科學(xué)研究：

研究方向：

從事微納米尺度顆粒的力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等方面的研究工作。 

承擔(dān)科研項(xiàng)目情況：

先后在新南威爾士大學(xué)教授、澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士余艾冰，悉尼大學(xué)教授、英國(guó)皇家科學(xué)院和工程院院士、澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士米耀榮（Yiu-Wing Mai），英國(guó)伯明翰大學(xué)教授Michael Adams院士和Zhibing Zhang院士，倫敦大學(xué)學(xué)院教授Kwang-Leong Choy等課題組以科研骨干身份參與了澳大利亞ARC、瑞士DSM企業(yè)資助、英國(guó)EPSRC等4項(xiàng)科研項(xiàng)目。

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科研成果：

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發(fā)明專利：

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論文專著：

出版專著：

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發(fā)表中文論文：

1． Weifu Sun, Qinghua Zeng, Aibing Yu* and Kevin Kendall, Calculation of Normal Contact Forces between Silica Nanospheres. Langmuir, 2013, 29 (25), 7825-7837.

2． Weifu Sun, Qinghua Zeng, Aibing Yu*, Calculation of Non-Contact Forces between Silica Nanospheres. Langmuir, 2013, 29 (7), 2175-2184.

3． Weifu Sun*, The Dynamic Effect on Mechanical Contacts between Nanoparticles. Nanoscale, 2013, 5 (24), 12658-12669.

4． Weifu Sun, Interaction Forces between a Spherical Nanoparticle and a Flat Surface. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16 (12), 5846-5854.

5． Qinghua Li*, Xiao Jin, Ying Yang, Haonan Wang, Haijiao Xu, Yuanyuan Cheng, Taihuei Wei, Yuancheng Qin, Xubiao Luo, Weifu Sun*, Shenglian Luo*,Nd2(S, Se, Te)3 Colloidal Quantum Dots: Synthesis, Energy level alignment, Charge transfer dynamics and Their Applications to Solar Cells, 2016, Advanced Functional Materials, 26(2), 254-266.

發(fā)表中文期刊論文：

[1]徐文,武小雷,孫偉福.聚合物/層狀礦物納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2016,44(05):769-779.

榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)：

1、2019年入選中組部第15批海外高層次人才支持計(jì)劃。

2、2016年英國(guó)皇家工程院Research fellowship提名獎(jiǎng)。

3、2013年獲UNSW PRSS科研獎(jiǎng)勵(lì)。

4、第4屆WSEAS國(guó)際納米科技會(huì)議納米組最佳論文獎(jiǎng),

5、2012年2月22-24日，英國(guó)劍橋。

6、2012 澳大利亞新南威爾士大學(xué)Postgraduate Research Student Support Scheme (PRSS)。

7、2008 澳大利亞新南威爾士大學(xué)全額獎(jiǎng)學(xué)金攻讀博士學(xué)位。

8、2005 共青團(tuán)山東省委和全國(guó)學(xué)聯(lián)聯(lián)合頒發(fā)“2015屆山東高校優(yōu)秀畢業(yè)生”。

9、2003 首屆中國(guó)國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金。

媒體報(bào)道：

執(zhí)著無(wú)悔 筑夢(mèng)力學(xué)—

—記北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授孫偉福

孫偉福教授

什么是微納米界面力學(xué)？什么又是復(fù)合材料力學(xué)？

對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，納米力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)是枯燥無(wú)味、抽象難懂的。但對(duì)于北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授孫偉福來(lái)說(shuō)，這些都是他科研路上不可或缺的元素，也是十分神奇而有重大價(jià)值的研究領(lǐng)域。

早在20世紀(jì)60年代初期，科研人員就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)界面力學(xué)展開(kāi)系統(tǒng)研究。此后多年里，界面問(wèn)題的熱度一直不曾減弱，也相繼引起了眾多科研學(xué)者的關(guān)注。隨之，研究角度也稍有變化，逐漸從宏觀性能推進(jìn)到了細(xì)觀層次的分析上。

