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姚建华:科研即艺术

发布时间:2020-11-09 11:44:06 次浏览

“如果要解决一个复杂的工程问题,我们需要的是公式、方法还是思维?”

在每年的新生第一课上,浙江工业大学机械工程学院院长、激光先进制造研究院院长姚建华教授都会提出这个问题。

但他并不要求学生立即给出自己答案,而是希望能启发学生找准自己的学习定位,能在浙江工业大学学习、科研、生活的互动中,通过文学音乐与公式推理的融合,获得想象、创新和突破的方法,逐渐形成自己独特的创新思维,进而影响他们的一生。这正如姚建华教授的求学和科研工作的经历。

 

一、名牌本科毕业考上“普通院校”研究生

当意识到采访活动要面临镜头时,姚建华率真地询问“我是否需要把夹克脱下?”

儒雅的姚建华就是这样时常嘴角含笑,笑意内敛却真诚直率。他喜欢把工作建立在严密的研究中,却也是时常半夜突发奇想将想法付诸实践的“急先生”,思维丰富又不失严谨逻辑、大胆创新又内敛低调、目标专一又能触类旁通。

1987年,22岁的姚建华刚从浙江大学材料科学与工程专业本科毕业,毕业后来到了陕西机械学院(现西安理工大学)就读研究生。这样的选择让人有些不可思议,但却是他反复考虑的结果。

在材料领域求学时,姚建华一直在探求新的领域,隐约意识到材料和激光的交叉融合必将拥有未来制造技术的广阔前景,并从国外报道获悉,材料的激光加工技术有望颠覆传统的制造业。

“当时在陕西机械学院任教的黄积荣教授为了寻求提升汽车发动机性能,成为国内首批开辟激光与材料相互作用新研究领域的业界权威之一,所以后来我成为他的硕士研究生一点也不奇怪。”姚建华回忆,“从此,我就毫不犹豫地踏上了激光技术的寻梦之旅”。

也正是黄积荣教授的推荐,姚建华日后结识了西安交通大学从事机械加工的周家瑾教授和中科院上海光机所从事激光加工技术的苏宝蓉教授,这也为姚建华构建了材料、机械与光学等的交叉知识结构,日后成为中国激光加工技术领域的领军人物奠定了基础。至今,他依然时常与年近九旬的苏宝蓉教授在科研项目及产业化应用方面促膝长谈。

 

二、二十年一以贯之

无论是求学,还是科研,姚建华都有一条异常清晰的主线,他不断求索,一以贯之。

1993年,在国企历练三年后,姚建华进入浙江工业大学工作,成为年轻的讲师。为了追寻自己的“激光梦想”,他的第二步是创立学校“激光加工技术工程研究中心”(本文简称“激光中心”),建设一个像模像样的实验室。

姚建华回忆,当时国内对激光加工的研究一直停留在实验室阶段,虽然发表有不少论文,但看不到实际应用,这里面一定存在需要突破的瓶颈。

于是,在1994年,他第一次向学校递呈了“特色发展我校相关学科,建立激光加工中心”的建议报告。当时这一想法新颖、前卫,学校又没有任何基础,直至2000年,随着他当时科研水平和教学能力逐步得到学界和业界的认可肯定,学校投入300万元启动资金,校“激光中心”终于获批成立。校领导对中心充满期待,提出五年内要“冒出泡来”。

为了早日实现“冒泡”的承诺,起步比想象的要艰难的多。首先要解决自身运行的问题,学校给了300万元,再也不好意思去要更多的钱了,需要实现“自我造血”。由于当时几乎没有人知道激光技术,姚建华开始当起了技术销售员,开始天天翻黄页薄、打电话、摆地摊,密集联络和登门探访了一家又一家企业。于是,黄页薄被翻烂,吃闭门羹、探访企业荒郊迷路成为家常便饭,白天跑企业,晚上回来加班做实验。“我不要你们一分钱,只要给我样品试验就可以”,当时的姚建华裤兜里只剩坐公交车的几个零钱。一天又一天,终于,企业的大门被撬开。杭州汽轮机厂就是其中一家,当用激光淬火成功替代了火焰淬火,为企业减少20%的报废后,企业就主动上门了,就这样赢得了杭州汽轮机、张小泉刀具、东阳缝纫机针板、吉利摩托车、余姚模具等一家又一家企业的信任, “最热闹的时候,企业送来的样品摆满了实验室外面的走廊”。 技术终于开始推开,姚建华没向学校再要一分运行费用。

