聚焦材料成形與模具技術難題致力關鍵技術突破
——走進華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

[編者按]材料成形與模具技術國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）的前身是塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室，于1989年經國家計委（現國家發改委）批準，由時任校長黃樹槐教授、肖景容教授、崔崑教授等老一輩科學家負責籌建，1995年通過國家驗收，2006年更為現名。實驗室面向國家重大需求，圍繞高性能成形制造中形變/流變機制、形性協調控制方法、組織與性能演變規律等科學問題，開展應用基礎與交叉創新研究，形成了成形工藝與數字化相結合、成形技術與材料學相結合的研究特色，是全球唯一可提供注塑、鑄造、沖壓、焊接、增材全系列材料成形過程模擬技術的研究機構，解決了航空、航天、海洋、汽車、船舶、信息等領域一大批高性能關鍵零部件的卡脖子難題，為我國國防建設和國民經濟建設做出了重要貢獻。

研究方向與成果

材料及其成形是支撐國民經濟發展與國防建設的基礎技術，在航空航天、汽車、船舶、能源、機械等領域內發揮著不可替代的作用，其發展水平是衡量國家裝備制造業自主創新能力的主要標志之一。在國家安全形勢、國際競爭壓力、能源危機和環境污染日趨嚴峻的環境下，發展高端制造裝備、新能源裝備、高性能運載裝備及新型武器裝備已成為國家重要戰略需求。這些裝備高性能化的要求不斷提高，其關鍵零部件也日趨復雜化、大型化、整體化和薄壁化，并要求成形工藝日趨復合化與精密化，對材料及其成形制造技術提出了越來越高的要求。面對這些挑戰，需要不斷深入探索材料成形過程的機理與規律，解決材料成形過程中的材料形變規律、材料組織結構與性能、控形控性這3 個基本科學問題。

實驗室瞄準以上國家重大需求和學科前沿，逐漸確立了以下5 個主要研究方向。

（1）材料成形過程模擬理論與方法。研究材料在固態、液態條件下的形變（流變）規律和多場、多尺度下各因素間的耦合作用機制，構建成形過程的計算模型，建立快速精確的數值計算方法，為全面真實地掌握材料的形變規律及機理、組織結構演變和性能預測提供技術支撐。

（2）數字化模具設計制造技術。研究面向模具開發全過程的智能化設計、自動化制造、精益化生產過程優化控制的理論與方法，建立模具設計制造的數字化平臺，克服模具開發過程中過于依賴經驗造成的低效率、低可靠性的瓶頸問題，使模具設計制造由經驗走向科學。

（3）快速成型與快速制模技術。研究激光與材料的相互作用機理，建立快速成形過程中零部件性能與精度的控制方法，形成材料–工藝–裝備一體化的成套技術體系，解決大型復雜高性能零部件的快速整體成形制造難題。

（4）精密成形工藝與裝備。研究材料在力場/溫度場作用下的組織結構演變及形變規律，建立成形過程的控形控性方法，形成精密成形工藝–裝備成套技術體系，解決高性能零部件的高效、高精成形制造難題。

（5）先進材料制備與應用。重點圍繞高性能工模具材料、合金材料、復合塑料、新能源材料、納米材料的制備與應用，研究材料成分、制備工藝、組織結構與性能之間的關系，以及外場作用下的材料組織結構演變機制，建立高性能材料的設計與制備方法，滿足關鍵零部件或器件對高性能材料及其成形技術的需求。

實驗室先后承擔國家級科研項目（課題）700 余項，其中國家重點研發計劃、國家重大科技專項、自然科學基金重大/重點項目、863、國防重點項目等重大/重點項目（課題）110余項，取得了系列標志性成果，在引領相關學科發展、解決材料成形工業軟件卡脖子難題、推動我國國防建設和支柱產業發展等方面發揮了不可替代的作用。獲國家科技獎勵24 項，提出的“表面模型”被國際學術界評價為“注塑成形模擬歷史上的重要里程碑”，研制的大型激光燒結增材制造裝備被兩院院士評為“中國十大科技進展”。

