小裂紋折射大視野

范德強

“我可能是世界上見過裂紋最多的人之一。”徐犖愚語調舒緩，即便是玩笑話也總透著一份儒雅。然而這位儒雅的學者所從事的研究內容卻是“破壞”——“在實驗室把各種新材料拉壞，壓壞，扭壞，砸壞，研究它們的損傷和裂紋起始及擴展，從而保障使用新材料先進結構的安全性”。也因此，他總是調侃自己是“專搞破壞的實驗力學家”。

寧波大學安中講座教授徐犖愚多年來徜徉的研究領域是一個常人難以觸及的世界，它被包裹于層層材料之間，然而這片極為狹小的空間卻又與整個社會的發展有著巨大的關系。從地震的產生機理，航天飛機的空中解體，到飛機、艦船的許多事故……林林總總都與那些微小裂紋有著千絲萬縷的關系。

這些小小的裂紋是諸多復雜問題的起源。為了小小的裂紋，徐犖愚求索了20余年，至今熱情仍沒有半分消減。

從飛機夢到材料的斷裂損傷

徐犖愚從小有一個“設計飛機”的夢。

上小學時，當空軍飛行教練的表哥送給他一架殲-5戰斗機模型，開啟了他對飛機的愛好?！盀槭裁达w機有這么大的尾巴，而鳥的尾巴就要小得多？”諸如此類的疑問讓徐犖愚急切渴求有關飛機的知識。他訂閱了《航空知識》和《國際航空》，“很多內容看不懂，但是就喜歡拿來翻翻”，也是從那時起，他決定將來一定要考取北京航空航天大學（以下簡稱“北航”），去設計飛機?？v然高考時，他的分數已經足夠進入清華、北大，徐犖愚仍然堅持了自己當初的夢想——去北航，造飛機。

來到北航的第一天，徐犖愚就興奮地跑到航空博物館，跟各種各樣的飛機合了影。大學4年，他一直是北航航模隊的成員，主要制作和遙控滑翔機飛行。為了參加航模隊周日的活動，他每周六晚“閉關”寫作業。4年下來，自己的興趣沒耽誤，成績照樣優異。本科畢業前，他順理成章被保送北航的飛機設計專業讀研。

不同于大學時期肆意投入自己的興趣，研究生階段的徐犖愚必須做出一個重要的選擇——究竟選擇一個什么樣的研究方向？大四的畢業設計最終給了他指引。

20世紀60年代，先進的碳纖維復合材料在航空界嶄露頭角。其強度和鋼相當，但是密度僅為飛機鋁合金的一半。美國空軍實驗室（AFRL）最早開始這方面的研究。80年代，中國的殲-8戰斗機也想采用少量復合材料以減輕重量。但復合材料容易出現微小的基體裂紋。一架大飛機居然怕小小的裂紋？這又增加了徐犖愚的科學好奇心。在楊秉憲教授和葉林教授（現工作于澳大利亞悉尼大學）的指導下，本科四年級時，徐犖愚開始研究復合材料的斷裂和損傷。

“我的科研方向已經很清晰了，就是研究新型飛機結構上的裂紋?！睆囊恢便裤皆O計飛機的少年，到對飛機研發的核心問題有了深刻認識的研究人員，徐犖愚的發展路線也隨著科研方向的錨定逐漸清晰起來。

在畢業設計時，徐犖愚又找到了新的發展方向。當時他的主要參考文獻是一篇來自美國的博士論文。于是，“去美國讀博士，研究比這篇博士論文做得更好”成為他留美最單純的動機。

1996年，在陳為農教授（現美國普渡大學工學院科研副院長）的推薦下，徐犖愚來到美國加州理工學院航空系攻讀博士學位。當時，徐犖愚其實還有其他不錯的選擇。如美國麻省理工學院（MIT）航空航天系也為他提供了全額獎學金。而他選擇加州理工學院是因為這所學校為中國培養了最杰出的科學家——錢學森、周培源、錢偉長……能在這些偉大科學家的母校深造學習，徐犖愚覺得自己離夢想更近了一些。

在加州理工，徐犖愚的博士生導師是洛杉克思（Ares Rosakis）教授，他是動態斷裂力學大師，美國國家工程和科學院院士。初次見面，徐犖愚就被導師對科學研究的熱情所折服。導師所從事的基礎研究充斥著大量數學問題，對常人來說枯燥異常，然而他卻對科研充滿了熱情，也用這種熱情感染著自己的學生。跟隨導師，他開始接觸美國國防部的最新科研項目。他的科研生涯也開始一路向上，迎來諸多高光時刻。

