清华大学航空航天学院黄克智院士、方岱宁教授、刘彬教授等完成的“电磁固体的变形与断裂”项目获2010年度国家自然科学奖二等奖

结合老中青 探索力电磁

●学生记者 王仙茅 张田

图为黄克智院士(右)和方岱宁教授在进行学术讨论。

     2011年1月14日上午,2010年度国家科学技术奖在人民大会堂颁发。

  清华大学航空航天学院黄克智院士、方岱宁教授、刘彬教授所在的科研团队因在“电磁固体的变形与断裂”领域作出的卓越贡献,荣获2010年度国家自然科学奖二等奖。当方岱宁教授接过自然科学奖二等奖奖章时,整个团队欢欣鼓舞。20年来,黄克智院士率领这个团队在该领域夜以继日,孜孜不倦地穷理探微,忘我工作。此时此刻,他们的付出与努力终于以这样一份崇高的国家荣誉得到了回报。

  探究前沿 成绩斐然

     黄克智、方岱宁、刘彬团队所从事研究的电磁固体智能材料是近年来新兴的一种工程材料。

  这种材料由于具有力电或力磁直接转化功能,在传感器、致动器和精密控制元件等诸多工程元件中得到了广泛应用,在国防安全、现代化工业及医疗健康等领域发挥着重要作用,相关产品的国际市场十分巨大。但是这类材料一般质地很脆,所以其可靠性在实际使用过程中尤为重要。如何提高此类材料与器件的安全性,延长其使用寿命,在国际上一直是一个悬而未决的难题。

  此前,国际上关于电磁固体材料在电磁载荷下的变形与断裂的科学实验方法和手段还很不完善,实验结果不足,一些多场耦合变形与破坏失效的机理尚不清楚,没有形成系统的电磁固体多场耦合变形与断裂的理论,这在一定程度上限制了电磁固体材料器件性能与效率的提高及进一步的工程应用。面对这种状况,该团队率先在国内展开了对该领域的科学研究。经过团队近20年的努力,针对电磁固体材料的力-电与力-磁耦合场变形理论、畴变演化规律、电/磁致断裂机理、电致疲劳失效等问题,他们最终建立了一套电磁固体变形与断裂的新理论、新方法和新判据,为此类材料与器件功能及可靠性的提高提供了重要的指导性建议。这项研究涉及固体力学、材料科学和电磁学的交叉领域,内容系统丰富且产生了很多原创性成果。

  该科研团队不仅在理论研究方面颇有建树,还在电磁耦合场下变形与断裂的实验表征方法、测试技术、科学仪器手段等领域取得了突破,获得了一批原创性实验发现与未见报道的新实验成果。

  经过多年的不懈努力,他们自主研制出的力电磁耦合的系列实验平台,实验设备多个技术指标超过国际同类平台,被专家认定为达到国际领先水平,在该领域研究的实验设备中占据着重要地位。

  时至今日,黄克智、方岱宁、刘彬团队得到的一批原创性的实验发现与成果已在国际上获得广泛引用和好评,SCI他引近千次。在国际权威的《应用力学评论》杂志上发表了基于本成果的长篇综述文章,另外一部基于本成果撰写的《压铁电固体材料断裂力学》专著正由国际著名的施普林格出版社出版。该课题获得国家发明专利9项。他们的科研团队不仅在全国电磁固体材料研究领域具有很大的影响力,所取得的研究成果在国际上亦属一流。

  建设梯队 团结互助

     取得如此卓越的研究成果,离不开一支优秀的团队。航天航空学院固体力学研究所就是这方孕育成果的土壤。

  其实在 2005年,由固体力学研究所的杨卫与方岱宁主持研究的课题“铁电陶瓷的力电耦合失效与本构关系”就获得了国家自然科学二等奖。在这么短的时间里,他们连续两次获得如此有分量的奖项,实在令人刮目相看。

  在科研上取得创新,必须要有坚实的理论基础。固体力学所以黄克智院士为首的老一辈就是坚实理论的奠基人。

  黄克智特别注重理论知识的积累,他数十年如一日地努力,为研究所固体力学理论打下了坚实的基础。

  上世纪 90年代初,黄克智和他的一名博士生涉足形状记忆合金,开展机械与热耦合的研究,这项研究给黄克智在科研选题方面带来了很大启发。90年代中期,黄克智敏锐地认识到与电磁结合的固体力学将对智能材料等领域起到重要作用,并且是固体力学的前沿。为此,清华固体力学研究所立刻组建研究队伍,占领制高点。

  不久,从海外回国的方岱宁加盟该团队。他擅长实验,并且给团队带来了国际上最新的信息和动态。经过对国内外研究状况的分析,团队选择以电磁功能材料的力学相关实验为基础,进而开展理论和计算研究。以方岱宁为代表的中坚力量顺利接过了科研的接力棒,肩负起了研究的重任。

