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职称:教授

电话:010-62794410

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个人简介

李喜德,清华大学教授,博士生导师。

联系方式:

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办公室地址:清华大学蒙民伟科技大楼北楼613房间
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教育背景

1986年在西北大学物理系获理学学士学位。
1989年在西安交通大学工程力学系获硕士学位。
1992年在西安交通大学机械工程系获博士学位。

工作履历

1993年-1995年中国科学技术大学力学和机械工程系博士后。
1995年-1998年中国科学技术大学近代力学系副教授。
1996年-1997年瑞典吕勒奥技术大学访问学者,2000、2001年香港大学访问学者。.
1999年-至今,清华大学dafabet黄金手机版教授。

学术兼职

现任中国力学学会理事,北京力学会秘书长,北方七省区力学学会学术工作委员会秘书长,中国材料与试验团体标准委员会航空材料领域委员会委员、材料检测与评价技术委员会副主任委员,中国航空工业集团北京航空材料研究院“材料检测与评价航空科技重点实验室”以及“航空材料检测与评价北京市重点实验室”学术委员会委员;《实验力学》副主编,《应用力学学报》等多种杂志编委,《中国大百科全书》第三版(力学学科)编委;欧洲实验力学学会理事(EuraSEM council member),OSA、ANS、CCTAM会员。曾任中国力学学会实验力学专业委员会副主任(2015-2020),《实验力学》副主编(2010-2015)。

社会兼职

清华大学第六、七届教代会委员,第十八、十九界工会会员,清华大学力学、航空宇航分学位委员会副主席。

研究领域

微纳米力学,实验固体力学、航空航天结构力学、智能材料力学与传感技术等。

招收博士后信息
招收以下研究方向的博士后:微纳米力学、疲劳与断裂力学、材料或器件的宏微观力学性能实验计算与模拟、先进实验力学方法与技术等。


研究概况

主要研究方向为微纳米力学,实验固体力学、航空航天结构力学、智能材料力学与传感技术等。涉及宏微观尺度材料和器件力学性能、表界面相互作用、先进固体实验力学测量方法和技术、航空航天与工程结构力学安全与完整性、材料和结构的健康检测和无损评价等。近期在结构超润滑、材料高温疲劳与断裂、碳纳米管及其复合结构在纳米尺度的变形与断裂、生物材料力学性能等方面取得了一系列研究成果。

1、微纳尺度材料力学行为

微纳米器件和结构的尺度逐渐突破连续介质体系假设,传统力学研究已无法单独构建材料从微观尺度到宏观尺度的理论框架,从而面临材料、物理、化学、力学等多学科领域交叉涌现的更多共性难题。该研究方向面向微纳米力学与材料、微电子以及生物医学等领域科学前沿的交叉研究,着眼于低维材料和结构由于特征尺寸的减小导致的新的力学、物理、加工等性能的改变,以及材料微结构演化对其宏观性能作用规律的协同与关联效应,通过多尺度理论分析、数值模拟与实验测量及表征相结合,揭示微纳结构材料优异力学性能的微观机理,微结构演化与材料宏观力学行为的关联机制,以及多尺度材料力学行为与其功能之间的内在机制,从而实现认识材料的跨尺度力学规律,基于应用需求导向实现优异性能材料和器件的力学设计。

在该领域的研究中,结合分子动力学模拟、理论分析和微纳米力学实验,研究了碳纳米管及其复合结构在微纳米尺度的界面相互作用、变形与断裂行为,发现了碳纳米管具有接近其极限抗拉强度的显着抗疲劳特性,揭示了其疲劳寿命由单键缺陷引发的脆性断裂机制(Science,2020);发现了制约碳纳米管束拉伸强度的初始应力机制,提出了增强超长碳纳米管束拉伸强度的松弛张紧应力释放和调整策略,使其拉伸强度达80GPa (Nat. Nanotechnol., 2018,封面文章,被Physics Today、Journal Today、科学网、科学基金通讯、科技前沿等几十家媒体报道);建立了多尺度模型,揭示了超长碳纳米管/束中层间以及管壁间相互作用机制,给出了耗散及摩擦阻力与管长、管间运动速度之间的关系(J. Mech. Phys. Solids, 2020).

