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田煜:钟情“摩擦” 为国献力
——记清华大学摩擦学国家重点实验室主任田煜

作者:徐芳芳    发布时间:2019-12-15

导读:  在田煜看来,清华大学的发展和国家的命运一直联系在一起,而他作为一名清华人,也必须将自己的教学科研与国家的发展和需求紧密联系起来。他认为,这也是作为一名科研人员的最好的归宿。

 

  古希腊哲学家亚里士多德在《动物的历史》一书中,对壁虎卓越的攀爬能力进行了描述。这种既不用胶水,也没有吸盘的生物,如何能够实现在各种墙壁上的飞快爬行?
  清华大学摩擦学国家重点实验室主任田煜在研究中发现,壁虎的刚毛不但可以产生“强黏附”,更具有“易脱附”的能力。他经过10多年的深入研究,得到的研究成果不仅获得了学术界的认可,在国防军工以及工业、生活中也具有广阔的应用前景。
  “在早期各类科幻影视作品中,人们就能看到蜘蛛侠和神奇的爬墙手套,这些都承载了人们能像壁虎那样飞檐走壁的梦想。”田煜说,随着相关研究的日益深入,人类离这个梦想的距离越来越近。
  田煜表示,摩擦学的发展与国家的高端装备制造息息相关,而在过去数十年中,中国的摩擦学研究发展迅速,人才逐渐汇聚,但与德国、日本等制造强国相比,摩擦学领域的科研投入还远远不够。作为一名科研人,他希望自己的研究能与国家的发展和命运紧密联系,能为中国建设制造强国之路贡献自己的一份力量。
  
神奇的刚毛
  “摩擦力是在分子、原子量级的机械接触中产生,常用的实验仪器很难直接观测这么微观的界面行为,只能从宏观的或者相对微观的实验去探索其规律。”解释“摩擦力”这一抽象概念时,田煜这样说道。
  1998年,田煜在清华大学获工学学士学位,3年半后,他又师从温诗铸院士于清华大学获工学博士学位。至今,他与“摩擦”已经结下21年的深厚缘分。
  田煜的博士论文研究是利用电磁场来控制液体的流变行为。在外加一个电场或磁场环境后,能够控制液体从一个比较稀的状态变成一个特别稠的状态。从而经历剪切时,摩擦力就可能从一个很小的阻力变成一个很大的阻力,这是一种主动去控制摩擦和润滑的研究。
  在传统的设计中,一旦摩擦副材料和润滑剂确定之后,剩下的就是发挥材料自身的性能,让它自己去适应各种工况和环境。然而,在许多现实环境下需要对摩擦和润滑主动调节时,传统的被动式设计就不能满足要求了。为了解决这一问题,田煜想到了壁虎。在摩擦学性能比较独特的自然界生物中,壁虎的强黏附能力是一个典型代表,它能够通过自己的动作,在“摩擦”和“粘着”上实现很轻松自如的控制。“它的爪子上,没有胶水,也没有吸盘,但是却能够很好地实现在墙上爬行。”
  在加州大学圣塔芭芭拉分校从事博士后研究的两年,田煜正式开始了这方面的研究,探讨壁虎黏脱附的机理,研究它如何控制摩擦力和黏着力。“当时其他研究组做了很多仿壁虎干黏附的表面,能够黏附在各种墙上,有很强的黏着力。但是我们观察壁虎,不仅很容易黏附在墙上,也要很容易脱下来,才能跑得飞快。除了强黏附,它还要易脱附。”
  壁虎脚趾末端许多微纳尺度的刚毛结构是其黏附行为的关键。事实上,在物体表面结构的特征尺寸减小到微米和纳米量级后,表面间范德华力就起到越来越重要的作用。在前人的研究中,根据球/平面接触的JKR模型可以预测刚毛与壁面间的黏附力作用,但不能解释生物体刚毛的快速脱附运动行为。根据这个理论模型研制的微柱阵列仿生表面具有强黏附力,但无法实现从壁面快速脱附。这与壁虎等生物体可快速爬行相矛盾。而在自然界中,还有许多具有特殊摩擦学功能的生物,如蚂蚁、蜜蜂、苍蝇和蜘蛛等昆虫也都具有很强的黏附和摩擦控制能力,这种能力也都来源于类似的微细刚毛结构。因此,生物体刚毛强黏附且易脱附的机理已成为相关领域研究的一个关键问题。
  与常用的考虑表面力的球/平面黏着模型不同,田煜考虑到壁虎刚毛末端的微纳尺度的薄板结构,提出了同时考虑薄板结构与壁面之间的摩擦力和黏着力的剥离模型,认为刚毛接触区域的范德华力作为法向载荷产生刚毛的横向摩擦力,剥离区域的范德华力产生法向黏着力。而壁虎通过脚趾的宏观卷入和卷出动作可调节刚毛末端薄板结构的剥离角度,得到的摩擦力和黏着力可改变3个数量级以上,实现与壁面的强黏附和易脱附。
  2006年12月5日,《美国国家科学院院刊》刊登了田煜作为第一作者发表的《壁虎粘附与脱附中的粘着力和摩擦力》的成果论文。该论文发表后,人们开始更多地关注刚毛仿生表面的强黏附、易脱附特性。国内外学者评述该成果“对强黏附易脱附的仿生表面研制起到启发和理论指导作用”,对刚毛黏/脱附物理机理的科学认识可促进相关技术的发展;“壁虎刚毛快速黏/脱附机理”被列入麻省理工学院课程教学内容;建立的微纳结构黏着与摩擦模型也被Science研究论文用于实验结果的解释。到2019年10月为止,该论文已被包括Science、PNAS、Adv.Mater.等在内的国际学术期刊论文他引470余次。
  基于这一生物体刚毛快速黏/脱附的机理,田煜研究组继续提出了仿生刚毛表面与器件的黏/脱附性能设计、制造与控制方法,并制造了相关器件,通过运动控制,实现器件“强黏附、易脱附”的能力。制备的仿壁虎刚毛被Science综述论文列为该领域研究的典范。仿生刚毛表面在国防和日常生活领域中具有广阔的应用前景,由于范德华力在自然界中普遍存在,这一成果不但可用于大气环境下的爬壁机器人、夹持器等,还可以拓展到空间环境的应用,如宇航员手套、空间垃圾回收、空间驻留平台维护机器人等。而真正要把这项技术用起来,还需要开展大量研究工作,并需要更多地和微纳制造及自动控制等领域的研究组开展合作。
  