姚建华带领团队不仅出色地完成了学校给出的各项指标,而且比预定“冒泡”的时间整整提前了两年,实现了追寻自己“激光梦想”的第三步,获得了企业的认可。

如今,经历了20年风雨的激光中心成为浙江工业大学对外展示形象、科研实力的一个标志性窗口。

“从2000年到2010年的‘第一个十年’,用激光加工替代了传统加工,实现了从无到有的市场批量化应用”,姚建华团队对叶片、模具、刀具、汽缸等基础件的制造升级,这个十年是艰苦积累的十年,“我几乎摸遍了当时仅有的一台CO2激光器上的每一颗螺丝钉。”下一个十年,他们在激光加工的基础上,突破了外加电磁场、动能场等“多能场”复合激光制造技术,实现了激光加工“从有到好”的技术升级,并用于我国高端制造领域,如大型发电机组、航空发动机等,这一个十年是上新台阶的十年,激光中心成为国内外在该领域有影响力的研究机构。

自激光中心创建以来,姚建华团队瞄准激光表面改性方向,潜心研发,先后承担了国家支撑计划、国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作项目等一百余项课题。经过20多年时间的积累,先后获得国家科学技术进步二等奖、中国机械工业科学技术一等奖和浙江省科学技术一等奖、浙江省技术发明一等奖等多项科技奖励,在校企合作、科研成果转化等方面取得了优异战绩。

不为人知的是,姚建华有机会离开教授岗位,成为亿万富翁。

 

三、唾手可得的“亿万富翁”

技术和产业的深度结合往往代表着市场价值。姚建华的科研领域恰恰是中国制造业的痛点和难点。由于激光加工技术更多用在大型汽轮机、工模具、化工装备等高端部件的生产领域,这些高端部件往往依赖进口。

上海汽轮机厂是中国生产大功率发电机机组的三大动力之一,作为发电机组传动系统基础部件的叶片,在一台机组上分布一千多支,而末级叶片在高速运转中易产生水蚀,影响整机的性能,而每支叶片更换的价格相当于一辆奥迪轿车。由于外方公司的垄断与限制,我方不得不高价购置,叶片的抗水蚀技术成为我方“卡脖子”技术。

于是,上海汽轮机厂的技术人员找到了姚建华,提出了自主开发的要求。

姚建华团队凭着多年积累的经验,终于在2007年攻克了汽轮机叶片的核心技术,实现了叶片生产全部国产化,而当时一支叶片的制造成本仅仅是原进口价格的七分之一。这项技术的突破带来的经济效益无比巨大,仅2011年,上海汽轮机厂21台装机的末级叶片就节省上亿欧元。

但这项技术的知识产权几乎无偿给予了国内的专业厂家。姚建华教授戏称,如果我从此把精力放在开公司赚钱上,今天我就是亿万富翁。

如今,姚建华教授开发的“激光表面复合强化与再制造关键技术”已经超过了欧美发达国家,成果已在机械、能源、化工等多个行业的200多家企业实现产业化应用,相关产品覆盖我国除西藏之外的省市,同时出口到美国、印度、澳大利亚等30多个国家,经济效益显著。

如在秦山核电站,姚建华教授团队研发的激光强化技术应用于重水核反应堆关键冷却部件,不仅提高了机组的安全性,而且生产出的这种防冲蚀叶轮使用寿命比进口的更长。

还如,为了能研发牙科医生应用的抗腐蚀、锋利、耐磨、无毒、耐高温的牙科畸正手术钳,姚建华团队设计出了能适应复杂环境的专用合金材料,并运用激光将材料熔覆在牙科钳上。目前采用该技术制作的50多个型号牙科钳已全部出口到美国。

