□　李 刚

　　
　　
世界关注的实验
　　2018年5月中旬，国际材料学界发生了一件振奋人心的大事，清华大学化工系魏飞教授团队与航天航空学院李喜德教授团队合作，在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破，在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束，其拉伸强度超过现有的其他纤维材料。相关成果以Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa(“拉伸强度超过80GPa的碳纳米管管束”)为题，发表于纳米领域国际顶级学术期刊Nature Nanotechnology上。
　　在这一重大成果的合作攻关过程中，以李喜德教授为带头人的实验力学团队厥功甚伟。据李喜德介绍，强度是材料众多属性中最重要的力学性能之一。碳纳米管由于其优异的性能，被誉为“21世纪材料界的奇迹”。它的强度为钢的100倍，重量却只有钢的1/6，杨氏模量高达1TPa以上，拉伸强度超过100GPa。
　　“碳纳米管作为一种新材料风靡全球，但要用作工程材料，它的基本性能还存在一些缺陷。”李喜德说，“用力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时，比如把单根碳纳米管集成管束，或者掺杂在复合材料里，其拉伸强度往往远低于单根碳管的强度。”如何将一根根碳纳米管组装后仍保持优异的力学性能成为制备超强纤维必须解决的首要问题。
　　多年的研究使研究者意识到，碳纳米管束或其复合材料性能下降的主要原因是由于形成纤维的碳纳米管长度较短，单元体之间以范德华力相互搭接，在拉伸载荷作用下极易发生相互滑移。此外，碳纳米管的结构缺陷、碳管端头在复合材料中存在的应力集中以及在复合材料中的杂乱取向等也会导致纤维强度下降。因此，人们开始研制超长碳纳米管和管束，以期改善上述问题。但是李喜德和魏飞两个团队的合作研究表明，即使获得了无缺陷的厘米级超长碳纳米管束，其拉伸强度仍然低于同样条件下获得的单管强度。这一结果让多年从事材料力学性能检测和表征的李喜德敏锐地意识到，在这些超长碳纳米管束中一定存在着残余应力。“这就好比一座悬索桥的钢索，一大股钢索由多根钢丝组成，如果钢丝拉紧的程度不同，有的太松还没有受力，有的却因为绷得太紧而断了，其后果是整个钢索在较低的应力水平下就断裂了。”李喜德用了一个最浅显的比喻说给记者听，“我们决定将制备出来的超长碳纳米管先剪断，释放残余应力后再拉伸，其强度就有了显著的提高。”
　　或许单从力学角度看，这是一个很简单的问题，但是要真正把实验做起来，你就会发现它的难度超乎想象。“因为被操作对象的特征尺度在纳米量级，而且还要在扫描电子显微环境和光学显微镜下通过微纳米操纵手进行，所以实验极具挑战性。”国内外鲜有其他团队挑战这一实验，一方面是技术问题，另一方面是需要建立复杂的实验系统和掌握先进的微纳米实验技术。即便是有着十几年的研究基础的李喜德团队，也用了一年多时间对设备和测量方法反复探索与尝试，才完成了超长碳纳米管和管束的拉伸试验，实现了管和管间、管壁间相互作用力的直接测量。发现了制约超长碳纳米管束拉伸强度的初始应力机制，提出了一种“同步张弛”的策略，通过纳米操纵释放管束中碳纳米管的初始应力，从而将碳纳米管管束拉伸强度提高到80GPa以上，接近单根碳纳米管的拉伸强度。这一成果揭示了超长碳纳米管用于制造超强纤维的光明前景，为发展新型超强纤维提供了新途径，堪称具有里程碑意义的突破性进展。
　　这次合作攻关充分体现了实验力学多学科交叉性的特点。实验力学是基础科学和工程技术综合的产物，在跨学科领域研究中发挥着重要作用。李喜德介绍说，实验力学是一门将力学与光、电、声、磁、热、射线、图像和信息等多学科技术交叉的，研究与力学基础和工程应用相关的测量理论、方法、技术、设备及其应用的技术性学科。特点是力学与新技术紧密交叉，除了具有力学研究的基础性外，又具有技术性与工程应用的特点。“实验力学，本身是力学学科中理论、实验和计算三个方向之一，其所研究的先进测量方法、技术和设备可以很快地应用到基础研究和工程应用领域去解决具体问题。”这也是让李喜德痴迷于实验力学领域研究的一个原因。
