执着无悔 筑梦力学

执着无悔筑梦力学
作者：杨娇
来源：《科学中国人》 2019年第14期
杨娇
专家简介：
孙伟福，北京理工大学机电学院教授。

长期从事微纳米尺度颗粒的力学行为、复合材料力
学及多尺度数值模拟等方面的研究工作。

2012年底从澳大利亚新南威尔士大学获得博士学位，
先后在新南威尔士大学教授、澳大利亚科学院和工程院院士、中国工程院外籍院士余艾冰，悉
尼大学教授、英国皇家科学院和工程院院士、澳大利亚科学院和工程院院士、中国工程院外籍
院士米耀荣（Yiu-Wing Mai），英国伯明翰大学教授Michael Adams院士和Zhibing Zhang院士，伦敦大学学院教授K w a n g-L e o n g C h o y等课题组以科研骨干身份参与了澳大利
亚ARC、瑞士DSM企业资助、英国EP S RC等4项科研项目。

他在纳米力学、冲击动力学、复
合材料力学等领域取得了若干创新性成果。

近5年来，在国际期刊上已发表S C I论文42篇，目前已收录40篇，其中以第一作者或者通讯作者（包括共同）发表32篇S C I论文。

此外，
他曾在2013年获U N S W P R S S科研奖励；2016年作为University of Birmingham提名的
两位候选人之一参评英国皇家工程院的青年科研基金（R A E R e s e a r c hfellowship）。

2019年入选中组部第十五批海外高层次人才引进计划。

什么是微纳米界面力学？什么又是复合材料力学？
对很多人来说，纳米力学、冲击动力学、复合材料力学是枯燥无味、抽象难懂的。

但对于
北京理工大学机电学院教授孙伟福来说，这些都是他科研路上不可或缺的元素，也是十分神奇
而有重大价值的研究领域。

早在20世纪60年代初期，科研人员就已经开始对界面力学展开系统研究。

此后多年里，
界面问题的热度一直不曾减弱，也相继引起了众多科研学者的关注。

随之，研究角度也稍有变化，逐渐从宏观性能推进到了细观层次的分析上。

白驹过隙，随着时间的流逝，研究人员对界面力学的研究程度仍在不断加深，正如对各类
物质结构的认识开始深入到分子、原子等深层次一样，界面力学也是如此。

从微纳米角度来看，界面力学涉及的学科领域更为广泛，影响界面性能的因素也更多。

彼时，已经在微纳米尺度颗
粒力学行为、复合材料力学及多尺度数值模拟等方面研究多年的孙伟福表示，在该领域里还有
很多亟待解决的问题，仍需进一步揭开其中的奥秘。

走在这条揭秘之路上，孙伟福默默坚持扎根在微纳米界面力学这片土壤上，从初次跨入科
研的门槛，到后来逐渐得心应手，他始终深耕不缀，热情不减。

近年来，相继取得了多项创新
性成果，为界面作用力调控在能源转换器件、复合材料等领域的应用提供了的一定的理论借鉴，一点点诠释着一名科研学者的初心与坚守。

开启微纳米界面力学之旅
这些年，孙伟福基本都是在和微纳米尺度颗粒的力学行为、复合材料力学及多尺度数值模
拟等研究领域打交道，多年的海外求学与工作生涯，也为他积累了丰富的科研经验。

可回望过去，在临近硕士毕业时，孙伟福差一点就要与科研“失之交臂”了。

那时，摆在孙伟福面前的
有两条路，一是继续坚持科研，二是开始寻找工作机会。

就在他为此颇为苦恼之际，华侨大学
硕士生导师陈国华的建议让他眼前一亮，找到了新的人生方向。

于是，在导师的推荐下，2008
年，他来到澳大利亚新南威尔士大学在澳大利亚科学院和工程院院士、中国工程院外籍院士余
艾冰指导下攻读博士，开始接触微纳米尺度颗粒的力学行为、复合材料力学及多尺度数值模拟
等方面的研究。

十年磨一剑，砺得梅花香。

“我能够进入微纳米界面力学及应用这一研究领域，都是硕士
时期导师的功劳。

”孙伟福坦言。

进入博士研究后，孙伟福积累了重要且丰富的研究经验，随
着研究的不断深入，他也对该学科有了新的认识，逐渐开始对这一领域的研究产生了探索兴趣。

根据该学科研究背景，他了解到在高速冲击等动态载荷的作用下，速度往往可以达到每秒
几百米甚至几千米，而在这种情况下，材料内部的微观结构就会产生复杂响应，如何理解材料
被破坏损伤的机理、准确预测高速冲击下材料力学的动态响应，对孙伟福来说是一个巨大挑战。