大洋彼岸科研啟航

徐犖愚跟隨導師參與的項目是研究用于軍艦的復合材料——三明治板。“美國國防部每年資助高校數千個基礎研究項目，外國人也可以參加。”徐犖愚介紹道。因為美國海軍不僅擁有軍艦，還有飛機和裝甲車，所以美國海軍科研局（ONR）代表了美國國防科技的綜合水平，也擁有最多的科研經費。作為美國聯邦政府第一個科研資助機構，ONR的資助方式既靈活又持久，所以吸引了許多美國頂尖學者。徐犖愚的導師洛杉克思教授，就是其中之一。

所謂三明治板是復合材料結構的一種，由兩層玻璃纖維面板和一層芯組成。這樣的結構又輕又硬，很適合在軍艦上應用。20世紀90年代，美國海軍科研局開始轉向復合材料用于軍艦的基礎研究。由于軍艦會受到深水炸彈和導彈的襲擊，研究重點是在沖擊載荷作用下，三明治板的破壞機理。而此前只有瑞典海軍嘗試用復合材料構建軍艦船體，因此徐犖愚拿到的研究材料也正是一塊瑞典海軍采用的三明治板。這塊三明治板開啟了徐犖愚在美國的科研旅程。

“這項研究充分體現了加州理工的基礎研究風格，因為我并非研究真實的三明治板，而是通過力學模型實驗，來掌握兩種不同動態裂紋的擴展順序?！奔囱芯繂栴}的基本原理，而非專攻具體問題。

在洛杉克思教授的指導下，徐犖愚把很硬的鋼與較軟的光彈聚合物粘在一起，組成了一個“三明治板”的力學模型。通過高速攝影實驗，他發現是層間裂紋誘導出層內裂紋和不同的斷裂模式，從而解決了多年懸而未決的問題。同時，層與層之間可以由同樣的聚合物黏接起來。20年后，徐犖愚發現這正是3D打印聚合物的力學模型。這些內容組成了他的博士論文《層合材料的動態破壞特性研究》。

出色的科研能力以及成果，讓徐犖愚于2003年贏得了獲獎率僅10%的美國海軍科研局杰出青年學者獎（ONR YIA）。他也因此獲得了自己作為項目負責人的第一個美國國家級科研項目——用納米復合材料改進軍艦混合結構的界面和動態破壞性能。

當時海軍科研局船舶結構力學項目經理認為：用100%復合材料代替鋼制船體是不可行的，因此需要循序漸進。他的新概念是“混合船體”，即用輕的復合材料代替重的船頭和船尾，中間船體依然是鋼。但這導致了一個破壞力學的特殊問題——雖然復合材料和鋼都很強，但是它們的連接處或界面最弱。深水炸彈引起的動態載荷，將會把鋼與復合材料之間的連接破壞掉，即軍艦斷成三截。

這是一個十分重要且棘手的項目，除了一兩名像徐犖愚一樣的青年學者外，其余參與者都是美國院士級別的固體、結構力學專家。在這一復雜問題中，徐犖愚用光學方法驗證，在兩種剛度不匹配材料（如鋼與復合材料）黏接邊緣上會出現很高的應力集中;在沖擊載荷下，就會導致快速界面裂紋擴展。同時，他創新的納米復合材料膠層也沒有出現期望的性能。他采用界面力學方法，同樣證實碳納米纖維或納米管與基體間存在著很大的剛度不匹配和高的應力集中，因此，納米復合材料無法顯著增加強度。

專家們認為軍艦混合船體行不通！“這聽起來像一個失敗的項目，但其實它是成功的?！泵鎸τ浾叩囊苫?，徐犖愚微笑著說道，“因為它成功地阻止了混合船體的概念，阻止了一場注定的失敗。”徐犖愚說，這就是基礎研究的意義，從原理中窺探結果，指導實踐。而他也在其中不斷體會著這份價值感，這成為他從事科研不竭的火種。

以基礎研究馳騁海陸空

2009年，徐犖愚接手了他在美國海軍科研局的第二個項目：研究復合材料的耐海水腐蝕性能。

由于軍艦鋼船體嚴重的海水腐蝕問題，每年各國的海軍要花費數億美元來護理船體。因此，耐腐蝕性好的復合材料成為一種先進的替代物。但復合材料耐腐蝕性能到底有多好，一直是一個有爭議的問題。先前的海水腐蝕實驗是把整塊復合材料板直接浸入模擬的海水，過一定時間取出再做各種力學性能測試。但這些實驗嚴重低估了復合材料的耐海水腐蝕性能。

