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 武汉工程大学     材料科学与工程学院
 
材料科学与工程    一级学科简介
       本学科依托材料科学与工程学院、等离子体化学与新材料省重点实验室和绿色化工过程教育部重点实验室,为湖北省一级特色学科。该学科设有材料物理与化学、材料学和材料加工工程三个湖北省“楚天学者计划”特聘教授岗。该学科点现有专业实验室面积7000m2,仪器设备总值4000余万元。
       近五年来主持和承担国家自然科学基金、国家863、973计划等国家级科研项目20余项,主持省自然科学基金、省教育厅、武汉市科技局等科研项目40余项,获得国家科技进步二等奖2项,省部级奖8项,中国发明专利36项,发表论文500余篇,被三大检索(SCI、EI、ISTP)收录论文280余篇。主要有以下5个学科方向。

(1)等离子体技术与薄膜材料
       本学科方向围绕等离子体技术及其在材料制备与加工中的应用开展研究,主要包括:(1)等离子体技术的研究。开展微波等离子体技术、脉冲放电等离子体技术以及射频等离子体技术的开发研究,结合等离子体诊断技术,围绕新材料的制备、开发应用所需的等离子体源开展研究,研制了具有自主知识产权的系列微波等离子体化学气相沉积装置;(2)新材料制备与应用研究。主要开展以金刚石膜为代表的涂层材料、以纳米碳管为代表的功能纳米材料的制备与产业化研究;开展等离子体刻蚀技术研究及等离子体改性研究;开展等离子体聚合与等离子体引发聚合研究。
       通过十余年的积累,在微波源、等离子体技术开发、新材料制备方面取得了显著成绩,成功开发出1-20kW系列高稳定度微波源并已用于多家重大企业的生产,并在此基础上研制了1-10kW系列微波等离子体装置;研制了10-30kW具有国内先进水平热丝等离子体化学气相沉积装置;研制推出了系列等离子体教学、科研仪器,为全国100多所高等院校采用;在微波等离子体化学气相沉积制备金刚石厚片方面形成特色和优势,开展金刚石涂层应用研究,研制出系列金刚石薄膜刀具、金刚石薄膜钻头;在热丝等离子体化学气相沉积装置上研究金刚石膜的高速沉积工艺,最高沉积速率达到10µm/h;将微波等离子体化学气相沉积金刚石膜的沉积速率提高到50µm/h。研究了金刚石膜的抛光、加工与焊接技术,掌握了金刚石厚膜刀具工业化制造技术;开展了CVD金刚石膜掺硼制备高性能的半导体金刚石膜的研究工作;利用微波等离子体化学气相沉积技术实现了纳米碳管电极的定向生长及低温定位集成,结合微细加工技术,实现了微流控芯片上纳米碳管阵列电极的集成,为纳米碳管在微型器件上的集成及应用奠定了基础。自主开发了微波等离子体化学气相沉积制备多晶硅薄膜技术和装备。
 
(2)靶向医用材料
       本学科方向主要从事靶向药物与生物医用材料的研究,经过多年的努力,已形成以下特色:
(1)肿瘤靶向分子影像诊断探针的研究:成功研制电子顺磁共振成像诊断剂、器官或组织靶向性磁共振成像造影剂、肿瘤靶向性正电子发射计算机断层扫描显像(PET/CT)示踪剂、掺杂纳米晶转换发光材料等分子影像诊断探针,并用于癌症、肝脏、心血管系统、淋巴系统等疾病的医学成像诊断。这类靶向探针能与肿瘤等靶细胞特异性结合和内化,导向并富集至肿瘤组织或细胞内,对肿瘤实现靶向成像,成像效果好,灵敏性高,用药量少,毒性低,成像时间长。
(2)肿瘤靶向性高分子缓释药物、量子点荧光纳米粒子的研究:成功研制靶向性纳米或微球抗肿瘤药物、水溶性靶向性高分子抗癌药物、量子点荧光纳米粒子,并用于肿瘤的化学治疗、基因治疗、纳米自发光光诱与辐射技术治疗癌症,可使抗癌药物主动导向并聚集在肿瘤组织定位缓慢释放,特异性选择杀死癌细胞,同时不损伤正常细胞,抗癌活性高、疗效好。
与企业联合建立了武汉工程大学新型环保与医用材料工程技术研究中心、功能高分子材料工程技术研究中心等“产学研” 平台,部分产品与技术已经产业化,已形成稳定的学科团队优势。并力争在十二五期间成为省级科研平台。
 
