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胡宁:万里鹏程路正长

来源:《中国高新科技》期刊 时间:2021-09-14


 

  “夫中国工校之兴以吾校为最早,各省担簦来学者除云南、湖南、新疆、黑龙江外,莫不有其人焉。”2003年6月9日和11月17日,《天津日报》在介绍天津的全国之最时,两次把北洋工艺学堂列入其中。北洋工艺学堂就是今天的河北工业大学,是全国最早培养工业人才的摇篮。

  北洋工艺学堂的首任总办周学熙在光绪三十年(1904年)9月12日写给袁世凯的有关呈文中讲:“学堂为人才根本,工艺为民生至计,二者固宜并重。而讲求之道,亦属相资。工艺非学不兴,学非工艺不显。”强调办学与兴工、学理与动手相结合,亦工亦学、手脑并用。

  2019年春节后,胡宁受河北工业大学韩旭校长的邀请,一同参观了河北工业大学的校史馆。当他看到周学熙提出“工学并举”的办学理念时很受触动,这与他的教育理念不谋而合,于是胡宁很爽快地答应了韩旭校长的邀请,以河北省高层次引进人才的身份加盟河北工业大学,并担任副校长,助力这所“双一流”高校更快发展。

  历史的车轮滚动向前,如今胡宁来到河北工业大学任职已有两年的时间,河北工业大学也正在由教学型大学向教学/科研并重型大学转变。胡宁来到河北工业大学后,无论在管理还是在科研上都取得了很多令人瞩目的成绩,但是他依然强调,“教书育人,教育改革,提升高校科研水平任重而道远”“乘风振羽任飞翔,万里鹏程路正长。”对于胡宁来说,前方的天空充满机遇也充满挑战,唯有振翅才能高飞。

  夯实基础,砥砺前行

  20世纪60年代,国家从经济建设和国防建设的战略布局考虑,启动三线建设,把全国各地建设的人才和物资集中到三线地区,在西南、西北三线部署的项目达上百余个。国家启动的三线建设在很大程度上改变了旧中国工业布局不平衡的状况,吸引当时大批顶尖的军工企业和科研院所来到西部,为西部地区提供了难得的发展机遇。

  2010年11月14日,国务院、中央军委颁布《关于深化我国低空空域管理改革的意见》,决定逐步放开对1000米以下空域的管制,允许轻型固定翼飞机和直升机等小型飞机飞行,通用航空产业发展的大幕徐徐拉开。放眼未来的天空,重庆市着手布局通用航空产业。经历过三线建设,已有厚重工业基础的重庆,那时就盯上了这个千亿级别的产业,并想把它发展为重庆的支柱产业之一。2013年,恰逢胡宁回国之初,重庆大学林建华校长想在学校成立航空航天学院,经胡宁的老友推荐,林建华校长向胡宁抛出了“橄榄枝”。作为一名老“重大人”,胡宁毫不犹豫地接下了这一重任。同年12月,重庆大学航空航天学院正式挂牌成立,胡宁担任院长。

  “波涛交汇三江水,井邑高凌万仞山。”重庆对于胡宁来说,再熟悉不过了。胡宁于1965年生于重庆,本硕博阶段的学习也是在重庆大学完成的。回忆起当时为何进入重庆大学读书,他的理由非常简单,“回家成本最低”。根据高考分数,胡宁本可以去更好的大学,但由于家在重庆,姐姐也在重庆大学读书,所以重庆大学就成了他最理想的选择。

  本科开学,胡宁就进入了重大机械系的应用力学师资班学习,从此便跨入了力学研究的世界。在重大读博期间,胡宁进入西安交通大学国家结构强度与振动重点实验室,完成课题研究。在那里,胡宁认识了很多力学方面的专家,他们严谨治学的态度对他的学术生涯产生了深远的影响。之后,他又在南京航空航天大学开展博士后研究工作,期间参与了朱德懋老师的机翼动力学优化设计的工程项目。那时他就意识到,在航空航天领域,轻量化将会是一个非常重要的研究方向,由此他又进入了复合材料的世界。

