執(zhí)著無悔 筑夢力學(xué)
——記北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授孫偉福

□ 楊 嬌

什么是微納米界面力學(xué)？什么又是復(fù)合材料力學(xué)？

對很多人來說，納米力學(xué)、沖擊動力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)是枯燥無味、抽象難懂的。但對于北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授孫偉福來說，這些都是他科研路上不可或缺的元素，也是十分神奇而有重大價值的研究領(lǐng)域。

早在20世紀(jì)60年代初期，科研人員就已經(jīng)開始對界面力學(xué)展開系統(tǒng)研究。此后多年里，界面問題的熱度一直不曾減弱，也相繼引起了眾多科研學(xué)者的關(guān)注。隨之，研究角度也稍有變化，逐漸從宏觀性能推進(jìn)到了細(xì)觀層次的分析上。

白駒過隙，隨著時間的流逝，研究人員對界面力學(xué)的研究程度仍在不斷加深，正如對各類物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識開始深入到分子、原子等深層次一樣，界面力學(xué)也是如此。從微納米角度來看，界面力學(xué)涉及的學(xué)科領(lǐng)域更為廣泛，影響界面性能的因素也更多。彼時，已經(jīng)在微納米尺度顆粒力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等方面研究多年的孫偉福表示，在該領(lǐng)域里還有很多亟待解決的問題，仍需進(jìn)一步揭開其中的奧秘。

走在這條揭秘之路上，孫偉福默默堅持扎根在微納米界面力學(xué)這片土壤上，從初次跨入科研的門檻，到后來逐漸得心應(yīng)手，他始終深耕不綴，熱情不減。近年來，相繼取得了多項創(chuàng)新性成果，為界面作用力調(diào)控在能源轉(zhuǎn)換器件、復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了的一定的理論借鑒，一點點詮釋著一名科研學(xué)者的初心與堅守。

開啟微納米界面力學(xué)之旅

這些年，孫偉?；径际窃诤臀⒓{米尺度顆粒的力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等研究領(lǐng)域打交道，多年的海外求學(xué)與工作生涯，也為他積累了豐富的科研經(jīng)驗。可回望過去，在臨近碩士畢業(yè)時，孫偉福差一點就要與科研“失之交臂”了。那時，擺在孫偉福面前的有兩條路，一是繼續(xù)堅持科研，二是開始尋找工作機(jī)會。就在他為此頗為苦惱之際，華僑大學(xué)碩士生導(dǎo)師陳國華的建議讓他眼前一亮，找到了新的人生方向。于是，在導(dǎo)師的推薦下，2008年，他來到澳大利亞新南威爾士大學(xué)在澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰指導(dǎo)下攻讀博士，開始接觸微納米尺度顆粒的力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等方面的研究。

2019年1月訪問澳大利亞新南威爾士大學(xué)時與沈巖松教授（左）和楊潤宇教授（右）合影

十年磨一劍，礪得梅花香。“我能夠進(jìn)入微納米界面力學(xué)及應(yīng)用這一研究領(lǐng)域，都是碩士時期導(dǎo)師的功勞。”孫偉福坦言。進(jìn)入博士研究后，孫偉福積累了重要且豐富的研究經(jīng)驗，隨著研究的不斷深入，他也對該學(xué)科有了新的認(rèn)識，逐漸開始對這一領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了探索興趣。

根據(jù)該學(xué)科研究背景，他了解到在高速沖擊等動態(tài)載荷的作用下，速度往往可以達(dá)到每秒幾百米甚至幾千米，而在這種情況下，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生復(fù)雜響應(yīng)，如何理解材料被破壞損傷的機(jī)理、準(zhǔn)確預(yù)測高速沖擊下材料力學(xué)的動態(tài)響應(yīng)，對孫偉福來說是一個巨大挑戰(zhàn)。

其實，科學(xué)家很早就注意到這一問題，也早早針對材料內(nèi)各點應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)變化過程的捕捉這一難點展開研究。而這種問題很接地氣，在實際生活中也很常見。比如飛機(jī)、超高層建筑、橋梁、隧道等飛行器和建筑，隨著時間的推移，隨時都有可能要承受變化劇烈的動態(tài)載荷，像飛鳥撞擊、地震、沖擊、爆炸等。為此，科研人員想到通過研發(fā)具有抗沖擊抗爆炸性能的防護(hù)材料，來為這些建筑結(jié)構(gòu)和飛行器提供結(jié)實的“安全防護(hù)罩”。在傳統(tǒng)上，爆炸、沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)材料大都是會采用鋼板、高分子復(fù)合等多層材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，盡管應(yīng)用效果良好，但防患于未然，研究人員還是希望能夠?qū)⒉煌愋筒牧细髯缘膬?yōu)點匯聚在一起，開發(fā)出一種梯度結(jié)構(gòu)防護(hù)材料，更好地滿足國防需求。