 
(3)功能矿物材料
       本学科方向主要从事磷灰石、累托石、石墨、赤铁矿、锆英石、白云石等矿物学、晶体化学、原矿提纯、结构修饰与改性、新功能开发与应用等方面的研究。本方向经过二十多年的努力,形成以下特色:
1、磷灰石矿物提纯与改性技术及功能开发应用研究:中低品位磷矿物正—反浮选理论实现了湖北大峪口、王集磷矿,云南海口、云南磷矿等极其难选的大型磷矿物的富集(获国家科技进步二等奖);直接利用中低品位天然胶磷矿,采用模板诱导/均相沉淀法制备了长径比可控的磷灰石晶须及孔径可控的磷灰石多孔材料, 率先提出了台阶晶须生长机理与泡界模板组装法成孔机理(获湖北省自然科学奖);开发出磷灰石绿色环境功能材料、固体碱催化材料、电解质材料、发光釉材料等。
2、石墨、累托石等层状矿物材料结构修饰与应用研究:以天然石墨矿物为原料,通过金属卤化物进行结构修饰得到的石墨层间化合物为前驱体,率先采用氢等离子体方法制备了多种石墨结构层包覆的纳米金属(Fe、Co、Ni)电磁波屏蔽材料及摩擦材料;采用天然累脱石结构中的“云母层脱钾化”和“蒙托层有机/无机复合柱撑”等结构修饰新技术,使累脱石层间距增大,层间活性得到增强,制备了新型掺银累脱石抗菌材料。
二十多年的研究成果,对从附加值低的天然矿物向附加值高的矿物材料方向的转化发挥了重要作用,具备了在理论和技术上解决天然矿物材料化过程的支撑优势。
 
(4)光电功能材料
       本学科方向探索光电功能材料制备的新方法,通过分子设计及组装,研制出具有光电可控性能的新型复合材料,并研究新功能材料在工程中的应用,形成以下特色:
1、高性能聚合物太阳能电池及白光开发应用研究。通过分子设计,合成一系列窄带隙聚合物给体材料,与受体材料共混形成大的本体异质结,设计新型的器件结构,开发出高效的聚合物太阳电池器件,以及设计新型的单一聚合物发白光,用于白光照明工程,可大大节约能源。
2、无机功能氧化物陶瓷的制备、结构和铁电、压电、磁性等功能的研究和开发工作,其中在铁电压电材料领域专注于无铅铁电压电体系的研究和开发,对新发现的具有高居里温度、高介电常数的BaTi2O5无铅铁电压电化合物进行了系统的物性解明及实用化技术开发。
3、光电功能材料的设计与传感器件的构造。探索具有电、磁各向异性功能材料的制备,并研究电磁波在各向异性材料中的传播过程。着重关于这类材料对红外、微波波段的电磁波的折射与吸收效应,并将这类含碳纳米管或石墨烯功能复合材料应用于传感器件的构造。
 
(5)材料精密成形与微纳制造
       本方向开展高分子材料、特种金属材料和非金属材料的近净成形理论、工艺及其过程自动化控制、微纳结构可控加工等领域的研究,在材料高精度加工过程控制、高分子材料微成型工艺过程控制、金刚石及类金刚石材料图形化加工、纳米结构材料的可控加工等几个方面逐步形成自己的优势和特色:
1、在精密铸造包括湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯等领域开展科学研究,掌握了精密铸造模具数字化制造及其制芯的关键技术,这些技术在汽车产品关键件的生产,如进(排)气管、转向节、精密连杆及复杂轮廓件(如汽车车身)的制造中发挥了积极作用。
2、在金刚石及类金刚石材料的功能化合成及图形化加工方面开展科学研究,已经掌握了低温、常压等离子体合成金刚石、热丝合成金刚石及离子刻蚀等图形化加工金刚石的关键技术,有望实现金刚石材料在切削工具的超硬涂层、扬声器振膜涂层、激光器和集成电路散热片、X射线窗口材料和掩膜版支撑材料、光学元件涂层等方面的应用。
3、在纳米表面功能化及表面构建(纳米形貌特征、纳米簇涂层)、纳米结构(纳米点、纳米线及其阵列)可控合成方面开展科学研究,掌握了纳米点、纳米线及其阵列、图形化纳米薄膜及功能涂层制备的关键技术,特别是磁性合金、金属氧化物半导体纳米线阵列的可控加工等方面取得重要进展,在高密度存储、纳米催化、纳米传感等领域获得应用。