（2018年度高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学奖）一等奖） 成果简介：岩石（体）是一种复杂的天然介质，在漫长的地质构造作用过程中，内部孕 育了各种规模和尺度的缺陷（如节理、裂隙和断层等），这些缺陷的空间位置与 分布规律显著影响其力学响应，进而对断续裂隙岩体工程的稳定与安全产生重要 影响。另一方面，在页岩气与煤层气等开采过程中，往往需要人为制造裂缝网络 来实现压裂增渗增产。因此，开展岩石裂纹扩展与连接机理的研究，对于预测岩 石（体）工程的失稳破坏以及提高油气产量与效率具有重要的理论意义和应用价 值。主要取得的科学发现点如下： （1） 在试验研究方面，研发了适用于裂隙岩石的高精度数字量测技术，发 现了非连续岩石材料中的裂纹扩展与连接规律，建立了非连续岩石材料应力跌落 与裂纹演化规律之间的联系，揭示了岩石材料中的裂纹演化规律，为理论和数值 研究裂纹演化规律提供了技术支撑。 （2） 在理论研究方面，利用内变量热力学理论和伪力法，揭示了裂隙岩体 的损伤局部化机理，建立了岩石（体）损伤局部化分叉模型；基于断裂力学原理, 提出了岩石（体）的非线性强度准则，为开展复杂应力状态下裂纹演化过程的数 值模拟奠定了理论基础。 （3） 在数值方法方面，提出了连续-非连续数值模拟方法，编制了广义粒子 动力学多线程高效并行计算程序，成功实现了二维和三维裂纹演化过程的数值模 拟，揭示了复杂应力状态下裂纹演化的细观机理，为岩体工程稳定性分析提供了 计算平台。 (4)    在工程应用方面，实现了锦屏I级水电站深埋地下洞室非连续围岩损 伤破坏过程的数值模拟，结合现场监测数据，阐释了地下洞室非连续围岩的破裂 发展规律，揭示了深埋地下洞室围岩的损伤失稳机制。

单层半导体性过渡族金属硫属化合物（MX2: MoS2, WS2 等）是继石墨烯之后备受关注的二维层状材料。该类材料具有优异的电学性质、强的光物相互作用、高效的催化特性等，在光电子学器件、传感器件、电催化产氢等领域具有非常广阔的应用前景。单层MX2 材料的批量制备和高品质转移是关键的科学问题。现有方法仍面临着诸多重大挑战，例如，难以实现晶圆尺寸的层数均匀性、单晶畴区小、生长速度缓慢、生长衬底价格昂贵、转移过程复杂、容易引入污染物等。北京大学张艳锋课题组是国内较早开展相关研究的课题组之一，在单层MX2材料的可控制备、精密表征和电催化产氢应用方面取得了一系列重要进展：基于范德华外延的机理，他们在晶格匹配的云母基底上首次获得了厘米尺度均匀的单层MoS2 (Nano Lett. 13, 3870 (2013)，他引198次)； 在蓝宝石上获得了大畴区单层WS2 (ACS Nano 7, 8963 (2013), 他引250次)；发展了一种新型的金属性箔材(Au箔)基底，实现了畴区尺寸可调单层MoS2的制备，借助STM/STS表征技术建立起了材料原子尺度的形貌/缺陷态、电子结构和电催化析氢之间的构效关系 (ACS Nano 8, 10196 (2014)，他引124次)。上述成果也受邀撰写综述文章(Chem. Soc. Rev. 44, 2587 (2015)，他引92次)。最近他们在大尺寸均匀MoS2的批量制备以及“绿色”转移方面取得重要进展。他们选用廉价易得的普通玻璃作为基底，创新性地采用Mo箔作为金属源(与S粉共同作为前驱体)，采用“face-to-face”的金属前驱体供给方式，实现了前驱体在样品上下游的均匀供应，使得样品尺寸可以得到最大限度的放大(仅受限于炉体尺寸)，获得了对角线长度可达6英寸的均匀单层MoS2; 结合DFT理论计算和系统的实验结果发现，玻璃基底上微量的Na对材料生长起到明显的促进作用, Na倾向于吸附在MoS2畴区的边缘，起到显著降低MoS2拼接生长能垒的作用，从而促进其快速生长。 获取满覆盖单层样品的生长时间仅为8 min，单晶畴区边缘尺寸可达0.5 mm。此外，他们利用玻璃基底的亲水特性，发展了一种无刻蚀的、仅利用超纯水辅助的“绿色”转移方法。该方法适用于晶圆尺寸样品的快速转移，且具有操作简单，转移样品质量高等明显优势。该工作提出了利用廉价的普通玻璃基底来制备大面积、晶圆尺寸均匀、大畴区单层MoS2的新方法/新途径，并深入分析了其生长机制，为相关二维材料的批量制备和高效转移提供了重要的实验依据，对于推动该类材料的实际应用具有非常重要的意义。

