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小裂纹折射大视野

来源:  发布时间:2021-11-15

——记航空航天结构和力学专家徐荦愚教授

范德强

 

“我可能是世界上见过裂纹最多的人之一。”徐荦愚语调舒缓,即便是玩笑话也总透着一份儒雅。然而这位儒雅的学者所从事的研究内容却是“破坏”——“在实验室把各种新材料拉坏,压坏,扭坏,砸坏,研究它们的损伤和裂纹起始及扩展,从而保障使用新材料先进结构的安全性”。也因此,他总是调侃自己是“专搞破坏的实验力学家”。

宁波大学安中讲座教授徐荦愚多年来徜徉的研究领域是一个常人难以触及的世界,它被包裹于层层材料之间,然而这片极为狭小的空间却又与整个社会的发展有着巨大的关系。从地震的产生机理,航天飞机的空中解体,到飞机、舰船的许多事故……林林总总都与那些微小裂纹有着千丝万缕的关系。

这些小小的裂纹是诸多复杂问题的起源。为了小小的裂纹,徐荦愚求索了20余年,至今热情仍没有半分消减。

 

从飞机梦到材料的断裂损伤

 

徐荦愚从小有一个“设计飞机”的梦。

上小学时,当空军飞行教练的表哥送给他一架歼-5战斗机模型,开启了他对飞机的爱好。“为什么飞机有这么大的尾巴,而鸟的尾巴就要小得多?”诸如此类的疑问让徐荦愚急切渴求有关飞机的知识。他订阅了《航空知识》和《国际航空》,“很多内容看不懂,但是就喜欢拿来翻翻”,也是从那时起,他决定将来一定要考取北京航空航天大学(以下简称“北航”),去设计飞机。纵然高考时,他的分数已经足够进入清华、北大,徐荦愚仍然坚持了自己当初的梦想——去北航,造飞机。

来到北航的第一天,徐荦愚就兴奋地跑到航空博物馆,跟各种各样的飞机合了影。大学4年,他一直是北航航模队的成员,主要制作和遥控滑翔机飞行。为了参加航模队周日的活动,他每周六晚“闭关”写作业。4年下来,自己的兴趣没耽误,成绩照样优异。本科毕业前,他顺理成章被保送北航的飞机设计专业读研。

不同于大学时期肆意投入自己的兴趣,研究生阶段的徐荦愚必须做出一个重要的选择——究竟选择一个什么样的研究方向?大四的毕业设计最终给了他指引。

20世纪60年代,先进的碳纤维复合材料在航空界崭露头角。其强度和钢相当,但是密度仅为飞机铝合金的一半。美国空军实验室(AFRL)最早开始这方面的研究。80年代,中国的歼-8战斗机也想采用少量复合材料以减轻重量。但复合材料容易出现微小的基体裂纹。一架大飞机居然怕小小的裂纹?这又增加了徐荦愚的科学好奇心。在杨秉宪教授和叶林教授(现工作于澳大利亚悉尼大学)的指导下,本科四年级时,徐荦愚开始研究复合材料的断裂和损伤。

“我的科研方向已经很清晰了,就是研究新型飞机结构上的裂纹。”从一直憧憬设计飞机的少年,到对飞机研发的核心问题有了深刻认识的研究人员,徐荦愚的发展路线也随着科研方向的锚定逐渐清晰起来。

在毕业设计时,徐荦愚又找到了新的发展方向。当时他的主要参考文献是一篇来自美国的博士论文。于是,“去美国读博士,研究比这篇博士论文做得更好”成为他留美最单纯的动机。

1996年,在陈为农教授(现美国普渡大学工学院科研副院长)的推荐下,徐荦愚来到美国加州理工学院航空系攻读博士学位。当时,徐荦愚其实还有其他不错的选择。如美国麻省理工学院(MIT)航空航天系也为他提供了全额奖学金。而他选择加州理工学院是因为这所学校为中国培养了最杰出的科学家——钱学森、周培源、钱伟长……能在这些伟大科学家的母校深造学习,徐荦愚觉得自己离梦想更近了一些。