针对石墨岛超滑体系,和合作者建立了大尺度结构超润滑检测系统,实现了微米尺度石墨片层在温度、真空度、湿度和环境气氛可控环境下的超润滑检测;获得了极低的石墨层间摩擦力,揭示了石墨岛层间超润滑的温度、速度、湿度和边缘势垒的影响机制(Phys. Rev. Lett.,2013; EPL, 2019);提出了直接测量自恢复力确定石墨片层间解离能的新思路,给出了石墨层间解离能及其与温度和层间适配角的关系,该研究对层状材料层间性能的研究具有重要的意义(Nat. Comm., 2015)。

针对微米器件和低维材料表界面力学性能,通过引入探针和多场耦合分析,研究了探针和材料近表面相互作用、接触、粘附和摩擦性能,提出了材料浅层表面力学参数反演方法(Exp. Mech., 2014)和残余应力分析方法(J. Appl. Mech.-Trans. ASME,2018),微纳米尺度多层材料界面强度分析方法及细胞尺度生物材料的强韧性分析(IEEE Trans. Appl. Supercond., 2018, Sci Rep, 2017);建立了音叉探针非线性表面相互作用模型(Ultramicroscopy, 2014),提出了多频扫描表面相互作用分析方法及微纳尺度动态摩擦测量方法( Sensors, 2015, 2018), 以及纳米引线纳电极压入的接触导电输运机制(Rev. Sci. Instrum., 2014)。这些研究揭示了微纳米尺度材料及微器表面/界面独特力学性能,提出了丰富的低维材料和器件力学性能的分析和测量方法。

2、极端条件与环境作用下的材料力学

极端条件与环境作用下材料的力学性能研究不仅对于服役中的国防装备具有重要的意义,而且在工业装置及结构使用和建造,以及基础科学和交叉学科研究中也占据举足轻重的地位。极端条件与环境作用力学研究涵盖内容广泛,例如热机装备所涉及的热端部件,如叶片、涡轮轴、涡轮盘等处于高温、高压和强腐蚀的极端条件和环境,热端部件材料的高温力学性能成为这些重装设备关注的核心问题。尤其是目前航空发动机的工作温度已经超过高温合金的直接上限温度,热端部件的高温力学性能,如高温疲劳、蠕变、流固热耦合、氧化和氢化,及其在疲劳和疲劳-蠕变载荷下的失效模式、变形机制等,成为保证航空发动机服役期间的安全性和可靠性重要的研究议题。该方向的研究聚焦于高温、腐蚀、高速等极端条件和环境下材料、微结构以及表界面的力学性能分析与设计。

最近,在这一方向的研究中,通过国家自然科学基金重点项目的支持,课题组结合原位扫描显微环境,实现了从室温到1000oC原位镍基合金疲劳小裂纹的萌生、扩展和蠕变疲劳行为研究,提出了载荷控制小LCF疲劳小裂纹萌生、扩展与温度的依赖关系(Int. J. Fatigue,2019),以及驻留时间控制下由裂纹尖端张开位移表征的蠕变疲劳小裂纹生长率关系(Int. J. Fatigue,2020);完成了SLM增材制造AlSiMg合金材料高温疲劳实验,给出了其最优疲劳性能时对应的激光扫描速度以及所含气孔率与其疲劳性能的关系(Eng. Fract. Mech.,2019);究建立了高温微动疲劳试验装置(微动是指在机械振动、温度循环变化等载荷的耦合作用下,在接触面之间发生的位移幅值在微米量级的相对运动),模拟了航空发动机涡轮叶片榫槽连接处的微动现象,揭示了温度和载荷对镍基单晶材料微动寿命的影响机制(Tribol. Int., 2019),并通过EBSD表征了晶体取向对微动疲劳引起的裂纹萌生和位错分布的影响(Acta Mater.,2019)。极端环境下界面或结构部件间的粘合问题受到广泛的关注。最近,在这一领域的研究中,应用水平超取向碳纳米管研发了一种纳米管胶带,可在-196至1000oC内提供理想的范德华界面接触,从而可产生高达1.1 N /μg的比粘合强度。通过第一性原理计算揭示了粘合机理(Nano Lett., 2019)。该研究作为Nano Letters的封面文章, 并在ACS News Service Weekly Press Pac: Wed Jul 10上给予以报道.

