材料高通量表征及制备团队
材料高通量表征及制备团队
【骨干成员】
李向阳 中国钢研科技集团教授
王海舟 中国钢研科技集团教授，中国工程院院士
贾云海 中国钢研科技集团教授
班晓娟 北京科技大学教授
陆永浩 北京科技大学教授
【研究背景】
新材料研发及质量提升对材料表征技术提出了更好的要求。然而，现有的材料改性和新材料开发过程，大多从实验入手，遵循试错原则，周期长，新材料发现缓慢。伴随着“材料基因工程”（Materials Genome Engineering）学科的发展，采用高通量表征和高通量制备方法可有效加速新材料的研发，采用MGE的新理念和模式，可大幅度加速新材料的发现和现有的改性，控制并提高新材料质量，从而实现新材料的研发周期缩短一半、研发成本降低一半。
【研究目标】
围绕大尺寸材料在高通量、跨尺度和多参量统计映射表征以及多组分组合材料高通量合成制备的需求，开发和升级一系列微观（nm）、介观（μm-mm）、宏观（cm）的高通量跨尺度多参量表征技术和装置, 开展统计映射数据的高通量计算和自学习研究，面向多组分组合块体材料，开展高通量微制造新方法研究，结合高通量表征及高通量微制造技术，对高温合金、超超临界耐热钢及海洋用钢等高性能结构材料进行改性研究、指导生产工艺的优化设计。
【主要研究内容】
1. 材料成分的跨尺度高通量原位统计分布表征技术
2. 材料组织结构的跨尺度高通量原位统计分布表征技术
3. 材料力学性能的跨尺度高通量原位统计分布表征技术
4. 高通量统计映射表征体系及反演重构逆向设计
【重要研究进展】
1. 大尺寸跨尺度高通量扫描电镜原位统计分布表征技术研究
基于陈仲玮教授拥有自主知识产权的场发射扫描电镜基础上，共同研发适用于材料基因工程高通量跨尺度统计分布表征的微观组织结构高通量表征装备及技术。该装备采用自主设计的高亮度场发射电子源、直接电子探测器、反向加速探测以及高速图像中央处理器并行多通道处理等技术实现图像的高速采集，并且可同步获取同一个位置上的二次电子及背散射电子图像，在保证同等图像质量的情况下，采集速度比传统扫描电镜快100倍以上，是微观结构高通量表征的强有力的分析手段。目前，团队已开展镍基单晶高温合金材料的大尺度组织结构表征研究，实现了直径为12mm单晶高温合金的全表面γ'相的高速采集，获取了尺寸约为450nm的单体γ'相的全部分布信息，通过对数据的原位统计表征，解析了不同尺寸γ'相在枝晶干及枝晶间的定量位置分布关系。
图1 单晶高温合金全视场及放大后的γ’相
2. 材料显微组织视频图像特征融合及提取技术
开发面向视频流的图像生成技术，通过视频拍摄的方式快速采集显微组织数据，并对视频中的关键帧通过特征匹配实现图像拼接，采用多聚焦图像融合算法融合图像中各自清晰的部分，解决了由材料表面凹凸不平造成的图像模糊问题。基于特征搜索的图像拼接技术，通过结合搜索区域增长策略和GPU编程，使其拼接速度和稳定性超过了领域内常用软件AutoStitch、Photoshop与ImageJ，达到世界领先水平。针对铝镧合金枝晶系列截面图像特征提取精度较低，速度缓慢的问题，运用基于深度学习的图像分割方法，融合材料三维特征，实现图像特征提取。针对纯铁晶粒组织系列截面图像噪声严重(划痕，修饰等噪声)，传统图像处理方法无法准确提取晶粒晶界的问题，运用系列截面图像传播分割技术，提高晶粒边缘提取的准确率。
图2 材料显微图像面向图像组的图像并行拼接结果示意
1.发表论文
序号 | 论文名称 | 发表刊物 | 发表 时间 | 收录类别 | 作者 |
1 | Fast-FineCut: Grain boundary detection in microscopic images considering 3D information | Micron | 2018.9 | SCI | Boyuan Ma,Xiaojuan Ban,Ya Su,Chuni Liu,Hao Wang,Weihua Xue,Yonghong Zhi,Di Wu |
2 | A fast algorithm for material image sequential stitching | Computational Materials Science | 2018.10 | SCI | Boyuan Ma,Xiaojuan Ban,Haiyou Huang,Wanbo Liu,Chuni Liu,Di Wu,Yonghong Zhi |
2.授权与申请专利
（1）授权发明专利
序号 | 专利名称 | 专利授权号 | 获准国别 | 完成人 | 类型 | 授权日期 |
1 | 一种多组分材料的高通量微制造方法 | ZL201710946481.9 | 中国 | 王海舟、贾云海、赵雷、陈学斌、王蓬、李冬玲、冯光、李小佳 | 发明专利 | 2018.10.9 |
2 | 一种扫描粒子束显微镜系统 | CN201720883782.7 | 中国 | 李帅、何伟，王瑞平 | 实用新型 | 2018.2.16 |
3 | 一种用于样品位置校准的样品承载装置 | CN201720854811.7 | 中国 | 何伟、李帅、王瑞平 | 实用新型 | 2018.6.15 |
4 | 一种低能扫描电子显微镜系统 | CN201721565080.0 | 中国 | 李帅、何伟 | 实用新型 | 2018.5.29 |
5 | 一种扫描电子显微镜物镜系统 | CN201820234897.8 | 中国 | 李帅、何伟 | 实用新型 | 2018.11.15 |
6 | 一种扫描电子显微镜系统 | CN201820888588.2 | 中国 | 李帅、何伟、王瑞平 | 实用新型 | 2018.12.7 |
