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孟永钢:认准的事情坚持做

来源:  发布时间:2021-09-27

徐芳芳

 

 

不同于物理课本中“忽略摩擦力”的理想状态,在真实世界里,摩擦是一个普遍存在的现象,也是一个经久不衰且庞大复杂的研究议题。在茹毛饮血的原始时代,经由摩擦带来的火种即推动人类文明大步向前,在人类社会的发展进程中,摩擦也被人类逐渐“熟识”并进入朴素应用阶段。但是人类开始真正科学地研究摩擦问题,实际上是从15世纪达·芬奇开始的。随后,关于摩擦的研究逐渐精深,对于摩擦的利用以及如何解决摩擦带来的问题,都逐渐成为相关科学家的研究内容。20世纪60年代,英国爵士Peter Jost发起了一项关于摩擦、磨损和润滑的著名调查,结果显示,人类的一次性能源大约有1/3是通过摩擦所消耗掉的,80%的机械装备都是因为磨损失效。摩擦和磨损共同造成的损失,一般可以占到一个工业化国家GDP2%7%。该调查所涉及的材料和机器运动界面间发生的摩擦、磨损、润滑3类相互关联的自然现象和规律,被一个新创的英文单词“Tribology”统一概括,20世纪70年代后期传入中国,被译为“摩擦学”(台湾学者译为“磨润学”)。时至今日,摩擦学研究的对象遍及机械工程、航空航天、军事应用、高新行业、生物、地质乃至音乐和体育等多个领域,涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等多个学科,相关研究对国民经济建设有重大的促进作用。在这样的背景下,清华大学机械工程系教授孟永钢深耕摩擦学研究30余年,他一直在思索的,是如何把摩擦“控制住”,最大程度地克服其不利影响,充分地发挥其效能。

 

“全部归零”的孤勇

 

在入职清华大学之前,孟永钢所学所研,与摩擦学并没有很大的关联。如他所说,“从本科阶段到博士,我都不是学摩擦的,我当时学的是材料加工工程的锻压专业,进到摩擦学这个研究领域,差不多算‘转行’。对我来说确实是非常大的一个挑战”。然而这个“转行”,并非“赶鸭子上架”的勉强之举,而是孟永钢经过诸多考量的自主选择。

孟永钢是一个谨慎的人。

1982年,内蒙古工业大学本科毕业的孟永钢获得了一个难得的“走出去”的机会——他成为我国改革开放后第二批国家公派留学研究生的一员。在留学日本之前,关于未来研究方向的选择,孟永钢特地向自己的老师求教。这位1955年毕业于清华大学、曾在英国曼彻斯特大学做过访问学者的老师告诉他,英国塑性力学著名学者R.Hill教授将“塑性加工过程中的摩擦和润滑问题”视为学科发展的未来方向。就此,在踏上赴日学习的旅途之时,孟永钢在专注自身金属塑性成形研究的同时,也对摩擦、润滑等问题的研究成果保持了高度的关注,摩擦学这一在他看来属于“设计学科”的内容,也逐渐在这个研究“制造学科”的年轻人心中埋下了种子。

6年时光倏忽而过,在日本熊本大学取得机械工程(塑性加工)硕士和博士学位的孟永钢决定回国。在回国之前,孟永钢再次与日本的导师讨论起6年前他问过的问题——“将来我要做什么?”导师语重心长地告诉他:“如果做摩擦学的研究,你也许能做100年,这个领域会不断地诞生新问题,你可以不断地做研究,把摩擦的一些机理问题搞清楚;但是如果你继续做原本的金属加工领域的研究,很有可能再过20年,这个领域就没什么基础科学问题了,只剩下工程课题。”时隔6年,两位导师都将他指向摩擦学的研究之路,孟永钢也下定决心,投入摩擦学的相关研究中。

孟永钢也是个勇敢的人。

从机械制造转投摩擦学,说起来很轻松,然而孟永钢做出这个选择,相当于放弃他从本科到博士期间的所有研究成果,“全部清零”,从头开始。对此,孟永钢笑言:“做研究有时候是这样的,它首先要有一种冒险精神。我还是期待能够做一些有挑战的事情。”

