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北京工业大学
2024年主要学术进展简介
确定工程抗震减灾防御工事和重大工程应用最具动态性的理论与方法
完**：李晓军等人
中国是世界上受灾最活跃、受灾最严重的国家之一。 随着城镇化进程的扩大和许多世界级重大工程的规划建设，越来越多的人和重大工程暴露在中强工程可能造成严重灾害的地区，这对城市和重大工程的抗震减灾提出了更高的要求。 作为工程减震减灾防御工事的基础，设防动态参数的确定成为抗震减灾工作面临的重点和难题。 项目成果：定量表征了强力工程的破坏效应，为重大工程防御工事的科学判定奠定了理论基础阐明了复杂场地条件对区域尺度波传播效应的影响机理，打破了区域尺度上复杂场地非线性效应特征认知的局限性为重大工程建设抗震设防要求的确定提供了方法体系，为实现重大工程和城市震前、震中、震后综合减灾提供了科学依据和有效方法成果已应用于多项重大工程和国家示范工程。 该成果荣获高等学校优秀科研成果奖（科学技术）一等奖。
公路桥梁服务状态智能评估与韧性提升关键技术
完**： 韩强 et al
桥梁坍塌、损坏等极端事件时有发生，其整个生命周期的服务安全受到严重威胁。 复杂环境、荷载等多重因素耦合作用下的结构损伤和性能下降是重要原因，难以获得结构的真实服役状态。 团队攻克了公路桥梁损坏动态演化机理及性能退化规律的工程科学难题建立了环境-荷载多变量耦合下桥梁服务状态的多尺度智能评价方法和技术，构建了桥梁智能监测预警系统综合技术体系和控制平台，开发了性能增强和功能恢复的韧性提升关键技术，以及公路性能增强和韧性提升的成套技术桥梁形成。该项目对我国桥梁安全监测技术进步和运维产业升级起到了重要推动作用，成果应用于全国数百座桥梁的监测和韧性提升，具有显著的社会效益和经济效益。 该成果获北京市科学技术奖二等奖。
超大城市交通视觉大数据高效表达与运营决策的关键技术与应用
完**：胡永利等人
随着信息化的不断发展，数据已成为主要的交通信息，占城市交通大数据的90%以上，但其有效利用面临“不能保存，不能传播，不能区分，不能使用”。等挑战，成为制约智能交通发展的主要瓶颈。 项目聚焦交通表达互联互通、交通要素分析、态势与技术应用，提出交通视觉大数据高效表达与互联互通技术，突破复杂环境下人车精准感知技术，开发城市级交通态势与实时平台，实现超大城市交通运营决策支持应用， 取得一系列创新成果和知识产权，形成多项国家和行业标准，并在多个城市实现规模化应用，经济效益和社会效益显著。该项目为特大城市交通高效利用提供了一整套关键技术，也有效提升了城市交通运营决策的智能化水平。 该成果获北京市科学技术奖二等奖。
复杂环境下地下工程用混凝土关键技术创新与应用
完**：李玥等人
地下混凝土结构包括建筑基础、地下管廊和地铁盾构段等，具有施工难度高、隐蔽性强、荷载效应大、环境冻融、腐蚀强等多重复杂影响，容易导致混凝土结构渗漏开裂等耐久性差问题，从而引发重大安全事故。 针对上述问题，项目组依托多项国家、省部级项目，历经十余年，对复杂环境下地下混凝土关键技术进行系统研究，提出了复杂环境下地下混凝土开裂机理，发明了一系列功能新材料，提高混凝土的和易性和耐久性， 并形成了地下混凝土收缩、增韧、抗裂、防锈的协同改进技术。综合以上成果，主编国内首部高性能混凝土及刚性防水工程技术规程技术规范，指导地下混凝土结构设计施工，显著推动了行业进步。 成果应用于北京大兴国际机场、北京地铁盾构段、北京副中心站综合交通枢纽等重大工程，显著提升了地下混凝土工程的服务性能，取得了突出的社会经济效益和环境效益。 该成果获北京市科学技术奖二等奖。
新型光子效应及其在跨尺度场调控中的应用
完**：张新平
