钱征华 | 用弹性波来做“CT”

发布时间:2024-03-11 访问量:2671

当弹性介质中某处物质粒子离开平衡位置时,这个粒子在弹性力的作用下发生振动,同时又引起周围粒子的振动,这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”。

“‘弹性波’研究很早就有了,我们现在研究它,是为了把它应用到工程中。”南京航空航天大学航空学院教授钱征华说。

打个比方,在做电子计算机断层扫描(CT)时,可以用X射线扫描人体组织器官获得大量的数据,当这些数据以影像的形式被“绘制”成片,就能方便医生判断其中是否存在病变。钱征华的研究也像是另一种意义上的CT诊断——通过研究波导结构或者复合材料结构里弹性波的传播规律,去发现其中的缺陷,从而进行定量化无损检测。

“其实弹性波研究涉及很多应用,缺陷检测是我们的研究动机之一。”在钱征华眼中,他所钻研的科学问题最终都将指向工程应用,这方天地,值得他持之以恒地去开拓。


干一行,专一行

1998年走进西安交通大学工程力学系时,钱征华对这个专业所知甚少。“我高中时物理学习还可以,对物理现象也比较感兴趣。所以高考填报志愿时,在班主任老师的建议下,报考了与物理相关的力学专业。”采访伊始,他就用一句“没有什么特殊的故事”给自己的科研生涯定了个基调,一路至今,他的轨迹中写满的都是“水到渠成”。
西安交通大学工程力学专业历史悠久,“西迁”前,可追溯到1923年高等力学实验室的创建;“西迁”后,1957年建立国内首批应用力学专业,1979年成立工程力学系。到钱征华入学那年,学校已经设立了力学一级学科博士点。而他对专业感情的建立,就是从摸清其历史脉络开始的。“力学是工科的基础,也是连接基础科学与工程技术的桥梁。上到大国重器,下到生活中简单的机械零件等,都离不开力学。它跟物理学相关,但两者差别很大,这也是为什么它能从物理学科中独立出来的原因。”经过一番了解,钱征华越来越感受到力学的魅力,他唯一的想法就是“既然选择了,就要把专业学好、搞透”。为此,他在西安交通大学踏踏实实地待了9年,一直到2007年获得博士学位。仅从2004年至2006年,他就发表了9篇《科学引文索引》(SCI)论文,在学校里赢得了一个“发文狂人”的赞誉。
“刚开始写论文时,自己的新见解相对较少,但只要着手去做,总会有收获和成果。”钱征华的表现深得导师们的青睐。导师王子昆教授为他创造了极大的自由度,让他可以放开手脚去探索;而副导师金峰老师则帮他一起制订博士毕业后的规划,并将他推荐给自己在东京工业大学时期的合作导师——岸本喜久雄教授。“我到那边刚开始还是做复合材料结构中的弹性波理论传播行为研究,延续了我博士期间的方向,后来才慢慢扩展。”钱征华介绍说,到2009年转入都市地震工程研究中心时,他的工作开始转向工程化应用。“地震波是弹性波的一种,所以看起来学科跨度大,但本质上还是相通的,不会有什么障碍。”
那些年,钱征华深刻体会到了深耕的重要性。他看到一众知名学者,能够全力以赴地投身一个方向。“他们能做上10年、20年,甚至可能做一辈子,做出自己的特色,做成领域内的标杆,推动科学的发展。”耳濡目染之后,钱征华准备带着榜样的力量重新出发。
2011年,钱征华在《中国青年报·海外版》上看到了江苏省面向海内外招聘“江苏特聘教授”的公告,详细列出了学科要求、专业条件和待遇保障等。“放了一个整版”,钱征华仔细斟酌之后,将自己的材料发给了南京航空航天大学(简称“南航”)。那年年底,第二批“江苏特聘教授”名单公布,80后学者钱征华成为同批次中最年轻的一位。趁着回国探亲,钱征华专门去了一趟南航,从而坚定了全职回国的信念。
“当时,我已经获得了东京大学地震研究所的职位,一旦入职至少要做5年。但这次回去之后,我婉拒了那份工作。”钱征华回忆说,无论是对南航的考察,还是“3·11”东日本大地震后家人的担心,都成为他回国的加速器。从此,他以南航为起点,开启了一个新的十年。
如今,他围绕弹性波理论与应用基础这一中心开展工作,重点聚焦于压电声波器件的波动及振动分析方法、波导结构减薄缺陷的定量化超声无损检测理论与方法、复杂结构与材料中的波动频散方程求解算法开发及应用这3个方面开展科学研究,不仅取得了系统性的科学成果,还获得国内外学术界的高度认可。这些年来,他相继获得教育部新世纪优秀人才,以及江苏省“双创人才”、江苏省自然科学基金杰青项目、江苏省“科技副总”、江苏省“333高层次人才培养工程”等支持,并先后当选俄罗斯自然科学院外籍院士和乌克兰国家工程院外籍院士。
“学到极致,干到前列”,这是钱征华过去和现在努力的方向,也是未来仍将一以贯之的原则。