白駒過(guò)隙，隨著時(shí)間的流逝，研究人員對(duì)界面力學(xué)的研究程度仍在不斷加深，正如對(duì)各類物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)開(kāi)始深入到分子、原子等深層次一樣，界面力學(xué)也是如此。從微納米角度來(lái)看，界面力學(xué)涉及的學(xué)科領(lǐng)域更為廣泛，影響界面性能的因素也更多。彼時(shí)，已經(jīng)在微納米尺度顆粒力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等方面研究多年的孫偉福表示，在該領(lǐng)域里還有很多亟待解決的問(wèn)題，仍需進(jìn)一步揭開(kāi)其中的奧秘。

走在這條揭秘之路上，孫偉福默默堅(jiān)持扎根在微納米界面力學(xué)這片土壤上，從初次跨入科研的門檻，到后來(lái)逐漸得心應(yīng)手，他始終深耕不綴，熱情不減。近年來(lái)，相繼取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，為界面作用力調(diào)控在能源轉(zhuǎn)換器件、復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了的一定的理論借鑒，一點(diǎn)點(diǎn)詮釋著一名科研學(xué)者的初心與堅(jiān)守。

開(kāi)啟微納米界面力學(xué)之旅

這些年，孫偉�；�本都是在和微納米尺度顆粒的力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等研究領(lǐng)域打交道，多年的海外求學(xué)與工作生涯，也為他積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)�？苫赝�過(guò)去，在臨近碩士畢業(yè)時(shí)，孫偉福差一點(diǎn)就要與科研“失之交臂”了。那時(shí)，擺在孫偉福面前的有兩條路，一是繼續(xù)堅(jiān)持科研，二是開(kāi)始尋找工作機(jī)會(huì)。就在他為此頗為苦惱之際，華僑大學(xué)碩士生導(dǎo)師陳國(guó)華的建議讓他眼前一亮，找到了新的人生方向。于是，在導(dǎo)師的推薦下，2008年，他來(lái)到澳大利亞新南威爾士大學(xué)在澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士余艾冰指導(dǎo)下攻讀博士，開(kāi)始接觸微納米尺度顆粒的力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等方面的研究。

十年磨一劍，礪得梅花香

“我能夠進(jìn)入微納米界面力學(xué)及應(yīng)用這一研究領(lǐng)域，都是碩士時(shí)期導(dǎo)師的功勞�！睂O偉福坦言。進(jìn)入博士研究后，孫偉福積累了重要且豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，隨著研究的不斷深入，他也對(duì)該學(xué)科有了新的認(rèn)識(shí)，逐漸開(kāi)始對(duì)這一領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了探索興趣。

根據(jù)該學(xué)科研究背景，他了解到在高速?zèng)_擊等動(dòng)態(tài)載荷的作用下，速度往往可以達(dá)到每秒幾百米甚至幾千米，而在這種情況下，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜響應(yīng)，如何理解材料被破壞損傷的機(jī)理、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高速?zèng)_擊下材料力學(xué)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)孫偉福來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

其實(shí)，科學(xué)家很早就注意到這一問(wèn)題，也早早針對(duì)材料內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的捕捉這一難點(diǎn)展開(kāi)研究。而這種問(wèn)題很接地氣，在實(shí)際生活中也很常見(jiàn)。比如飛機(jī)、超高層建筑、橋梁、隧道等飛行器和建筑，隨著時(shí)間的推移，隨時(shí)都有可能要承受變化劇烈的動(dòng)態(tài)載荷，像飛鳥(niǎo)撞擊、地震、沖擊、爆炸等。為此，科研人員想到通過(guò)研發(fā)具有抗沖擊抗爆炸性能的防護(hù)材料，來(lái)為這些建筑結(jié)構(gòu)和飛行器提供結(jié)實(shí)的“安全防護(hù)罩”。在傳統(tǒng)上，爆炸、沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)材料大都是會(huì)采用鋼板、高分子復(fù)合等多層材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，盡管應(yīng)用效果良好，但防患于未然，研究人員還是希望能夠?qū)⒉煌�類型材料各自的�?yōu)點(diǎn)匯聚在一起，開(kāi)發(fā)出一種梯度結(jié)構(gòu)防護(hù)材料，更好地滿足國(guó)防需求。