电磁场控制黏度的“润滑剂”
  “生物体刚毛快速黏附与脱附的控制机理”研究是围绕摩擦过程的固体接触与黏着的基本行为和理论而开展的基础研究,此外,田煜还对“润滑”中的“流变”问题进行了深入研究。“润滑”是为解决广泛存在于生产生活中和各种摩擦运动界面的摩擦和磨损问题,而所谓“流变”就是液体材料受到剪切时,其表观黏度往往随着温度、压力、剪切速率发生变化,而液体的黏度是“润滑”过程中液体产生法向承载的基础。
  常见液体的黏度主要由分子间范德华力或者氢键等短程力作用决定,其作用强度主要取决于材料原子与分子自身的性质,难以进行外场在线调控。而电/磁流变液作为智能悬浮液材料,外加电/磁场可以极化其中的微纳米颗粒,控制颗粒间的静电力或磁力作用,以及颗粒在空间上的排列结构,进而影响悬浮液的宏观流变性能。
  基于电/磁流变液的智能结构与器件可用于离合器、减振器等机械零部件,具有广阔的应用前景。然而,长期以来,对电/磁流变效应机理的认识不足严重阻碍了其应用进程,很多实验现象无法得到合理解释。
  在田煜研究组的研究中,突破了传统的剪切流变表征方法,系统研究了电/磁流变液的拉伸、压缩与剪切力学行为。他们研制出了高于20kPa(4kV/mm电场)屈服强度的沸石/硅油系电流变液(远超传统仅考虑颗粒间静电力作用的极化模型的数kPa的理论预测值)。韩国仁荷大学Choi Hyoung-Jin教授认为,这一电流变液和压缩流得到的超强屈服应力充分表明了传统固/液界面极化电流变强度模型的局限性,而田煜研制出了当时世界上强度最高的电流变液。
  他还发现,压缩流中的电流变液在很低的场强,如0.6kV/mm时就可以得到大于100kPa的等效剪切屈服强度,比剪切流的同场强和相近剪切速率条件下测试得到的小于1kPa的剪切屈服强度高两个数量级。
  后来,田煜还发现了电磁流变液在低剪切速率下的突然剪切增稠现象。在该现象机理的主导下,随着外电磁场强度的升高,材料的剪切强度可突然降低一半以上,这个现象完全与人们的直觉相反,无法用传统的极化模型解释,而与电磁流变液的颗粒链的剪切结构转变密切相关。他还提出,传统电/磁流变极化模型中考虑的颗粒间静电力/磁力也起到为颗粒接触施加载荷的作用,引起的颗粒间摩擦力在电/磁流变效应中占有非常重要的地位。
  田煜关于电磁流变机理的研究成果同样受到了国内外同行广泛认可与引用,发表论文已被SCI他引数百次;并于2008年获得了高等学校优秀成果奖自然科学奖二等奖。
  