"本项目借鉴国外经验：用水浸泡烟叶、再用团队研制的新材料吸附溶液里的TSNA。 净化后溶液用于烟草制品的生产，显著降低TSNA含量，形成新卖点而促进产品销售。团队提供吸附材料的配方和使用的资料；应用于口含烟等不燃烟新产品以及传统卷烟，减少烟草对于环境和人体健康的负面影响，提高产品的竞争能力。"

"软瓷采用天然粘土、无机矿物、城建废渣等为主要原料，通过塑化改性赋予粘土极强的可塑性，然后经过成型、熟化等工艺制作而成。 软瓷能够弯曲自如，任意造型，逼真表现木、皮、石、砖、布、金属等装饰材料的纹理和色泽，且生产工艺绿色环保，特别适用于建筑内、外墙饰面工程，旧城改造，外墙保温体系的饰面层以及弧形墙、拱形柱等异形建筑的饰面工程。"

本发明公开了一种软磁铁氧体材料的注射成型方法。包括如下步骤：1)粉料制备：将铁氧体粉料进行一次混磨，干燥后，将粉料进行预烧，将预烧后的粉料破碎后，再进行二次混磨，并进行干燥处理；2)混炼造粒：将步骤1)得到的粉料与粘结剂均匀混合后，混炼，得到混料，将混料粉碎；3)注射成型：将粉碎后的混料加热，在压力条件下，注入到模腔中，打开模具冷却后即得到成型坯体；4)脱脂：将成型坯体置入三氯乙烯中脱脂，干燥，再进行热脱脂；5)烧结：将脱脂后的成型坯体烧结，得到铁氧体软磁材料。本发明适合制备中小型形状复杂、高精度的铁氧体磁芯器件，所制备的铁氧体软磁材料具有密度大而均一、内部组织均匀、机械强度高和铁损相对较低的特点。

本发明公开了一种铁基非晶合金磁性材料及其制备方法。该合金材料的化 学分子式为：(Fe100-aCoa)x-Dyy-Bz-Siw，式中的x，y，z，w为原子百分数：60≤x ≤75，5≤y≤25，20≤z≤25，0≤w≤10，0≤a≤10，且x+y+z+w＝100。该合金 的制备过程如下：将工业纯金属原料以及FeB合金按合金配方配料，采用真空 感应熔炼成母合金，然后用单辊甩带法制得非晶薄带。本发明具有较好的玻璃 形成能力，且软磁性能优良。所需的原材料大多为工业纯度，从而降低了成本， 同时制备工艺简单，可广泛应用于结构材料和磁性材料等方面。