在加州理工,徐荦愚的博士生导师是洛杉克思(Ares Rosakis)教授,他是动态断裂力学大师,美国国家工程和科学院院士。初次见面,徐荦愚就被导师对科学研究的热情所折服。导师所从事的基础研究充斥着大量数学问题,对常人来说枯燥异常,然而他却对科研充满了热情,也用这种热情感染着自己的学生。跟随导师,他开始接触美国国防部的最新科研项目。他的科研生涯也开始一路向上,迎来诸多高光时刻。

 

大洋彼岸科研启航

 

徐荦愚跟随导师参与的项目是研究用于军舰的复合材料——三明治板。“美国国防部每年资助高校数千个基础研究项目,外国人也可以参加。”徐荦愚介绍道。因为美国海军不仅拥有军舰,还有飞机和装甲车,所以美国海军科研局(ONR)代表了美国国防科技的综合水平,也拥有最多的科研经费。作为美国联邦政府第一个科研资助机构,ONR的资助方式既灵活又持久,所以吸引了许多美国顶尖学者。徐荦愚的导师洛杉克思教授,就是其中之一。

所谓三明治板是复合材料结构的一种,由两层玻璃纤维面板和一层芯组成。这样的结构又轻又硬,很适合在军舰上应用。20世纪90年代,美国海军科研局开始转向复合材料用于军舰的基础研究。由于军舰会受到深水炸弹和导弹的袭击,研究重点是在冲击载荷作用下,三明治板的破坏机理。而此前只有瑞典海军尝试用复合材料构建军舰船体,因此徐荦愚拿到的研究材料也正是一块瑞典海军采用的三明治板。这块三明治板开启了徐荦愚在美国的科研旅程。

“这项研究充分体现了加州理工的基础研究风格,因为我并非研究真实的三明治板,而是通过力学模型实验,来掌握两种不同动态裂纹的扩展顺序。”即研究问题的基本原理,而非专攻具体问题。

在洛杉克思教授的指导下,徐荦愚把很硬的钢与较软的光弹聚合物粘在一起,组成了一个“三明治板”的力学模型。通过高速摄影实验,他发现是层间裂纹诱导出层内裂纹和不同的断裂模式,从而解决了多年悬而未决的问题。同时,层与层之间可以由同样的聚合物黏接起来。20年后,徐荦愚发现这正是3D打印聚合物的力学模型。这些内容组成了他的博士论文《层合材料的动态破坏特性研究》。

出色的科研能力以及成果,让徐荦愚于2003年赢得了获奖率仅10%的美国海军科研局杰出青年学者奖(ONR YIA)。他也因此获得了自己作为项目负责人的第一个美国国家级科研项目——用纳米复合材料改进军舰混合结构的界面和动态破坏性能。

当时海军科研局船舶结构力学项目经理认为:用100%复合材料代替钢制船体是不可行的,因此需要循序渐进。他的新概念是“混合船体”,即用轻的复合材料代替重的船头和船尾,中间船体依然是钢。但这导致了一个破坏力学的特殊问题——虽然复合材料和钢都很强,但是它们的连接处或界面最弱。深水炸弹引起的动态载荷,将会把钢与复合材料之间的连接破坏掉,即军舰断成三截。

这是一个十分重要且棘手的项目,除了一两名像徐荦愚一样的青年学者外,其余参与者都是美国院士级别的固体、结构力学专家。在这一复杂问题中,徐荦愚用光学方法验证,在两种刚度不匹配材料(如钢与复合材料)黏接边缘上会出现很高的应力集中;在冲击载荷下,就会导致快速界面裂纹扩展。同时,他创新的纳米复合材料胶层也没有出现期望的性能。他采用界面力学方法,同样证实碳纳米纤维或纳米管与基体间存在着很大的刚度不匹配和高的应力集中,因此,纳米复合材料无法显著增加强度。

专家们认为军舰混合船体行不通!“这听起来像一个失败的项目,但其实它是成功的。”面对记者的疑惑,徐荦愚微笑着说道,“因为它成功地阻止了混合船体的概念,阻止了一场注定的失败。”徐荦愚说,这就是基础研究的意义,从原理中窥探结果,指导实践。而他也在其中不断体会着这份价值感,这成为他从事科研不竭的火种。

 

以基础研究驰骋海陆空

 

