執著無悔 筑夢力學
——記北京理工大學機電學院教授孫偉福

□ 楊 嬌

什么是微納米界面力學？什么又是復合材料力學？

對很多人來說，納米力學、沖擊動力學、復合材料力學是枯燥無味、抽象難懂的。但對于北京理工大學機電學院教授孫偉福來說，這些都是他科研路上不可或缺的元素，也是十分神奇而有重大價值的研究領域。

早在20世紀60年代初期，科研人員就已經開始對界面力學展開系統研究。此后多年里，界面問題的熱度一直不曾減弱，也相繼引起了眾多科研學者的關注。隨之，研究角度也稍有變化，逐漸從宏觀性能推進到了細觀層次的分析上。

白駒過隙，隨著時間的流逝，研究人員對界面力學的研究程度仍在不斷加深，正如對各類物質結構的認識開始深入到分子、原子等深層次一樣，界面力學也是如此。從微納米角度來看，界面力學涉及的學科領域更為廣泛，影響界面性能的因素也更多。彼時，已經在微納米尺度顆粒力學行為、復合材料力學及多尺度數值模擬等方面研究多年的孫偉福表示，在該領域里還有很多亟待解決的問題，仍需進一步揭開其中的奧秘。

走在這條揭秘之路上，孫偉福默默堅持扎根在微納米界面力學這片土壤上，從初次跨入科研的門檻，到后來逐漸得心應手，他始終深耕不綴，熱情不減。近年來，相繼取得了多項創新性成果，為界面作用力調控在能源轉換器件、復合材料等領域的應用提供了的一定的理論借鑒，一點點詮釋著一名科研學者的初心與堅守。

開啟微納米界面力學之旅

這些年，孫偉福基本都是在和微納米尺度顆粒的力學行為、復合材料力學及多尺度數值模擬等研究領域打交道，多年的海外求學與工作生涯，也為他積累了豐富的科研經驗。可回望過去，在臨近碩士畢業時，孫偉福差一點就要與科研“失之交臂”了。那時，擺在孫偉福面前的有兩條路，一是繼續堅持科研，二是開始尋找工作機會。就在他為此頗為苦惱之際，華僑大學碩士生導師陳國華的建議讓他眼前一亮，找到了新的人生方向。于是，在導師的推薦下，2008年，他來到澳大利亞新南威爾士大學在澳大利亞科學院和工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰指導下攻讀博士，開始接觸微納米尺度顆粒的力學行為、復合材料力學及多尺度數值模擬等方面的研究。

2019年1月訪問澳大利亞新南威爾士大學時與沈巖松教授（左）和楊潤宇教授（右）合影

十年磨一劍，礪得梅花香。“我能夠進入微納米界面力學及應用這一研究領域，都是碩士時期導師的功勞。”孫偉福坦言。進入博士研究后，孫偉福積累了重要且豐富的研究經驗，隨著研究的不斷深入，他也對該學科有了新的認識，逐漸開始對這一領域的研究產生了探索興趣。

根據該學科研究背景，他了解到在高速沖擊等動態載荷的作用下，速度往往可以達到每秒幾百米甚至幾千米，而在這種情況下，材料內部的微觀結構就會產生復雜響應，如何理解材料被破壞損傷的機理、準確預測高速沖擊下材料力學的動態響應，對孫偉福來說是一個巨大挑戰。

其實，科學家很早就注意到這一問題，也早早針對材料內各點應力應變動態變化過程的捕捉這一難點展開研究。而這種問題很接地氣，在實際生活中也很常見。比如飛機、超高層建筑、橋梁、隧道等飛行器和建筑，隨著時間的推移，隨時都有可能要承受變化劇烈的動態載荷，像飛鳥撞擊、地震、沖擊、爆炸等。為此，科研人員想到通過研發具有抗沖擊抗爆炸性能的防護材料，來為這些建筑結構和飛行器提供結實的“安全防護罩”。在傳統上，爆炸、沖擊防護結構材料大都是會采用鋼板、高分子復合等多層材料復合結構，盡管應用效果良好，但防患于未然，研究人員還是希望能夠將不同類型材料各自的優點匯聚在一起，開發出一種梯度結構防護材料，更好地滿足國防需求。

