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鐵路軌道寬頻性能測試系統擬解決軌道結構中各部件振動疲勞損傷的模擬研究，針對各個部件服役狀態下所處的高頻共振頻段與低頻頻段共同作用，真實地模擬各部件現場工作狀態。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 鐵路軌道寬頻性能測試系統擬解決軌道結構中各部件振動疲勞損傷的模擬研究，針對各個部件服役狀態下所處的高頻共振頻段與低頻頻段共同作用，真實地模擬各部件現場工作狀態。研制的新型軌道部件高低頻疲勞試驗機的組成包括驅動系統、預加載部分、潤滑系統、計算機電氣控制部分以及軟件組成。試驗機的驅動系統屬于交流伺服系統，在主軸上設置有可調節壓頭行程的偏心輪，偏心輪的功能是將主軸的旋轉運動形式轉換成壓頭上下直線的運動形式，從而達到對部件的動負荷加載的功能。本設備可模擬各部件在各自共振頻率和其他低頻載荷疊加后的組合疲勞試驗，試驗對象包括但不限于鋼軌、彈條、墊板、螺栓、軌枕以及軌道板等等。預計可系統性的回答上述各部件高低頻組合疲勞傷損演化規律，填補國內外有關軌道部件高頻疲勞壽命試驗研究的空白。

開發了多種結構的納米復合催化材料，用于高性能的電解水制氫電極材料。

依照美國AMCA207標準設計適合于不同類型規格風機的性能測試臺，配用高精度傳感器，采用計算機自動數據采集系統，對測量參數進行實時監控與測量，最后形成標準試驗報告。

成果與項目的背景及主要用途：統計資料表明，80-90%焊接結構斷裂事故是由疲勞失效引起的，由于焊接接頭的焊趾處的應力集中和殘余拉伸應力作用，焊接接頭疲勞強度大幅度地低于基本金屬的疲勞強度。雖然結構按疲勞規范設計，仍然發生一些整體結構的過早疲勞失效，造成巨大的經濟損失，甚至是人身傷亡事故。由于焊接接頭焊趾是疲勞裂紋引發部位，如果對該部位實施適當的處理，使殘余拉伸應力轉變為壓縮應力和減少應力集中，這將有利于延緩疲勞裂紋的產生，具有巨大的社會效益和經濟效益。本項目是在國家自然科學基金的支持下完成的，從超聲波沖擊、相變應力應用、等離子噴涂等三方面提出了三種改善焊接結構疲勞性能的新技術，研制發明了相應的裝置、焊接材料和噴涂技術。這些方法可以方便地應用到橋梁、采油平臺、船舶、飛機、機車車輛、壓力容器及管道等工況、野外施工和高空現場作業的場合，其應用前景是十分樂觀。 技術原理與工藝流程簡介： 1）超聲沖擊方法改善焊接結構疲勞性能的基本工作原理為：通過超聲波發生器將電網上的工頻交流電轉換成超聲頻的交流電，用以激勵聲學系統的換能器。換能器將電能轉換成同樣頻率的機械振動，在機架所提供的一定壓力作用下，將該超聲頻的機械振動傳遞給工件上的焊縫，使以焊趾為中心的一定區域內焊接接頭表面產生足夠厚度的塑性變形層，從而達到改善接頭幾何外形，降低應力集中程度、調節其應力場沿厚度方向的分布狀況，最終達到改善焊接接頭疲勞強度的目的。 2）相變應力應用改善焊接結構疲勞性能的基本工作原理：利用開發的相變應力焊接材料使焊縫金屬冷卻中產生的相變應力，抵消焊接殘余拉伸應力并獲得壓縮應力，最終達到改善焊接接頭疲勞強度的目的。 3）等離子噴涂改善焊接結構疲勞性能的基本工作原理：利用等離子在焊趾部位噴上結合性能良好的涂層材料來改善接頭的應力集中狀態，最終達到改善焊接接頭疲勞強度的目的。技術水平及專利與獲獎情況：整體研究達國際先進水平；已獲國家發明專利3 項，在申請國家發明專利 5 項；2004 年度天津市自然科學一等獎，2002 年獲教育部發明二等獎。 應用前景分析及效益預測：接頭焊趾及焊跟部位是焊接結構承受疲勞載荷的薄弱環節，改善焊趾和焊根部位的疲勞性能將提高整個結構的疲勞性能。使用超聲波沖擊、相變應力及等離子噴涂等這些新技術可以大幅度地改善焊接結構的疲勞壽命，顯著降低焊接結構破壞事故的發生幾率, 進而節約焊接結構的用鋼量和資金，增加焊接結構的安全裕度，防止因焊接結構發生意外疲勞破壞事故給國家和人民財產的經濟損失，因此具有廣闊的應用前景及產生巨大社會效益和經濟效益的可能。 應用領域：可以應用到橋梁、采油平臺、船舶、飛機、機車車輛、壓力容器及管道、水輪機、火箭發動機、汽車制造等諸多領域。 