2009年,徐荦愚接手了他在美国海军科研局的第二个项目:研究复合材料的耐海水腐蚀性能。

由于军舰钢船体严重的海水腐蚀问题,每年各国的海军要花费数亿美元来护理船体。因此,耐腐蚀性好的复合材料成为一种先进的替代物。但复合材料耐腐蚀性能到底有多好,一直是一个有争议的问题。先前的海水腐蚀实验是把整块复合材料板直接浸入模拟的海水,过一定时间取出再做各种力学性能测试。但这些实验严重低估了复合材料的耐海水腐蚀性能。

“复合材料船体其实只有一面受到海水的侵蚀。”徐荦愚敏锐地发现了问题的关键点。因此,他设计了一个“复合材料鱼缸”——黏接4片复合材料板构成一个小水缸,再倒入海水,准确模拟对复合材料船体的影响。

这个实验持续了3年,其间每3个月,他和研究生都要将多个水缸拆开做复合材料的冲击损伤和压缩实验。最后,通过3年的实测数据,他们得出复合材料冲击后压缩强度下降不超过10%的结论。另外,鉴于复合材料在船体上的应用是需要加涂层的,而复合材料鱼缸实验是基于裸露的复合材料层板,即新实验仍旧有些低估了材料的性能。因此,专家们认为复合材料船体在军舰寿命的2530年内,海水腐蚀不会对其构成大的问题。

徐荦愚独创的方法在海军科研局固体力学年度汇报会上引起了很好的反响。美国和其他国家的复合材料或固体力学专家包括美国工程院士R. ChristensenG. Ravichandran都认为这是一个简单又行之有效的办法。这一开创性的实验方法对各国发展复合材料舰船具有深远的影响。

尽管20年一直从事美国国防研究,但徐荦愚说,他的研究只涉及基础项目,并不触及军方机密。“如果用树木年轮来比喻的话,美国高校从事的研究就是最外圈的年轮,这包含最基础的科学问题,而那些核心机密我们并不触及。”

正因为这一圈基础研究的“年轮”包罗万象,徐荦愚的研究成果所应用的领域是无界的。除了美国海军科研局的项目,2015年他还为美国陆军科研局(ARO)研究过防弹机理,即用两片软性聚合物薄层植入一块凯夫拉防弹板,在手枪射击测试中将防弹板背面变形降低了15%2017年,他与美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)土木系系主任E. Taciroglu教授(计算力学专家)合作,进行一项美国空军科研局(AFOSR)的基础研究项目。他们将极小的纳米压痕和极快的弹丸冲击实验通过接触力学联系在一起,研究空军复合材料的冲击响应,用这种新方法可快速预测中/厚复合材料层板的冲击损伤上限。徐荦愚有关复合材料的研究成果(20多篇文章)发表在Composite Science and TechnologyJournal of Composite Materials等权威复合材料期刊。

直到2019年回国前,徐荦愚在美国的研究主要涉及海陆空多领域国防科研,工作更覆盖了基础研究、应用研究、市场调查和产品开发。他的一些基础研究成果被其他领域科学家在相关领域应用。20032009年,在两个美国国家科学基金(NSF)项目的资助下,徐荦愚和美国西北大学黄永刚教授(美国国家工程院/科学院院士)和研究生合作,提出了一系列与界面有关的动态断裂准则和测量界面强度的新方法。他们在Journal of the Mechanics and Physics of SolidsExperimental MechanicsInternational Journal of Solids and Structures等权威力学期刊上发表多篇文章。这些开拓性成果被许多国际知名学者所采用。如伦敦大学的学者将其用于分析地球断层带,霍普金斯大学的学者将其用于金属的动态穿晶和沿晶断裂,麻省理工学院的学者将其用于3D打印材料的冲击破坏……这些独特的实验被全球8个著名力学团队模拟。

“这就是基础研究的魅力。”徐荦愚说。

 

归来正逢其时

 

尽管在美国主持参与了各个领域的高质量项目,逐渐站在了领域的最前端,但是徐荦愚也深谙美国发展的一些痛点。“近些年来,某些西方势力不断打压中国发展,然而我认为是徒劳的。”徐荦愚说出这番话不仅是出于拳拳报国心,还基于他在美国20多年来的切身体会。

由于枪击事件不断,2015年,在美国国家科学基金会资助下,徐荦愚曾带领市场研究创新团队(I-Corps项目),在美国和西欧对平民防弹产品进行过全面的市场调查,并开发出反恐制暴产品——防弹防刺的“贴身盾牌”。

