日前，在上海舉行的中國(guó)國(guó)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)?wèi){借在微秒級(jí)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，筆者采訪了“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

在重慶大學(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(shuō)，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(guó)家級(jí)科研平臺(tái)，大一時(shí)，我就對(duì)輸變電裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究的電磁力產(chǎn)生了興趣。”熊家露說(shuō)，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(guó)家級(jí)科研平臺(tái)和教學(xué)平臺(tái)，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(guó)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，熊家露不僅學(xué)習(xí)電磁成形技術(shù)相關(guān)知識(shí)，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)。

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(chǎng)，迫使坯料在電磁力作用下，高速成形的一種方法。”熊家露拿起桌子上一塊前不久才成形的鈦合金片向筆者展示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熊家露發(fā)現(xiàn)對(duì)于導(dǎo)電性較差的鈦合金來(lái)講，電磁成形非常困難，她就萌生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)院趙婉妤等本科生們組建起“磁鈦科技”團(tuán)隊(duì)。

經(jīng)歷無(wú)數(shù)次測(cè)試

曾發(fā)生過(guò)局部爆炸

但做科研并非一帆風(fēng)順，尤其是對(duì)一個(gè)本科生團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，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。”周言說(shuō)，比如，鈦合金就難以在電磁場(chǎng)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(wàn)分之一左右的時(shí)間內(nèi)，對(duì)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(guò)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(jí)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(wú)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(wú)數(shù)次測(cè)試。”熊家露說(shuō)，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。”

馬欽仕說(shuō)，還有一次，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(guò)電源線造成了實(shí)驗(yàn)室跳閘，還燒壞了門衛(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，使團(tuán)隊(duì)成員的情緒很是低落。“受挫感肯定有，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，一起改進(jìn)方案。”

在設(shè)計(jì)鈦合金管件電磁力機(jī)構(gòu)時(shí)，要先通過(guò)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(wèn)題

“這次能拿下國(guó)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)。”獲獎(jiǎng)后，熊家露在與團(tuán)隊(duì)成員總結(jié)時(shí)分析道。

她說(shuō)，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(guò)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(zhǎng)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(wèn)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(shì)，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(shuō)，未來(lái)，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(jí)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(wèn)題。