經過一番艱難調研，研究人員將目標對準高分子基復合材料，他們發現該材料能充分利用不同材料的優點，使自身具有高強度、質輕、導電或絕緣等不同的優異性能，完全可以滿足研發需求。但是如何通過多級界面作用力調控實現填充填料對高分子基體的協同增韌是目前急需解決的問題。

孫偉福也加入了這項挑戰中，針對Hamaker模型不適用于納米顆粒體系這一缺陷，他與團隊齊心協力，攻關克難，他們了解到Hamaker模型之所以不能用于納米顆粒體系中，是由于該模型是在連續介質理論基礎上建立起來的，這樣一來就會忽略顆粒的表面效應和原子的離散結構，而且該模型還做了假設，將顆粒視作為不可壓縮的剛性體。

為此，孫偉福與團隊從分子動力學入手，針對Hamaker模型不適用于納米顆粒體系這一缺陷，深入研究了Hamaker模型在納米尺度上失效的原因，隨后提出了一種普適性的納米顆粒間非接觸力的計算模型，解決了納米顆粒間非接觸力的定量計算，為實現更大尺度的計算機模擬納米顆粒體系行為奠定了基礎。研究成果發表在Langmuir、Physical Chemistry Chemical Physics、Powder Technology等期刊上。

深入探索求真知

接下來，孫偉福繼續推進研究步伐。由于在高應變率等極端動態環境下，非平衡局域化的應力波會對接觸力學行為和材料結構性能產生一定影響，再加上連續介質接觸力學模型是在準靜態平衡狀態下且基于大尺度顆粒而推導出的理論公式。因此，在準靜態尤其是動態載荷下，接觸力學模型在納米尺度上是否有效還是一個未知數。為了打破未知的迷局，孫偉福與團隊推陳出新，提出運用全原子分子動力學對其進行證實，他們從分子水平重新定義了“接觸”的概念，最終確認了接觸力學模型在準靜態和動態載荷狀態下，在納米尺度上的適用極限。

這一重要突破性成果得到了包括德國凱澤斯勞滕大學教授Herbert M.Urbassek、清華大學教授馮西橋在內的多位國際國內著名力學專家的高度認可和引用。還引起了美國機械工程學會（ASME）、航空航天學會（AIAA）會士、華盛頓州立大學教授Robert F.Richards等國際著名專家學者的關注。

與此同時，孫偉福團隊還針對材料力學領域里另一熱點和難點展開研究。如今，復合材料薄膜層是太陽能板、鋰電池等新能源材料中的重要結構，但其表面總會產生皺紋、褶皺等失穩現象，一旦遭遇針孔缺陷、斷裂、屈曲或脫落等破壞行為時，就會發生漏電或短路等嚴重狀況，常會導致該結構功能完全失效。對此，孫偉福因地制宜，開始對電子傳輸層的能級結構與復合材料薄膜性能進行調控。他結合理論模擬和實驗研究，先是通過施加機械力、熱力，后又通過改變其磁場力（摻雜）載荷等方法，逐一進行嘗試。經過一番艱難攻關，團隊最終揭示了半導體能級結構、電荷傳輸與器件性能之間的內在聯系，提高了不同層之間的電荷傳輸和光吸收效率，進而提高了太陽能器件性能。

回歸祖國執著前行

了解孫偉福后，就會發現經過時光的打磨，他依然對科研抱有最大的熱忱，更希望將這份熱忱回報祖國。2017年11月，孫偉福受邀參加了第三屆北京理工大學“特立論壇”，正是通過這次論壇，他對北京理工大學的學校歷史、學科特色，尤其是機電學院的學科優勢有了進一步認識。