“復合材料船體其實只有一面受到海水的侵蝕?！毙鞝斡廾翡J地發現了問題的關鍵點。因此，他設計了一個“復合材料魚缸”——黏接4片復合材料板構成一個小水缸，再倒入海水，準確模擬對復合材料船體的影響。

這個實驗持續了3年，其間每3個月，他和研究生都要將多個水缸拆開做復合材料的沖擊損傷和壓縮實驗。最后，通過3年的實測數據，他們得出復合材料沖擊后壓縮強度下降不超過10%的結論。另外，鑒于復合材料在船體上的應用是需要加涂層的，而復合材料魚缸實驗是基于裸露的復合材料層板，即新實驗仍舊有些低估了材料的性能。因此，專家們認為復合材料船體在軍艦壽命的25～30年內，海水腐蝕不會對其構成大的問題。

徐犖愚獨創的方法在海軍科研局固體力學年度匯報會上引起了很好的反響。美國和其他國家的復合材料或固體力學專家包括美國工程院士R. Christensen和G. Ravichandran都認為這是一個簡單又行之有效的辦法。這一開創性的實驗方法對各國發展復合材料艦船具有深遠的影響。

盡管20年一直從事美國國防研究，但徐犖愚說，他的研究只涉及基礎項目，并不觸及軍方機密?！叭绻脴淠灸贻唩肀扔鞯脑挘绹咝氖碌难芯烤褪亲钔馊Φ哪贻?，這包含最基礎的科學問題，而那些核心機密我們并不觸及?！?/p>

正因為這一圈基礎研究的“年輪”包羅萬象，徐犖愚的研究成果所應用的領域是無界的。除了美國海軍科研局的項目，2015年他還為美國陸軍科研局（ARO）研究過防彈機理，即用兩片軟性聚合物薄層植入一塊凱夫拉防彈板，在手槍射擊測試中將防彈板背面變形降低了15%;2017年，他與美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）土木系系主任E. Taciroglu教授（計算力學專家）合作，進行一項美國空軍科研局（AFOSR）的基礎研究項目。他們將極小的納米壓痕和極快的彈丸沖擊實驗通過接觸力學聯系在一起，研究空軍復合材料的沖擊響應，用這種新方法可快速預測中/厚復合材料層板的沖擊損傷上限。徐犖愚有關復合材料的研究成果（20多篇文章）發表在Composite Science and Technology、Journal of Composite Materials等權威復合材料期刊。

直到2019年回國前，徐犖愚在美國的研究主要涉及海陸空多領域國防科研，工作更覆蓋了基礎研究、應用研究、市場調查和產品開發。他的一些基礎研究成果被其他領域科學家在相關領域應用。2003到2009年，在兩個美國國家科學基金（NSF）項目的資助下，徐犖愚和美國西北大學黃永剛教授（美國國家工程院/科學院院士）和研究生合作，提出了一系列與界面有關的動態斷裂準則和測量界面強度的新方法。他們在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Experimental Mechanics、International Journal of Solids and Structures等權威力學期刊上發表多篇文章。這些開拓性成果被許多國際知名學者所采用。如倫敦大學的學者將其用于分析地球斷層帶，霍普金斯大學的學者將其用于金屬的動態穿晶和沿晶斷裂，麻省理工學院的學者將其用于3D打印材料的沖擊破壞……這些獨特的實驗被全球8個著名力學團隊模擬。

“這就是基礎研究的魅力?！毙鞝斡拚f。

歸來正逢其時

盡管在美國主持參與了各個領域的高質量項目，逐漸站在了領域的最前端，但是徐犖愚也深諳美國發展的一些痛點?！敖┠陙?，某些西方勢力不斷打壓中國發展，然而我認為是徒勞的?！毙鞝斡拚f出這番話不僅是出于拳拳報國心，還基于他在美國20多年來的切身體會。

由于槍擊事件不斷，2015年，在美國國家科學基金會資助下，徐犖愚曾帶領市場研究創新團隊（I-Corps項目），在美國和西歐對平民防彈產品進行過全面的市場調查，并開發出反恐制暴產品——防彈防刺的“貼身盾牌”。