其实，科学家很早就注意到这一问题，也早早针对材料内各点应力应变动态变化过程的捕
捉这一难点展开研究。

而这种问题很接地气，在实际生活中也很常见。

比如飞机、超高层建筑、桥梁、隧道等飞行器和建筑，随着时间的推移，随时都有可能要承受变化剧烈的动态载荷，像
飞鸟撞击、地震、冲击、爆炸等。

为此，科研人员想到通过研发具有抗冲击抗爆炸性能的防护
材料，来为这些建筑结构和飞行器提供结实的“安全防护罩”。

在传统上，爆炸、冲击防护结
构材料大都是会采用钢板、高分子复合等多层材料复合结构，尽管应用效果良好，但防患于未然，研究人员还是希望能够将不同类型材料各自的优点汇聚在一起，开发出一种梯度结构防护
材料，更好地满足国防需求。

经过一番艰难调研，研究人员将目标对准高分子基复合材料，他们发现该材料能充分利用
不同材料的优点，使自身具有高强度、质轻、导电或绝缘等不同的优异性能，完全可以满足研
发需求。

但是如何通过多级界面作用力调控实现填充填料对高分子基体的协同增韧是目前急需
解决的问题。

孙伟福也加入了这项挑战中，针对H a m a k e r模型不适用于纳米颗粒体系这一缺陷，
他与团队齐心协力，攻关克难，他们了解到H a m a k e r模型之所以不能用于纳米颗粒体系中，是由于该模型是在连续介质理论基础上建立起来的，这样一来就会忽略颗粒的表面效应和
原子的离散结构，而且该模型还做了假设，将颗粒视作为不可压缩的刚性体。

为此，孙伟福与团队从分子动力学入手，针对H a m a k e r模型不适用于纳米颗粒体系
这一缺陷，深入研究了H a m a k e r模型在纳米尺度上失效的原因，随后提出了一种普适性
的纳米颗粒间非接触力的计算模型，解决了纳米颗粒间非接触力的定量计算，为实现更大尺度
的计算机模拟纳米颗粒体系行为奠定了基础。

研究成果发表在L a n g m u i r、Physical Chemistry Chemical Physics、Powder Technology 等期刊上。

深入探索求真知
接下来，孙伟福继续推进研究步伐。

由于在高应变率等极端动态环境下，非平衡局域化的
应力波会对接触力学行为和材料结构性能产生一定影响，再加上连续介质接触力学模型是在准
静态平衡状态下且基于大尺度颗粒而推导出的理论公式。

因此，在准静态尤其是动态载荷下，
接触力学模型在纳米尺度上是否有效还是一个未知数。

为了打破未知的迷局，孙伟福与团队推
陈出新，提出运用全原子分子动力学对其进行证实，他们从分子水平重新定义了“接触”的概念，最终确认了接触力学模型在准静态和动态载荷状态下，在纳米尺度上的适用极限。

这一重要突破性成果得到了包括德国凯泽斯劳滕大学教授H e r b e r t M.U r b a s s ek、清华大学教授冯西桥在内的多位国际国内著名力学专家的高度认可和引用。

还引起了美国
机械工程学会（ASME）、航空航天学会（AIAA）会士、华盛顿州立大学教授R o b e r t
F.Richards等国际著名专家学者的关注。

与此同时，孙伟福团队还针对材料力学领域里另一热点和难点展开研究。

如今，复合材料
薄膜层是太阳能板、锂电池等新能源材料中的重要结构，但其表面总会产生皱纹、褶皱等失稳
现象，一旦遭遇针孔缺陷、断裂、屈曲或脱落等破坏行为时，就会发生漏电或短路等严重状况，常会导致该结构功能完全失效。