十年磨剑,厚积薄发

“弹性波在单一材料/结构里的传播行为,学术界已经了解得很多了。但随着工程应用复杂性的增强,所需材料本身的组分也会变得更复杂。原本在简单的金属材料中适用的弹性波传播理论,到了复杂材料中就未必还能行得通。”钱征华补充说,“这就是我们研究的意义。”
以缺陷检测为例,复合材料与结构中表面微小缺陷的定量化检测结果是结构运维过程中的重要参考信息。当弹性波在复杂材料与结构中传播时,一旦遇到常见的结构缺陷,比如开裂、夹杂或者分层、孔洞等,就会发生散射、反射、衍射等行为变化。而定量化检测,不仅要能够识别出缺陷,还要能定位缺陷所在的位置,乃至其大小、轮廓等更精准的信息。“不管在国际还是国内,这都很困难。但正因为困难,我们更需要把它搞清楚。”钱征华说。
诚如其言,实现缺陷的定量化检测面临着诸多困难。超声导波检测作为当前热门的无损检测方法之一,凭借较高的检测效率和检测精度,为解决缺陷定量化检测提供了有效途径。基于超声导波的结构缺陷无损检测技术也广泛应用于管道运输、桥梁建筑、铁路交通及航空航天领域。但传统导波检测技术在缺陷定量化检测方面也面临着诸多挑战,比如,难以找到能够直接适用于缺陷边界积分方程的波传播基本解,并且导波模态更为复杂而不便于直接利用。
针对上述困难,钱征华带领团队提出了一种全新的缺陷定量化检测的超声导波方法,这一方法仍然以缺陷的边界积分方程为基础,但克服了一般的基于导波的缺陷检测方法中的常见难点——它既不需要求解被检测结构中的波传播基本解,同时,也弱化了表面缺陷检测中的波恩近似。这意味着,方法能够适用于绝大多数工程结构中表面缺陷的定量化检测。
“我们还开发了一种关于弹性波传播过程中弥散曲线数值的精确计算方法,使其能够适用于复杂材料与结构,并开发出了弥散曲线计算软件,对标英国帝国理工大学的Disperse软件。”钱征华记得,相关论文发表后,一位来自法国欧洲科学中心的博士联系到了他们,表示想要将相应算法应用到他的课题中。“他的课题是针对A380客机短舱复合材料面板进行缺陷检测,他想用超声检测,需要对其中弹性波的传播行为进行分析计算。论文发表后,他在致谢部分对我们的工作表示感谢,还邀请我以答辩委员的身份参加他的博士论文答辩。那是我第一次以这样的身份参加国外的博士论文答辩。”对钱征华来说,这是他回国后一项具有里程碑意义的工作。从国际到国内,有不少团队进行了引用。这份肯定,也使他和团队备受鼓舞。
2021年,以钱征华为第一作者的专著《薄膜体声波谐振器结构分析的二维振动理论》由科学出版社出版,并被列为工业和信息化部“十四五”规划专著。“回国第二年,我们就开始在这方面发力了。”钱征华说。
随着信息化时代的到来,电子器件的微型化、集成化、高频化发展成为必然趋势,传统的晶体、陶瓷谐振器受到材料本身工艺的限制,难以满足新型谐振器的发展需求。近年来,一种新型谐振器产品成功问世,在多方面表现出超越传统谐振器的工作性能,研究人员评估其是高性能无线通信领域的重要支撑产品。这种新型谐振器是基于压电薄膜制备的体声波器件,因此被命名为薄膜体声波谐振器(FBAR)。
“薄膜体声波谐振器本质上就是一种电子元器件,可以被应用到手机通信射频前端。”钱征华团队选择这一方向,更重要的原因是他们进行市场调研后发现,相关产品95%以上的份额都被美国的几家公司垄断,日本和欧洲也能“分一杯羹”,“但中国现在还没有一家可以真正占领市场份额的企业”。而从研发上看,虽然国内相关研究也开始走向应用,但在产品的性能一致性和正向设计能力等方面还欠缺较多,尚不成气候。
近十年来,钱征华团队一直致力于薄膜体声波谐振器振动特性的相关研究,从基础的频散关系出发,结合压电声波器件的经典振动理论,通过对不同振动问题的深入研究,获得了对薄膜体声波谐振器振动特性的系统认识。“与传统谐振器相比,薄膜体声波谐振器的结构更为复杂、工作频率更高,耦合模态种类也更多,因此传统谐振器的结构振动分析方法对其并不适用。”在著作中,钱征华团队提出了适用于薄膜体声波谐振器结构分析的两种二维振动理论:基于幂级数展开法的高阶板理论,以及基于小扰动假设的二维标量微分方程理论。前者侧重于对工作机理、物理规律等进行理论探讨,后者能够成为三维实体器件模型定量化仿真分析的可靠工具。
这只是他们在相关工作上的一个缩影。如今,在薄膜体声波谐振器理论分析和建模研究上,钱征华团队已经成为国内的佼佼者。就这一方向,他们还与中国电子科技集团公司第十三研究所、宁波大学等开展了合作,在相关专利、软件著作权等的支撑下,希望能够在工程应用中取得更大的进展。
“航空发动机滑油系统中的磨屑在线监测”,是另一项令钱征华比较满意的工作。在航空发动机中,滑油系统要保证其摩擦件的润滑、散热效果。由于这一系统中的滑油是循环使用的,润滑油流经磨损部位时,磨损微粒(即磨屑)会混入滑油中并被带走,这就导致滑油中会包含发动机零部件磨损情况的重要信息。如果能提取出其中的磨损信息,不仅可以直接反映发动机轴承及传动系统的服役状态,还能进一步预测发动机部件的磨损变化趋势。一旦实现了磨屑的实时在线监测,也就意味着对航空发动机的运行维护管理能做到更加精细,以帮助运维人员采取更加积极主动的维护策略,并进一步实现发动机突发故障的预判和预警,从而提高航空发动机的可靠性。“航空发动机、风力发电机等方面的应用都可以拓展开,但目前,同类产品也是被国外垄断的。”说到这里,钱征华有些无奈,他坚定地认为,为了不受制于人,我国在相关领域必须要有独立自主的研发能力。他和团队也在推动“航空发动机油液磨屑在线监测系统”的转化进程。
十年弹指过,钱征华在南航扎下的根苗,已经破土而出,正在茁壮成长。目前,他已在力学、机械和声学等领域国内外重要学术刊物和学术会议上发表第一作者和通讯作者论文200余篇,其中SCI检索论文130余篇,论文总引用千余次;主持国家自然科学基金国际合作与交流项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金、装备发展预研基金、航空科学基金、各类横向项目等20余项。已获授权国家发明专利11项,登记软件著作权8项,出版中文专著4部,受邀参与撰写3部英文专著各1章;受邀在国内外学术会议上作大会邀请报告和分会场邀请报告十余次,作为大会主席和共同主席,组织召开国际会议3次。“我们取得了一点点积累。”钱征华谦逊地说。