含壓縮、拉伸、扭轉、剪切、彎曲各一件。

1、主要功能及應用領域 透明電極在太陽能電池、有機發光二極管、觸摸屏等光電器件中具有重要的應用價值，目前應用最多的用氧化銦錫（ITO）為制造的透明電極，但ITO存在脆性大，無法彎曲，近年來隨著光電器件對透明電極需求的增加，銦的價格也大幅提高。由于石墨烯產業化后的預期成本低，成為柔性透明電極的主要材料之一，但在實際中由于大面積石墨烯總會存在一定的缺陷，影響了其導電率，本項目結合石墨烯和納米金屬網孔的優勢制備出石墨烯和金屬網孔復合膜柔性透明電極。 2、特色與先進性技術指標 特色：利用低成本、無污染的溶膠在透明基底形成網狀模板，利用模板制作金屬網格；通過轉移石墨烯在金屬網格上制作一種石墨烯/金屬網格復合電極。其復合電極表現出優異的光電特性。通過結合單層石墨烯的高透光性和金屬網格的導電性，有效地彌補了化學氣相沉積法（CVD）-石墨烯多晶結構的缺陷和金屬網格不利于制作依賴垂直電流傳輸器件的的缺點，從而提高透明復合電極的光電特性。 圖1 制備的石墨烯及拉曼圖，可以看到非常清楚的2D峰，右圖為金屬網孔的顯微圖。 3.技術指標 復合電極：面電阻為 21.2 、透光率為92%（在550nm波長測得），下圖表明其寬帶的透射光譜特性。 圖2 復合電極的透過率 將復合電極制作在PET基底上，使其可以表現出優異的機械柔軟性。在將透明電極從正向到反向彎曲，其彎曲角度從-150o達到150o時，其電導率也只下降3.4%，反復彎折100次，電導率幾乎沒有什么變化。 4、產業化的關鍵性問題 高性能的透明電極在許多光電器件是必不可少的，例如觸摸屏、光伏電池、有機發光二極管等。目前商業上，由于氧化銦錫（ITO）薄膜的高光學透過率、低面電阻和成熟的制造工藝，在作為透明電極方面已廣泛地應用在各種光電器件中。但銦是稀有金屬，在地殼中的分布量比較小且分散，主要以微量存在于錫石和閃鋅礦中，且隨著液晶顯示器和觸摸屏等產品的普及，因此銦的價格在急劇上漲。此外，氧化銦錫透明電極缺乏柔韌性，不易彎曲，化學穩定性差，不適合應用于柔性透明電極。 傳統上制備金屬網采用光刻法及蝕刻工藝。但是，通過采用光刻法制備的金屬網格不僅成本較大、工藝復雜、效率低，而且在制備的工藝條件、設備要求也較高。 本實驗采用了低成本高效率的方法制備金屬網格，再通過CVD法生長大面積石墨烯并轉移在金屬網格上。實驗過程中工藝簡單、成本低、效率高，并可制備大面積-高質量的透明電極。

透明電極在太陽能電池、有機發光二極管、觸摸屏等光電器件中具有重要的應用價值，目前應用最多的用氧化銦錫（ITO）為制造的透明電極，但ITO存在脆性大，無法彎曲，近年來隨著光電器件對透明電極需求的增加，銦的價格也大幅提高。由于石墨烯產業化后的預期成本低，成為柔性透明電極的主要材料之一，但在實際中由于大面積石墨烯總會存在一定的缺陷，影響了其導電率，本項目結合石墨烯和納米金屬網孔的優勢制備出石墨烯和金屬網孔復合膜柔性透明電極。