　　在此之前，李喜德除了从事先进实验力学方法和技术研究外，也先后开展了广泛的工程应用研究和仪器设备的研制。他和合作者在电弧风洞中完成了某关键结构在高速、高温环境下结构变形测量，这是国内首次在这一极端环境下实现这一关键部件的全场变形测量，获得了全场高温变形和温度载荷的直接实验数据；他研制了现场原位轮廓测量系统和极坐标拉伸系统，实现了人体背部轮廓和人体韧带组织的原位现场测量，目前，相关系统已用于空军总医院的临床治疗；他研发了大型结构的变形、轮廓和姿态测量技术和系统，完成了模拟机翼变形、形貌等的测量，并结合我国某大型滑道和相关运载系统，参与讨论和设计了气动弹性光学变形测量系统，完成了某型火箭低温燃料发动机液盘流道内部微裂纹探测等工作。
　　李喜德最欣赏的话是，研究需要有想法，然后持之以恒、踏踏实实地去实现它。力学的力与美，在李喜德眼中，一方面是理论，解析世间万物之间相互作用的奥秘；另一方面是应用，可以解决一个个实际问题，打造一个新世界。
　　
一路跑出领先水平
　　李喜德出生于20世纪60年代，那是一个运动不断的动荡时期，幸运的是，他没有中断学业，从小学到博士，一路走得很顺利。李喜德的大学本科是在西北大学物理系度过的，学习的是激光物理专业。毕业时，他婉拒了学校留校邀请，考上了西安交通大学工程力学系的硕士研究生，开启了固体力学的研究。硕士毕业时，本已决定留校做助教的他被学校机械系的谭玉山教授看中，而被邀请到自己的实验室读博士。三年博士读下来，在博士答辩时，作为论文主审人的中国科技大学伍小平院士认定李喜德人才难得，向他发出了“到我这里来做博士后”的邀请，李喜德遂改变了去上海工作的念头，来到合肥的中国科技大学做博士后。在出站后的1996年到2000年间，他又先后到瑞典的律勒欧技术大学和香港大学做访问学者，留学深造，开阔眼界。
　　10多年下来，李喜德经历了“三个系、六个大学，从理科到工科，又从工科到理科”的洗礼，“我的本科西北大学是理科的，之后到西安交通大学是工科的，中科大是理科的，去了瑞典律勒欧技术大学又是工科的，再到香港大学又是理科的，最后来到清华大学是工科的……”李喜德细数着他这些年来的求学历程，在外人看来，这真是一场“折腾”，但是对于李喜德本人却是难得的人生磨炼。“相对于国内实验力学同行大多是纯力学出身，我既有物理背景，又有力学基础，也算是一个优势吧。”李喜德如是说。这一优势使他一直处于新方法新技术的研究前沿。这些年来，他一步一个脚印，带领着团队潜心钻研，从散斑相关技术、电子散斑干涉、相移和载波技术发展到数字微纳散斑，探针实验力学等先进的微纳米测量方法及手段，提出了“时间序列散斑”的概念，并从时间维出发提出了时间序列相位法、相位扫法描、匹配相关等序列散斑场分析方法，突破了传统光学干涉法中基于空间维的全场测量原理，建立了时间轴全场光学干涉测量新机制。测量对象涉及微机械系统中的微桥、微梁、超薄金属薄膜及生物组织等多学科领域，向世人展示了实验力学发展和应用的广阔前景。
　　材料内部微结构变形测量始终是力学实验中的瓶颈，而介质或结构内部微结构演化，缺陷、残余应力分布、密度和温度的变化等是工程应用中的重要问题。李喜德首次通过干涉投影完成了瞬态声场在通过障碍物衍射时，空间衍射声场的波前与压力场三维重建，获得了冲击波前的传输区与干涉区；20世纪90年代初，在国内率先进行了同步辐射光CT研究，完成了复合材料内部层间结构、缺陷等的重建；将载波、脉冲电子散斑干涉技术引入CT，完成了含噪声投影数据下温度场、瞬态入射和反射声场的三维重建。该研究将实验力学表面测量拓展到三维内部测量，实现了高速载荷条件下介质或材料内部精细结构及力学场演化的表征和测量。