  固体力学研究所有一个非常好的传统,就是注重科研力量的新老交替、注重教师的梯队建设。每当新成员加入团队时,年长的教师都会在生活和科研等多方面热心照顾,让他们感觉到这里是个温暖的家。新同志在这个团结友爱的大家庭迅速成长,很快担负起科研重任。在方岱宁回国之初,他还不具有博士生导师资格,但是黄克智无私地安排自己的三四个博士生由他主要指导,其中之一就是后来成长为该团队青年骨干的刘彬,这给了方岱宁很大的支持。而当刘彬留学归来到母校任教时,方岱宁又无私地将几个博士生分给同样还不具有博导资格的刘彬指导。几年下来,刘彬的工作迅速有了起色。经历了这样一个轮回,刘彬深有感触地说,这种帮助对于起步阶段的青年教师是非常重要的。在这个集体里,类似这种老中青三代相互帮助的例子不胜枚举,而且更难能可贵的是,很多年轻人即使在这里没有师承关系,也同样得到老教师的有力支持。

  这种团结互助并勇于向国际前沿攻坚的氛围,不仅取得了丰硕的科研成果,而且使团队成员迅速成长起来。短短几年,团队就有两名博士生(冯雪2006年度,裴永茂2009年度)获得全国百篇优秀博士论文,其中冯雪在美国完成了博士后研究工作后回到清华,目前也成长为团队的青年骨干。

  立足理论 注重实验

     上世纪 90年代初,固体力学研究所的实验设备是非常简陋的。研究人员做实验时处在上万伏的高电压下,非常危险。刘彬回忆说:“实验台工作时,灯绳在强电磁场干扰下一直在摇晃,连实验室里的木凳子上都可以使电笔发光。当时的条件确实非常艰苦。”

  而另一件事更是让团队下定决心开发高水平实验设备。当时,黄克智指导的一名博士生赴法国参加学术交流,他在一次学术报告中展示了自己在形状记忆合金领域最新的研究成果,与会人员均感耳目一新。巴黎当地一所大学的相关人员听了报告后大受启发,顺着他的研究思路,完成了一篇论文并投给了某一国际权威期刊。而在此之前,这名博士生也已将自己的论文投到该期刊。出人意料的是,该期刊刊登了法国方面的论文而拒绝了这名博士生的,理由是他的文章缺少三维实验结果对照。这让作为该研究理论首创者的黄克智团队感到非常气愤,心里一直憋着一股劲儿,一定要争回这口气。于是他们加紧了对实验设备的自主研发。

  团队自己动手设计搭建了一个可以进行多轴加载测量的实验设备,这给科研实验带来了很多便利,激起了他们研发新实验设备的动力。

  很快,当初那篇被拒的论文增加了详尽的三维实验内容,黄克智团队将这篇论文重投回当年拒绝刊发的期刊,结果文章很快就被刊登了。

  这件事让团队成员深深明白,没有自己的实验设备就会受制于人,要掌握主动权就得研发自己的实验设备。

  十几年来,该科研团队一直坚持在实验方面的先进性,不断研发更新实验设备。如今,实验设备已经由最初极为简陋的“零代”更新到“第五代”。他们自主研发的实验设备性能优越,在电磁固体力学领域享有盛誉。现在这套实验科学仪器和检测设备已应用到国内外20多家工业企业和科研单位,2008年获得教育部技术发明一等奖。

  先进的实验技术和科学仪器为他们开展研究提供了有力的支持,他们的实验结论也被国际学者广泛采用,其中一项实验成果被国际多位著名学者作为理论参照对比达17次。国际力学领域某著名期刊的主编对团队的论文非常欣赏。有一次,他指着团队的一张实验照片说:“这是我所见过铁电材料裂纹尖畴变最漂亮的实验照片!”

  团队立足理论的原创性,他们在固体本构关系理论领域的成就在国际力学界获得了很高的学术赞誉,黄克智院士和方岱宁教授建立的铁电材料本构关系理论被国际上评价为三个代表性理论之一。而在计算方面,年轻的刘彬从海外留学回来后,迅速推动团队开发出一整套的多尺度多物理场的计算平台,有力地配合了理论和实验研究,并且在智能材料器件行为的定量预测方面达到了一个新的高度。

  在近20年的研究过程中,该科研团队逐渐形成了理论、实验、计算三结合的研究方法,这在力学领域的研究团队中并不多见。更让人惊叹的是,团队的研究在理论、实验、计算方面均获得了一批创新性的成果。实验可以验证理论,计算可以预测实验,而理论又可以指导实验与计算,这三者是相辅相成的。团队中,有人擅长理论和计算,有人则擅长实验,成员各有所长,不同的思维与研究方式在一起很容易碰撞出创新的火花。

  如今,该研究团队在电磁固体力学研究领域继续探究,又负责承担起国家自然科学基金委的重大项目“层状电磁复合材料界面结构与力学行为”,对下一代的新兴智能材料结构层状电磁复合材料展开了攻关,他们正永不停歇地向一座又一座的新高峰攀登……

   来源:新清华 2011-04-08

2011年05月11日 14:08:03  清华新闻网

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