  20世纪90年代初,国内关于复合材料的研究还处于起步阶段,而日本在这个领域的研究已经有相对丰富的经验。1993年,胡宁想去日本进一步深造学习,于是他联系了日本东北大学教授、日本复合材料协会的副会长关根英树教授,当时恰逢东北大学助理教授有一个位置空缺,他便顺利进入了东北大学,开始了助理教授的工作。

  在以后的十几年中,胡宁先后在清华大学任副教授,美国约翰·霍普金斯大学任研究科学家。之后他又回到日本东北大学,在那里工作了12年,从助理教授升到了准教授,期间他还去澳大利亚昆士兰科技大学担任过一段时间的兼职客访教授。后来胡宁从东北大学调到日本千叶大学工作,升任正教授。在工程学科领域,日本各大学正教授的平均年龄是45岁,那一年,胡宁仅43岁。同时胡宁还是在中国取得博士学位并在日本一流大学做到正教授的第二人。

  万丈高楼平地起,早年一步一个脚印的求学和工作经历,为胡宁日后在科研上取得丰硕成果打下了坚实的基础。回望30多年的学术生涯,胡宁曾出版英文书籍3部、中文教材1部,申请和获批的中日专利30余项;发表英、中、日期刊论文480余篇,其中单篇论文最高被引用次数近700次,总引用次数名列所属研究领域的国际前茅。2014—2020连续7年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单(材料力学、机械工程),入选2019年斯坦福大学公布的世界前10万名科学家榜单等。

  立足前沿,不断探索

  胡宁的学习阶段是从应用力学专业开始的,他在硕士阶段和博士阶段学习了计算力学和固体力学的相关专业知识。胡宁在起步阶段,偏向于基础理论、计算方法等研究。走出国门之后,胡宁深刻感受到国内外的科学研究在实际工程运用中的差距。为了能将基础研究更广泛地运用在实际的工程中,胡宁围绕固体力学的知识体系,不断根据国际学术前沿与社会需求调整自己的研究方向。在他看来,早年集中在力学这门古老学科的单纯研究,正逐渐演变为一种工具,被广泛应用到机械、汽车、航空航天等各类工程领域。

  随着现代科学技术的迅速发展,无论飞机、高铁,或是工业上的化工管道、压力容器都出现了很多新型复杂的大型结构。在大型复杂结构件上,初始的微小裂纹一般不易发现和察觉,一旦出现肉眼可见的比较大的损伤时,裂纹容易引起损伤快速扩展,这时材料和结构的寿命往往已经所剩无几,一般只有整体寿命的10%~20%,这时很可能会造成恶劣后果,甚至引发重大灾难性事故的发生。因此,确定对结构是否产生损伤、特别是早期损伤,并准确确定损伤的位置,在维持结构的正常使用中尤为重要。

  胡宁依托所主持的自然科学基金重点项目,针对材料结构的材料非线性或早期损伤开展系统研究,构建非线性Lamb波的理论方法,研究含早期细微裂纹、材料非线性的板材中非线性Lamb波产生的条件、机理与信号特征;特别是在世界上首次建立了非线性Lamb波零频模态相关的理论体系和实验技术方法。非线性超声波对材料非线性和早期细微损伤具有高敏感性,譬如可以利用它监测微米级的早期细微疲劳裂纹,因此能够完成对材料与结构中材料非线性与早期损伤的实时在线监控和定期的线下检测。未来,本项目研究还将提出评价材料非线性或早期损伤的程度与区域大小的指针与方法。

