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学院教职工风采展示—追逐梦想、超越梦想:李元庆

2017-06-29 14:45  点击:[]

李元庆老师是重庆大学“百人计划”研究员,受聘为航空航天学院博士研究生导师。朴实、健谈、睿智、平易近人,是他给人的第一印象。然而,在朴实的外表下,李元庆老师一直揣着一颗追逐梦想、超越梦想的心。在科研和教学的道路上,他一直孜孜不倦,一边在科学研究的海洋里奋力拼搏,一边在教学育人的道路上努力攀登。

李元庆老师的研究领域集中于复合材料力学及智能材料,特别是在力学与复合材料的交叉领域做出了有特色的研究工作。目前已发表学术论文70余篇,SCI收录论文59篇(第一作者或通讯作者35篇),其中多篇发表在Advanced Materials、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interface、Carbon、Scientific Reports、Composite Science & Technology、Composites Part B等业界公认的顶级杂志上。基于Web of Science的总引用1500多次,h-index为21;发表论文中三篇他引100次以上,并有一篇入选ESI高被引论文。此外,李元庆老师主持有国家自然科学基金面上项目、重庆市自然科学基金面上项目及重庆大学“百人计划”等科研项目。出版英文著作3个章节,申请国家发明专利并授权10余项。受邀成为ACS、RSC和Elsevier等出版商旗下数十份刊物的特约审稿人,并受聘成为中国自然科学基金、欧洲研究委员会前沿研究基金(Frontier Research Grants of ERC)、波兰国家科研研究基金等的评审专家。

李元庆老师围绕复合材料的增强、增韧及其智能化等方面的基础科学问题取得了显著的具有创新性和科学价值的研究成果:

1)基于仿生学设计结构功能一体化复合材料。李元庆老师首次提出利用具有良好导电、导热等性能的二维石墨烯为单元进行贝壳结构的仿生设计,并成功构建出具有结构·功能一体化特征的石墨烯复合薄膜;所得石墨烯复合薄膜的拉伸强度和模量以及导电率均为当时石墨烯复合材料的世界纪录。研究成果发表于Advanced Materials(2012, 24, 3426;IF=19)后受到相关领域研究者的广泛关注,被多篇综述性论文如Nat. Mater.(IF=39)、Adv. Mater.(IF=19 )和Chem. Soc. Rev.(IF=34)等详细介绍,Web of Science总引用已高达147次,成功入选ESI高被引论文。基于上述工作,李老师还探索了其在传感器上的应用,相关工作发表于Adv. Funct. Mater.(2012, 22, 2487)和Biosens. Bioelectron.(2013, 41, 417),分别被引109和50次;

图1.具有仿贝壳结构的石墨烯复合材料的SEM照片(A)和应力-应变曲线(B),ESI高被引证明(C)。

2)碳纳米管和石墨烯在复合材料中的协同增强、增韧机理。李元庆老师通过分子动力学模拟发现,氧化石墨烯倾向于包覆在碳纳米管表面形成类核壳结构,进一步的热力学计算表明这种结构的能量比团聚的碳纳米管束更低,结构非常稳定。基于上述模拟结果,李老师提出并证实同时添加氧化石墨烯和碳纳米管所制备的复合材料具有显著的协同增强、增韧效应,实验及模拟结果证实其协同增强、增韧主要归于碳纳米管在高分子基体中团聚现象的改善。相关研究成果发表于Carbon (2017, 115, 694)、J. Mater. Chem. (2011, 21, 10844)和RSC Adv. (2013, 3, 8849),引起相关学者的广泛关注,目前已被引80余次;

图2.(a)PVA,CNT/PVA, GO/PVA和GO-CNT/PVA薄膜的应力-应变曲线;(b)CNT/PVA, GO/PVA和GO-CNT/PVA复合薄膜的屈服强度和杨氏模量对比图;(c)GO与CNT相互接触时,从0到500 ps时的MD模拟过程快照,(d)500ps时的侧面构象图。

3)复合材料多尺度增强、增韧。李元庆老师利用纳米级氧化石墨烯和微米级纤维同时对树脂基体进行增强,所制备复合材料的综合力学性能得到了大幅度的提高。例如利用氧化石墨烯对玻纤表面进行处理,可大大增强玻纤与聚醚砜树脂基体间的界面作用力,进而使复合材料的拉伸强度、模量以及弯曲强度和模量等得到全面提升。利用氧化石墨烯增强的环氧树脂为基体制备连续纤维增强复合材料,在环氧树脂中仅添加0.2wt%的氧化石墨烯,即可实现复合材料弯曲强度和模量分别提高20%和30%以上。相关成果发表在Composites Part B(2016, 99, 407)和Int J Adv Manuf Technol(2015, 81, 2183)等;

