陈云飞:掀起摩擦耗能的盖头来

2019-06-27 12:01:59 来源: 科技日报 作者: 张晔

通讯员 吴涵玉  中国科技网·科技日报记者  张晔

日前,东南大学机械工程学院陈云飞教授团队在在离子输运研究取得了重大研究进展,相关成果发表在《JACS》上(《美国化学会志》,全球材料和化学领域最具影响力的期刊之一)上。这是继陈云飞领衔的项目“摩擦界面的声子传递理论与能量耗散模型”荣获国家自然科学二等奖后,其团队取得的又一重要进展。

单枪匹马独闯纳米摩擦学

从原始社会的钻木取火开始,人们就已经在和摩擦打交道了。尽管对摩擦现场的利用和认识由来已久,但迄今为止,人们对于摩擦耗能的机理仍未“吃透”。

理解和掌握由摩擦导致的能量耗散,以及能量在界面上的运输机理,是机械工程学科面对的重要学科问题。围绕这一问题,东南大学机械工程学院的陈云飞教授已经率领科研团队在摩擦学和传热学的领域里钩深索隐二十余年。

1995年,彼时的陈云飞还是东南大学机械学专业的一位青年博士,跟随留英归来的导师从事与摩擦相关的研究。毕业留校后,陈云飞正准备追随导师成就一番作为时,迎来的却是导师前往国外深造的消息。在校内研究摩擦的道路上,年轻的陈博士一下子成了形单影只的一个人。

没有指导,没有经费,连复印费都必须自己承担的陈云飞寄希望于申请基金上,但进展并不顺利。接连碰壁之后,陈云飞深感这样下去不是持久之计,开始认真审视自己的研究方向。经过适当调整,他将研究的重心转到微纳米尺度的摩擦上来,终于在1998年顺利申请到了国家自然科学基金。

回忆起这段艰难的时光,陈云飞颇为感慨:“这是我人生中很重要的转折点。”

正是这次转折点,让陈云飞确定了在摩擦学领域的研究方向。此后,他前往美国加州大学伯克利分校交流学习,接触国外传热学领域的研究,创造性地将摩擦与传热结合起来进行探索,为日后回国开展科研奠定了基础。

2002年,陈云飞从国外访学归来,尽管此时的他尚未具备博导资格,但已有同事放心地将学生推荐到他的身边,跟随他展开摩擦学和传热学的研究。

决不让灵感一闪而“过”

二十四载光阴转瞬即逝,陈云飞逐渐从一名普通青年教师成长为机械设计专业的学科带头人,也培养出一届届优秀的学生,其中不少学生毕业后选择留校,与陈云飞继续并肩作战,日益成为研究摩擦学和传热学的中坚力量。

和学生们待在一起讨论是陈云飞最喜欢的事情。在他看来,这不仅是交流学术的主要途径,也是激发科研灵感的重要来源。其中,最令陈云飞印象深刻的便是发现超晶格结构法向导热系数最小值出现的条件,这正是今年获奖项目中的重要成果之一。

超晶格是两种材料交替生长所形成的周期性结构,每层材料的厚度可控制在几个纳米,具有极高的界面密度。通过合理设计材料组分和周期结构,可以利用量子阱的尺寸效应实现对声子、电子运输的主要调控。超晶格结构是否存在法向导热系数最小值一直困扰着半导体制造业,同时也是微纳制造、微尺度传热学和物理学中一个非常有意义的研究课题。

陈云飞带领团队从2000年起先后对80多组超晶格结构进行实验测试,但进展一直不明显。在一次讨论中,学生提出的一些想法让陈云飞隐隐觉得在理论上是可行的,“花时间去验证”在他脑海里一闪而过,旋即又被拉回匆忙的现实中。但是,陈云飞并没有放过这次灵感,待到寒假开始,他便迅速地投入到对新设想的验证中,经过连日大量的计算,最终发现这一设想确实是成立的!

基于这一发现,团队改变了研究思路,采用分子动力学模型对超晶格结构进行建模,最终揭示了声子在超晶格结构运输的机理,在国际上最早给出法向导热系数最小值出现的条件。

面对“超级关卡”他选择放空思绪

做理论研究不仅需要超高的学术热情,更需要强大的心理素质。

在和摩擦学、传热学打交道的二十多年间,陈云飞曾数次面临“超级关卡”久攻不下的困境。每当这时,陈云飞便选择将问题放一放,让思绪放空,打会儿太极拳,或者练会儿气功,在有限的时空内放缓内在的节奏。待心境平复后,陈云飞又会重新回归到做科研的热情中来。

平日里,陈云飞的生活节奏被科研、教学、行政几只巨手攥得紧紧的,几乎没有属于自己的休闲时间,而到了寒暑假,别人欢享假期,他却在潜心学术,因为对他来说,这样心无旁骛地思考钻研的机会实在不可多得。

在陈云飞的带领下,团队多年来迎难而上,始终致力于摩擦的声子耗散机理、声子在多层膜界面和法向输运的理论建模工作,最终发现了摩擦耗能与声子主导频率的定量关系,提出了声子沿多层膜结构面内和法向的输运模型,并利用微纳制造技术研制了纳米结构的测量平台,实现对纳米结构界面的摩擦、热、电参数测量,取得一批创新性成果。

2018年度国家科技奖中,陈云飞领衔的项目“摩擦界面的声子传递理论与能量耗散模型”荣获国家自然科学二等奖,该项目成果不仅深化了人们对摩擦耗能机理的认识,也为在工程上实现摩擦系数和导热系数的主动控制提供了基础理论支持

 

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责任编辑:李丽云
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