重慶大學(xué)教授李衛(wèi)國： 打破歐美技術(shù)壟斷 研發(fā)測試儀器助力航天事業(yè)
李衛(wèi)國（左三）和學(xué)生一起討論課題。（受訪者供圖）
在我國陶瓷制作工藝中，軟軟的陶泥在高溫?zé)浦螅蜁兂捎捕容^高的精美陶瓷；在日常生活中，如果用塑料勺炒菜，遇到高溫塑料會慢慢變軟。這可能是我們對溫度會影響材料力學(xué)性征最樸素的認(rèn)知，但是什么類型的材料在什么溫度和強(qiáng)度下，會發(fā)生怎么樣的變化我們似乎還一知半解。
在重慶大學(xué)航天航空學(xué)院教授李衛(wèi)國眼里，這些材料力學(xué)行為隨溫度的演化都可以用理論模型進(jìn)行預(yù)測。他的最新研究成果是，在明確溫度這一單一變量的狀況之下，就可以預(yù)測出相關(guān)材料的力學(xué)行為和強(qiáng)度性能，其成果被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是該領(lǐng)域的重大突破，為進(jìn)一步促進(jìn)我國航空航天、能源及核工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。
創(chuàng)造性提出無擬合參數(shù)的“溫度相關(guān)性理論模型”
隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，拓展服役條件的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，材料在超常條件下的性能成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。拿航空航天領(lǐng)域來講，飛行器在高速運(yùn)行時(shí)溫度可達(dá)3000攝氏度以上，那么在這樣的高溫條件下，什么樣的材料才能滿足這么苛刻的使役需求，以及其力學(xué)行為會發(fā)生怎樣的變化？這些問題都一直困擾著科研工作者，也制約著我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
李衛(wèi)國自2005年在清華大學(xué)做博士后研究工作起，便開始從事超高溫極端條件下固體力學(xué)行為與強(qiáng)度理論的研究?！澳菚r(shí)候，我國還沒有建立起材料性能和相關(guān)溫度之間的定量關(guān)系，要測試一個材料在什么溫度下會發(fā)生斷裂或者變形，只能靠實(shí)驗(yàn)?！崩钚l(wèi)國說，實(shí)驗(yàn)不僅耗時(shí)耗力，最為關(guān)鍵的是成本太高。之后，建立基于物理機(jī)理的高溫強(qiáng)度理論預(yù)測模型成了李衛(wèi)國最大的課題。
為了攻克這一難題，李衛(wèi)國搜集整理了各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，夜以繼日地對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析。經(jīng)過不懈努力，創(chuàng)造性地提出了材料性能溫度相關(guān)性建模思想，突破了溫度對現(xiàn)有強(qiáng)度理論模型的禁錮，并首次針對超高溫陶瓷材料建立了不包含任何擬合參數(shù)的溫度相關(guān)性斷裂強(qiáng)度理論表征模型。
無擬合參數(shù)意味著什么？諾貝爾物理學(xué)獎獲得者列夫·達(dá)維多維奇·朗道說過：“一個模型的價(jià)值隨它包含的擬合參數(shù)的數(shù)目成指數(shù)級下降”。李衛(wèi)國教授提出的模型，不需要任何擬合參數(shù)，突破了原有高溫理論模型對于擬合參數(shù)的需求，大大降低了研究高溫力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)難度，同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。
自主研發(fā)測試儀器打破歐美技術(shù)壟斷