项目针对集成光子学领域的前沿科学问题，实现了高效率、高集成度、高速度的新型光子器件，以及片上集成和光纤集成，推动了智能传感和材料检测的变革性发展，在揭示电子动力学新物理和跨尺度场驱动与场相互作用效应的基础上取得了创新成果光场作用下光子结构的控制.该团队在原子尺度上发现了一种新的由超快光场驱动的电子动力学物理学，可以应用于跨尺度的光子操纵实现了纳米局域光场的跨尺度融合与环境感知的应用，提出了光生相变、形变与光场控制的协同机理，并开发了一种新的功能器件。 该成果对于解决光子芯片技术领域的核心物理问题，实现其在光通信、光子互联、智能传感和材料检测等领域的应用具有重要意义，荣获北京市科学技术奖二等奖。
低应力大型载人密封舱结构关键制造技术及应用
完**：陈淑君等
天宫空间站的建成投产，是中国载人航天事业的里程碑式成就。 舱室结构的高精度、低应力制造成为保证舱内服役性能的关键，关系到载人航天任务的成败。 本项目通过校企深度合作，创新突破高肋墙板均匀受力成形、刚性穿孔低热焊、结构应力可控拼调、序间应力协同减小四项关键技术，实现大型复杂薄壁壳结构的低应力、高可靠性制造为航天器舱结构密封性能、结构精度和应力等级的高标准协同控制提供系统解决方案，开发并形成了大型薄壁壳体结构全流程低应力制造技术体系，已成功应用于多种复杂配置密封舱的研制为天宫空间站高可靠、长寿命在轨服务提供关键制造技术支撑。 该成果获北京市科学技术奖一等奖。
具有层状氧化铋的铁电薄膜，厚度低至 1 nm
结束**：陆玥等
在这项研究中，我们结合使用了低剂量积分相差 （IDPC）、同步辐射 X 射线衍射和 DFT 计算准确定位了一种新型结构的Bi6O9铁电薄膜材料的原子级占据信息。 通过精确表征Bi6O9铁电薄膜中Bi、O和掺杂元素SM的原子占据，可以清楚地发现SM占据了Bi的晶格位置。 同时，由于外延生长关系，在衬底与薄膜的界面处存在较大的应力。 文章指出，当薄膜厚度减小到1nm时，晶胞C轴方向被拉伸这可能是该薄膜在1 nm厚度处仍具有17 c cm-2的最大残余偏振的重要原因之一。 研究结果发表在国际高水平期刊《科学》2024年第379卷第6638期，第1218-1224页。
MOF聚合物复合材料从水基质中快速提取金
完**：李建荣等
随着电子垃圾的快速积累和对电子垃圾需求的增加，寻找能够提取电子垃圾的技术逐渐引起广泛关注。 受这一新兴产业的影响，人们非常关注设计功能材料，以便从复杂的水基质中快速、有选择地捕获金、银、钯、铂等最新材料。 针对上述情况，本工作设计合成了一种高孔金属-有机框架（MOF）-聚合物复合材料BUT-33-聚苯二胺（PPPD）。 该材料可用于快速、选择性地从多种基质中提取金，包括河水、海水和 CPU 渗滤液。 BUT-33-PPPD具有极快的吸附速率，可在45秒内提取99%以上的Au3+，对Au3+（1600 mg g）具有很强的吸附能力和高选择性，以及长期稳定性和可重复使用性。 高孔隙率和氧化还原吸附机理是该材料优异性能的根本原因。 由于氧化还原的吸附能力，金离子可以原位还原形成金纳米颗粒，因此复合材料可以直接用作下一步催化反应的非均相催化剂。 综上所述，这些发现为电子废弃物的提取和再利用提供了一种简单可行的方法，为固体废物的资源化利用提供了新的思路。 研究结果发表在国际期刊《科学进展》第9卷第13期，文章编号。EADG4923 2023 年。
高效硅异质结太阳能电池金字塔纹理化工艺的新策略
完**：郑子龙等