成果描述：拥有独立的自主知识产权，采用磷铁在水溶液中电解制备高纯度FePO4，以水中的氧为产物提供氧源，可以实现原位除杂，不受磷铁的原料来源限制；采用价廉的磷铁和空气中的氧为原料，通过与锂盐和补充磷源或铁源在可控气氛下反应制备粒度和碳含量可控的LiFePO4，避开了目前合成方法中的专利技术壁垒问题，不存在知识产权纠纷，将废物循环利用与能源材料耦合起来，节能环保，从源头上降低了磷酸铁和磷酸铁锂的生产成本；所采用的原料均为大宗化工产品，磷铁副产物中的杂质可以通过反应工艺控制进行无害化处理，在原料的供应和价格方面都非常稳定；通过工艺控制和反应原料的组合，可以将反应产生的CO2等副产物循环利用，实现零排放的绿色清洁工艺；将添加剂与磷铁和锂源及补充的铁源或磷源充分混合，添加剂在后续的反应中既可以起保护作用，又能形成对磷酸铁锂颗粒的原位包覆及控制晶粒生长作用，能够极大提高正极材料的导电性能；采用的工艺路线容易控制，工艺稳定性好，容易实现大批量生产；由于本技术路线使用比较低廉的磷化工副产物磷铁和大宗化工产品，原料成本只是其他工艺原材料成本的1/3~2/3，非常具有市场竞争力；本项目前期采用全新工艺研制的磷酸铁锂材料克容量已达到或超过市售产品，1C放电容量达到120 mAh/g以上，而且成本和生产工艺有非常大的市场竞争优势。市场前景分析：本项目产品专门提供给各种电动车、电动工具、手机、笔记本电脑、蓝牙器件、UPS不间断电源、摄像机、播放器、游戏机、电动玩具、清洁器和极端气候环境下的武器装备等产品所需的锂离子电池和超级电容器电极材料，特别在电动车领域具有非常大的市场前景，主要应用领如图3所示。作为电动车电源，磷酸亚铁锂动力电池具有热稳定性好、安全性高、寿命长、倍率性能好、耐高温、绿色环保等特点，备受关注。与以往的锂离子电池正极材料LiCoO2、LiMn2O4、LiNiMO2等相比，磷酸亚铁锂的安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标，而且循环稳定性好，1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧、不爆炸，穿刺不爆炸。在未来地几年内，磷酸铁锂地市场需求量将达5万吨以上，尤其是在动力型电池应用方面对磷酸铁锂地需求将大幅增加。目前全球磷酸铁锂生产能力小于2000吨/年，投资磷酸铁锂项目风险小，回报快。与同类成果相比的优势分析：FePO4基本参数：纯度≥97%，粒度≤1μm，而且根据需要可以进行调控。LiFePO4基本参数：Li =~4.4%, Fe=35.4%, P=19.6%, C=2~6%。物理参数：松装密度 ≥0.5g/cm3, 振实密度 ≥1.0g/cm3, 中位粒径 ~4μm。涂片参数：LiFePO4: C : PVDF=90:3:7，极片压实密度：2.1-2.4 g/cm3。电化学性能：克容量>120mAh/g 测试条件：1C, 全电池。克容量>140mAh/g 测试条件：纽扣0.1C, 电压4.2-2.5V。 国际先进，国内领先。

激光显示是新一代高清、高品质显示技术，具有亮度高、寿命长、色彩好、环保节能等优点，正逐步 进入显示市场，形成包括激光放映机、激光投影、激光电视和激光拼墙等等主要产品组成的近千亿产值。 目前，市场主流激光显示的核心技术方案是“激光LD+发光材料”的激光荧光技术，通过发光材料可以有 效消除激光的相干性和视觉危害，更重要的是可以替代低发光效率的绿色激光器，从而大幅度降低整个激 光显示器件的成本、可靠性，并提高器件的显示亮度和光色稳定性；因此，实质性地加速并推动了激光显 示技术进入市场并形成规模产值。目前，国内外代表性企业主要有日本三菱、韩国三星及比利时巴可公 司，及国内光峰光电、海信、长虹、等等。然而，当前激光荧光显示仍存在一些产业共性瓶颈，主要瓶颈 之一是激光显示用发光材料的发射谱带过宽，导致激光显示的色域相对较窄，无法满足人们对高清显示的 需求；通过前期系统研发，我们开发出面向激光荧光显示的系列高性能窄带发射发光材料，亟待与相关优 势企业联合开发下一代高清宽色域激光显示技术，形成我国原创性自主知识产权，带动新材料、新型激光 柔性彩色电子纸在出版、教育、广告、无人超市等领域有广泛的应用

本发明公开了一种软磁铁氧体材料的注射成型方法。包括如下步骤：1)粉料制备：将铁氧体粉料进行一次混磨，干燥后，将粉料进行预烧，将预烧后的粉料破碎后，再进行二次混磨，并进行干燥处理；2)混炼造粒：将步骤1)得到的粉料与粘结剂均匀混合后，混炼，得到混料，将混料粉碎；3)注射成型：将粉碎后的混料加热，在压力条件下，注入到模腔中，打开模具冷却后即得到成型坯体；4)脱脂：将成型坯体置入三氯乙烯中脱脂，干燥，再进行热脱脂；5)烧结：将脱脂后的成型坯体烧结，得到铁氧体软磁材料。本发明适合制备中小型形状复杂、高精度的铁氧体磁芯器件，所制备的铁氧体软磁材料具有密度大而均一、内部组织均匀、机械强度高和铁损相对较低的特点。

本发明公开了一种软磁复合材料的压滤成型的制备方法。其步骤为：1)多孔模具的制备；2)软磁粉末的制备；3)软磁粉末的筛分及性能检测；4)将软磁粉末进行钝化处理；5)将软磁粉末与水或有机溶剂混合，并添加粘结剂，搅拌制成均匀分布的浆液，然后进行浇筑；6)将上述步骤制得的浆液进行压滤成型；7)烘干，烧结成型。本发明方法的优点是：通过压滤法而非传统的直接干粉压制成型所需的设备简单，工序简化，得以使成本降低，并且制备的软磁复合材料具有较好的均匀性。