英国伦敦帝国理工学院材料力学全奖博士招生 | Prof. Charalambides教授课题组

导师简介

如果你想申请英国伦敦帝国理工学院 材料力学博士，那今天这期文章解析可能对你 有用！今天Mason学长为大详细解析伦敦帝国理工学院的Prof. Charalambides的研究领域和代表文章，同时，我们也推出了新的内容“科研想法&开题立意”，为同学们的科研规划提供一些参考，并且会对如何申请该导师提出实用的建议！方便大家进行套磁！后续我们也将陆续解析其他大学和专业的导师，欢迎大家关注！

作为伦敦帝国理工学院机械工程系的材料力学教授，教授是当代软固体材料力学领域的杰出学者。她现任帝国理工学院软固体研究组(Soft Solids Research Group)负责人，同时拥有特许工程师(CEng)资格和机械工程师学会会士(FIMechE)称号。

在1997年加入帝国理工学院担任讲师之前，导师曾在同一院系担任研究助理，并在英国国家物理实验室(National Physical Laboratory)担任高级科学家。导师的学术背景同样来自帝国理工学院，她在此获得了机械工程一等荣誉学士学位和机械工程博士学位，博士研究方向为纤维增强复合材料的分层。

研究领域

导师研究的核心挑战在于软固体材料具有固有的复杂材料行为(如非线性粘弹性)、复杂的微观结构几何形状(如泡沫)，并且通常包含多个相(如颗粒复合材料)。导师的研究小组专注于将实验和建模技术相结合，以提供对材料或结构行为方式及原因的全面理解。具体而言，导师的研究方向包括：

1. 软聚合物固体的材料建模和机械表征，特别关注食品材料；
2. 颗粒填充聚合物复合材料的微观力学模型和细胞结构分析；
3. 工业食品加工过程(如轧制、挤压和切割)的实验和数值模拟；
4. 聚合物材料表征的反向压痕方法开发；
5. 油漆和粘合涂层的断裂和变形机理研究；
6. 多尺度模型开发，用于预测各类软固体材料中的渐进损伤和结构破坏；
7. 食品口腔加工和消化过程的力学建模。

研究分析

1."On the pseudoelastic-viscoelastic behavior of starch hydrogels at various degrees of gelatinization and retrogradation"

(2025, Physics of Fluids)

该论文研究了淀粉水凝胶在不同糊化和回生程度下的伪弹性-粘弹性行为。研究通过实验和数值建模相结合的方法，揭示了淀粉基材料在加工和储存过程中的结构-性能关系，为开发具有特定质构特性的食品提供了理论基础。论文的创新之处在于建立了将微观结构变化与宏观力学性能联系起来的数学模型，可用于预测淀粉基食品在不同处理条件下的行为。

2."Combining fracture mechanics and rheology to investigate the impact of micro-aeration on chocolate oral processing"

(2024, Soft Matter)

该论文创新性地结合断裂力学和流变学原理研究微气泡对巧克力口腔加工的影响。研究表明，巧克力中的微气泡显著改变了其断裂行为和流动特性，从而影响感官体验。论文建立了多尺度模型，将微观气泡结构与宏观口腔感知联系起来，为优化巧克力质地提供了设计思路。该研究对食品工业开发具有增强感官体验的气泡巧克力产品具有重要指导意义。

3."Impact of chickpea hummus on postprandial blood glucose, insulin and gut hormones in healthy humans combined with mechanistic studies of food structure, rheology and digestion kinetics"

(2024, Food Research International)

这项跨学科研究将人体试验与食品结构和流变学分析相结合，研究鹰嘴豆泥对健康人群餐后血糖、胰岛素和肠道激素的影响。研究发现食品结构及其在消化过程中的变化与代谢反应密切相关，建立了从食品结构到消化动力学再到生理反应的机制链接。该研究为开发具有特定健康效益的食品提供了科学依据，展示了食品工程在营养健康领域的应用潜力。

4."Fracture toughness of aged oil paints"

(2024, Heritage Science)

该论文研究了老化油画颜料的断裂韧性，通过实验测量和断裂力学分析，揭示了油画颜料随时间老化的断裂行为变化规律。研究结果对文化遗产保护具有重要意义，为评估油画的脆弱性和制定适当的保存策略提供了科学依据。论文展示了导师将材料力学原理应用于文化遗产保护领域的跨学科研究能力。

5."A multiscale finite element analysis model for predicting the effect of micro-aeration on the fragmentation of chocolate during the first bite"

