & Technology. 209 (2025) 139-148.

8.The oriented growth behavior of α-Al2O3 grains in alumina-mullite biphasic fibers[J]. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.09.016

9.Coordinated regulation for α-Al2O3 and mullite structures in the alumina-mullite fiber based on the different adding form of fe element[J]. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.043

10.Development and strategy of alumina-mullite diphasic fibers with high thermal stability[J]. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.019

11.Optimizing Silver Paste Conductivity with Controlled Convection for Nanowrinkle Growth.ACS Applied Materials &Interfaces. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c07047.

12.Container-Free Microfluidic Chemical Reduction for Synthesizing Ultrafine Silver Powder and Fabricating Silver Paste.Journal of Alloys and  Compounds. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177733.

13.Size-controlled synthesis of ultrafine silver powders for electronic paste using a one-pot aqueous method.Materials & Design. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113773.

14.Deformation-induced ω phase transition in polycrystalline tungsten under extreme shock loading. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116432.

15.High-temperature structural stability and mechanical properties of η-carbides M6W6C, M3W3C and M2W2C from first-principles calculations. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.02.335.

16.Chemical short-range order synergistically strengthening and toughening Cu-Fe-Ni medium entropy alloys for tungsten-based composites. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147801.

17.Tetrahedral Lithium Stuffing in Disordered Rocksalt Cathodes for High-Power-Density and Energy-Density Batteries. https://doi.org/10.1021/jacsjacs.4c15631.

18.Heterogeneous phase deformation in a dual-phase tungsten alloy mediated by the tungsten/matrix interface: Insights from compression experiments and crystal plasticity modeling. International Journal of Plasticity, 183, 104156.

19.Phase-field investigation of intergranular corrosion mechanism and kinetics in aluminum alloys. Journal of Materials Research and Technology, 30, 8841-8853.

20.Predicting the in-plane mechanical anisotropy of 7085 aluminum alloys through crystal plasticity simulations and machine learning. Materials Today Communications, 38, 108381.