良性循环,生生不息

“大三成功保研之后,听同学说南航有一位‘学术王子’,当时就去拜访了这位老师,他就是我现在的导师钱征华教授。对我们的问题,他娓娓道来,非常有耐心。而且我觉得他很年轻,在学术上一定非常有干劲,我非常愿意跟着这样的老师搞科研。”学生赵梓楠在接受南航研究生会的采访时,这样说起他对钱征华的初印象。
钱征华的“干劲”体现在他选择了一个方向,就会一直坚持做下去。来南航十余年,他已经有了一个稳定的团队,其中包括7位教师和近40名学生。在培养学生时,他秉持着张弛有度的原则。“搞科研不是日常事务性的工作,没有标准流程,有人习惯早起来实验室,也有人是夜猫子,只要能在规定时间内完成任务,我不在意过程。”钱征华认为,与其打卡式科研,不如任务型管理,让学生得到更大的自由度。但自由不是放任,这十余年来,他和团队一直保持着频繁开组会的习惯。“比如我们有3个方向,就有3个小组,每周要讨论几次,一旦有什么问题,都会及时做出调整。”
“压力肯定有,但从研究上来说,要突破瓶颈去发展,没有捷径,就要多花时间和精力,慢慢地把大问题变成小问题,再逐个击破。”钱征华说。科研无坦途,但他认为团队已经在“良性循环”了,这是他们能够直面挑战的底气。
“这些年,我们已经做了一些工作,我希望能够把这些工作及时地跟国家需求结合起来,跟实际应用结合起来。”钱征华再次强调他在产学研用转化上的愿景。事实上,他们早已开始进行尝试了。2020年,依托与南京光蓝物联网科技有限公司的合作,钱征华获得了江苏省“科技副总”的支持。与此同时,钱征华还积极开展科研考察工作,从中寻求发展机遇。“希望能在未来3~5年取得突破。”对钱征华而言,弹性波研究像一棵大树,所有围绕它开展的工作都是不断生长出来的枝叶。从2004年读博到现在,围绕弹性波研究,他坚持了近20年,无论遇到怎样的挑战,也从未萌生退意。
“再过20年,我们的工作能给这个研究方向留下什么,它还能不能长远地进行下去,现在已经到了该考虑的时候了。”到那时,钱征华想要看到弹性波这棵大树,枝繁叶茂,生生不息。