經(jīng)過(guò)一番艱難調(diào)研，研究人員將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)高分子基復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)該材料能充分利用不同材料的優(yōu)點(diǎn)，使自身具有高強(qiáng)度、質(zhì)輕、導(dǎo)電或絕緣等不同的優(yōu)異性能，完全可以滿足研發(fā)需求。但是如何通過(guò)多級(jí)界面作用力調(diào)控實(shí)現(xiàn)填充填料對(duì)高分子基體的協(xié)同增韌是目前急需解決的問(wèn)題。

孫偉福也加入了這項(xiàng)挑戰(zhàn)中，針對(duì)Hamaker模型不適用于納米顆粒體系這一缺陷，他與團(tuán)隊(duì)齊心協(xié)力，攻關(guān)克難，他們了解到Hamaker模型之所以不能用于納米顆粒體系中，是由于該模型是在連續(xù)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，這樣一來(lái)就會(huì)忽略顆粒的表面效應(yīng)和原子的離散結(jié)構(gòu)，而且該模型還做了假設(shè)，將顆粒視作為不可壓縮的剛性體。

為此，孫偉福與團(tuán)隊(duì)從分子動(dòng)力學(xué)入手，針對(duì)Hamaker模型不適用于納米顆粒體系這一缺陷，深入研究了Hamaker模型在納米尺度上失效的原因，隨后提出了一種普適性的納米顆粒間非接觸力的計(jì)算模型，解決了納米顆粒間非接觸力的定量計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)更大尺度的計(jì)算機(jī)模擬納米顆粒體系行為奠定了基礎(chǔ)。研究成果發(fā)表在Langmuir、Physical Chemistry Chemical Physics、Powder Technology等期刊上。

與沈巖松教授、楊潤(rùn)宇教授合影

深入探索求真知

接下來(lái)，孫偉福繼續(xù)推進(jìn)研究步伐。由于在高應(yīng)變率等極端動(dòng)態(tài)環(huán)境下，非平衡局域化的應(yīng)力波會(huì)對(duì)接觸力學(xué)行為和材料結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生一定影響，再加上連續(xù)介質(zhì)接觸力學(xué)模型是在準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)下且基于大尺度顆粒而推導(dǎo)出的理論公式。因此，在準(zhǔn)靜態(tài)尤其是動(dòng)態(tài)載荷下，接觸力學(xué)模型在納米尺度上是否有效還是一個(gè)未知數(shù)。為了打破未知的迷局，孫偉福與團(tuán)隊(duì)推陳出新，提出運(yùn)用全原子分子動(dòng)力學(xué)對(duì)其進(jìn)行證實(shí)，他們從分子水平重新定義了“接觸”的概念，最終確認(rèn)了接觸力學(xué)模型在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷狀態(tài)下，在納米尺度上的適用極限。

這一重要突破性成果得到了包括德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué)教授Herbert M. Urbassek、清華大學(xué)教授馮西橋在內(nèi)的多位國(guó)際國(guó)內(nèi)著名力學(xué)專家的高度認(rèn)可和引用。還引起了美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)（ASME）、航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）會(huì)士、華盛頓州立大學(xué)教授Robert F. Richards等國(guó)際著名專家學(xué)者的關(guān)注。

