你知道鈦合金嗎？
其實(shí)，它離我們并不遙遠(yuǎn)。比如，近期多款熱門智能手機(jī)產(chǎn)品均有鈦合金材料應(yīng)用。和傳統(tǒng)金屬材料相比，鈦合金材料具有更輕的重量、更好的性能，能長期服役于高溫、高壓以及腐蝕環(huán)境中。
▲鈦合金材料。記者鄭宇攝
前不久，在上海舉行的中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽（2024）總決賽中，重慶大學(xué)“磁鈦科技”團(tuán)隊(duì)就憑借在微秒級鈦合金電磁成形設(shè)備方面的領(lǐng)先研究，斬獲高教主賽道金獎(jiǎng)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)是如何“玩轉(zhuǎn)”鈦合金的？近日，記者采訪了“磁鈦科技”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院大四學(xué)生熊家露和她的隊(duì)員們。
15名跨專業(yè)本科生組隊(duì)攻克鈦合金電磁成形難題
10月25日中午，重慶大學(xué)A區(qū)電氣工程學(xué)院先進(jìn)電磁制造實(shí)驗(yàn)室，戴著眼鏡、扎著馬尾辮的熊家露正在做著電磁成形實(shí)驗(yàn)。
雖然實(shí)驗(yàn)室不足20平方米，擺放其間的實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材，卻是她和團(tuán)隊(duì)成員們的“寶貝”。
為何選電氣工程？“可能是因?yàn)槲覑壅垓v吧，從小就喜歡‘霍霍’家里的遙控汽車、遙控器，把它們一次次完全拆解又安裝回去。”熊家露說，當(dāng)然，大部分時(shí)候都裝不回去，或者裝回去了也用不了了。于是，在高考填報(bào)專業(yè)志愿時(shí)，她選擇了電氣工程。
“我們學(xué)院有3個(gè)國家級科研平臺，大一時(shí)，我就對輸變電裝備技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究的電磁力產(chǎn)生了興趣?！毙芗衣墩f，幸運(yùn)的是，為推進(jìn)新工科建設(shè)，學(xué)校向全校學(xué)生開放了國家級科研平臺和教學(xué)平臺，于是，她就抱著試一試的心態(tài)，進(jìn)入了輸變電裝備技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)電磁制造團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)。
此后，熊家露就像海綿一樣，不僅學(xué)習(xí)電磁成形技術(shù)相關(guān)知識，還跟著老師和師兄師姐們開展鋁合金等導(dǎo)電性好、易變形金屬的電磁成形實(shí)驗(yàn)。
▲重慶大學(xué)A區(qū)電氣工程學(xué)院先進(jìn)電磁制造實(shí)驗(yàn)室，團(tuán)隊(duì)正在做實(shí)驗(yàn)。記者鄭宇攝
到底什么是電磁成形？“電磁成形就是利用瞬間的高壓脈沖磁場，迫使坯料在電磁力作用下，高速成形的一種方法?！毙芗衣赌闷鹱雷由弦粔K前不久才成形的鈦合金片向記者展示。
在實(shí)驗(yàn)過程中，熊家露發(fā)現(xiàn)對于導(dǎo)電性較差的鈦合金來講，電磁成形非常困難，她就萌發(fā)了攻克鈦合金電磁成形這一難題的想法。
在一次討論中，她勇敢地提出了自己的這一想法，沒想到得到老師和師兄師姐們的肯定。在指導(dǎo)老師周言的鼓勵(lì)下，她和機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院馬欽仕、電氣工程學(xué)院湯靖、環(huán)境與生態(tài)學(xué)院李穎、經(jīng)濟(jì)與工商管理學(xué)院趙婉妤等其他本科生們組建起“磁鈦科技”團(tuán)隊(duì)。
經(jīng)歷無數(shù)次測試，曾發(fā)生過局部爆炸、燒壞門衛(wèi)的電視
但做科研并非一帆風(fēng)順，尤其是對一個(gè)本科生團(tuán)隊(duì)來說，更難。
“由于鈦合金通常是六方最密堆積結(jié)構(gòu)、原子排列緊密，其變形抗力大，成形并非易事?！敝苎哉f，比如，鈦合金就難以在電磁場中感應(yīng)足夠使其成形的電磁力。