  经过3年的研究,胡宁及团队所取得的科研成果包括:发表期刊论文29篇(其中SCI论文24篇)、申报国家发明专利2项。

  胡宁不仅从事无损检测的基础科学研究,还从事该领域应用技术方面的研究,多次与企业合作,共同完成重大课题,为企业的研发创新提供更专业的技术支持。

  为了支撑我国面向2035新能源汽车规划研究以及汽车相关的“十四五”科技规划研究工作,2020年10月,《节能与新能源汽车技术研究路线(2.0版)》正式发布。文件中提到,关于轻量化材料,在未来的十几年,主要增加高强度钢、铝合金、镁合金和碳纤维增强复合材料的用量。汽车轻量化之所以被越来越重视,是因为它是关乎汽车节能减排的核心驱动力,并且随着未来智能汽车的发展和成熟,汽车的结构材料和整体结构都会发生颠覆式的改变。目前,汽车轻量化技术也逐渐成为各大车企打造的核心技术能力。

  受北汽研究总院之托,胡宁带领重庆大学航空航天学院的同事和同学开展了纤维三维编制复合材料的性能评估以及汽车顶梁结构部件的优化设计。其中有一项成果获得中国轻量化大奖赛一等奖,是全国唯一的一等奖。

  胡宁说,传统的金属材料和复合材料的成型工艺差别较大,如果全部使用复合材料,生产线上成型用到的设备也不同。即使对二类材料中均可使用的比较类似的热冲压成型工艺,其成型过程和加工性能也不同,企业要考虑生产成本,故而在进行轻量化升级的同时也要尽量保证生产线的改动不要太大。

  以驾驶员旁边的B柱为例,原来是高强钢材质,但是高强钢不满足轻量化的要求。为了实现高强钢用量的降低,团队利用了变截面的高强钢,即沿B柱方面每个截面的厚度不一样。同时,为了满足B柱两边变形大、中间必须变形小的设计要求,胡宁和团队在变截面高强钢B柱的中间用碳纤维增强复合材料补强,增加结构的刚度和力学强度,同时满足轻量化的要求。但是这两种材料的物理性能、特别是热膨胀系数差别非常大,热冲压成型的结构件中一般会产生较大的残余应力,且现有条件下冲压出的这种高强钢/复合材料结构件会产生较为严重的翘曲变形,加工精度和加工质量都无法得到保障。团队除了通过对高强钢表面进行改性处理和添加纳米增强相以提高高强钢与复合材料之间的界面力学性能以外,还通过对整个高强钢/复合材料结构件共固化过程的高效和高精度的数值模拟,优化热压加工成型过程的温度曲线、压力等各种加工参数,有效降低了残余应力和翘曲变形。

  此外,胡宁和团队还利用纳米碳纤维(VGCF)对传统长碳纤维增强复合材料(CFRP)的层间力学特性进行改良,开发了成本低、操作简单的材料加工和制备工艺,使CFRP复合材料的层间I型和混合型裂纹的断裂韧性和强度均有大幅度提高,如I和II型的断裂韧性和I型强度分别提高了2.7倍、2.4倍和75%;并用类似技术对各类金属纤维层板,如Al合金/CFRP复合材料(CARALL)、Al合金/玻璃纤维增强复合材料GFRP(GLARE)的异种材料界面进行增强增韧,取得了显著的效果。这一卡脖子技术一旦被解决,汽车轻量化技术进程也会迈出坚实的一大步。

  关于轻量化材料及其成型工艺的研究,胡宁不仅研究汽车结构的轻量化,还参与了长江系列的航空发动机风扇叶片和包容机匣的研制,该项目属于两机专项重大研发计划,这是国家启动的投入最大的科研计划之一。

  现在的航空发动机叶片主要是钛合金做的,客机在飞行过程中,发动机风扇叶片的平均转速一般在几千甚至上万转/分钟。随着叶片的日趋大型化,在叶片高速运转的情况下,叶片根部的离心力也会变大,可达到几吨甚至几十吨,相当于几辆大卡车一起拉着叶片时产生的力。叶片长期这样运转,容易发生断裂。如何给叶片减重并降低离心力,从而提高其寿命,这是一个亟待解决的难题。