光伏发电作为一种可再生能源技术，在实现双碳目标方面发挥着重要作用。 晶体硅非晶硅（C-SI A-SI）界面工程优化是突破硅电池技术进步瓶颈的关键。 通过结合亚原子微观表征、第一性原理和器件物理分析，对硅电池在C-Si A-Si界面处的微观结构特征和动态演化进行了观察和测定。 该团队在外延层中发现了一种新型的缺陷结构，称为："嵌入式纳米孪生"。这一发现推翻了40多年来关于C-Si A-Si钝化界面的主流共识，即电池效率的关键是界面中Si悬浮键的缺陷。 通过引入“原子阶梯”的界面设计，有效改善了C-Si A-Si钝化接触界面的形貌。 新的设计策略可以广泛应用于所有类型的硅太阳能电池，无需额外的工艺更改，并且具有良好的工艺兼容性。 该研究为光伏电池的发展提供了技术创新，促进了光伏发电技术在实现双碳目标方面的进一步发展。 相关结果于2024年发表于国际期刊Nature Communications，第14卷第1期，第3596号文章。
氮化碳Ni单原子位点的开发及其在光催化高效生产H2O2中的应用
完**：郑坤等人
本研究利用球差电子显微镜、电子显微镜、原位同步辐射、X射线衍射和DFT计算，提出了一种高负载单原子催化剂的通用合成策略此外，所设计的Ni单原子催化剂实现了世界领先的光催化H2O2生产活性进一步揭示了催化剂上Ni单原子位点在原子水平上的光催化反应的动态演化机理。 本文指出，原子尺度Ni单原子活性位点的结构演化是其高催化活性和选择性的主要原因。 相关结果于2024年发表在国际期刊Nature Communications， Vol. 14， No. 1， Article No. 7715 （2023）上。
现场环境中材料力学和物理性质起源的高空间分辨动力学
完**：王丽华等
材料的外部性能与外部场环境中的结构演化过程直接相关。 实现应力环境下材料原子层次演变的动态观测一直是国际领域的难点和热点。 由于常规技术的分辨率较低，相关研究争论已久。该团队利用了原始的实验装置在国际上首次实现了BCC难熔金属MO和AUCU合金纳米线变形过程的原子级动态观察研究发现，BCC金属MO的裂纹扩展是一个交替的塑性和脆性断裂扩展过程更新了BCC金属断裂理论**;揭示合金中的化学不均匀性可以有效提高材料的力学性能，为合金性能的优化提供重要参考。 此外，将原来的实验方法从力学行为扩展到磁性能研究首次实现了纳米单晶镍在应下磁畴变化的原位视觉动态观察，形成了应力调控材料磁性结构的新研究方向为解决相关领域重大基础科学问题提供了新的解决方案。 2024年，上述成果已3次发表在国际高水平期刊《自然通讯》上，共14卷，5540页第 14 卷，第 5705 页;14 卷，3963 页。
范德华多铁性材料CUCRP2S6的磁电各向异性
完**：王晓磊等人
本研究开发了一种新型的磁电功能信息存储材料首次揭示了范德华多铁铁性薄膜的电各向异性以及极化电压、通电时间和极化方向调制的忆阻效应。 此外，该团队还观察了磁频率响应的各向异性行为，以及温度和场控的反铁磁相变，并获得了不同晶轴方向的磁各向异性参数和多种自旋共振模式。 它可以制造出一种新型的磁电多晶型忆阻器，具有低功耗、非易失性，能耗远低于传统半导体存储器件。 研究结果于2024年发表在国际期刊《自然通讯》第14卷第1期，第840号文章中。
信息传输用超低损耗空心抗谐振光纤制备技术
完**：王璞等人
空心抗谐振光纤技术可以突破传统实芯石英光纤对光网络发展的束缚，提高数据中心网络的光信息容量，降低系统时延，作为下一代主流光纤，有望引领并实现数据中心光网络系统的突破。 为了进一步降低空心抗谐振光纤的传输损耗，团队利用激光焊接玻璃等技术，创新了空心光纤的制备工艺在国内率先开发出一系列覆盖1-2米重要激光波段的超低损耗空芯抗谐振光纤并实现 085 db/km @ 2 μm（optics letters.38 dB km @ C+L 波段（中国激光，49,11,1115002,2022），最小损耗为 02 dB km @ O 波段的超低损耗传输它是国际上在多个频段报道的空芯光纤损耗最低的结果它在国内外都产生了影响。