高性能摩擦润滑与“四基”
  机械表面/界面科学与技术对改善机械系统的工作效率,延长使用寿命、提高机械系统和装备的可靠性,解决能源短缺、资源枯竭、环境污染和健康问题等有着重要理论意义和实用价值。事实上无论是军用还是民用的许多装备出现故障,往往是在运动界面上出现问题,而这些都是摩擦学要解决的问题。
  随着我国航空航天、能源、运输及先进电子制造业等的发展,传统摩擦学很难满足这些高性能机械系统的设计及控制要求,现代机械表面/界面科学研究已深入到从原子和分子尺度的范德华力去揭示机械表面/界面的摩擦与黏着行为机理,并已取得大量成果,但它目前与宏观机械系统行为的结合还不够强。
  田煜认为,随着我国制造业的发展,对机械系统的可靠性、稳定性和精度的要求越来越高,表面/界面效应在机械系统及装备中的地位越来越突出。比如高精密、高速加工机床和微纳电子加工装备都需要纳米级的定位精度和迅捷的运动速度以实现高精度下的高生产率。“比如线宽32nm及以下的步进扫描光刻机工件台的重复定位精度要求优于3nm,对摩擦力的快速和精确控制提出了极高要求。”
  尽管国家早已经注意到研发核心高端基础零部件、基础材料和工艺的重要性,但在过去的20年里,研究工作量投入仍然远远不够,这也是国内的装备与国外先进装备存在差距的重要原因。“一个个小小的轴承、螺栓、密封圈,不仅看起来小,价值也不高,价钱也不贵,大家的重视程度不高,投入的精力也不够。但它们却是重要装备的关键零部件,必不可少,其实际价值是其价格的几十倍、几百倍甚至更多,装备的整体性能严重受到这些基础零部件的摩擦学性能的限制。”
  此外,飞机和高速列车等大型高速运载装备的超高能量密度刹车零部件极大影响了系统的平稳性和安全性。目前这些典型应用中的关键摩擦功能零部件不少都受到国外大公司的垄断和控制,我国制造业对高性能摩擦与润滑主动控制理论与技术、完全自主的高端基础零部件、摩擦与润滑材料有迫切需求。
  由于固体摩擦是分子、原子尺度上产生的机械接触,气氛环境不同,摩擦系数就可能大大不同。“两种特定的表面固体材料在大气里面的摩擦和在干燥的氢气环境里面的摩擦,只是改变了气氛环境,摩擦系数可能变化两个数量级以上,零点几的摩擦系数变成了千分之几。”田煜说,这也是摩擦研究难的地方,太容易受到各种条件的影响,如气氛、速度、载荷等,国际上多位诺贝尔奖获得者都对表面和界面现象的复杂性有过深刻描述。所以为了解决我们国家的重大需求,还需要开展系统、广泛、深入的摩擦学研究。
  