它可以装在学生书包内,实用性很高,其用户已遍布12个国家。徐荦愚此前从陆军科研局基础研究项目得出的一些结论被用在这一产品开发中。由于校园枪击案一直为家长们所担忧,因此,贴身盾牌被新墨西哥和得克萨斯州的主要报纸和电视广为报道。但不到两年,贴身盾牌却停产了,原因竟然是该产品无法跟中国制造的防弹产品竞争,因为高性价比是中国制造的特色。

据徐荦愚介绍,导致贴身盾牌停产的原因与美国制造业成本高昂有着直接关系。贴身盾牌采用最先进的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)防弹材料,而不是传统材料凯夫拉。美国警察穿的通常是凯夫拉防弹衣,而只有军人才穿昂贵的UHMWPE防弹衣。但美国的UHMWPE材料却比中国的要贵好几倍。所以贴身盾牌采用中国的UHMWPE材料。但即便如此,美国的人工费比中国要高十多倍,总成本依旧降不下来。“美国制造的大多数产品在价格上毫无优势。所谓美国制造,只是那些政客挂在嘴上的噱头。因为美国人在购买产品时,主要看价钱。当两种产品价钱接近时,美国制造才有吸引力。因此,在家长购买学生防弹产品时,100多美元的多功能产品贴身盾牌,根本比不了中国制造的只有六七十美元的纯防弹产品。”

徐荦愚说,这不是个例,在美国,制造成本高昂已经成为阻碍美国制造业发展的重要因素。在民用领域,国外的产品已经占领了美国主流市场。“美国制造”仅用来生产高精尖或者国防产品,但仍不断面临着困境。

“比如隐形多用途飞机F-35,在美国总装,但一些西方国家也生产一些部件以降低成本。然而F-35的成本依然从预算到生产增加了十几倍。这些西方国家叫苦连天,但也无可奈何!再如Zumwalt(朱姆瓦特)驱逐舰是美国海军的最新武器。军舰采用了一些先进复合材料利于隐身,但是它却事故不断,如进入巴拿马运河后就抛锚了。本来美国海军需要32艘,最后只造了3艘。其主要原因是美国制造控制不了成本。最后一艘驱逐舰价格高达40亿美元,远高于美国的弗吉尼亚级核潜艇。因此,对某些产品而言,美国制造成了‘质低价高’的代名词。”

深刻体会到中美科技和制造业的区别后,徐荦愚对于中国科技强国的战略愈发笃定且坚信不疑。2019年,阔别祖国20余年的徐荦愚风尘仆仆地归来了。就在他归国的前一年,国务院印发《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》。中国以科技强国、加强基础研究的决心已经凸显。徐荦愚的回归正逢其时。

“我是杭州人,我的家乡那么好,为什么要一辈子待在美国?”从走出国门那一刻起,到回国时,徐荦愚说自己从未想过要永远留在美国。最终他重回故乡,逐浪于这“千帆竞发”的时代发展浪潮中。

 

基础教育:时代的需求

 

目前徐荦愚主要从事两方面的研究。一是3D打印材料力学性能的基础研究。3D打印材料越来越多地用于航空航天结构件,因此它们的安全性/损伤容限成为关键的研究课题。3D打印材料有许多薄弱的材料界面。如果这些界面与裂纹、空隙和缺陷相互作用,材料破坏就会变得非常复杂。为了塑造更安全的工程结构,现在徐荦愚团队试图找到3D打印材料的最小强度和断裂韧性。他准备建立一个开放实验室,为中国和国外研究人员准确测量各种3D打印材料的力学性能。

第二项研究徐荦愚聚焦全球性台/飓风、冰雹时财产保护的应用/基础研究。“2017年,我再次造访佛罗里达的海明威故居,体会到了伊尔玛超强飓风后灾民的痛苦。近4年,在大西洋和太平洋,每年都有超强飓风、台风,导致建筑物和车辆等重大财产及生命损失。”

而在我国,如2018年的“山竹”超强台风造成5省(区)近300万人受灾;2019年的“利奇马”超强台风更造成1402万人受灾,57人死亡。同时,每年冰雹也给中国和其他国家造成巨大的损失。这些财产损失主要是由于乱飞的木头、石头和冰雹撞击造成的。因此,徐荦愚设想了“连续保护板缠绕”系统,其不仅可以快速保护单个房屋,还可以在台/飓风来临前保护大型建筑,如商业大楼等。