　　李喜德首次引入缺陷特征参数（DCP）的概念，提出了解析、优化和类比的光学定量无损探测（QNDT）新方法，通过激光远场衍射与小波局部突变条纹分析，实现了大数量干涉图中缺陷的自动识别。该研究被应用于压力容器等结构的缺陷探测与反演分析，为解决材料或结构中缺陷无法直接测量的难题提供了新的测量与分析方法。
　　近些年来，微纳米力学逐渐成为固体力学的一个重要发展方向，随着研究对象尺寸的急剧减小，常规的实验力学方法在检测对象的夹持、加载以及微力与微变形测量等方面均无法满足检测要求，微纳米材料、微结构、微器件等的发展与广泛应用对微尺度实验力学测量方法和技术提出了新的挑战。李喜德带领团队系统地开展了微纳米力学测量方法和技术研究，率先实现了基于微梁和光学干涉方法的黏附失稳动态变形实时测量，求解了平衡态与失稳态粘着时的时变毛细力；提出了多层级微力识别的概念，建立了多层级微力识别时精度、灵敏度及误差的传递关系；提出了可以溯源到光波长的微力标定方法，完成了毫牛到纳牛传感器之间的连续标定；提出了探针实验力学新方法，研制了多探针微纳米实验力学测量新装置，通过引入电子束沉积（EBID）和范德华、毛细、静电等相互作用，有效地控制了微纳尺度不同夹持方法的界面强度，解决了微尺度实验力学中的夹持及测量中实验可靠性的难题。
　　摩擦和磨损涉及力学、材料、物理、化学等基础学科和机械、能源、环境、医疗等工程技术，对经济和人类社会影响巨大，一度被认为是所有物理现象中最具挑战性的问题之一。据统计，全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗，约80%的器件失效由磨损而引起。尤其当系统尺寸缩小到微纳米尺度时，界面摩擦成为制约器件性能和寿命的关键因素。解决摩擦磨损问题的根本途径是实现固体界面之间的极低摩擦甚至零摩擦，即超润滑。人类历史上第一次观察到超润滑是在2004年，由荷兰科学院院士弗伦肯（J. Frenken）领衔的团队在纳米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的条件下观察到石墨—石墨烯界面超滑。但由于实验条件过于苛刻，无法投入使用。并且，包括弗伦肯本人在内的许多科学家都认为从理论上证明纳米以上尺度结构超滑难以实现。
　　但是在2012年，郑泉水团队与李喜德团队合作取得了突破性进展，他们实现了在微米尺度（1.10微米）的超润滑，彻底颠覆了人们之前的相关认识。特别值得一提的是该超润滑现象可以在大气环境中实现，并且具有极好的重复性。这一成果被超润滑的提出者——日本教授平野元久评论为“在超润滑现象超越纳米尺度所迈出的一大步”，而之前认为不可能在大尺度下实现超润滑的荷兰科学家弗伦肯也在Chemistry World上称赞“这是一个聪明的、经过仔细设计且极具勇气的实验”。
　　李喜德和他的合作者的创新性学术研究获得了2009年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖，1998年国防预研基金二等奖。他和同行们凭借着持续不断地发力为中国实验力学在国际上赢得了赞誉。2016年，在希腊召开的国际实验力学会议上，李喜德受导师伍小平院士的委托作为代表登台向国际实验力学同行介绍了中国实验力学30年来的飞速发展。“可以说，中国的实验力学水平已经能和国际先进国家平起平坐。在某些领域，我们已经处在领跑位置！”李喜德自豪地表示。
　　
不拘一格育人才
　　自1999年，李喜德接受清华大学的邀请任职以来，20年时间里扎根于这片沃土，不仅从事科学研究，还担负起人才的培养重任。对于学生的培养，李喜德看得很重。他认为，如果想开创出力学的全新局面，人才队伍建设是学科长远发展的一项重要工作，要培养出更多的青年才俊来才行。
