裘進浩

裘進浩

裘進浩教授("千人計畫"國家特聘教授、教育部長江學者獎勵計畫特聘教授):男,1963年生于浙江嵊州。1983年和1986年分別在南京航空學院獲工學學士和工學碩士。

  • 中文名稱
    裘進浩
  • 出生日期
    1963年
  • 出生地
    浙江嵊州
  • 畢業院校
    南京航空學院
  • 國籍
    中國
  • 職業
    教授

人物簡介

裘進浩教授("千人計畫"國家特聘教授、教育部長江學者獎勵計畫特聘教授):男,1963年生于浙江嵊州。1983年和1986年分別在南京航空學院獲工學學士和工學碩士。此後留校任教,任助教和講師。1991年12月赴日本 日本東北大學流體科學研究所客座研究員;1992年4月起,日本東北大學流體科學研究所助教,並于1996年3月獲日本東北大學博士學位;1998年4月-2000年3月 日本東北大學流體科學研究所講師;2000年4月-2004年3月 日本東北大學流體科學研究所副教授;2003年8月 新加坡南洋理工大學生產工程及機械學院客座研究員;2004年4月起 日本東北大學流體科學研究所教授;也是日本七所帝國大學第一位華人正教授;2005年5月 法國裏昂國立套用科學及套用學院(INSA-Lyon)Invited Professor;2006年3月回到南京航空航天大學全職任教,擔任"長江學者獎勵計畫"特聘教授,智慧型材料與結構航空科技重點實驗室主任,2010年被授予"千人計畫"國家特聘教授。2011年獲南京航空航天大學"良師益友--我最喜愛的導師"榮譽稱號。

兼任日本機械學會機械力學(振動)及控製計測分會運籌委員會委員,Journal ofIntelligent Material Systems and Structures副主編,International Journalof Applied Electromagnetics and Mechanics等5種期刊編委。在日本東北大學工作期間擔任日本機械學會智慧型材料與流體系統研究會幹事,日本AEM學會規劃運籌委員會委員,日本機械學會機械力學(振動)及控製計測分會出版委員會委員長。

主要業績

長期從事智慧型材料與結構的研究,包括高性能壓電材料與器件、結構的振動與噪聲控製、流動控製、健康監測、能量回收、自適應結構、壓電器件的精密感測與驅動技術等。在日本工作期間,研究課題曾多次受到日本經濟產業省、日本文部科學省、日本學術振興會等的資助,科研總經費達3億2000萬日元,其中,于1998年參加了由日本通產省出資的大型項目"智慧型材料與結構研究"(總經費約為45億日元),作為子項目負責人承擔了壓電功能材料元器件的研究,其經費為2億3000萬日元。2006年3月被受聘為"長江學者"特聘教授回母校南京航空航天大學工作,在南航智慧型所繼續開展智慧型材料與結構的研究,幾年來研究課題受到國家自然科學基金委、國家863計畫、教育部等的資助,累計科研經費約500萬元人民幣。並于2008年研究團隊獲得國防科工委創新團隊稱號,2009年研究團隊獲得長江學者教育部創新團隊榮譽稱號。在學術成績方面,已在國際學術雜志上發表論文170餘篇,在國際會議上發表論文170餘篇,被SCI收錄100餘篇(包括已錄用),EI收錄140餘篇,他引300餘次。多次受邀在國外核心期刊上發表關于智慧型材料與結構的綜述性論文,其中作為主要完成人之一,于1998年8月在權威力學評論期刊Applied Mechanics Review上發表的Intelligent MaterialSystems: Application of Functional Materials已被他人引用100餘次。題為"關于壓電絲以及具有振動控製功能的圓柱殼等智慧型材料系統的研究"于2003年9月獲日本機械學會傑出成就獎,在日本機械學會4萬多名會員中,此獎每年隻授予1-2名在動力學、測試與控製方面取得傑出成就的學者,以往的獲獎人中包括慶應大學常務理事吉田和夫教授等著名學者。參編有關智慧型材料與結構的著作4部,獲各類研究獎6項,申請國家發明專利26項,已獲授權16項。作為主席或者組織委員會委員組織智慧型材料與結構的國際國內會議30餘次,做各類邀請報告30餘次。並于2006年起擔任智慧型材料與結構研究領域的國際權威雜志Journal of Intelligent Material Systems and Structures的副主編,並擔任其它5種相關研究領域的國內外期刊的編委。