科研的归宿
  始建于1986年的清华大学摩擦学国家实验室,是中国机械工程学科领域和清华大学首批建成的国家重点实验室之一,承担着发展学科基础理论、解决重大工程问题的关键技术的使命。
  摩擦学国家重点实验室既是一个适于开展摩擦学理论与技术、表面界面科学与性能控制、生物摩擦学与生物机械等方面的高端科学研究平台,也是一个培养和吸引高层次学术人才、开展国内外学术交流的基地。这里不仅有温诗铸、雷天觉、雒建斌、王玉明等院士以及历届实验室学术委员会和咨询委员会的专家们的指导,也培养出了10多位长江学者、杰出青年和优秀青年基金获得者等杰出人才,以及300多位博士生、400多位硕士研究生,他们活跃在国内外的学术界和工业界。
  低调、执着于科研,这是许多同事和学生对田煜的评价。在实验室的前辈老师们的支持帮助下,2019年,田煜正式担任清华大学摩擦学国家实验室主任。作为实验室首任主任、中国科学院院士温诗铸的弟子,这多少有些“传承”与“接棒”的意味。“实验室的重任落到70后和80后的身上了。实验室前三次评估都是优秀,所以担任这个职位的压力还是挺大的。”
  田煜认为,自1986年创立以来,实验室不断开辟在摩擦学科中的新的研究领域,自2000年以来,已经在国内率先开展了微纳制造摩擦学研究、摩擦起源的探索、新型表面减阻理论等。在集成电路制造工艺和装备技术、微纳制造、机器人技术和高功率固体激光技术等方面取得一大批应用性创新成果,为国家重大工程项目和国防建设做出了重要贡献。
  近5年来,实验室又倡导和深化超滑机理、表面界面科学与技术、二维材料摩擦学、智能摩擦学等研究,在基金委“纳米制造的基础研究”重大研究计划的规划和实施、《机械工程学科发展战略》的制定以及《中国大百科全书·机械工程卷》(第三版)编撰工作中发挥了引领作用。
  田煜认为,中国的摩擦学科近年来发展很快。在一些领域,已经实现了对国外研究机构的反超,但总体上在产业界和企业的研发投入方面,与日本和欧美等制造业发达国家相比仍有一定的差距。而这种差距会随着国家对摩擦学研究投入的不断加大而逐渐缩短,这些投入也吸引着更多的青年人才加入这一学科的研究队伍中。“现在全国的摩擦学科研人员多了很多,10年前,开一个全国性的摩擦学大会,老中青一起大概也就是四五百人。但是现在,我们开一个摩擦学的青年学术会议,就有五六百人参加,这也反映了咱们国家确实在制造业上发展很快。”田煜说。
  在田煜看来,清华大学摩擦学国家重点实验室的工作主要是围绕摩擦学科前沿基础研究,为各类机械装备的研发应用提供理论的指导,或针对现有问题开展研究提出解决思路。随着实验室在研究中不断突破,摩擦学的理论也在不断完善。“以前我们的摩擦学理论可能不能够完全满足工业应用的需求,现在我们希望把整个理论框架逐渐完善起来,对更多的工业应用从基础理论上给予指导,提供参考。”
  从本科、博士至今,除了中间曾到国外短暂学研,田煜一直在清华大学成长,并获得了多项研究成果。在他看来,清华大学的发展和国家的命运一直联系在一起,而他作为一名清华人,也必须将自己的教学科研与国家的发展和需求紧密联系起来。他认为,这也是作为一名科研人员的最好的归宿。科
  
专家简介:  
  田煜,1975年5月出生于重庆,1998年在清华大学获工学学士学位,2001年师从温诗铸院士在清华大学获工学博士学位,现任清华大学摩擦学国家重点实验室主任,2015年受聘教育部长江学者特聘教授,2018年入选“万人计划”科技创新领军人才。曾担任中国摩擦学会青年工作委员会副主任委员和主任委员,2017年第六届世界摩擦学大会秘书长。
  长期从事机械表面/界面行为规律、机理与控制的研究。先后主持国家基金项目5项(包括杰青、重点专项各1项)、原“973”课题1项、全国百篇优博论文作者专项等其他项目多项。他提出了同时考虑微纳薄板结构摩擦与黏着的理论模型,揭示了生物体刚毛的快速黏/脱附控制机理;提出了强黏附易脱附仿生刚毛表面与器件的设计方法,研制了仿壁虎刚毛表面和夹持器原型;研制了高强度电流变液材料,指出摩擦在电/磁流变效应机理中具有重要作用。
  共发表SCI收录论文150余篇,被Science和Nature Mater.等期刊论文引用3500余次;已获中国发明专利授权6项。担任Journal of Bio & Tribo- Corrosion主编,Tribology Online (日本摩擦学会会刊)副主编,Frontiers of Mechanical Engineering、Tribology分支副主编,Friction、Biotribology和Industrial Lubrication and Tribology编委。
  

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