  目前,也有国外发动机公司的叶片采用的是碳纤维增强复合材料,强度和刚度都比钛合金要高,重量仅是钛合金的1/3,是一种制造未来大型化风扇叶片最具竞争力的技术。在采用碳纤维增强复合材料制备风扇叶片的几种方案中,采用三维机织复合材料是较为合理的方案且满足轻量化的需求,但其对应的RTM成型工艺难度极高。胡宁带领团队开发了可变厚度三维机织复合材料预成型体面内方向和厚度方向的树脂渗透率测试方法和相应的测试装置。完成了多批次叶片三维机织复合材料预成型体的面内和面外渗透率的测试工作。该成果对复合材料风扇叶片的RTM成型工艺具有很大的指导价值和里程碑意义。

  对于复合材料的探索,胡宁不仅仅局限于结构复合材料,十几年前,他就将研究领域延伸到了具有传感功能的复合材料。最近,胡宁和团队研发的新型“离子皮肤”备受学术界瞩目,“离子皮肤”的诞生,可让仿生皮肤更快地实现“人体感知”。

  原来一般的应变或压力传感器是通过材料在变形时诱发的各类电学量的改变来实现传感功能的,如一般的压阻型应变片,它们通常具有导电性、可拉伸和压缩特性,但其性能难以满足生物识别传感器的测量要求和生物相容性。“离子皮肤”是一种可大范围拉伸的人造薄膜,可对压力、光源、温度、拉压等变量产生电响应。因此,胡宁研究的新型“离子皮肤”能智能地模仿人体皮肤的一些典型的感知功能,灵敏度非常高,且这种材料有生物兼容性,附着在小白鼠皮肤表面做实验,可以达到防止紫外线的效果,因此它可与人体皮肤组织长期接触。即使在-30℃的条件下做实验,材料的性能依然很好,具有优异的防冻性能和保水性能。未来,它可以实现在恶劣的环境下对人体运动进行检测且起到医疗保护的目的。对随着研究的深入,“离子皮肤”的传感功能会越来越丰富和强大,越来越接近真实的皮肤。

  “在国内,基础研究做的还是很不错的,很多领域甚至和世界上都是同步的。但是基础研究成果如何能在工业中实际运用起来,这中间是有脱节的。”在国外学习工作多年的胡宁,发出这样的感叹,他表示材料加工工艺方面的研究是企业和高校要去下功夫的地方。譬如就复合材料而言,目前国内复合材料的成品率还是远低于国外,由于碳纤维的材料价格昂贵,它带来的最直接的影响就是企业生产中原材料浪费率很高,大大增加了企业的生产成本。胡宁早就意识到工艺技术短板对整个工业运作的影响,所以他主持参与的很多高校或企业课题都与工艺相关。他说,“工艺问题解决了,不仅汽车行业会受益,航空航天领域也一样会有很大的突破。”

  从事科研工作30余年间,胡宁获得了很多殊荣。国家海外高层次人才,国务院政府特殊津贴专家,“国家基金委杰出青年基金(B类)”获得者,重庆市第三批学术带头人。回国后,尽管管理工作繁重,他对科研工作依然热情不减,从无懈怠,先后承担了包括中国自然科学基金(重点项目)、国家科技重大专项(两机专项)、国家重点研发计划、河北省高层次人才引进等科研项目。现在,胡宁正在积极争取承担更多的国家重点研发计划等重要项目,同时他还在不遗余力地推广国外学到的有益的科研体系和教学方式,希望把国内的高校教育和科研工作带向更好的未来。

  教育部、财政部、国家发展改革委三部委在2018年联合印发的《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》的通知指出,突出一流科研对一流大学建设的支撑作用。充分发挥高校基础研究主力军作用,实施高等学校基础研究珠峰计划,建设一批前沿科学中心。