高效硅基异质结太阳能电池技术
完**：张永哲等人
晶体硅异质结太阳能电池（SHJ）是一种通过在晶体硅的两侧沉积本征非晶硅和掺杂非晶硅，可以双面进入光中发电的太阳能电池，被认为是下一代工业电池技术。 团队长期专注于硅基太阳能电池研究，与全球最大光伏企业隆基绿能科技有限公司等世界级企业合作，聚焦硅基太阳能电池生产线关键科技难题先后实现了“反式”电池结构设计、电池结构的原理创新发明了“两步沉积钝化”的新工艺和宽禁带低寄生吸收到光表面的设计，改进了纳米孪晶抑制的“超薄钝化层”工艺达到 2511%的世界效率记录。 2024年，基于电池产业化路线，在不增加产业化工艺步骤和成本的前提下，提出了晶面微调外延和双抑制技术，解决了高效率、低成本的兼容性问题，并与隆基绿能科技有限公司联合成立了北京工业大学-隆基绿能光伏研究院， 共同助力中国光伏技术的发展。
载人航天新材料3D打印技术应用基础研究
完**：陈继民等
面对传统3D打印弹性体材料性能差、无法应用于航天极端环境的重大瓶颈问题。 3D打印航空航天新型弹性体材料力热性能控制关键技术研制成功首次提出了一种利用深空环境变量（无氧、高低温循环交替、强辐射）控制新型3D打印航空航天弹性体材料性能的方法，解决了微观结构复杂构型特征跨尺度耦合下材料力学性能调控的关键科学问题新型3D打印航空航天弹性体材料的力学性能得到了极大的提高。 2024年，该团队研发的空间站绿色植物栽培装置将搭载天舟六号货运飞船进入天宫实验室。
富锂锰基正极材料已从基础研究走向产业化应用
完**：海军中尉等
富锂锰衬底正极材料（LLOS）具有能量密度高的优势，是下一代高能锂离子电池正极材料的关键技术路线。 团队以LLOS材料为核心，从结构分析与演化、反应机理、设计控制优化到工程适配放大等方面对系统进行了基础与应用研究，部分成果获得2024年北京市自然科学奖二等奖（唯一完成单位），并荣获由北京工业大学牵头、星恒动力联合开展的2024年度国家重点研发计划项目， 比亚迪和国家电网。2024年，团队将推动LLOS材料从实验室走向产业化，建设年产500吨生产线。 公司生产的LLOS材料已通过行业龙头企业验证，实现吨位产品供应，并与比亚迪、兴恒动力、小米、五矿集团、科技部国家新能源汽车技术创新中心（国创中心）等企业建立了紧密的合作关系。 在此基础上，团队于2024年12月发起成立联合国创新中心“北京工业大学先进电池材料与器件研究所-国创中心”。进一步打造集材料创新、技术研发、工程化为一体的国际化高水平科技创新平台。
高精度摆线针轮蜗轮磨齿机的国产化及产业化应用
完结**：季淑婷等人
高精度摆线齿轮的生产长期依赖国外进口，但国外机床工具价格高、供货周期长，使得国内生产回转矢量减速机成本高，生产效率受制于国外供应周期，难以在国际市场上形成竞争地位。 团队专注于高精度摆线轮的生产，对摆线轮蜗轮加工的啮合原理、摆线轮蜗轮磨齿机床的设计、摆线针轮的加工过程控制、加工精度检测方法和机床数控系统的编制等进行了系统的研究。 2024年，团队承担北京智通精密传动技术有限公司揭牌任务成功研发出用于国产磨齿机的高精度摆线齿轮加工刀具建立了独特的高精度摆线齿轮加工技术，并创造了配套的刀具轮廓检测方法。 目前，技术研发已经完成，项目有望将高精度摆线齿轮的生产成本降低到三分之一，生产效率提高两到三倍，即将投产。 这一成果将有助于国内企业摆脱对国外产品的依赖，有效提升自主创新能力。
北京工业大学2024年重要科技进展
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*：科学技术发展研究院。
排版：高喆.
编辑：陆洋、魏晓伟。
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