經(jīng)過一番艱難調(diào)研，研究人員將目標(biāo)對準(zhǔn)高分子基復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)該材料能充分利用不同材料的優(yōu)點，使自身具有高強(qiáng)度、質(zhì)輕、導(dǎo)電或絕緣等不同的優(yōu)異性能，完全可以滿足研發(fā)需求。但是如何通過多級界面作用力調(diào)控實現(xiàn)填充填料對高分子基體的協(xié)同增韌是目前急需解決的問題。

孫偉福也加入了這項挑戰(zhàn)中，針對Hamaker模型不適用于納米顆粒體系這一缺陷，他與團(tuán)隊齊心協(xié)力，攻關(guān)克難，他們了解到Hamaker模型之所以不能用于納米顆粒體系中，是由于該模型是在連續(xù)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上建立起來的，這樣一來就會忽略顆粒的表面效應(yīng)和原子的離散結(jié)構(gòu)，而且該模型還做了假設(shè)，將顆粒視作為不可壓縮的剛性體。

為此，孫偉福與團(tuán)隊從分子動力學(xué)入手，針對Hamaker模型不適用于納米顆粒體系這一缺陷，深入研究了Hamaker模型在納米尺度上失效的原因，隨后提出了一種普適性的納米顆粒間非接觸力的計算模型，解決了納米顆粒間非接觸力的定量計算，為實現(xiàn)更大尺度的計算機(jī)模擬納米顆粒體系行為奠定了基礎(chǔ)。研究成果發(fā)表在Langmuir、Physical Chemistry Chemical Physics、Powder Technology等期刊上。

深入探索求真知

接下來，孫偉福繼續(xù)推進(jìn)研究步伐。由于在高應(yīng)變率等極端動態(tài)環(huán)境下，非平衡局域化的應(yīng)力波會對接觸力學(xué)行為和材料結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生一定影響，再加上連續(xù)介質(zhì)接觸力學(xué)模型是在準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)下且基于大尺度顆粒而推導(dǎo)出的理論公式。因此，在準(zhǔn)靜態(tài)尤其是動態(tài)載荷下，接觸力學(xué)模型在納米尺度上是否有效還是一個未知數(shù)。為了打破未知的迷局，孫偉福與團(tuán)隊推陳出新，提出運用全原子分子動力學(xué)對其進(jìn)行證實，他們從分子水平重新定義了“接觸”的概念，最終確認(rèn)了接觸力學(xué)模型在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)載荷狀態(tài)下，在納米尺度上的適用極限。

這一重要突破性成果得到了包括德國凱澤斯勞滕大學(xué)教授Herbert M.Urbassek、清華大學(xué)教授馮西橋在內(nèi)的多位國際國內(nèi)著名力學(xué)專家的高度認(rèn)可和引用。還引起了美國機(jī)械工程學(xué)會（ASME）、航空航天學(xué)會（AIAA）會士、華盛頓州立大學(xué)教授Robert F.Richards等國際著名專家學(xué)者的關(guān)注。

與此同時，孫偉福團(tuán)隊還針對材料力學(xué)領(lǐng)域里另一熱點和難點展開研究。如今，復(fù)合材料薄膜層是太陽能板、鋰電池等新能源材料中的重要結(jié)構(gòu)，但其表面總會產(chǎn)生皺紋、褶皺等失穩(wěn)現(xiàn)象，一旦遭遇針孔缺陷、斷裂、屈曲或脫落等破壞行為時，就會發(fā)生漏電或短路等嚴(yán)重狀況，常會導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)功能完全失效。對此，孫偉福因地制宜，開始對電子傳輸層的能級結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料薄膜性能進(jìn)行調(diào)控。他結(jié)合理論模擬和實驗研究，先是通過施加機(jī)械力、熱力，后又通過改變其磁場力（摻雜）載荷等方法，逐一進(jìn)行嘗試。經(jīng)過一番艱難攻關(guān)，團(tuán)隊最終揭示了半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)、電荷傳輸與器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，提高了不同層之間的電荷傳輸和光吸收效率，進(jìn)而提高了太陽能器件性能。

回歸祖國執(zhí)著前行

了解孫偉福后，就會發(fā)現(xiàn)經(jīng)過時光的打磨，他依然對科研抱有最大的熱忱，更希望將這份熱忱回報祖國。2017年11月，孫偉福受邀參加了第三屆北京理工大學(xué)“特立論壇”，正是通過這次論壇，他對北京理工大學(xué)的學(xué)校歷史、學(xué)科特色，尤其是機(jī)電學(xué)院的學(xué)科優(yōu)勢有了進(jìn)一步認(rèn)識。

