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    【奋翅起高飞】申胜平团队:在智能材料领域贡献中国智慧
    点击量: 录入时间:2020-03-09

    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。”西安交通大学竞博jbo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,随着微纳米技术的不断发展,挠曲电效应在传感、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,由西安交通大学竞博jbo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。

    转自主页新闻 链接 http://news.xjtu.edu.cn/info/1002/130939.htm
    编辑/李昱静

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