对此，孙伟福因地制宜，开始对电子传输层的能级结构与复合
材料薄膜性能进行调控。

他结合理论模拟和实验研究，先是通过施加机械力、热力，后又通过
改变其磁场力（掺杂）载荷等方法，逐一进行尝试。

经过一番艰难攻关，团队最终揭示了半导
体能级结构、电荷传输与器件性能之间的内在联系，提高了不同层之间的电荷传输和光吸收效率，进而提高了太阳能器件性能。

回归祖国执着前行
了解孙伟福后，就会发现经过时光的打磨，他依然对科研抱有最大的热忱，更希望将这份
热忱回报祖国。

2017年11月，孙伟福受邀参加了第三届北京理工大学“特立论坛”，正是通
过这次论坛，他对北京理工大学的学校历史、学科特色，尤其是机电学院的学科优势有了进一
步认识。

北京理工大学“特立论坛”旨在为海内外青年学者搭建一个思想碰撞和学术交流的平台，
它聚焦国际学术前沿，将一批在海内外获得较高学术成果、具有较好创新发展潜力的优秀青年
人才集聚一堂，一方面可以通过学术报告和深度研讨开拓视野，另一方面还能增进海内外青年
学者对北京理工大学的了解。

“如今，我国的科研已经在很大程度上和国际接轨了，我觉得国内的发展机会更多。

”抱
着这样的想法，2018年1月，孙伟福回国加入北京理工大学开展工作，在爆炸科学与技术国家
重点实验室和北京理工大学的支持下，他已经初步开展了高速冲击下材料动力学行为的微观机
理研究，并打算在此基础上，再开发设计新型的抗冲击抗爆炸防护材料。

研究高速冲击下材料动力学行为的微观机理具有重要的实际意义，而且从分子水平角度理
解动载载荷下的破坏损伤机理，对安全防护材料的设计、纳米自组装复杂的微纳米装置等多方
面都具有重要的指导意义。

此前，科研人员大都是利用连续介质理论模型进行研究，但其存在
诸多弊端。

究其原因，其一该理论模型是在准静态或者碰撞速度较低的情况下推导出的，其二
它还忽略了分子间的作用力、原子的离散结构及其表面效应等因素，因此并不能应用到纳米尺度。

为此，孙伟福与团队决定依托北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验这一平台，通过
分子动力学来系统研究在高速冲击、非受限边界条件下的材料晶型、接触力学行为、材料性能
与亚微观结构变化之间的内在联系。

此外，还需要采用合适的反应力场，进一步研究在高速高
温等极端条件下，对材料结构性能产生了何种影响。

而为了验证分子模拟的结果，孙伟福心中
也早有打算，他认为可以基于球形颗粒与刚性平面基底这一构型，利用高速照相机、高速运动
分析仪等技术来研究弹性恢复系数对尺寸和速度的依赖性。

科研是一个循序渐进的过程，绝不能急于求成。

孙伟福表示，在弄清楚动态载荷下的破坏
损伤机理后，下一步便要开始着手研究怎样设计复合防护结构，努力使其得到实际应用。

但想
要通过界面调控设计开发具备高强度、高韧性高分子的复合材料并不是一件易事，此前，孙伟
福已经在复合材料研究领域里积累了丰富的研究经验。

硕士期间，他在石墨烯表面镀银方向上
展开了一系列研究。

随后在悉尼大学（导师：英国皇家科学院和工程院院士、澳大利亚科学院
和工程院院士、中国工程院外籍院士米耀荣，Yiu-Wing Mai）和伯明翰大学（导师：英国皇家
工程院院士MichaelA d a m s和英国皇家工程院院士Z h i b i n gZ h a n g）进行博士后
工作期间，他则主要从事高分子复合材料力学的研究。

目前，在这两方面的研究基础上，他计
划通过分子动力学和有限元等方法，充分利用不同碳纳米材料间、碳纳米材料与SEBS纳米橡胶间的多级协同作用，通过改变不同组分含量，来模拟和测试复合材料的拉伸强度、断裂韧性等
准静态测试及抗冲击强度的相关力学性质和冲击动力学行为。

此后，在具体的实验和建模过程中，还要做到固定磺化SEBS的含量和碳纳米材料的质量百分比，通过改变石墨烯与碳纳米管的比值，对高分子复合材料的力学性能进行优化。

进而就可以通过改变碳纳米材料和高分子基体
的比值，对复合材料的力学性能进行优化。

只要敢想敢做，就一定会有收获。

在科技领跑世界的今天，孙伟福不仅一直怀揣科研梦想，不懈追求，更会在未来继续踏实勤勉地奔驰在纳米力学、冲击动力学、复合材料力学的研究道
路上，永不停歇。