前不久，在上海举行的中国国际大学生创新大赛（2024）总决赛中，重庆大学“磁钛科技”团队就凭借在微秒级钛合金电磁成形设备方面的领先研究，斩获高教主赛道金奖。这个团队是如何“玩转”钛合金的？近日，笔者采访了“磁钛科技”项目团队负责人、重庆大学电气工程学院大四学生熊家露和她的队员们。
15名跨专业本科生组队攻克钛合金电磁成形难题
10月25日中午，重庆大学A区电气工程学院先进电磁制造实验室，戴着眼镜、扎着马尾辫的熊家露正在做着电磁成形实验。
虽然实验室不足20平方米，摆放其间的实验设备器材，却是她和团队成员们的“宝贝”。
为何选电气工程？“可能是因为我爱折腾吧，从小就喜欢‘霍霍’家里的遥控汽车、遥控器，把它们一次次完全拆解又安装回去。”熊家露说，当然，大部分时候都装不回去，或者装回去了也用不了了。于是，在高考填报专业志愿时，她选择了电气工程。
“我们学院有3个国家级科研平台，大一时，我就对输变电装备技术全国重点实验室研究的电磁力产生了兴趣。”熊家露说，幸运的是，为推进新工科建设，学校向全校学生开放了国家级科研平台和教学平台，于是，她就抱着试一试的心态，进入了输变电装备技术全国重点实验室先进电磁制造团队学习。
此后，熊家露就像海绵一样，不仅学习电磁成形技术相关知识，还跟着老师和师兄师姐们开展铝合金等导电性好、易变形金属的电磁成形实验。
▲重庆大学A区电气工程学院先进电磁制造实验室，团队正在做实验。
到底什么是电磁成形？“电磁成形就是利用瞬间的高压脉冲磁场，迫使坯料在电磁力作用下，高速成形的一种方法。”熊家露拿起桌子上一块前不久才成形的钛合金片向笔者展示。
在实验过程中，熊家露发现对于导电性较差的钛合金来讲，电磁成形非常困难，她就萌发了攻克钛合金电磁成形这一难题的想法。
在一次讨论中，她勇敢地提出了自己的这一想法，没想到得到老师和师兄师姐们的肯定。在指导老师周言的鼓励下，她和机械与运载工程学院马钦仕、电气工程学院汤靖、环境与生态学院李颖、经济与工商管理学院赵婉妤等其他本科生们组建起“磁钛科技”团队。
经历无数次测试，曾发生过局部爆炸、烧坏门卫的电视
但做科研并非一帆风顺，尤其是对一个本科生团队来说，更难。
“由于钛合金通常是六方最密堆积结构、原子排列紧密，其变形抗力大，成形并非易事。”周言说，比如，钛合金就难以在电磁场中感应足够使其成形的电磁力。
如果要产生足够的电磁力，需要在眨一次眼睛的万分之一左右的时间内，对脉冲波形进行控制，让脉冲波形更为陡峭。这就需要团队的研究从电路结构、电磁力机构、连接装置等从头开始设计，同时配合所需绝缘强度开展仿真与实验研究，逐步攻克电路优化降低杂散参数、电磁成形过程仿真模型精准计算、组合式线圈间的绝缘与电磁力分布优化等难题，最终才能研制出微秒级钛合金电磁脉冲成形设备。
以组合式线圈间的绝缘与电磁力分布优化为例，熊家露和队员们需要合理地设计线圈之间的间距与绝缘，线圈之间隔得太远无法将电磁力有效叠加，导致能量损耗；当间距太近又容易造成绝缘材料电击穿，导致设备损坏。
“为得到这个平衡值，我们做了无数次测试。”熊家露说，去年夏天，为了实现电磁力更好叠加，减少能量损耗，团队中的一位小伙伴将线圈之间的距离设置得太近，而熊家露为了提高电磁力，又将工作电压设置得较高，导致线圈间的绝缘材料瞬间被击穿，造成局部爆炸并发出巨大的声响，让他们瞬间耳鸣，就连实验室窗户玻璃都被震得哐哐作响，“有个女生直接被吓哭了。”
▲团队正在做实验。
马钦仕还给笔者讲了一个故事：有一次，他们触发源的导线外皮由于经常弯折，破了个小口，接线时都没留意。大家并没有在意，在实验中导线破口处与触发源的金属外壳直接接触发生了短路放电，瞬时的短路大电流通过电源线造成了实验室跳闸，还打坏了门卫师傅的电视。
在攻克线圈绝缘强度与工作电压的配合难题时，实验总是失败，停滞的进度和屡屡击穿破损的线圈，让团队成员很是低落。“受挫感肯定有，但哪有随随便便的成功，我很快调整了自己的心态，并第一时间与团队成员沟通，一起制定改进计划。”
在设计钛合金管件电磁力机构时，要先通过有限元仿真软件进行模拟，但仿真模型一直难以收敛。于是，那段时间，熊家露便泡在实验室两个周期，反复学习调试模型参数。在仿真完成确定具体结构后，为了节约时间以及方便沟通，熊家露又与团队成员跑去机械加工厂陪师傅一起加工。
找准企业需求，解决实际问题
“这次能拿下国赛金奖和重庆赛区冠军，与我们这个项目既攻克技术，又契合企业实际需求有关。”获奖后，熊家露在与团队成员总结时分析道。
她说，团队一开始只是聚焦于技术的突破，但该技术是否契合企业需求？是否能真正解决企业遇到的实际难题？他们并未多想。
在此次参赛过程中，另一位项目指导老师、市教委就业创业专家库导师王鹏飞就带他们走进赛力斯、长安等企业生产一线进行调研实践，了解企业生产中的实际问题，更精确地找准企业的需求。
“钛合金具有强度高、耐性好等优势，现在已经广泛应用于汽车产业、航空航天与生物医疗等领域。”熊家露说，未来，她将继续带领团队深耕钛合金电磁成形领域，不断升级迭代技术，继续开发智能化、数字化钛合金电磁成形设备，助力钛合金等低电导率、难变形金属的应用推广，帮助企业解决实际生产问题。
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