孟永钢博士毕业的那一年,也是国内外局势风云变幻的一年。孟永钢的许多同学选择留在日本或远赴相关研究更为成熟的欧美国家,而“没做什么考虑、想法简单”的孟永钢则在1989年年底就回到了中国。几年后,在日本工作的同学问他是否后悔自己的选择,孟永钢说:“现在我很难回答你这个问题,也许再过10年、15年以后我再来回答你。”在孟永钢看来,纵然前路难辨,只要一直走下去,一定会收获一个肯定的答案。

基于在日本留学期间对摩擦学的关注,孟永钢很早就注意到了清华大学在这一领域的研究优势,这也让学成归来的孟永钢决定选择清华大学作为自己下一段人生旅程的起点。自此,凭着一腔孤勇,孟永钢完成了回国、“转向”、入职的一系列重大抉择之后,他埋首于摩擦学设计、表面界面科学与技术研究领域,在清华园一待就是30多年。

 

回答“隐函数”的问题

 

孟永钢介绍,摩擦学的研究进行到现在,已经进入微纳米尺度的世界。“我们常说,摩擦是个隐函数,隐函数就是你看不见摸不着的东西。所以做摩擦学的研究,需要一种想象力。”孟永钢说,“在放飞想象的基础上,大胆假设,小心求证。摩擦力什么情况下会产生?什么情况下不会产生?通过哪些途径产生?能够到一个什么样的程度?……这都是我们要回答的问题。”

孟永钢留学期间,恰逢日本发展的“黄金时代”。彼时日本的工业发展、科学发展增速惊人,几乎每周都会有一些新理论、新技术、新产品问世。这给了孟永钢极大的启发,在他看来,摩擦学这一学科在20世纪50年代至70年代发展迅猛,随后在理论层面便陷入了长久的“沉默”,能够影响该学科数十年发展的突破性理论已“难觅踪迹”。与此同时,科技创新带来的巨大变革也要求摩擦学研究成果在更精细层面的表达和应用。想要最大程度发挥摩擦学研究的优势,势必要从理论和应用两方面着手。

1997年,孟永钢以访问学者的身份到访香港城市大学。除了亲眼见证香港回归的喜悦,孟永钢也在这座城市开启了全新的研究方向——电控摩擦的研究。对于“电控摩擦”,为其亲自命名的孟永钢解释道:普通人可能会把摩擦视作一种材料属性,或者一种运动时力的感受。而在摩擦过程中界面所处的环境是十分复杂多变的,由此产生的摩擦、接触和润滑状态也会随之产生剧烈变化,故此,实现对摩擦的主动控制是十分必要的。在传统润滑体系中,对摩擦力的调控只能通过调节法向载荷来实现,难以做到对摩擦系数的实时和在线调控。而通过施加电场或控制摩擦副的表面电位,即可以实现对边界润滑中摩擦系数的主动控制。经过20余年的探索,电控摩擦现象已经在水基和油基润滑的陶瓷/金属、金属/金属和陶瓷/陶瓷配副中复现,基于润滑剂中分子和微纳米颗粒在电场作用下的表面吸脱附的理论和实验可以较为完整地解释和预测所观察到的宏观摩擦磨损规律。孟永钢介绍,在理想状态下,电控摩擦可以实现对摩擦的精准和智能控制,进而实现对摩擦、磨损和润滑状态的在线调控,并达到节省能耗、延长机器工作寿命之目的。目前团队的攻坚重点,就是致力于建立具有在线监测和智能调控功能的主动摩擦系统,以推进电控摩擦技术的应用化进程。

基于这一研究成果,孟永钢及其团队开启了众多合作项目,与荷兰皇家壳牌集团等企业的合作就在此列。在与以色列研究团队合作的“设计制备用于外加电场调控摩擦的纳米材料添加剂”项目中,双方就“设计和合成可稳定悬浮在润滑液中的碳量子点和碳量子点修饰的纳米颗粒添加剂,以显著改善润滑液的减摩抗磨性能,并实现摩擦磨损性能的外加电场调控”等内容展开研究,孟永钢团队通过zeta电位分析仪和石英晶振微天平(QCM)对纳米颗粒悬浮液的摩擦学、电学以及外场作用下的吸附行为进行分析表征,并在改造后的通用摩擦实验仪(UMT)上系统开展电场作用下量子点纳米添加剂摩擦磨损特性的实验研究,最终结合电场作用下摩擦磨损实验和纳米添加剂表面分布测试实验的结果,建立电场条件下材料摩擦磨损行为的计算分析模型,开展计算机仿真并与实验结果进行比较分析。