2016～2020年，實驗室科研能力顯著提升，新增國家級重大/重點項目牽頭23 項、參與30 項，國家杰出青年科學基金3 項，國家優秀青年科學基金5 項，科研經費達4.99 億元；發表SCI 論文2556 篇，其中CNS 子刊論文9 篇、影響因子大于10 的論文421 篇、高被引論文65 篇、熱點論文10 篇；獲授權發明專利425 件。作為第一單位，獲國家自然科學二等獎1 項、國家技術發明二等獎1 項、國家科技進步二等獎2 項、省部級一等獎13 項。

科研平臺與人才隊伍

實驗室圍繞研究方向和發展目標，通過購置和自主研制，已擁有大量先進的材料制備、成形、性能測試與組織分析設備，如火花放電等離子燒結系統、鋰電池智能制造裝備、精密塑料注射成形機、雙動擠壓液壓機、高精度八軸機器人焊接系統、雙激光多材料激光選區熔化增材制造裝備、液態金屬高壓成形機、熱力模擬試驗機、原位納米力學測試系統、動態力學分析儀、綜合物性測試系統、單晶X 射線衍射儀、微納操縱及原位光電分析掃描電鏡系統、場發射俄歇電子能譜儀、光電流原子力顯微鏡等，建立了材料設計與制備、材料成形技術、材料性能測試、材料顯微分析等4 個實驗平臺，為開展高水平科學研究、培養高層次人才提供了良好的硬件支撐。

實驗室依托華中科技大學材料科學與工程“211”/“985”/“雙一流”重點學科，堅持人才培養與人才引進并舉，打造了一支以院士為指導、中青年為骨干、團隊協作的科研隊伍。現有固定人員102 人，其中：教授62 人，副教授32 人，具有博士學位的人員占96%，具有海外經歷的人員占70%，40 歲以下的人員占39%。目前實驗室有中國工程院院士3 名，國家杰出青年科學基金獲得者7 名、優秀青年科學基金獲得者8 名，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才5 名、青年拔尖人才1 名，“新世紀百千萬人才工程”國家級人選3 名，教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授4 名、青年學者4 名，教育部新世紀優秀人才12 名，國家海外引進高層次人才1 名、青年人才15 名，教育部創新團隊2 個，科技部創新團隊1 個，湖北省創新團隊6 個。

學術交流與合作

2016～2020年，實驗室主辦/承辦國際學術會議10 次、國內學術會議24 次，在國際學術會議上做主題/特邀報告44 人次、在國內會議上113 人次，在國際學術機構/期刊任職40 人次、在國內學術機構/期刊任職186 人次。邀請德國工程院院士Christoph Leyens 教授、澳大利亞科學院院士/中國科學院外籍院士米耀榮教授、俄羅斯科學院外籍院士牛濟泰教授等國內外知名學者來室開展學術交流合作，持續舉辦杰出學者論壇252 期。牽頭成立了中歐增材制造技術聯合實驗室（與英國斯旺西大學合作）、湖北省增材制造技術國際科技合作基地（與比利時魯汶大學、美國德克薩斯奧斯丁分校等合作）等國際合作平臺，承擔了歐盟地平線2020 計劃、歐盟框架七、政府間科技合作重點專項等國際合作項目20 余項。

實驗室大力推進“政產學研用”全方位協同創新，構建了“研究院–聯合實驗室–項目合作–科技企業孵化”4 類產學研結合與成果轉化模式：

（1）建設區域和行業的技術研發與成果轉化基地，如采用政府與企業提供辦公場地和資金，實驗室投入人力和技術的方式與黃石市政府共建“黃石科創模具技術研究院”、與海爾集團共建“國家家電模具工程技術研究中心”、與武鋼集團共建“華中科技大學-武鋼研究院”；

（2）與行業龍頭企業共建聯合實驗室，包括航空領域航材院、聲學部件領域瑞聲公司、家電領域美的公司、精鍛領域太平洋精鍛公司等，合作方按年度提供研究經費，雙方共同開展科研攻關；

（3）與航空工業、中國航發、航天科技、航天科工、中船、中車、一汽、東風、華為等1000 余家企業開展了項目合作，近十年合作經費超過3 億元，解決了一大批制約企業發展的技術瓶頸問題；

（4）基于實驗室研究成果，孵化了華科三維、武漢維景、益模科技等創新型企業，推動了增材制造、模具信息化等成果的轉化應用。