7 | 一种成像系统 | CN201821196445.1 | 中国 | 何伟、李帅 | 实用新型 | 2018.12.13 |
（2）申请专利
序号 | 专利名称 | 专利申请号 | 获准国别 | 完成人 | 类型 | 申请日期 |
1 | A high throughput micro-synthesis method of multi-component materials | 15912930 | 美国 | 王海舟、贾云海、赵雷、陈学斌、王蓬、李冬玲、冯光、李小佳 | 发明专利 | 2018.3.6 |
2 | A High Throughput Micro-synthesis Method of Multi-component Materials | 10 2018 102 509.2 | 德国 | 王海舟、贾云海、赵雷、陈学斌、王蓬、李冬玲、冯光、李小佳 | 发明专利 | 2018.2.5 |
3 | Low voltage scanning electron microscope and method for specimen observation | PCT/CN2018/075564 | PCT | Focus- ebeam Technology (Beijing) Co., Ltd. | 发明专利 | 2018.2.7 |
4 | Scanning electron microscope objective lens system and method for specimen observation | PCT/CN2018/085300 | PCT | Focus- ebeam Technology (Beijing) Co., Ltd. | 发明专利 | 2018.5.2 |
5 | Imaging system and method for specimen detection | PCT/CN2018/103852 | PCT | Focus- ebeam Technology (Beijing) Co., Ltd. | 发明专利 | 2018.9.3 |
6 | 一种高通量梯度热处理阵列坩埚 | CN201710946491.2 | 中国 | 王海舟;贾云海;赵雷;王蓬;李小佳;李冬玲;陈学斌;冯光 | 发明专利 | 2017.10.12 |
7 | 一种梯度温度场多通道蜂巢阵列坩埚 | CN201710946464.5 | 中国 | 王海舟、贾云海、赵雷、王蓬、李小佳、李冬玲、陈学斌、冯光 | 发明专利 | 2017.10.12 |
8 | 一种相同温度场多通道蜂巢阵列坩埚 | CN201710946445.2 | 中国 | 王海舟、贾云海、赵雷、王蓬、李小佳、李冬玲、陈学斌、冯光 | 发明专利 | 2017.10.12 |
9 | 一种组合材料热等静压高通量微制造方法及其包套模具 | CN201910014812.4 | 中国 | 王海舟、贾云海、赵雷、陈学斌、王辉、胡曼、冯光、李冬玲、王蓬、李小佳 | 发明专利 | 2019.1.8 |
10 | 金属材料中析出相颗粒的全视场定量统计分布表征方法 | CN201711469419.1 | 中国 | 李冬玲，沈学静，赵雷，王海舟，万卫浩，卢毓华，冯菲菲 | 发明专利 | 2017.12.25 |
11 | 用于激光斑点尺寸连续可调高倍聚焦光路系统及调节方法 | CN201810730497.0 | 中国 | 贾云海;刘佳;徐鹏;史孝侠;申睿;李晓鹏 | 发明专利 | 2018.7.5 |
12 | 基于显微照相矩阵的跨尺度夹杂物快速分析仪器及方法 | CN201811131502.2 | 中国 | 贾云海；袁良经；陈吉文；杨春；于雷；张翘楚 | 发明专利 | 2018.9.27 |
13 | 一种钢中不同类型夹杂物面积及含量的定量表征方法 | CN201810952853.3 | 中国 | 贾云海；刘佳；杨春；沈学静；申睿；徐鹏；史孝侠 | 发明专利 | 2018.8.21 |
14 | 导管架平台的外加电流和牺牲阳极联合保护装置及方法 | CN201810043594.2 | 中国 | 尹鹏飞;张伟;韩冰;李向阳;郑志建;马长江;陈亚林 | 发明专利 | 2018.1.17 |
15 | 一种对内部同游超临界水的管子试样进行加载的实验系统 | CN201710946635.4 | 中国 | 陆永浩,刘廷光,丁贤飞,陈工,庄子哲雄,孙冬柏 | 发明专利 | 2017.10.12 |
16 | 一种基于视频清晰度融合的大尺寸显微图 像生成方法 | CN201810432523.1 | 中国 | 黄海友，班晓娟，苏亚，刘万博，马博渊，陈文会，陈玉莲，刘楚妮 | 发明专利 | 2018.05.08 |
17 | 一种低能扫描电子显微镜系统及样品探测方法 | CN201711168539.8 | 中国 | 李帅、何伟 | 发明专利 | 2017.11.21 |
18 | 低能扫描电子显微镜系统、扫描电子显微镜系统及样品探测方法 | CN201811250972.0 | 中国 | 李帅、何伟 | 发明专利 | 2018.10.25 |
19 | 一种扫描电子显微镜系统及样品探测方法 | CN201810589383.9 | 中国 | 李帅、何伟、王瑞平 | 发明专利 | 2018.6.8 |
20 | 一种成像系统及样品探测方法 | CN201810837831.2 | 中国 | 何伟、李帅 | 发明专利 | 2018.7.26 |