又如,姚建华教授团队还研制出激光纳米涂层刀具,在普通刀具的刀刃上,利用激光和纳米技术熔覆上一层纳米陶瓷、镍、钨等合金材料,让刀口变得锋利耐磨,硬而不脆。和一般刀具相比,纳米刀的耐磨性高了至少2-3倍。

姚建华团队利用科研技术提高了汽轮机运行的可靠性和稳定性,产品性能甚至超过国外的产品,经激光处理的工业汽轮机叶片已占全国85%以上的份额。

新冠肺炎疫情期间,不少企业生产线暂停,但随着复工复产的来临,作为工业动力来源的多个企业的汽轮机整套装备短期难以恢复,带来经济损失。姚建华教授再次临危受命,攻克了汽轮机转子的激光现场再制造技术,使得原来要2个月恢复的设备缩短为2天,为上百个企业挽回千万级的损失,保障疫情重要装备物资的生产。

“诸多机会可以让我成为亿万富翁,这也非常有吸引力,”姚建华教授坦承,“但这并不是我的终极目标。”

 

四、教书育人:科学家也是艺术家

上初二时,姚建华受到了音乐的启蒙。当时的音乐老师教会了他“弹扬琴”,他当上了学校民乐队队长。尽管招致了家长“不务正业”的反对,姚建华还是将弹琴的习惯保持到了现在。

“音乐和科研本质相通,属于思维上的节奏性活动,没有音乐就没有创新思维”,姚建华从艺术创作中汲取了科研活动的想象力,受益匪浅。科研工作需要严密的逻辑论证,但这并不意味着思维可以呆板、固守和封闭,而需要激发、碰撞和想象。

因此,他教导自己的学生有时候可以用音乐艺术的思维创造性地解决复杂的工程难题,获得高级思维训练。

未来,姚建华教授和团队将面临更多的挑战,如实现激光能场复合制造领域原创性的理论体系突破,在创新理论基础上形成至少1-2个领域的颠覆性“解决方案”;实现在部分领域从国际并跑到上国际领跑,从而提升我国在国防、交通、航运等领域的先进制造水平。

同时,结合区域经济特点,用激光智能制造技术改造传统工艺,实现绿色与智能制造,为浙江和全国的制造业转型升级提供关键技术支撑。

虽然未能成为“亿万富翁”,但姚建华继续耕耘在科研教学一线。2015年,姚建华从普通教授直接提拔为机械工程学院执行院长,“这意味着我要承担起更多的学院管理和教书育人的责任。”

同时,激光中心也升级为校直属研究机构,秉承“特色发展、错位发展、合作发展”的战略,走上了国际合作路线,并建立了长效合作机制,成为该校国际合作的典范。先后与乌克兰、英国剑桥、加拿大等建立了多个激光技术联合实验室。联合实验室的乌克兰籍专家弗拉基米尔·科瓦连柯院士还获得了2011年度中国政府“友谊奖”,得到李克强总理的亲切接见。在科学研究方向方面,特色发展始终是他坚持的理念,即便是在激光制造领域也是有重点的展开研究,尽管在激光焊接、打孔与3D打印方面也有不少研究,用激光表面改性技术改造升级传统技术始终是他坚定不移的特色研究方向。

如今,姚建华的激光之梦初现成效,“没有学校党委及各级领导的支持,不可能有我的今天”,是在困难时给予的鼓励支持,是“不忘初心,坚持不懈”的信念,支撑着他20年的征程,他将党建工作形容为“原始动力”“将毕生奉献于栽树育人、科研造福,是一件值得的事情”,姚建华在追逐激光梦想的道路上勇往直前,“培育青年英才,攀登新的科学高峰是我新的目标任务。”

 

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