图3.(A)GO表面修身短玻璃纤维;(B)GO改性环氧树脂/玻纤复合材料。

4)氧化石墨烯预超声处理对复合材料力学性能的影响。李元庆老师对氧化石墨烯前躯体在超声过程中的结构演变进行了研究,结果显示超声时间太短,石墨烯则无法完全剥离;超声时间过长则会减小石墨烯的尺寸。进一步实验揭示氧化石墨烯的预超声处理对复合材料力学性能的影响显著,复合材料的制备过程中存在最优超声时间或能量输入,超声时间太短或太长都无法获得最佳的增强、增韧效果。研究结果发表于Carbon(2013, 55, 321),受到国际同行的广泛关注,目前已被引33次;

图4.(A)不同超声时间处理后GO水溶液放置7天的照片,(B)超声时间对GO/PVA复合薄膜断裂强度的影响。

5)基于三维导电网络结构的压阻传感器。李老师系统研究了石墨烯气凝胶/PDMS、碳化纤维素/PDMS等具有三维导电网络结构的复合材料在不同外力场下的压阻行为,揭示了基于三维导电网络结构复合材料的力-电响应行为机理,相关研究结果发表于Small(2015, 11, 2380),ACS Appl. Mater. Inter.( 2016, 8, 33189;2015, 7, 9195)和J. Mater. Chem. A(2015, 3, 2181)等。所开发的基于三维导电网络结构的碳棉/PDMS柔性复合材料的压阻灵敏系数高达6 k·Pa-1,仅次于基于金纳米线的压力传感器的世界纪录值(8 k·Pa-1)。相关研究工作在发表不到2年的时间内已被引56次。他还利用废纸、棉花、海绵等材料制备了具有热理疗、健康监测等功能的可穿戴式多功能智能传感器。

图5.(A)基于棉花的压力穿戴器,(B)基于废纸的多功能手环。

除了在科学研究方面取得了累累硕果外,李元庆老师在教书育人方面也不断创新、精益求精。在教学方面,李老师曾在石家庄铁道大学任教两年左右,期间讲授过固体物理、建筑材料、建筑材料试验、粉体工程、无机材料物理化学、材料物理导论(研究生)和材料科学前沿(研究生)等课程;在阿联酋哈里发大学工作期间,主要用英语讲授了General Chemistry Lab和Engineer Design两门课程;自2015年9月到我院任教期间,主讲了工程力学专业英语和航空复合材料两门本科生课程以及复合材料结构设计与分析研究生课程。丰富的教学经历,并结合国外教学经验,李老师的授课形式多元化,激发了学生的学习兴趣,培养了学生的综合能力。以工程力学专业英语为例,教学内容除本专业的英语词汇外,还增加了学生对科研论文写作、阅读、学术交流等方面的训练;课堂中加强学生的参与性与互动性,让学生进行专业文献阅读后,模拟进行学术汇报,并分组制作PPT、学术海报等;这些措施有效的激发了学生的学习热情,并锻炼了学生的创新能力、表达能力、团队合作意识等,教学改革效果良好。在指导研究生方面,李老师亲力亲为,注重培养学生的独立研究能力,并根据研究生个人特点,结合研究生的自身兴趣爱好,制定难度适中、创新性突出的课题研究方向。他指导的2015级航空工程专业硕士研究生余晓光同学根据科题研究成果整理的论文已发表于SCI1区期刊Nanoscale(IF7.76)上,2015级硕士研究生朱伟斌则荣获了重庆大学“十佳青年学生标兵”称号。

对于未来的工作,李元庆老师信心满满。一方面以复合材料力学为基础,围绕复合材料轻质-高强-结构功能一体化的关键科学、技术问题进行攻关,结合航空航天领域的需求,拟在复合材料增强\增韧、柔性传感器以及复合材料的结构-功能一体化方面开展深入研究;一方面注重吸引优秀人才加入到已有科研队伍,鼓励团队年轻教师及研究生到国外高水平大学或学术机构结进行交流访问,进而形成一支在国际上极具竞争力和创造力的高水平科研团队。

(作者:刘浩 图片来源:李元庆 编辑:尹瑞森)

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