【奋翅起高飞】申胜平团队:在智☆能材料领域贡献中国智慧
挠曲电效应是指通过非均匀变形,引起材料正负电荷中心分离(极化),进而产生电压的一种效应。“形象地说,就是可以通过‘弯曲’材料,使其产生电信号。”西安◣交通大学航天航空学院副教授梁〗旭介绍道。与传■统压电效应不同,挠曲电效应在所有电介质中存在,且在微纳尺度可极大提升材料的换能效率。此外,挠曲电材料克服了压电材料的缺点,绿色无害,在智能材料与结构领域显示出了广泛的应用前景。
十余年来,西ω安交通大学申胜平团队致力于挠曲】电材料与结构的力电耦合理论及应用研究,并于2019年12月获得2019年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖。
深耕“冷门”专业 建立基础性理论
申胜平团队实验环境
近年来,随着微纳米技术的①不断发展,挠曲电效应在ぷ传感、作动、能量采集等领域显示出了巨大的应用前景,逐渐成为国内外学界研究□ 的热点问题之一。
将时光的指针拨至上世纪末,情况却大不相同。那时,尽管已有学者发现了挠曲电效应,但由于压电能产生较强的电信号,国际学界的关注重点都聚焦在压电领域,关于挠曲电效应的研究→近半世纪以来都鲜∩有人问津。
由于压电效应在应用材料体系受限较大,本专注于研究压电的申胜平教授,将目光转移到当时冷门的挠曲电效应研↑究方向,并于2008年成立了国内首个开展挠曲电效应理论研究的团队。
怀揣着对挠曲】电巨大应用前景的憧憬,申胜平带领团队坚定不移地迈向了科研攻关之路。然而,第一道摆在面前大大的难题◇,是挠曲电理论的数学描述、本构方程要比传统的压电理论复杂得多,且理论↑推导需要严密『、大量的数学推断过程◣,因此如何建立基于挠曲电效应的力电耦合理论,困难度可想而知。
“在那段时间里,我们几乎翻阅了一切相关的文∑ 献资料,一遍遍进行公式的反复推︻演,一心想着能早日把这个研究搞出█来。”梁旭回忆,“所有团队成员整日泡在实验室,每天上午7点到,晚上11点后回家是常有的事。我们也完全没有假期概念,即使在春节,大年初二也就□ 都回来了。”没有条件,就努力创造▼条件;没有时间,就拼命挤出△时间。一个看似简洁的理论公式,要推演出也绝非是一帆风顺的,往往一步算错就要整体推倒重来。据团队成员回忆,申胜平教授为了验ㄨ证理论公式的准确性,每个公式●都要反复验证确认无误。
正是凭借着这股“咬定青山∮不放松”的执着和钻研劲儿,团队仅用了不到两年的时间就建立了挠曲电纳米材料连续介质理论,推动了¤多场耦合力学的发展。研究被欧美学者以〖申胜平名字命名(Shen Formulation),称其为“开创◣性的研究”“开创性的理论框架”。在理论指导下,团队又在接近十年的时间里建立了系列分析模型,为微纳智能结构性能分析和稳ぷ定性分析,以及挠曲电智能器件设计提供了理论基础和新思♀路,得到国╳际学界的广泛肯定。
瞄准国家需求 开展跨学科合作
随着智能材料成为我国国防、航空航天等重要领域所需的●核心材料之一,如何尽快将挠曲电理论运用于具体实践,设计出挠曲电智能器件成为申√胜平团队进一步的重点工作。在申胜平看来,科学研究不应仅仅停留在理论层面,更要面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家⌒ 重大需求。
邓谦副教授在国外≡攻读博士后期间,所研究的就是挠曲电方向,“申老师在这方面的研究已经★比较前沿,所以毕业后我就加入了他的团队。”在实验中,邓谦发现,最常用的挠曲电陶瓷易断裂、变形小,只有在微纳米尺度才能产生大的应变梯度,而聚㊣合物材料柔性好,即使在宏观尺度▽下也可以承受很大的应变梯度。可一般聚合物材料的挠曲系数远远低于陶瓷,即便施加大的应变梯度,也难以得到强挠曲电效应。面对这一“卡脖子”难题,邓谦带领学生设计制备了一种携带永久〗电荷的新型电活性材料,成功№预测并验证了其中的类挠曲电效应。基于此,可将该聚合物材料中的挠曲电效应提高100倍,大幅度㊣提升了其挠曲电系数,为在宏观尺度上应用挠曲电效应提供了可能性。“未来,相ω信能在柔性传感器、驱动器等方面有很广泛的应用。”邓谦满怀信心。
用△申胜平教授的话说,西安交大智能材料与结构研究团队,是一支“年轻、富有朝气的团队”。团队成员平均年龄不到40岁,且成员来自于力学、航空宇航、材料等不同ω 专业。“现如今,突出学科◎交叉,才是智能材料领域发展的新方向。”梁旭说,“最开始,我们都是搞力学⊙出身,可做研究单凭力学专业还远远不够,需要电学、材料学、化学等方面的知识。”
研究要取得发展、要有★所突破,就一定要走出专业“舒适圈”、不能固守老∩本行,成为团队成员的一致共识。成员们补学了大量其他学科的基础理论,并由申胜平教授牵线,与学校机械学院、电气学院、材料学院等搭建实验室,开展了一◥系列跨学科合作。现如今,团队也吸〓纳了具有机械、电气、材料、力学等专业学科背景的30余名学生。“时代给予了我☆们一个绝好的机遇,只要我们有想法,专业学科不」会成为限制我们研究的问题。”梁旭笑着说。
带动行业发展≡ 做◣国际学科领域的“领跑者”
2019年8月,由西安交通大学航天航空学院主办的“2019年国际挠曲电理论与应用研讨会”成功召开,邀请了来自国内外高校及科研院所的50余位权威专家学者,就当前智能材料领域备受关注的研究热点问题≡,进行了深入而系统的学术成果交▲流。这是国际上首次举办的挠曲电研究专题研讨会↘,对于促进学科交流与合作、推动挠曲电效应及相关研究领域的发展具有重要意义。
“目前国际上在挠曲电●方向的研究力量相对比较分散,缺乏有效的交〇流途径。而我们搞这项研究用了十多年,所以希望能主办这一专业研讨会,推动挠曲电效应这一新兴研究方向在各领域的创新性应用与发展。”申胜平团队已计划好,2020年还要举办第●二届研讨会,希望能够推〒动该研究领域在国际上的发展。
“善小而大成”,是申胜平对团队今后研究的期望,“我们将只争朝夕、不负韶华,在基础研◣究和国家重大需求方面贡献交大力量。”申胜平代表团队郑重承诺。
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