(2024, European Journal of Mechanics A: Solids)

这篇论文开发了一种多尺度有限元分析模型，用于预测微气泡对巧克力在第一口咬合过程中破碎行为的影响。研究通过考虑材料的微观结构(气泡大小、分布等)和宏观力学性能，精确模拟了咬合过程中的应力分布和裂纹扩展。该模型成功预测了不同气泡含量巧克力的破碎模式，为食品设计和质地优化提供了有力工具。

6."Experimental and computational models for simulating the oral breakdown of food due to the interaction with molar teeth during thefirst bite"

(2023, Extreme Mechanics Letters)

该论文建立了模拟食品与臼齿在第一口咬合过程中相互作用的实验和计算模型。研究创新性地结合了实验测量和数值模拟，考虑了牙齿几何形状、食品材料特性和口腔环境等因素，准确预测了食品在咀嚼初期的破碎行为。此研究为理解食品口腔加工的力学机制提供了新视角，对食品设计和老年人食品开发具有重要应用价值。

项目分析

1.高填充颗粒复合材料断裂的多尺度模型开发

这一项目聚焦于开发预测高填充颗粒复合材料(包括塑性粘结炸药)断裂行为的多尺度模型。项目创新性地结合了微观力学和计算断裂力学，成功预测了材料的断裂路径和失效机制。该模型实现了对难以实验操作且测试风险高的材料进行虚拟测试，为国防和安全领域的材料设计提供了重要工具。项目的突破在于能够准确捕捉颗粒-基体界面脱粘和裂纹扩展的相互作用，为提高这类复合材料的性能和安全性提供了理论基础。

2.药物贴片粘附行为模型开发

该项目开发了预测用于治疗感染和指甲疾病的药物贴片粘附行为的模型。研究团队在不同速度下研究了贴片的剥离行为(以关联疼痛感)，并考察了不同粘合剂厚度(与药物载荷能力相关)的影响。项目的重要成果是发现了一种确定内聚区模型参数的新方法，这些模型常用于模拟界面的力学行为，如指甲板与贴片粘合剂之间的界面。该方法通用性强，可应用于其他界面，如聚合物复合材料中颗粒与基体之间的界面、涂层与基底之间的界面等。项目成果为医药领域开发更有效的贴剂系统提供了科学依据。

3.艺术品保存环境波动风险评估

这一项目帮助艺术保护人员和博物馆评估环境(湿度和温度)波动对珍贵艺术品完整性的风险。研究发现不同画层之间的粘附强度是关键变量，并开发了能够预测环境波动条件下裂纹起始寿命(以年计)的模型。随着各机构重新评估其环境控制政策以节约能源，对艺术品退化的预测变得更加重要。项目成果为文化遗产保护领域提供了科学决策工具，平衡了能源节约与艺术品保存的需求。

研究想法

1. 智能响应食品材料的多场耦合建模导师在食品材料力学建模方面已有深厚积累，可进一步探索温度、湿度、pH值等多场耦合条件下的智能响应食品材料建模。具体而言，可开发考虑相变、溶胀和降解等多物理场耦合效应的计算模型，预测智能食品材料在胃肠道不同环境下的选择性释放和靶向输送行为。这对于开发针对特定人群(如老年人、运动员)的功能性食品具有重要意义。研究可结合分子动力学模拟和连续介质力学方法，建立从分子尺度到宏观尺度的多尺度框架，实现对智能响应食品从加工到消化全过程的预测。
2. 口腔-胃肠道消化过程的整合虚拟模型在导师已有的口腔加工研究基础上，可创新性地开发连接口腔加工和胃肠道消化的整合虚拟模型。该模型将食品从口腔破碎到胃肠道消化的整个过程视为连续过程，考虑口腔中的机械破碎、酶促分解、胃肠道的蠕动运动、pH环境变化以及微生物作用等因素。通过结合流体-固体相互作用(FSI)和生化反应动力学，建立食品结构演变与营养物质释放和吸收之间的定量关系。该研究将为"设计营养"(design for nutrition)提供科学基础，实现对特定健康目标的食品结构精准设计。
3. 基于深度学习的食品微观结构-性能预测随着深度学习技术的发展，可将其与导师的材料力学建模相结合，开发基于深度学习的食品微观结构-性能预测方法。具体而言，可利用卷积神经网络(CNN)和图神经网络(GNN)处理三维微观结构数据(如X射线微断层扫描获取的)，训练模型预测材料的力学性能、口感特性和消化行为。该方法可大幅减少传统有限元模拟的计算成本，实现对大量候选配方和加工条件的快速筛选。此外，还可利用生成对抗网络(GAN)设计具有预期性能的微观结构，为逆向食品设计提供新思路。
4. 环境可持续性软包装材料的力学行为与环境降解研究考虑到导师在聚合物材料力学方面的专长和环境可持续性的全球挑战，可开展环境可持续性软包装材料的力学行为与环境降解研究。具体而言，可开发预测生物基和生物降解包装材料在服役过程(不同温湿度、UV辐射、机械载荷等)和降解过程(土壤、海水、堆肥等环境)中力学性能演变的模型。研究可关注材料微观结构演变与宏观力学性能退化之间的关系，为设计兼具机械性能和可控降解性的包装材料提供理论依据，减少塑料污染的环境影响。