北京理工大學“特立論壇”旨在為海內外青年學者搭建一個思想碰撞和學術交流的平臺，它聚焦國際學術前沿，將一批在海內外獲得較高學術成果、具有較好創新發展潛力的優秀青年人才集聚一堂，一方面可以通過學術報告和深度研討開拓視野，另一方面還能增進海內外青年學者對北京理工大學的了解。

“如今，我國的科研已經在很大程度上和國際接軌了，我覺得國內的發展機會更多。”抱著這樣的想法，2018年1月，孫偉福回國加入北京理工大學開展工作，在爆炸科學與技術國家重點實驗室和北京理工大學的支持下，他已經初步開展了高速沖擊下材料動力學行為的微觀機理研究，并打算在此基礎上，再開發設計新型的抗沖擊抗爆炸防護材料。

研究高速沖擊下材料動力學行為的微觀機理具有重要的實際意義，而且從分子水平角度理解動載載荷下的破壞損傷機理，對安全防護材料的設計、納米自組裝復雜的微納米裝置等多方面都具有重要的指導意義。此前，科研人員大都是利用連續介質理論模型進行研究，但其存在諸多弊端。究其原因，其一該理論模型是在準靜態或者碰撞速度較低的情況下推導出的，其二它還忽略了分子間的作用力、原子的離散結構及其表面效應等因素，因此并不能應用到納米尺度。

為此，孫偉福與團隊決定依托北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗這一平臺，通過分子動力學來系統研究在高速沖擊、非受限邊界條件下的材料晶型、接觸力學行為、材料性能與亞微觀結構變化之間的內在聯系。此外，還需要采用合適的反應力場，進一步研究在高速高溫等極端條件下，對材料結構性能產生了何種影響。而為了驗證分子模擬的結果，孫偉福心中也早有打算，他認為可以基于球形顆粒與剛性平面基底這一構型，利用高速照相機、高速運動分析儀等技術來研究彈性恢復系數對尺寸和速度的依賴性。

2019年4月到昆士蘭大學海外招聘宣講時與同事合影

科研是一個循序漸進的過程，絕不能急于求成。孫偉福表示，在弄清楚動態載荷下的破壞損傷機理后，下一步便要開始著手研究怎樣設計復合防護結構，努力使其得到實際應用。但想要通過界面調控設計開發具備高強度、高韌性高分子的復合材料并不是一件易事，此前，孫偉福已經在復合材料研究領域里積累了豐富的研究經驗。碩士期間，他在石墨烯表面鍍銀方向上展開了一系列研究。隨后在悉尼大學（導師：英國皇家科學院和工程院院士、澳大利亞科學院和工程院院士、中國工程院外籍院士米耀榮，Yiu-Wing Mai）和伯明翰大學（導師：英國皇家工程院院士Michael Adams和英國皇家工程院院士Zhibing Zhang）進行博士后工作期間，他則主要從事高分子復合材料力學的研究。目前，在這兩方面的研究基礎上，他計劃通過分子動力學和有限元等方法，充分利用不同碳納米材料間、碳納米材料與SEBS納米橡膠間的多級協同作用，通過改變不同組分含量，來模擬和測試復合材料的拉伸強度、斷裂韌性等準靜態測試及抗沖擊強度的相關力學性質和沖擊動力學行為。此后，在具體的實驗和建模過程中，還要做到固定磺化SEBS的含量和碳納米材料的質量百分比，通過改變石墨烯與碳納米管的比值，對高分子復合材料的力學性能進行優化。進而就可以通過改變碳納米材料和高分子基體的比值，對復合材料的力學性能進行優化。

只要敢想敢做，就一定會有收獲。在科技領跑世界的今天，孫偉福不僅一直懷揣科研夢想，不懈追求，更會在未來繼續踏實勤勉地奔馳在納米力學、沖擊動力學、復合材料力學的研究道路上，永不停歇。