它可以裝在學生書包內，實用性很高，其用戶已遍布12個國家。徐犖愚此前從陸軍科研局基礎研究項目得出的一些結論被用在這一產品開發中。由于校園槍擊案一直為家長們所擔憂，因此，貼身盾牌被新墨西哥和得克薩斯州的主要報紙和電視廣為報道。但不到兩年，貼身盾牌卻停產了，原因竟然是該產品無法跟中國制造的防彈產品競爭，因為高性價比是中國制造的特色。

據徐犖愚介紹，導致貼身盾牌停產的原因與美國制造業成本高昂有著直接關系。貼身盾牌采用最先進的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）防彈材料，而不是傳統材料凱夫拉。美國警察穿的通常是凱夫拉防彈衣，而只有軍人才穿昂貴的UHMWPE防彈衣。但美國的UHMWPE材料卻比中國的要貴好幾倍。所以貼身盾牌采用中國的UHMWPE材料。但即便如此，美國的人工費比中國要高十多倍，總成本依舊降不下來?！懊绹圃斓拇蠖鄶诞a品在價格上毫無優勢。所謂美國制造，只是那些政客掛在嘴上的噱頭。因為美國人在購買產品時，主要看價錢。當兩種產品價錢接近時，美國制造才有吸引力。因此，在家長購買學生防彈產品時，100多美元的多功能產品貼身盾牌，根本比不了中國制造的只有六七十美元的純防彈產品?！?/p>

徐犖愚說，這不是個例，在美國，制造成本高昂已經成為阻礙美國制造業發展的重要因素。在民用領域，國外的產品已經占領了美國主流市場?！懊绹圃臁眱H用來生產高精尖或者國防產品，但仍不斷面臨著困境。

“比如隱形多用途飛機F-35，在美國總裝，但一些西方國家也生產一些部件以降低成本。然而F-35的成本依然從預算到生產增加了十幾倍。這些西方國家叫苦連天，但也無可奈何！再如Zumwalt（朱姆瓦特）驅逐艦是美國海軍的最新武器。軍艦采用了一些先進復合材料利于隱身，但是它卻事故不斷，如進入巴拿馬運河后就拋錨了。本來美國海軍需要32艘，最后只造了3艘。其主要原因是美國制造控制不了成本。最后一艘驅逐艦價格高達40億美元，遠高于美國的弗吉尼亞級核潛艇。因此，對某些產品而言，美國制造成了‘質低價高的代名詞。”

深刻體會到中美科技和制造業的區別后，徐犖愚對于中國科技強國的戰略愈發篤定且堅信不疑。2019年，闊別祖國20余年的徐犖愚風塵仆仆地歸來了。就在他歸國的前一年，國務院印發《國務院關于全面加強基礎科學研究的若干意見》。中國以科技強國、加強基礎研究的決心已經凸顯。徐犖愚的回歸正逢其時。

“我是杭州人，我的家鄉那么好，為什么要一輩子待在美國？”從走出國門那一刻起，到回國時，徐犖愚說自己從未想過要永遠留在美國。最終他重回故鄉，逐浪于這“千帆競發”的時代發展浪潮中。

基礎教育：時代的需求

目前徐犖愚主要從事兩方面的研究。一是3D打印材料力學性能的基礎研究。3D打印材料越來越多地用于航空航天結構件，因此它們的安全性/損傷容限成為關鍵的研究課題。3D打印材料有許多薄弱的材料界面。如果這些界面與裂紋、空隙和缺陷相互作用，材料破壞就會變得非常復雜。為了塑造更安全的工程結構，現在徐犖愚團隊試圖找到3D打印材料的最小強度和斷裂韌性。他準備建立一個開放實驗室，為中國和國外研究人員準確測量各種3D打印材料的力學性能。

第二項研究徐犖愚聚焦全球性臺/颶風、冰雹時財產保護的應用/基礎研究。“2017年，我再次造訪佛羅里達的海明威故居，體會到了伊爾瑪超強颶風后災民的痛苦。近4年，在大西洋和太平洋，每年都有超強颶風、臺風，導致建筑物和車輛等重大財產及生命損失?！?/p>

而在我國，如2018年的“山竹”超強臺風造成5?。▍^）近300萬人受災;2019年的“利奇馬”超強臺風更造成1402萬人受災，57人死亡。同時，每年冰雹也給中國和其他國家造成巨大的損失。這些財產損失主要是由于亂飛的木頭、石頭和冰雹撞擊造成的。因此，徐犖愚設想了“連續保護板纏繞”系統，其不僅可以快速保護單個房屋，還可以在臺/颶風來臨前保護大型建筑，如商業大樓等。