申请建议

1. 建立扎实的力学和材料科学基础导师的研究涉及复杂的材料力学理论和多尺度建模方法，申请者应具备扎实的连续介质力学、材料科学和数值计算基础。具体而言，应深入学习线性和非线性弹性理论、粘弹性理论、断裂力学和有限元方法等。建议申请者系统学习相关课程，并通过研究项目或论文展示自己应用这些理论解决实际问题的能力。特别是，理解复杂材料的本构模型(如超弹性、粘弹性和粘塑性模型)及其在有限元软件中的实现将是重要优势。
2. 培养跨学科知识结构导师的研究跨越多个学科领域，从传统力学到食品科学、从计算建模到文化遗产保护。申请者应培养跨学科知识结构，特别是与导师当前研究重点相关的领域。建议申请者根据自身背景有针对性地补充知识，如工程背景的申请者可学习食品科学和生物学基础；食品科学背景的申请者则应加强力学和计算方法训练。此外，了解流变学、界面科学和微观结构表征技术也将有助于适应导师的研究工作。
3. 掌握先进的计算建模和数据分析技能导师的研究严重依赖计算建模和数据分析，申请者应具备相关技能。具体而言，应熟练掌握至少一种主流有限元软件(如ABAQUS, COMSOL或ANSYS)，能够独立建立复杂的多物理场模型。同时，应具备编程能力(Python, MATLAB或C++)，用于开发自定义材料模型、数据处理和结果分析。此外，了解图像处理技术(用于微观结构分析)和统计方法(用于实验数据分析)也将增加竞争力。最好能在申请材料中展示使用这些工具解决实际问题的经验。
4. 展示实验和建模相结合的研究经验导师强调实验和建模相结合的研究方法，申请者应在这方面展示能力和经验。理想的申请者应参与过包含材料表征、力学测试和计算模拟等多个环节的完整研究项目。在申请材料中，应详细描述自己在设计实验、获取数据和建立模型方面的具体贡献，展示将理论预测与实验验证相结合的能力。如果可能，提供自己参与的研究项目与导师研究方向的关联性分析，展示如何将已有经验应用于导师的研究领域。
5. 准备充分的材料力学和数值方法相关技能证明考虑到导师研究的技术特点，申请者应准备充分的材料力学和数值方法相关技能证明。这可以包括相关课程的成绩单、参与的项目证明、发表的论文或会议摘要、软件使用证书等。特别有价值的是能够展示自己在复杂材料建模方面的具体经验，如开发非线性材料模型、实现多尺度建模方法或处理材料界面等。如果有与导师研究相关的代码或模型示例，可以在申请中提供链接或简要说明。这些具体证明将使申请者从众多申请者中脱颖而出。
6. 关注导师的最新研究动向和国际合作导师的研究方向在不断发展，申请者应密切关注其最新动向。根据导师近期论文，其研究正向食品与健康、口腔加工到消化系统的整合模型以及文化遗产保护等方向拓展。申请者应在申请材料中展示对这些新方向的了解，并思考如何将自己的背景与这些方向结合。同时，了解导师的国际合作网络也很重要，可以从共同作者和致谢部分获取这些信息。在申请中展示与这些机构或研究者的潜在协同效应，将增加申请的战略价值。

博士背景

Kimi，985机械工程硕士，现为港三机械工程博士生。研究方向为智能制造和机器人学，专注于工业4.0背景下的自动化生产系统优化。曾在《Journal of Mechanical Design》和《Robotics and Computer-Integrated Manufacturing》发表过论文。获得IEEE机器人与自动化国际会议最佳学生论文奖。