研究方向

1基于壓電功能器件的套用研究

(1)自適應結構的減振降噪

隨著科學技術的飛速發展,有效解決工程結構中的振動噪聲問題已經變得越來越重要,尤其是航空航天領域,飛行器的減振降噪對提高飛行器的性能及飛機駕乘的舒適性和安全性具有舉足輕重的作用。壓電材料作為一種智慧型材料,以其良好的機電耦合特徵,在結構振動噪聲控製領域具有廣泛的套用。目前基于壓電元件的振動噪聲控製方法有被動、主動以及半主動三種。針對三種方法中存在的問題,提出了一系列新方法,以提高各種方法的控製效果和魯棒性。如研製開發基于自適應控製方法以及半主動控製方法的振動與噪聲控製系統,並利用能量回收技術實現不需要從外界輸入能量的半主動控製系統。另外,還利用嵌入式壓電感測器輸出的信號和神經網路識別結構周圍的噪聲場的方法,實現不需要麥克風等外部感測器的結構噪聲的新型主動控製系統等。在減振降噪方面開展了大量的研究工作,取得了一系列重大研究成果。

(2)能量回收及其套用

能量回收指的是利用一種系統從周圍環境中獲取能量並將其轉化為可利用的能量的過程。在最近的幾年中,能量回收技術有了很大的發展,這主要歸功于無線技術和低功耗電子設備技術的進步。當前,除了利用太陽能、熱能之外,一種利用壓電元件從周圍振動的環境中提取可利用的能量的方法正在被越來越多的研究人員所關註。一旦基于壓電元件的能量回收微系統開發成功,它將為未來生產無需電池和人力維護的無線網路以及遠程監控設備提供強有力的技術支持,並可直接用于醫療監護、電信、消費電子、交通運輸等諸多密切關系人們生活、社會保障乃至國家安全的重要領域。目前利用壓電材料進行振動能量回收的研究集中在四個方面:材料、結構、接口電路及其套用。本課題組著重從結構、接口電路、套用三個方面開展了研究。

(3)結構健康監測

結構健康監測技術是智慧型材料結構研究的一個重要分支。採用智慧型材料結構的新概念,利用集成在結構中的先進感測/驅動元件,線上即時獲取與結構健康狀況相關的信息,結合先進的信號處理方法和材料結構力學建模方法,提取結構損傷特征參數,識別結構的狀態、損傷。課題組主要進行了以下方面的研究:針對實驗室開發的一種新型結構感測、驅動元件----含金屬芯壓電纖維(MPF)展開了研究。由于MPF結構細小(直徑在300μm左右),非常適于與基體結構集成,而且不影響基體結構的性能,因此MPF非常適合作為結構健康監測感測、驅動元件。課題組對MPF的微觀結構、鐵電性能等進行了表征。研究了MPF的驅動和感測特徵。基于Lamb波的主動健康技術是近年來研究比較熱門的健康監測技術。本課題組建立了MPF對Lamb波的感測回響模型和MPF激勵Lamb波的模型。並進行了實驗驗證。提出了一種基于MPF花形組合的結構健康監測方法。根據應變花的原理,一個應變花可以確定結構中主應變的大小和方向,同樣,一個花形結構的感測器組合也可以確定結構中應力波的方向,因此兩個一定距離的花形結構的感測器組合就可以確定結構中應力波源。因為MPF對應力波的感測具有很強的方向性,所以本課題組根據上述原理提出了基于MPF花形結構的結構健康監測方法。該方法原理、結構簡單,進行結構中損傷、沖擊載荷等定位時隻需要測量感測信號的幅值。克服了傳統依靠測量應力波傳播時間的結構損傷定位方法。該方法非常適宜套用在復雜結構及復合材料結構中(難以精確測量應力波傳播時間)。該方法既可以進行結構的被動損傷、沖擊載荷監測,也可以進行結構主動健康監測。