大健康是未來世界發展的趨勢，在未來10年內將產生10萬億美元的產業。我國在近期提出的健康中國，著眼于擴大在線健康服務，依托大數據提出診斷和治療建議，實現大社區健康管理與大健康服務。實現這一體系的關鍵，在于各種柔性電子、傳感器技術，與物聯網、云通信技術，以及大數據與人工智能相結合。 隨著經濟的發展，人們對于健康的重視程度越來越高，在皮膚表面進行檢測人們身體健康狀況的柔性傳感器，是未來電子科技發展的一個重要方向，將會有巨大的市場前景。在以智能手機為主體的電子元器件的開發日益盛行，開發一種柔性智能傳感器，舒服的貼在皮膚表面，這種傳感器既能夠檢測人們生命體征（如血壓、心跳、體溫、血糖等）的變化，又能夠無線連接手機。醫院的醫生能夠通過互聯網、云通訊、分布式的監測和管理每個病房的病人的身體狀況，既節省大量人力時間成本，又能夠及時的檢測到病人的生命體征變化；結合無線互聯網、云通訊,能實現分布式醫護,虛擬空間管理；與大數據與人工智能結合，進行智能健康管理,實現智慧醫療（圖1）。 圖1 基于柔性傳感器的智慧醫療系統 本項目主要應用生物相容的蠶絲材料作為傳感單元主要組成部分，以無線藍牙模塊與無源RFID標簽作為人機數據交互單元，以大數據為手段對平臺進行管理，瞄準柔性電子與智能大數據前沿領域，具有重要的科學意義。具體如下： （1）柔性電子皮膚等智能傳感新技術與器件開發 近年來，蠶絲等柔性材料作為醫用生物材料漸漸進入人們的視線，具有良好的生物相容性和極佳的力學性能。以此為基礎開發柔性電子制造技術，通過柔性材料的光刻、打印等加工技術，制備傳感單元。 （2）人體傳感信號實時監測的云系統的開發 通過建立皮膚表面傳感器無線信號傳輸技術，實現體溫、心跳等信號的遠程監測，符合國家精準醫療精神。通過云系統可對老年社區、醫院等場所進行智能化、集成化的監控，實現健康的大數據管理。除此以外，也可實現個體的遠程診療體系。向“健康中國2030”靠攏，依托大數據提出診斷和治療建議。 （3）將系列傳感器材料制備技術與無線信號傳輸云平臺結合，實現個人和醫院的對自身和病人的健康指標數據進行檢測和管理。以此無線體征檢測的平臺框架為基礎，后續又可以引入更多傳感與控制體系，適應場景的多樣化。 二、前期研究基礎 （1）模仿神經元突觸的蠶絲憶阻器 在神經系統中，當神經沖動從軸突傳導到末端時，Ca2+離子大量涌入突觸前膜引起遞質的分泌，從而改變突觸后膜的導電性。我們通過仿生該過程，利用Ag+離子在外加電場作用下WK@AuNCs蠶絲蛋白薄膜的遷移行為來模擬阻值漸變和阻值記憶的過程。其電學特性表明其具有獨特的突觸特性，并具有突觸學習能力。 （2）蠶絲基應力傳感器—柔性電子皮膚 人體電子皮膚傳感器是未來傳感器發展的新方向之一，超薄超柔的特性使其可以在人體幾乎難以察覺異狀的情況下，完成多種生理指標的采集。我們通過研制柔性壓力傳感器，已在運動檢測、發聲檢測、脈搏檢測等方面開展了大量研究。 （3）纖維傳感器 可穿戴設備在未來智能裝備領域具有廣泛的應用前景，而我們平時穿戴的衣物均是由纖維編織而成，智能穿戴設備設計的最高境界為對其本身必須的纖維材料的功能化。我們通過對纖維材料進行改造和設計，制備除了纖維狀溫度、壓力傳感器。對纖維傳感器進行編織可實現多維度傳感，并可適應多種場景，這項工作與傳統紡織行業結合開創了尖端智能科技研究新領域。