說起全世界的航天事業(yè)，總是不能忽略偉大而悲愴的哥倫比亞號航天飛機(jī)。1981年首次發(fā)射，揭開了世界航天史上新的一頁。2003年2月1日，哥倫比亞號航天飛機(jī)在經(jīng)過大氣層時(shí)產(chǎn)生了高達(dá)1400攝氏度的熱空氣，致使機(jī)翼出現(xiàn)裂隙，超高溫氣體進(jìn)入機(jī)體，最終在空中爆炸解體，7名宇航員全部遇難。而哥倫比亞號航天飛機(jī)使用的熱防護(hù)材料正是由陶瓷材料構(gòu)成的。
近年來我國對飛行器熱防護(hù)材料強(qiáng)度的研究從未間斷過，但仍然存在很多亟待解決的難題。“特別是歐美等國家的技術(shù)壟斷，讓我們更加迫切希望在這一領(lǐng)域擁有屬于自己的技術(shù)?！睘榇?，李衛(wèi)國開始了漫漫“取經(jīng)路”。
在諸如航空航天、能源勘測等領(lǐng)域，材料所經(jīng)受的超長環(huán)境是復(fù)雜多變的，可能是高溫狀態(tài)，也可能是極寒溫度，可能氧氣富足，也可能氧氣稀薄。鑒于此，在之前提出的“溫度相關(guān)性強(qiáng)度模型”的基礎(chǔ)上，李衛(wèi)國研制了一種測試儀器，通過建立三個不同的環(huán)境模塊，讓試件在不同的環(huán)境模塊間切換，以此來模擬復(fù)雜熱沖環(huán)境對材料的影響。
現(xiàn)在，在李衛(wèi)國團(tuán)隊(duì)的努力下，測試版儀器已經(jīng)完成?！敖酉聛恚覀儗⑼ㄟ^實(shí)驗(yàn)對設(shè)備進(jìn)行完善改進(jìn)，希望研制出能夠測試各種復(fù)雜環(huán)境的儀器，助力我國航天事業(yè)的發(fā)展?！崩钚l(wèi)國表示，這一設(shè)備的研制，將會廣泛應(yīng)用于對熱障材料、環(huán)境障涂層的性能檢測，相當(dāng)于為高溫材料應(yīng)用又增加了一道保障?！罢娼鸩慌禄馃挕?，經(jīng)過這樣高標(biāo)準(zhǔn)的測試檢測能保持原有性能的高溫材料，才能經(jīng)得住現(xiàn)實(shí)復(fù)雜沖擊環(huán)境的考驗(yàn)，為國家航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域提供安全保障。
經(jīng)常為了一個問題和學(xué)生討論到深夜
李衛(wèi)國不僅僅是一名在高溫固體力學(xué)領(lǐng)域優(yōu)秀的研究者，同時(shí)也是重慶大學(xué)航空航天學(xué)院的博士生導(dǎo)師，在平時(shí)指導(dǎo)教育學(xué)生時(shí)，言傳身教，用自己對待科研嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度影響著自己的學(xué)生。
“李老師以身作則對待科研的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，讓我們受益匪淺。在學(xué)術(shù)研究上，李老師總是要求我們在保質(zhì)保量完成學(xué)業(yè)的基礎(chǔ)上，成為這一領(lǐng)域的全國優(yōu)秀人才。”2017級在讀博士鄧勇說，李教授對待科研工作滿腔熱忱，經(jīng)常為了一個問題和學(xué)生討論到深夜，這種執(zhí)著的精神也影響著學(xué)生們，全身心地跟隨導(dǎo)師投身科研工作。
除了培養(yǎng)高等教育人才，李衛(wèi)國還參與了重慶市青少年創(chuàng)新人才“雛鷹計(jì)劃”，積極啟發(fā)培養(yǎng)高中生的科研創(chuàng)新能力。據(jù)了解，李衛(wèi)國已經(jīng)指導(dǎo)了四期來自南開中學(xué)“雛鷹計(jì)劃”學(xué)員，正在準(zhǔn)備申報(bào)下一期的志愿者導(dǎo)師，在所教授的高中生學(xué)員中，有5人參與發(fā)表了SCI論文，申請發(fā)明專利6項(xiàng)。
作為一名科研工作者，李衛(wèi)國認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，開拓創(chuàng)新，攻克一個又一個科研難題；作為一名教育工作者，李衛(wèi)國甘為人梯，傳道、授業(yè)、解惑，為我國科研創(chuàng)新培養(yǎng)人才。他說，自己將一直堅(jiān)守在科研、教學(xué)的第一線，用創(chuàng)造性的思維和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度迎接下一項(xiàng)科研挑戰(zhàn)。