在这项研究中,徐荦愚不忘自己基础研究科学家的本职,聚焦其中的关键问题——基于先进的冲击动力学研究,设计出性价比高、重量轻、抗冲击的混合材料系统。研究将侧重于大规模、可移动、高效的保护系统。“应用目标是在下次超强台风袭击中国之前,开发大规模居民和政府财产,如空军基地、民用机场的保护系统。”徐荦愚乐观地说道。就像以前研究微小裂纹一样,一切都是防患于未然。

为了让更多学子了解基础力学研究的价值和魅力,2020年年秋,徐荦愚跑了10所高校作学术报告,与众多学子零距离接触,亲身感受了国内的教育环境及氛围,徐荦愚对此也颇有感触。“中国留学生在国外的成绩是很优秀的,这说明国内的理工基础打得牢固。但是这些年来,中国的小学生却把很多精力用在学英语上,而不是多学博大精深的中文和深奥的数学。比英语,我们总不如美国学生,而扎实的中文和数学功底,却是需要多年努力才能获得的。”

徐荦愚还记得,在杭州一中读书时,大家每周都要背诵3首古诗。这对他的一生都产生了深远的文化影响,以至于他在美国散步时,脑海中都会突然想起背诵过的诗词。如“雕阑玉砌应犹在,只是朱颜改”正是他在美国思乡的感触!

在北航,他最喜欢基础力学课,如材料力学、飞机结构力学、复合材料力学。来到加州理工学院后,他发现航空系其实是一个力学系,系里除了一个教授做燃烧研究之外,其他教授不是固体力学就是流体力学的大师。第一学季的流体力学课,他拿到了一个研究生很少拿到的C。知耻而后勇,一年时间,徐荦愚读了18本流体力学书,终于在最后一个学季拿到了A。“20年后的今天,我还可以教本科生的流体力学。”扎实的基本功成为徐荦愚从事多种多样的科研、开辟科研事业的利器。

“每1000个加州理工毕业生中,就有一个获得诺贝尔奖。这是一个难以超越的世界纪录。”徐荦愚感慨道,“正是加州理工极为强调基础教育和研究,才培养出世界上最顶尖的科技人才。所以‘学好数理化,走遍天下都不怕!’依然是对中国科技强国的警世箴言。”

尽管在教育上,中国仍在不断探索最优的路径;尽管在外部环境上,中国正面临新一轮强势的打压……但在徐荦愚看来,这些都无法阻止中国迈向科技强国的脚步。“我是一个很勤奋的人,工作时间经常是996,我对研究生的要求也是诚实且勤奋。在美国许多研究型大学里,周末还在做科研的绝大多数是中国学生。这也是美国教授专招中国学生的主要原因之一。我深信具有良好基础教育而勤劳的中国人,是中华民族复兴的重要希望!”

“两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山!”这是在谈起某些西方势力对中国打压时,徐荦愚曾引用的诗句。如今他这叶轻舟也已越过太平洋,驶入祖国复兴的航道中。徐荦愚深知,他在亲历一场伟大的变革,每一个人每天微不足道的贡献,很有可能在合力塑造一部伟大的历史。但相比于那个伟大的梦想,他还是更愿意把注意力落在脚下的每一步上——继续探索新的裂纹,与众人合力愈合它们。这就像他的科研追求——打牢基础,扎实地走好每一步,水到自然渠成。

 

专家简介

 

徐荦愚教授于美国加州理工学院获航空与材料科学博士,美国机械工程师协会(ASME)会士,美国海军科研局(ONR)杰出青年学者,实验力学领域知名专家,曾任ASME断裂与破坏力学委员会主席,现任国际主流力学期刊SEM《实验力学》副主编,宁波大学国家一流建设学科力学领军人才。回国前,徐荦愚曾为新墨西哥大学教授,主持过美国国家科学基金会、海//空军科研局等研究项目10项。研究领域包括复合材料、断裂力学、冲击动力学和先进结构/材料设计(航空/航天、船舶、防弹应用)。首创的复合材料海水腐蚀/冲击/压缩实验为新式军舰耐久性提供了科学依据。界面动态断裂准则和测量界面强度的新方法被多国学者用于不同的领域,如分析地球断层带和3D打印材料的冲击损伤。


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2022年3月上

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