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探索“摩擦力”的奥秘——访国家自然科学奖二等奖获得者陈云飞
2019-01-09 09:28:00  来源:新华日报  
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  摩擦发热和热量传递是自然界中最普遍的物理现象,但往往看似简单的现象却蕴含着极为深刻的科学奥秘。东南大学机械学院陈云飞教授领衔的科研团队,沉浸于“摩擦力”研究20余载,所取得的项目成果获得2018年国家自然科学二等奖。

  此次获奖项目名称为“摩擦界面的声子传递理论与能量耗散模型”,听起来是不是特别深奥?“声子”又是什么?“热量在固体结构中主要表现为原子的热振动,振动能量的量子化称为‘声子’。”陈云飞教授解释道,“简单来说,我们主要研究的是摩擦过程中的能量损耗与热量传递。全球约三分之一的一次性能源浪费在摩擦过程中,摩擦磨损是机械零部件的主要失效形式,所以我们需要去做摩擦的本质和耗能机理的基础研究,为解决上述问题提供理论依据。”

  基础科学研究往往是理论性的,在外人看来甚至非常“枯燥乏味”。提及为什么能在这个领域深扎稳打一钻研就是20多年,陈云飞说道:“近一个世纪以来,国内外学者一直在探索摩擦的声子耗散机理。然而由于摩擦界面的复杂性,迄今为止摩擦的本质和耗能机理仍不清晰。”凭着科研人员的一股子钻研劲,陈云飞就想把这个理论问题深入研究下去。

  “我们从2000年开始,先后对80多组多层膜结构进行实验测试,进展不大。”这是团队遇到的一个很难突破的瓶颈期,这个时间大概持续了两年。之前,团队一直是跟着国际上的研究路径去做实验,却没什么进展,那么,为什么不去尝试一下别的研究路径呢?“2002年我们改变了思路,采用了分子动力学模型对多层膜结构进行建模,揭示了声子在多层膜结构输运的机理,发现了法向导热系数最小值出现的条件!”

  这一科学发现意味着什么?“它将为工程上实现摩擦系数和导热系数的主动调控提供可能,在飞行器主动热防护等领域具有重要的工程应用价值。”陈云飞说。他举例解释,比如工程中,有些地方需要较大摩擦力,但还有些地方需要较小的摩擦力,这个科学发现对极端环境下摩擦力的调控提供了一个有效手段;同样在工程应用中,有些需要结构的导热系数高,有些需要结构的导热系数低,这个科学发现也为工程上导热系数的调控提供了方法和途径。

  经过20多年的研究,项目组在摩擦声子能量损耗方面,主要发现摩擦力的大小与声子频率的定量关系;在多层膜结构的声子热传递方面,在国际上最先给出最小值出现的条件,成为国际同行寻找导热系数最小值的一个通用方法。

  “基于我们的研究发现,美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员于2014年首次在实验上得到了多层膜导热系数最小值。”陈云飞对此感到十分自豪,但同时他又很谦虚地认为:“声子能量损耗和声子传递是一个基础研究命题,我们只能说取得了点滴进步,不能说解决了这个命题,我们还将围绕这一命题继续开展研究工作,争取取得更多的成绩。” 本报记者 蔡姝雯

标签:陈云;导热系数;研究
责编:王凰
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