3、先进实验力学方法、技术及应用

实验力学方法和技术研究是力学研究领域中理论、实验和数值模拟三种研究方式之一,是一门将力学与光、电、声、磁、热、射线、图像和信息等多学科技术交叉的, 研究与力学基础和工程应用相关的测量理论、方法、技术、设备及其应用的技术性学科。通过实验测量可以直接揭示研究对象的本质,也是研究者获得第一手信息的主要途径。该研究方向具体面向工程结构、材料、器件,以及基础研究之需求,基于光学、光谱、数字图像、扫描探针和传感器等技术,发展面对材料或结构的表面和内部的先进实验力学测量方法、技术以及实验设备。

在该领域经过系统的研究,提出了时间序列散斑干涉技术、载波电子散斑干涉技术、扫描成像模式下动态图像恢复与运动和变形参数的反演方法、相干光与同步辐射光CT重建技术、缺陷的定量无损探测与分析方法、多层级微力标定方法等;研制了商用电子散斑干涉仪和结构光轮廓仪;在基金委仪器专项、重点项目以及重大研究计划的支持下,研制了适用于SEM、AFM以及拉曼光谱系统的微纳米尺度材料力学性能测量系统,扫描显微环境下原位材料高温力学测量系统,具有多环境参数(温度、湿度和压力)的结构超润滑测量系统,以及从毫牛到纳牛的微力传感系统等。目前,在该方向的研究有60余篇SCI研究论文和10余项发明专利。研究的相关仪器和装置在工程应用和基础研究中均发挥了重要的作用。


奖励与荣誉

迄今已发表学术论文180余篇,包括Science、自然子刊《自然?纳米技术》(Nature Nanotechnology)和《自然?通讯》(Nature Communication),以及《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《固体力学与物理杂志》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids)、《纳米快报》(Nano Letters)等国际知名期刊。拥有发明专利13项。承担和完成了包括973、重大研究计划课题、国家基金委重点项目、仪器专项等30余项科研课题。曾获教育部自然科学奖一等奖1项(2009),国防预研基金二等奖1项(1998)。

学术成果

近期文发表目录

1. M Liu, et al., Multi-scale analysis of the interaction in ultra-long carbon nanotubes and bundles, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2020,142, 104032.

2. Y Bai, et al., Super-durable carbon nanotubes, Science, 2020, 369(6507):1104-1106.

3. Z Wang, et al., Creep–fatigue interaction behavior of nickel-based single crystal superalloy at high temperature by in-situ SEM observation. International Journal of Fatigue, 2020, 141, 105879.

4. H Xie, et al., Scanning imaging restoration of moving or dynamically deforming object. IEEE Transactions on Image Processing, 2020, 29: 7290-7305

5. H Xie, et al., Scanning-digital image correlation for moving and temporally deformed surfaces in scanning imaging mode, Experimental Mechanics, 2020, 60(8), 1079-1101.

6. J Liang, et al., In situ scanning electron microscopy analysis of effect of temperature on small fatigue crack growth behavior of nickel-based single-crystal superalloy,International Journal of Fatigue, 128 (2019) 105195.

7. X Jin, et al., Continuous, ultra-lightweight, and multi-purpose super-aligned carbon nanotube tapes viable over a wide range of temperatures, Nano Letters 2019 19, 6756-6764.

8. Z Wang, et al., In-situ SEM investigation on fatigue behaviors of additive manufactured Al-Si10-Mg alloy at elevated temperature, Engineering Fracture Mechanics, 214 (2019) 149-163.

9. X Ye, et al., Tensile properties of individual multicellular Bacillus subtilis fibers, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2019, 62, 994611.

10. W Wang, et al., Interlayer motion and ultra-low sliding friction in microscale graphite flakes, EPL, 2019, 125: 26003.

11. H Xie, et al., Bending-peeling method to research the effect of lateral stress on superconductivity of REBCO tape at liquid-nitrogen temperature, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, 29(6), 8400508.