在這項研究中，徐犖愚不忘自己基礎研究科學家的本職，聚焦其中的關鍵問題——基于先進的沖擊動力學研究，設計出性價比高、重量輕、抗沖擊的混合材料系統。研究將側重于大規模、可移動、高效的保護系統。“應用目標是在下次超強臺風襲擊中國之前，開發大規模居民和政府財產，如空軍基地、民用機場的保護系統?！毙鞝斡迾酚^地說道。就像以前研究微小裂紋一樣，一切都是防患于未然。

為了讓更多學子了解基礎力學研究的價值和魅力，2020年年秋，徐犖愚跑了10所高校作學術報告，與眾多學子零距離接觸，親身感受了國內的教育環境及氛圍，徐犖愚對此也頗有感觸?！爸袊魧W生在國外的成績是很優秀的，這說明國內的理工基礎打得牢固。但是這些年來，中國的小學生卻把很多精力用在學英語上，而不是多學博大精深的中文和深奧的數學。比英語，我們總不如美國學生，而扎實的中文和數學功底，卻是需要多年努力才能獲得的?！?/p>

徐犖愚還記得，在杭州一中讀書時，大家每周都要背誦3首古詩。這對他的一生都產生了深遠的文化影響，以至于他在美國散步時，腦海中都會突然想起背誦過的詩詞。如“雕闌玉砌應猶在，只是朱顏改”正是他在美國思鄉的感觸！

在北航，他最喜歡基礎力學課，如材料力學、飛機結構力學、復合材料力學。來到加州理工學院后，他發現航空系其實是一個力學系，系里除了一個教授做燃燒研究之外，其他教授不是固體力學就是流體力學的大師。第一學季的流體力學課，他拿到了一個研究生很少拿到的C。知恥而后勇，一年時間，徐犖愚讀了18本流體力學書，終于在最后一個學季拿到了A。“20年后的今天，我還可以教本科生的流體力學。”扎實的基本功成為徐犖愚從事多種多樣的科研、開辟科研事業的利器。

“每1000個加州理工畢業生中，就有一個獲得諾貝爾獎。這是一個難以超越的世界紀錄?！毙鞝斡薷锌溃罢羌又堇砉O為強調基礎教育和研究，才培養出世界上最頂尖的科技人才。所以‘學好數理化，走遍天下都不怕！依然是對中國科技強國的警世箴言?！?/p>

盡管在教育上，中國仍在不斷探索最優的路徑;盡管在外部環境上，中國正面臨新一輪強勢的打壓……但在徐犖愚看來，這些都無法阻止中國邁向科技強國的腳步?！拔沂且粋€很勤奮的人，工作時間經常是996，我對研究生的要求也是誠實且勤奮。在美國許多研究型大學里，周末還在做科研的絕大多數是中國學生。這也是美國教授專招中國學生的主要原因之一。我深信具有良好基礎教育而勤勞的中國人，是中華民族復興的重要希望！”

“兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山！”這是在談起某些西方勢力對中國打壓時，徐犖愚曾引用的詩句。如今他這葉輕舟也已越過太平洋，駛入祖國復興的航道中。徐犖愚深知，他在親歷一場偉大的變革，每一個人每天微不足道的貢獻，很有可能在合力塑造一部偉大的歷史。但相比于那個偉大的夢想，他還是更愿意把注意力落在腳下的每一步上——繼續探索新的裂紋，與眾人合力愈合它們。這就像他的科研追求——打牢基礎，扎實地走好每一步，水到自然渠成。

專家簡介

徐犖愚教授于美國加州理工學院獲航空與材料科學博士，美國機械工程師協會（ASME）會士，美國海軍科研局（ONR）杰出青年學者，實驗力學領域知名專家，曾任ASME斷裂與破壞力學委員會主席，現任國際主流力學期刊SEM《實驗力學》副主編，寧波大學國家一流建設學科力學領軍人才?；貒?，徐犖愚曾為新墨西哥大學教授，主持過美國國家科學基金會、海/陸/空軍科研局等研究項目10項。研究領域包括復合材料、斷裂力學、沖擊動力學和先進結構/材料設計（航空/航天、船舶、防彈應用）。首創的復合材料海水腐蝕/沖擊/壓縮實驗為新式軍艦耐久性提供了科學依據。界面動態斷裂準則和測量界面強度的新方法被多國學者用于不同的領域，如分析地球斷層帶和3D打印材料的沖擊損傷。