  胡宁来到河北工业大学后,立足于将河北工业大学从教学型高校向教学/科研并重型高校转变,他决定从制度上开始变革,将老师按团队制进行管理。目前他所在的机械工程学院已经建立9个团队,从全国引进了一批优秀人才作为团队带头人,现在机械学院的国家级人才达到7位。团队还在不断吸纳优秀人才,从事科学研究,带动学术氛围,同时把原来主要从事教学工作的老教师也吸纳到团队里来,在帮助团队中年轻教师在教学方面成长的同时,也开展一定的科学研究。要建设“双一流”大学,学校的职责就不仅仅是人才培养,还要做好科学研究,甚至帮助地方产业转型升级。随着社会赋予高校的职责越来越重,高校对自身的要求也要越来越高。

  担任校领导之后,胡宁身兼数职,他负责学校研究生院和国家唯一的国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心的管理工作,兼任机械工程学院院长,同时还分管学报编辑部及新成立的先进材料测试与分析中心。越是工作繁杂,团队化的运作模式越可以节省精力去做更多的事情。

  “二十多年前,国外的多学科交叉已经非常活跃了,做一个项目,经常是多个学科的老师一起来讨论。”在国外工作多年,胡宁觉得非常受益且亟待在国内高校推广的另一个模式就是多学科交叉。他的团队也在不断吸纳不同学科的年轻人进来,鼓励他们进行合作研究,促进多学科交叉。

  《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》也提到了对本科生的培养,要强化本科教育基础地位,把一流本科教育建设作为“双一流”建设的基础任务。国内对本科生的教育也开始宽口径培养模式,注重学生的综合素质能力的培养。国外同样也是宽口径培养模式,胡宁认为与国内的宽口径培养模式相比,国外对基础课程的重视程度远高于国内。国内在本科生课程设置上,课程有些零散,重要课程的学时和质量得不到保障。他认为为学生未来的发展考虑,基础知识一定要牢靠,根基不稳难以走的长远。

  胡宁来到河北工业大学后,针对教育改革,做了3件事。第一,提高教师素质。引进一批优秀的教师人才,同时对现有教师进行培训,提高教学和科研水平。第二,建立管理机制。原先虽然也有一套管理机制,但是执行不到位,现在要在健全机制的同时,狠抓落实。第三,高校要走产学研合作的模式培养人才。胡宁回国后发现,高校和社会在很多方面的脱节十分严重,企业拥有大量的工程实践经验和先进的技术,高校可以和企业联合培养学生,让学生得到充分的工程实践经验的锻炼。

  胡宁对人才的培养一直十分关注,回国之后他在不遗余力地践行这些年来在国外学到的好的培养模式与管理模式,大刀阔斧打破“围墙”,开拓中国高等教育新局面。

  回望过去,经验传承

  尽管胡宁在学术上取得了很多令人瞩目的成绩,但他依然谦逊地说,他只是一名平凡的教师,算不上一个成功者。回望这些年的教学和科研经历,胡宁觉得自己所获得的一点点成绩源于自己终身学习的习惯和永远对外界保持好奇的精神状态。

  在几十年前,开拓一个新的领域,相应的研究可以做二三十年。今天,随着科研人员队伍的不断壮大,研究工具越来越先进,网络的普及带动了技术的共享,即使一个新的研究领域,它的生命周期也大大缩短,快则5年就结束了,再慢也不会超过15年。“知识爆炸的年代,很多新的东西很快就会涌现出来,如果你没有终身学习的习惯和能力,那么很难跟上时代前进的步伐。”

  胡宁还一直强调无论是他求学还是后来搞教学和科研,无论是在国内还是在国外,他都很幸运,遇到了很多贵人,给予了他很多宝贵的帮助。如今他变得有能力,他也在尽己所能帮助年轻人,让他们获得更多机会,更快成长。

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