此外,在工程应用方面,孟永钢着重滚动轴承和滑动轴承的研究,并积极将其研究成果与国家需求相结合。“轴承可以说是工业的粮食,几乎每个机器都要用,只要有运转的地方就要有轴承。”孟永钢解释道,“轴承说起来简单,应用的历史也很长,然而实际上关于轴承还有很多技术尚待突破改善。目前中国是世界上最大的轴承生产国,但是现在我国很多应用领域的高端轴承仍要依赖进口。近年来,国家和学界逐渐意识到,在诸如航空航天、高铁、5G通信等高精尖领域,为避免‘卡脖子’问题的出现,展开对轴承这一基础件的研究十分必要,高端轴承的研发项目也纷纷立项。我和我的团队也积极参与到这些国家项目中,在航空发动机、高铁转向架用高端轴承研发方面展开研究。这类轴承的要求是转速更快、精度更高、寿命更长,这些都是我们正在努力的方向。”目前,孟永钢所在的清华大学摩擦学国家重点实验室已与多家轴承企业达成合作协议,就超长寿命高精密轴承的研发展开合作。显而易见地,这些产学合作能够促进先进研究成果与工程技术进步相结合,也为孟永钢多年积累的科研成果从实验室走向工程应用提供了更多实践的途径。

 

愿做烛光照桃李

 

与清华园相伴30余载,孟永钢坦言,自己对清华有很深的感情。在他看来,清华大学是一所真正具有校园文化的大学,这种延续在清华血脉中的独特气质,其中一个具体的外化体现,就是坐落于清华园内的王国维先生纪念碑。王国维先生投湖自尽后的第二年,清华师生即为其立碑,碑文由同为“清华四大导师”的陈寅恪撰写。在这数百字的碑文中,陈寅恪以“独立之精神,自由之思想”描述他心中理想的大学精神,自此,这句话也深深地影响了一代又一代的清华人。在清华师生的思想深处,这不唯是一句口号,同时也是清华人不断追求的精神目标。这种精神的传承,也被他引入自己的教学过程中。

孟永钢介绍,价值塑造、能力培养、知识传授,这是清华三位一体的教育理念。清华精神的传承,即是价值塑造的重要一环。与此同时,他也十分关注学生的成长过程,在学生就业后,也积极接受用人单位的反馈,以填补自身教学中缺失的内容。在听到“清华毕业生最大的问题是经不起打击,经不起挫折”的说法后,孟永钢决定在教学过程中加上“挫折教育”这一课,让自己的学生能够直面失败和挫折,不因研究过程的不顺就一蹶不振。

对于孟永钢的学生而言,他是十足的“严师”。在学习时、答辩中、实验室里,向学生提出最难回答的问题的人,往往就是孟永钢。在孟永钢看来,做研究切忌一知半解,如果学生对一些本该掌握的科学原理没有掌握好,或者对科学知识片面理解甚至有错误的理解,他都会当即指出。除此之外,他也是“勤师”,在高强度的研究任务之下,孟永钢仍完成了全年196个课时的教学任务,同时还担任班主任,甚至夜里12点还在和学生沟通学习和研究的问题。在他的引领下,学生的研究能力和实践能力稳步提升,本科生、硕士生、博士生及博士后的培养正稳步进行中。

对于自己的成就,孟永钢并不十分看重。他常说:“我就是普通人一个。”谈及未来的发展规划,这位笑声爽朗的学者依旧把培养后来人放在了首位。他希望将更多的注意力投注到知识传授的过程中,以言传身教的方式培养更多的专业人才,他认为这是他最主要的任务。在此基础上,他也希望可以将自己多年研究的经验成果总结起来、集结成册,为相关研究的学生和研究者提供有益参考。“教育是我的职责,为国家做贡献也是我的职责。面对国家层面、社会层面、行业层面、企业层面的需求,我和我的团队义不容辞,将会继续在相关领域积极探索;对于人才培养,我也希望自己能够为这个领域带出更多的优秀人才,为摩擦学这一研究领域增加新的有生力量。”


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2022年3月上

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