北京理工大學(xué)“特立論壇”旨在為海內(nèi)外青年學(xué)者搭建一個思想碰撞和學(xué)術(shù)交流的平臺，它聚焦國際學(xué)術(shù)前沿，將一批在海內(nèi)外獲得較高學(xué)術(shù)成果、具有較好創(chuàng)新發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)秀青年人才集聚一堂，一方面可以通過學(xué)術(shù)報告和深度研討開拓視野，另一方面還能增進(jìn)海內(nèi)外青年學(xué)者對北京理工大學(xué)的了解。

“如今，我國的科研已經(jīng)在很大程度上和國際接軌了，我覺得國內(nèi)的發(fā)展機(jī)會更多。”抱著這樣的想法，2018年1月，孫偉?；貒尤氡本├砉ご髮W(xué)開展工作，在爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室和北京理工大學(xué)的支持下，他已經(jīng)初步開展了高速沖擊下材料動力學(xué)行為的微觀機(jī)理研究，并打算在此基礎(chǔ)上，再開發(fā)設(shè)計新型的抗沖擊抗爆炸防護(hù)材料。

研究高速沖擊下材料動力學(xué)行為的微觀機(jī)理具有重要的實際意義，而且從分子水平角度理解動載載荷下的破壞損傷機(jī)理，對安全防護(hù)材料的設(shè)計、納米自組裝復(fù)雜的微納米裝置等多方面都具有重要的指導(dǎo)意義。此前，科研人員大都是利用連續(xù)介質(zhì)理論模型進(jìn)行研究，但其存在諸多弊端。究其原因，其一該理論模型是在準(zhǔn)靜態(tài)或者碰撞速度較低的情況下推導(dǎo)出的，其二它還忽略了分子間的作用力、原子的離散結(jié)構(gòu)及其表面效應(yīng)等因素，因此并不能應(yīng)用到納米尺度。

為此，孫偉福與團(tuán)隊決定依托北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗這一平臺，通過分子動力學(xué)來系統(tǒng)研究在高速沖擊、非受限邊界條件下的材料晶型、接觸力學(xué)行為、材料性能與亞微觀結(jié)構(gòu)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。此外，還需要采用合適的反應(yīng)力場，進(jìn)一步研究在高速高溫等極端條件下，對材料結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了何種影響。而為了驗證分子模擬的結(jié)果，孫偉福心中也早有打算，他認(rèn)為可以基于球形顆粒與剛性平面基底這一構(gòu)型，利用高速照相機(jī)、高速運動分析儀等技術(shù)來研究彈性恢復(fù)系數(shù)對尺寸和速度的依賴性。

2019年4月到昆士蘭大學(xué)海外招聘宣講時與同事合影

科研是一個循序漸進(jìn)的過程，絕不能急于求成。孫偉福表示，在弄清楚動態(tài)載荷下的破壞損傷機(jī)理后，下一步便要開始著手研究怎樣設(shè)計復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，努力使其得到實際應(yīng)用。但想要通過界面調(diào)控設(shè)計開發(fā)具備高強(qiáng)度、高韌性高分子的復(fù)合材料并不是一件易事，此前，孫偉福已經(jīng)在復(fù)合材料研究領(lǐng)域里積累了豐富的研究經(jīng)驗。碩士期間，他在石墨烯表面鍍銀方向上展開了一系列研究。隨后在悉尼大學(xué)（導(dǎo)師：英國皇家科學(xué)院和工程院院士、澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國工程院外籍院士米耀榮，Yiu-Wing Mai）和伯明翰大學(xué)（導(dǎo)師：英國皇家工程院院士Michael Adams和英國皇家工程院院士Zhibing Zhang）進(jìn)行博士后工作期間，他則主要從事高分子復(fù)合材料力學(xué)的研究。目前，在這兩方面的研究基礎(chǔ)上，他計劃通過分子動力學(xué)和有限元等方法，充分利用不同碳納米材料間、碳納米材料與SEBS納米橡膠間的多級協(xié)同作用，通過改變不同組分含量，來模擬和測試復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性等準(zhǔn)靜態(tài)測試及抗沖擊強(qiáng)度的相關(guān)力學(xué)性質(zhì)和沖擊動力學(xué)行為。此后，在具體的實驗和建模過程中，還要做到固定磺化SEBS的含量和碳納米材料的質(zhì)量百分比，通過改變石墨烯與碳納米管的比值，對高分子復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)而就可以通過改變碳納米材料和高分子基體的比值，對復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。

只要敢想敢做，就一定會有收獲。在科技領(lǐng)跑世界的今天，孫偉福不僅一直懷揣科研夢想，不懈追求，更會在未來繼續(xù)踏實勤勉地奔馳在納米力學(xué)、沖擊動力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)的研究道路上，永不停歇。