　　在李喜德心中，他与学生的关系不仅是师生，还是朋友，更是未来路上让中国实验力学研究领跑世界的队友。“学科未来的发展要靠年轻一代，要有一批杰出的学科带头人，他们是今后开展原创性研究的保障。”李喜德如是说。在他看来，我国是一个人才资源大国，有充足的优秀生源，但如何培养他们是一个关键问题。多年的教学实践让李喜德成为半个“心理学家”，他开玩笑说“只要与清华大学的一年级新生聊一聊，我就知道四年之后他会是个什么样子”。对此，李喜德解释道：“能被清华大学录取的学生，我并不担心他们的学习能力，而我主要看的是，他们的想法、性格、自信心和好奇心，这些因素最终会影响到他们未来的发展。”
　　李喜德说，每一个学生都是独一无二的，有的内向，有的外向，有的想法很多，有的非常勤奋，有的坚持按部就班，有的则喜欢另辟蹊径。“千万不要低估你的任何一名学生，他们都是有能力的。”这是李喜德时常挂在嘴边的一句话。他会根据每个人的性格、特点，因材施教，时刻挖掘学生的潜能。“我希望能激发他们的兴趣，培养他们的自信和独立创新精神，鼓励他们去发现新现象、新理论、使他们能够做出一流的成果，能够助力解决国家重大工程的一些实际问题，而不仅仅是以发表论文作为最终科研目标。”
　　在枯燥的专业课上，李喜德也会时不时地聊一些和力学无关的话题，看似无关，实际上却是将自己几十年的人生智慧和科研经验融在其中，与学生分享。比如哈佛大学凌晨4点的灯光、历史上一些大事件的成败得失以及青蛙和鹰的角色定位……李喜德对他们讲：“做一只鹰呢，就是要做学科的带头人，你要能在高空中俯视大地，能够看清学科总的发展趋势，继而有能力去解决学科发展问题。做一只蛙的话，就要兢兢业业面对眼前的具体问题，把研究做透！”李喜德说，对于学科研究，我们既需要鹰，也需要蛙。我希望他们能够清晰自己的定位，不要几年下来还是浑浑噩噩。
　　李喜德现在还担负着中国力学学会理事、中国实验力学委员会副主任、北京力学会秘书长、北方七省力学学会秘书长、中国大百科全书的编委以及多家国内外专业期刊编委等众多职务。打开他的工作日程本，上面密密麻麻地记满了待办事项和时间表：每周两次雷打不动的专业课、为学生批改论文、组织北京力学会的专家参观北京及其周边地区的国家大型工程、组织高端学术论坛、协调和组织两年一度全国周培源力学竞赛北京赛区的比赛工作、组织和参加多个国际国内会议、组织全国30多个作者共同编写大百科全书第三版中实验固体力学条目及每周审阅来自国内外的期刊投稿等。
　　每天早晨6点起床，吃完早饭就奔赴学校，忙起来要晚上十点钟左右才能回家。繁忙的工作让李喜德放下了所有的兴趣爱好。“原来还组织朋友们一起打打羽毛球，后来实在是没时间参加了，现在只剩下散步算一个爱好吧。”李喜德住在北京的奥林匹克森林公园附近，每当疲惫不堪的时候，他就会沿着公园的小径走上一圈又一圈，权作放松。春天的花开，秋天的落叶，多年下来，李喜德对这条路再熟悉不过，其间有坦途、有泥泞，有陡坡，像极了自己科学研究的攀登之路。“人生没有白走的路，每一步都算数！”每当想起这句常给学生们说的话时，李喜德就会把所有的累都抛到了九霄云外，脚步轻快地继续前行。科
　　
专家简介：　　
　　李喜德，清华大学航天航空学院教授。长期从事微纳米力学、实验力学、航空航天结构和材料力学、智能材料力学与传感技术等领域的研究以及实验固体力学系列课程的教学工作，先后在计算机层析三维重建，时间序列分析，定量无损检测与识别以及微纳米实验力学等领域取得了显著的成绩。曾获得高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖1项（2009），国防预研基金二等奖1项（1998）。迄今已发表学术论文170余篇，拥有发明专利12项。承担和参加了包括原国家“973”计划、重大研究计划课题子课题、国家基金委重点项目等30余项科研课题。现任中国力学学会理事，中国力学学会实验力学专业委员会副主任，北京力学会秘书长，北方七省区力学学会学术工作委员会秘书长，国际实验力学会议（ICEM，2018,2020）执委以及清华大学教代会和工会委员等职。