12. X Huang, et al., Temperature control method during current heating of a specimen in scanning microenvironment, Journal of Experimental Mechanics, 2019, 34(6): 911-925. (In Chinese)

13. M Liu, et al., Rigid-flexible contact analysis of an inflated membrane balloon with various contact conditions, International Journal of Solids and Structures, 2018, 144–145: 218–229.

14. P Jin, et al., Discrete loading ring-core method for nonuniform in-plane residual stress analysis in micro area, J. Appl. Mech. 2018, 85(9):091002

15. Y Bai, et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa, Nature nanotechnology, 2018, 13: 589–595.

16. J Liang, et al., In situ scanning electron microscopy-based high-temperature deformation measurement of nickel-based single crystal superalloy up to 800°C, Optics and Lasers in Engineering, 2018, 108: 1-14.

17. X Zhang, et al., Sensing performance analysis on quartz tuning fork-probe at the high order vibration mode for multi-frequency scanning probe microscopy, Sensors, 2018, 18(2),336.

18. P Jin, et al., Bending-peeling method to measure interface strength of YBCO tape. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, 28(3), 6600306.

19. J Liang, et al., In-situ high-temperature mechanical property measurement technology and its application in scanning electron microscopy,SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, 2018, 48(9), 094606. (In Chinese)

20. X Ye, et al., Study of the tensile properties of individual multicellular fibres generated by Bacillus subtilis, Scientific Reports, 2017, 7, 46052.

21. X Ye, et al., A multiscale material testing system for in situ optical and electron microscopes and its application. Sensors 2017, 17, 1800.

22. P Jin, et al., Residual stress in Nb3Sn superconductor strand introduced by structure and stoichiometric distribution after heat treatment, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(5):6000909.

23. P Jin, et al., Comparison of residual stress analysis methods:X-Ray diffraction method vs stress release method, Journal of Experimental Mechanics, 2017, 32(5):645-651. (In Chinese)

24. X Zhang,et al., Dynamic characterization of small fibers based on the flexural vibrations of a piezoelectric cantilever probe. Measurement Science and Technology, 2016, 27(8): 085006.

25. P Jin, et al., Correction of image drift and distortion in a scanning electron microscopy, Journal of Microscopy, 2015, 260(3): 268-280.

26. F Gao, et al., Research on the sensing performance of the tuning fork-probe as a micro interaction sensor, Sensors, 2015, 15(9), 24530-24552.

27. W Wang, et al., Measurement of the cleavage energy of graphite, Nature Communications, 2015, 6, 7853.

28. X Ling, et al., Characterization of micro-contact resistance between a gold nanocrystalline line and a tungsten electrode probe in interconnect fatigue testing. Review of Scientific Instruments, 2014, 85: 104708.

29. F Gao, et al, Dynamic behavior of tuning fork shear-force structures in a SNOM system, Ultramicroscopy, 2014, 142:10-23.

30. D Su, et al., Investigation of Near-Surface Mechanical Properties of Materials Using Atomic Force Microscopy. Experimental Mechanics, 2014, 54(1):11-24.

31. X Li, et al., Optical metrology under extreme conditions, Scientific World Journal, 2014, 2014:263603.

32. Y Fu, et al., Interferometric dynamic measurement: Techniques based on high-speed imaging or a single photodetector, Scientific World Journal, 2014, 2014:232906.

33. W Guo, et al., Correlation study between the spinal symmetry index and the quantified clinical manifestation of lumbar disc herniation patients before and after FSM therapy, China Journal of Traditional Chinese Medicine and Pharmacy, 2014, 29(3): 936-939. (In Chinese)

34. J Yang, et al., Observation of high-speed microscale superlubricity in graphite. Physical Review Letters, 2013, 110, 255504.

35. W Zhang, et al., Therapeutic Effects of Chinese Osteopathy in Patients with Lumbar Disc Herniation. American Journal of Chinese Medicine, 2013, 41(5):983-994.

36. Li X; Ling X; Sun L; Liu L; Zeng D; Zheng Q. Measurement of mechanical properties of one-dimensional nanostructures with combined multi-probe platform, Composites: Part B, 2012, 43:70-75.

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38.  Wang G, Li X. On the surface deformation measurement and Energy absorption of a honeycomb panel subjected to low-velocity impact,Journal of Experimental Mechanics, 2011, 26(5): 675-681. (In Chinese)

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