如果要產(chǎn)生足夠的電磁力，需要在眨一次眼睛的萬分之一左右的時(shí)間內(nèi)，對脈沖波形進(jìn)行控制，讓脈沖波形更為陡峭。這就需要團(tuán)隊(duì)的研究從電路結(jié)構(gòu)、電磁力機(jī)構(gòu)、連接裝置等從頭開始設(shè)計(jì)，同時(shí)配合所需絕緣強(qiáng)度開展仿真與實(shí)驗(yàn)研究，逐步攻克電路優(yōu)化降低雜散參數(shù)、電磁成形過程仿真模型精準(zhǔn)計(jì)算、組合式線圈間的絕緣與電磁力分布優(yōu)化等難題，最終才能研制出微秒級鈦合金電磁脈沖成形設(shè)備。
以組合式線圈間的絕緣與電磁力分布優(yōu)化為例，熊家露和隊(duì)員們需要合理地設(shè)計(jì)線圈之間的間距與絕緣，線圈之間隔得太遠(yuǎn)無法將電磁力有效疊加，導(dǎo)致能量損耗；當(dāng)間距太近又容易造成絕緣材料電擊穿，導(dǎo)致設(shè)備損壞。
“為得到這個(gè)平衡值，我們做了無數(shù)次測試。”熊家露說，去年夏天，為了實(shí)現(xiàn)電磁力更好疊加，減少能量損耗，團(tuán)隊(duì)中的一位小伙伴將線圈之間的距離設(shè)置得太近，而熊家露為了提高電磁力，又將工作電壓設(shè)置得較高，導(dǎo)致線圈間的絕緣材料瞬間被擊穿，造成局部爆炸并發(fā)出巨大的聲響，讓他們瞬間耳鳴，就連實(shí)驗(yàn)室窗戶玻璃都被震得哐哐作響，“有個(gè)女生直接被嚇哭了?！?/p>
▲團(tuán)隊(duì)正在做實(shí)驗(yàn)。記者鄭宇攝
馬欽仕還給記者講了一個(gè)故事：有一次，他們觸發(fā)源的導(dǎo)線外皮由于經(jīng)常彎折，破了個(gè)小口，接線時(shí)都沒留意。大家并沒有在意，在實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)線破口處與觸發(fā)源的金屬外殼直接接觸發(fā)生了短路放電，瞬時(shí)的短路大電流通過電源線造成了實(shí)驗(yàn)室跳閘，還打壞了門衛(wèi)師傅的電視。
在攻克線圈絕緣強(qiáng)度與工作電壓的配合難題時(shí)，實(shí)驗(yàn)總是失敗，停滯的進(jìn)度和屢屢擊穿破損的線圈，讓團(tuán)隊(duì)成員很是低落?！笆艽旄锌隙ㄓ?，但哪有隨隨便便的成功，我很快調(diào)整了自己的心態(tài)，并第一時(shí)間與團(tuán)隊(duì)成員溝通，一起制定改進(jìn)計(jì)劃。”
在設(shè)計(jì)鈦合金管件電磁力機(jī)構(gòu)時(shí)，要先通過有限元仿真軟件進(jìn)行模擬，但仿真模型一直難以收斂。于是，那段時(shí)間，熊家露便泡在實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)周期，反復(fù)學(xué)習(xí)調(diào)試模型參數(shù)。在仿真完成確定具體結(jié)構(gòu)后，為了節(jié)約時(shí)間以及方便溝通，熊家露又與團(tuán)隊(duì)成員跑去機(jī)械加工廠陪師傅一起加工。
找準(zhǔn)企業(yè)需求，解決實(shí)際問題
“這次能拿下國賽金獎(jiǎng)和重慶賽區(qū)冠軍，與我們這個(gè)項(xiàng)目既攻克技術(shù)，又契合企業(yè)實(shí)際需求有關(guān)?！鲍@獎(jiǎng)后，熊家露在與團(tuán)隊(duì)成員總結(jié)時(shí)分析道。
她說，團(tuán)隊(duì)一開始只是聚焦于技術(shù)的突破，但該技術(shù)是否契合企業(yè)需求？是否能真正解決企業(yè)遇到的實(shí)際難題？他們并未多想。
在此次參賽過程中，另一位項(xiàng)目指導(dǎo)老師、市教委就業(yè)創(chuàng)業(yè)專家?guī)鞂?dǎo)師王鵬飛就帶他們走進(jìn)賽力斯、長安等企業(yè)生產(chǎn)一線進(jìn)行調(diào)研實(shí)踐，了解企業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，更精確地找準(zhǔn)企業(yè)的需求。
“鈦合金具有強(qiáng)度高、耐性好等優(yōu)勢，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)、航空航天與生物醫(yī)療等領(lǐng)域。”熊家露說，未來，她將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深耕鈦合金電磁成形領(lǐng)域，不斷升級迭代技術(shù)，繼續(xù)開發(fā)智能化、數(shù)字化鈦合金電磁成形設(shè)備，助力鈦合金等低電導(dǎo)率、難變形金屬的應(yīng)用推廣，幫助企業(yè)解決實(shí)際生產(chǎn)問題。