基于壓電元件的輸電線彈性波檢測技術是近年來發展起來的一種智慧型檢測技術。它不僅具有檢測距離遠,檢測效率高等優點,而且相對其它方法具有設備簡單,易于操作等優勢,這些獨特之處使得該方法在輸電線路損傷、覆冰檢測中具有強大的套用前景,且具有對輸電線路進行除冰、防冰等巨大的潛能。本課題組建立了輸電線結構彈性波傳播模型,提出了適于輸電線結構的彈性波頻率、模式,對輸電線覆冰、損傷監測進行了初步的仿真和實驗研究。同時由于彈性波對不同的損傷敏感程度不同,本課題組分析了常見損傷(包括結構損傷,覆冰等)對彈性波在輸電線中的傳播特徵的影響,得到頻率與模態和結構損傷的對應關系。同時,課題組正在進行的研究包括輸電線檢測技術中驅動、感測元件的工程適用性,輸電線路線上檢測方法,輸電線檢測無線感測網路技術研究等。

(4)壓電器件的精密感測與驅動技術

隨著微電子製造、生物工程、超精密加工和納米技術的發展,迫切需要高精度、解析度好、性能可靠的精密驅動系統。常用的驅動功能元件有壓電元件、形狀記憶合金、磁流變元件和電流變元件。其中,壓電材料具有直接的機電轉換性能,主要優點有:回響速度快、激勵功率小、動態性能好、精度高、頻響範圍寬等。精密驅動課題組是在國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金的支持下,以含金屬芯壓電纖維(MPF)作為研究對象,以MPF在掃描探針顯微鏡技術作為套用目標,著重研究MPF的精密驅動功能及其控製方法。在此基礎上,設計基于MPF的納米級精密驅動系統並套用與微納米製造領域中。研究內容主要包括以下幾個方面:通過特殊的反饋補償技術來消除壓電材料的電滯特徵,實現壓電器件的精密感測與驅動。把壓電材料的感測與驅動功能相結合,並建立基于壓電材料的電滯特徵逆物理模型的控製系統,實現無需外部感測器,且具有高頻回響特徵的高精度壓電驅動器。最終設計基于含金屬芯壓電纖維的精密驅動系統。

(5)自適應結構

自適應結構是結合機械結構設計、計算力學、自動控製、材料科學等專業的綜合性學科。可通過改變自身的幾何特徵,物理特徵去適應環境的變化,去滿足外界環境對結構的多種要求,這一概念被認為是未來飛機機構設計改進的突破口。隨著航空科學技術的飛速發展,對飛行器的結構提出了輕質、高可靠性、高維護性、高生存能力的要求,為了滿足高性能飛行器研製需求,自適應機翼技術作為一項關鍵技術將發揮其在改善飛機飛行性能方面的重要作用。自適應機翼具有翼型自適應能力,根據不同的飛行條件改變機翼形狀參數,如機翼的弦高、翼展方向的彎曲和機翼厚度,採用最優方式,使機翼能得到空氣動力學方面的好處。它可以有效改善翼面流場、延緩氣流分離、增加升力和減少阻力,從而提高飛行器的機動性和載荷能力,抑製氣動噪聲與振動,並能改善雷達探測的散射截面從而有利于飛行器的隱身。可以看出,套用自適應概念進行飛機設計將使結構更主動全面的符合實用條件,在材料的使用方面更趨于合理和充分,在飛機性能,壽命,減重方面獲得明顯的改進。目前對飛行器操作舵面自適應結構的研究主要集中于自適應機翼後緣變體結構設計、新型壓電泵驅動器的設計和二維自適應機翼柔性後緣-動態氣動特徵仿真計算三個方面。

2、壓電功能材料與器件的研究

(1)無鉛壓電陶瓷

無鉛壓電陶瓷,是指既具有將機械能和電能互相轉換的使用性能又具有良好環境協調性的一類新型功能陶瓷材料。與傳統壓電鐵電陶瓷相比,它不含鉛元素。無鉛壓電鐵電陶瓷可用作換能器、驅動器、探測器、報警器、電容器、感測器等。