與此同時(shí)，孫偉福團(tuán)隊(duì)還針對(duì)材料力學(xué)領(lǐng)域里另一熱點(diǎn)和難點(diǎn)展開(kāi)研究。如今，復(fù)合材料薄膜層是太陽(yáng)能板、鋰電池等新能源材料中的重要結(jié)構(gòu)，但其表面總會(huì)產(chǎn)生皺紋、褶皺等失穩(wěn)現(xiàn)象，一旦遭遇針孔缺陷、斷裂、屈曲或脫落等破壞行為時(shí)，就會(huì)發(fā)生漏電或短路等嚴(yán)重狀況，常會(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)功能完全失效。對(duì)此，孫偉福因地制宜，開(kāi)始對(duì)電子傳輸層的能級(jí)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料薄膜性能進(jìn)行調(diào)控。他結(jié)合理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究，先是通過(guò)施加機(jī)械力、熱力，后又通過(guò)改變其磁場(chǎng)力（摻雜）載荷等方法，逐一進(jìn)行嘗試。經(jīng)過(guò)一番艱難攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)最終揭示了半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)、電荷傳輸與器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，提高了不同層之間的電荷傳輸和光吸收效率，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能器件性能。

回歸祖國(guó)執(zhí)著前行

了解孫偉福后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)光的打磨，他依然對(duì)科研抱有最大的熱忱，更希望將這份熱忱回報(bào)祖國(guó)。2017年11月，孫偉福受邀參加了第三屆北京理工大學(xué)“特立論壇”，正是通過(guò)這次論壇，他對(duì)北京理工大學(xué)的學(xué)校歷史、學(xué)科特色，尤其是機(jī)電學(xué)院的學(xué)科優(yōu)勢(shì)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

北京理工大學(xué)“特立論壇”旨在為海內(nèi)外青年學(xué)者搭建一個(gè)思想碰撞和學(xué)術(shù)交流的平臺(tái)，它聚焦國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，將一批在海內(nèi)外獲得較高學(xué)術(shù)成果、具有較好創(chuàng)新發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)秀青年人才集聚一堂，一方面可以通過(guò)學(xué)術(shù)報(bào)告和深度研討開(kāi)拓視野，另一方面還能增進(jìn)海內(nèi)外青年學(xué)者對(duì)北京理工大學(xué)的了解。

“如今，我國(guó)的科研已經(jīng)在很大程度上和國(guó)際接軌了，我覺(jué)得國(guó)內(nèi)的發(fā)展機(jī)會(huì)更多�！北е�這樣的想法，2018年1月，孫偉福回國(guó)加入北京理工大學(xué)開(kāi)展工作，在爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)的支持下，他已經(jīng)初步開(kāi)展了高速?zèng)_擊下材料動(dòng)力學(xué)行為的微觀機(jī)理研究，并打算在此基礎(chǔ)上，再開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型的抗沖擊抗爆炸防護(hù)材料。

研究高速?zèng)_擊下材料動(dòng)力學(xué)行為的微觀機(jī)理具有重要的實(shí)際意義，而且從分子水平角度理解動(dòng)載載荷下的破壞損傷機(jī)理，對(duì)安全防護(hù)材料的設(shè)計(jì)、納米自組裝復(fù)雜的微納米裝置等多方面都具有重要的指導(dǎo)意義。此前，科研人員大都是利用連續(xù)介質(zhì)理論模型進(jìn)行研究，但其存在諸多弊端。究其原因，其一該理論模型是在準(zhǔn)靜態(tài)或者碰撞速度較低的情況下推導(dǎo)出的，其二它還忽略了分子間的作用力、原子的離散結(jié)構(gòu)及其表面效應(yīng)等因素，因此并不能應(yīng)用到納米尺度。

為此，孫偉福與團(tuán)隊(duì)決定依托北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)這一平臺(tái)，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)來(lái)系統(tǒng)研究在高速?zèng)_擊、非受限邊界條件下的材料晶型、接觸力學(xué)行為、材料性能與亞微觀結(jié)構(gòu)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。此外，還需要采用合適的反應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)一步研究在高速高溫等極端條件下，對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了何種影響。而為了驗(yàn)證分子模擬的結(jié)果，孫偉福心中也早有打算，他認(rèn)為可以基于球形顆粒與剛性平面基底這一構(gòu)型，利用高速照相機(jī)、高速運(yùn)動(dòng)分析儀等技術(shù)來(lái)研究彈性恢復(fù)系數(shù)對(duì)尺寸和速度的依賴性。

科研是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，絕不能急于求成。孫偉福表示，在弄清楚動(dòng)態(tài)載荷下的破壞損傷機(jī)理后，下一步便要開(kāi)始著手研究怎樣設(shè)計(jì)復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，努力使其得到實(shí)際應(yīng)用。但想要通過(guò)界面調(diào)控設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具備高強(qiáng)度、高韌性高分子的復(fù)合材料并不是一件易事，此前，孫偉福已經(jīng)在復(fù)合材料研究領(lǐng)域里積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。碩士期間，他在石墨烯表面鍍銀方向上展開(kāi)了一系列研究。隨后在悉尼大學(xué)（導(dǎo)師：英國(guó)皇家科學(xué)院和工程院院士、澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士米耀榮，Yiu-Wing Mai）和伯明翰大學(xué)（導(dǎo)師：英國(guó)皇家工程院院士Michael Adams和英國(guó)皇家工程院院士Zhibing Zhang）進(jìn)行博士后工作期間，他則主要從事高分子復(fù)合材料力學(xué)的研究。目前，在這兩方面的研究基礎(chǔ)上，他計(jì)劃通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)和有限元等方法，充分利用不同碳納米材料間、碳納米材料與SEBS納米橡膠間的多級(jí)協(xié)同作用，通過(guò)改變不同組分含量，來(lái)模擬和測(cè)試復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性等準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試及抗沖擊強(qiáng)度的相關(guān)力學(xué)性質(zhì)和沖擊動(dòng)力學(xué)行為。此后，在具體的實(shí)驗(yàn)和建模過(guò)程中，還要做到固定磺化SEBS的含量和碳納米材料的質(zhì)量百分比，通過(guò)改變石墨烯與碳納米管的比值，對(duì)高分子復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)而就可以通過(guò)改變碳納米材料和高分子基體的比值，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。

只要敢想敢做，就一定會(huì)有收獲。在科技領(lǐng)跑世界的今天，孫偉福不僅一直懷揣科研夢(mèng)想，不懈追求，更會(huì)在未來(lái)繼續(xù)踏實(shí)勤勉地奔馳在納米力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)的研究道路上，永不停歇。 

2019年昆士蘭大學(xué)海外招聘宣講合影

專家簡(jiǎn)介：

孫偉福，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。長(zhǎng)期從事微納米尺度顆粒的力學(xué)行為、復(fù)合材料力學(xué)及多尺度數(shù)值模擬等方面的研究工作。2012年底從澳大利亞新南威爾士大學(xué)獲得博士學(xué)位，先后在新南威爾士大學(xué)教授、澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士余艾冰，悉尼大學(xué)教授、英國(guó)皇家科學(xué)院和工程院院士、澳大利亞科學(xué)院和工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士米耀榮（Yiu-Wing Mai），英國(guó)伯明翰大學(xué)教授Michael Adams院士和Zhibing Zhang院士，倫敦大學(xué)學(xué)院教授Kwang-Leong Choy等課題組以科研骨干身份參與了澳大利亞ARC、瑞士DSM企業(yè)資助、英國(guó)EPSRC等4項(xiàng)科研項(xiàng)目。他在納米力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)等領(lǐng)域取得了若干創(chuàng)新性成果。近5年來(lái)，在國(guó)際期刊上已發(fā)表SCI論文42篇，目前已收錄40篇，其中以第一作者或者通訊作者（包括共同）發(fā)表32篇SCI論文。此外，他曾在2013年獲UNSW PRSS科研獎(jiǎng)勵(lì)；2016年作為University of Birmingham提名的兩位候選人之一參評(píng)英國(guó)皇家工程院的青年科研基金（RAE Research fellowship）。2019年入選中組部第十五批海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃。

來(lái)源：科學(xué)中國(guó)人 2019年7月下