課題組在水熱合成高活性BaTiO3粉體、(K,Na)NbO3粉體以及兩步燒結多組元無鉛壓電陶瓷等方面做了一些工作,取得了一些創新性成果。

(2)壓電陶瓷薄膜

壓電陶瓷薄膜材料(Piezoelectric ceramic thin film materials)是將壓電器件平面化和集成化的一種新型的壓電材料,兼有單晶和陶瓷的優點。本實驗室主要採用溶膠-凝膠法、檸檬酸(pechini)法和水熱法等製備含鉛的PZT薄膜器件無鉛KNN薄膜器件並對其性能進行研究。

目前以加入草酸銨和沒有加入草酸銨兩種方法製備氫氧化鈮,以得到的氫氧化鈮、碳酸鉀、碳酸鈉為原料,檸檬酸為螯合劑,乙二醇為酯化劑,通過聚合物前驅體法在SiO2/Si基板上製備了鈮酸鉀鈉(KNN)薄膜。研究了氫氧化鈮的製備中草酸銨加入的作用,並對薄膜進行了不同溫度的退火處理,分別用X射線衍射(XRD)、場發射掃描電鏡(FE-SEM)對薄膜進行了物相和形貌的分析。結果顯示:所製備的KNN薄膜為鈣鈦礦結構;草酸銨的加入最佳化了薄膜的性能,主要是因為加入草酸銨後製備的氫氧化鈮中鈮的存在形式不同或含有結晶水的數量不同所致;隨著退火溫度的增加,薄膜的致密化程度越來越高,晶粒有明顯的定向生長趨勢。

(3)壓電陶瓷纖維

為便于智慧型結構的集成,保證功能器件嵌入結構時不影響結構原有強度,希望功能元件在保持原有驅動能力的情況下,盡可能採用薄膜或者纖維形式。針對這樣的幾何形狀要求,研發了Sol-gel與粉末的混合物擠壓成型的新工藝,製造了高性能的PNN-PZT壓電纖維。這種壓電纖維的性能要比用傳統的粉末法製造的纖維高出20%。目前壓電纖維研究大多隻針對無芯壓電纖維。這種傳統的無芯壓電纖維必須以壓電復合材料的形式使用,單根纖維無法直接作為感測器或驅動器。基于這樣的現狀,課題組還研發了一種新的成型工藝,在世界上首次成功製備了直徑為150-250微米的含有金屬芯(直徑50微米)的壓電陶瓷纖維。這種纖維不但具有直徑小,便于智慧型結構的集成等優點,而且由于金屬芯可以作為電極使用,因此隻要在其表面鍍上另一個電極,單根纖維就可以作為感測器或驅動器使用,具有在MEMS中作為微型功能器件使用的潛力。且根據在纖維表明鍍電極的不同,纖維可以工作于兩種模式,當在纖維表明鍍上全部電極時,可以工作于沿長度方向的伸縮模式,當鍍上半面電極時,可以工作于彎曲模式。此外,由于壓電纖維韌性較大,可製備成帶有一定曲率的復雜形狀(如螺旋狀等),纖維這樣的優點,使得壓電纖維在復雜特殊情況下的使用成為可能,拓寬了壓電纖維的套用範圍。

(4)功能梯度壓電陶瓷彎曲驅動器

應力集中是影響功能器件的壽命與可靠性的主要原因之一。功能梯度設計是解決材料中的應力集中,提高材料與器件疲勞強度的理想方法。課題組首次提出將功能梯度材料的思想套用于壓電驅動器的設計,建立了壓電功能梯度驅動器的理論模型,解決了功能梯度器件的材料參數及結構參數最佳化問題、流延成型用成型漿料的最最佳化工藝參數、功能梯度壓電陶瓷的燒結製備工藝參數以及其機電性能及力學性能的測試等問題,利用流延成型技術製備出了1mm厚、4層結構的PNN-PZT功能梯度壓電陶瓷彎曲驅動器,建立了PNN-PZT功能梯度壓電陶瓷彎曲驅動器的測試實驗裝置,測試了其性能。該驅動器不僅具有與傳統的雙晶片驅動器相同的功能,而且內部阻尼很低,疲勞壽命是現有雙晶片的10倍以上。此項研究成果解決了壓電器件的應力集中問題,提高了其疲勞強度等力學性能和機械性能,促進了壓電器件在航空航天智慧型結構中、精密驅動以及壓電泵等工程領域的套用。

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