航空航天用拉胀密封圈的研制——面向未来的高科技原始创新项目介绍

拉胀材料（其泊松比为负）是最近四十年才出现的超材料，尽管近百年前就零星发现了这一现象，且可以从泊松比定义及经典弹性力学出发予以理论预测或计算。“拉胀”这一中文科学术语译自英语Auxetic，意为“受拉膨胀（拉胀性）”和/或“遇挤收缩（挤缩性），其中文术语由魏高原教授在英国剑桥大学做博士后时最早向中国国家自然科学基金会提出，并获得华语世界广泛接受，可与“负泊松比”互换使用。拉胀材料的人工合成最早发端于上世纪九十年代英国剑桥大学著名卡文迪什实验室/物理系（实为研究院），由当时做博士后的魏高原博士与其合作导师山姆．爱德华兹爵士（Sir Sam Edwards，英国皇家学会院士，剑桥大学教授、卡文迪什实验室第八任主任、科研副校长，于2016年不幸病逝）共同提出，并向资助单位英国帝国化工（ICI）递交了机密科研报告获批准予以实施（详情参见Nature 353, 124-124, 1991）。之后经过各国许多科学家的不懈努力，包括由魏高原教授博导带领的北京大学化学与分子工程学院科研团队取得的美国宝洁（P&G）公司亚洲总部资助的八万美金资助研制拉胀尿不湿，还有数年前在英国《自然Nature》杂志发表的英国科学家首次研制成功的平面拉胀弹性体的科学论文，以及剑桥大学人工合成拉胀材料团队基于魏高原-爱德华兹原创思想的项目申请于2015年取得的英国海军部的机密科研资助。众所周知，密封圈在工作期间会受到两种力的拉伸：一是圈壁轴向上下拉伸，二是圈壁切向左右拉伸。假设密封圈由三维拉胀性弹性材料制成，则受到以上两种力作用时，就会导致密封圈胀大，从而更加有利于密封效果的展现，如果进一步研制出具有大温差下拉胀密封性不变或衰减不大的航天器密封圈用拉胀弹性体，则无疑将对我国航天事业的发展起到巨大推动作用。本项目拟在之前的拉胀尿不湿研发基础上开启世界上第一个拉胀密封圈用弹性体的产业化进程，所需启动资金八百万，项目周期三年，研发成果主要以专利形式公开以及非专利技术予以保密，同时应用有限元超级计算机模拟计算及建立新理论模型（例如由彭宏钟国际智慧科学院院士提出的宏微理论模型）来阐明所得拉胀弹性体之拉胀机理，并以科学论文公开发表。此外，还将在之前拉胀聚乙烯珍珠棉研发项目基础上，产业化至少一种拉胀泡沫塑料用作航天器机身金属夹合板中间层，以及在之前拉胀复合纱线及其新颖织物材料研发和初步产业化基础上，产业化多种含拉胀包埋体（拉胀复纱）的抗裂及自修复航天用高强复合材料。

附项目负责人魏高原个人简历：魏高原，男，1961 年 6 月出生，湖南省怀化市辰溪县人。1982 年 1 月华南理工大学高分子系毕业。1985 年 8 月和 1990 年 6 月先后取得美国康奈尔大学化工系和华盛顿大学化学系的硕士和博士学位。毕业后留校做短期博士后，从事高斯大分子形体理论研究，并于 1990 年 7 月赴剑桥大学卡文迪什实验室凝聚态理论组做博土后，与著名高分子物理学家山姆·爱德华兹教授合作，从事人工合成拉胀聚合物材料方面的开创性分子设计和理论预测工作。1992 年 7 月回国，入北京大学化学系高分子教研室任教。1999年7月晋升为教授（正处级）、9月升博士生导师（正司局厅级）。1997 年 5 月作为英国皇家学会王宽诚基金获得者及北京大学副教授，再度赴剑桥大学卡文迪什实验室聚合物和胶体组做高级访问学者，从事聚合物拉胀复合材料的理论研究一年。1995-2005 间担任北京大学化学与工程学院高分子科学与工程系副主任、高分子科学研究所副所长，并兼任北京大学大学英语教学指导小组成员、高校高分子物理教学和科研联络委员会成员，全国高等学校理科材料化学教学指导组成员。应邀担任《国际创新材料杂志（International Journal of Novel Materials）》编委。发表大分子形体理论和拉胀理论与计算机模拟等学术论文近 50 篇，出版大学本科教材《化学专业基础英语（上下册）》一套（多部教材和专著在编写和出版当中），获得包括国家自然科学基金在内诸多研究基金资助，曾获 1989 年美国 IBM 超级计算机杰出成就证书及 1994 年度北京大学优秀中青年学术骨干称号。培养了数十位拉胀新材料领域的学士、硕士、博士和博士后。自 2014 年 9 月至2021年7月，被聘为湖南怀化学院材料学特聘教授，并自 2016 年 9 月至2021年7月担任怀化学院聚乙烯醇纤维材料制备技术湖南省工程实验室学术委员会主任，同时还自 2005 年 10 月起担任北京大学科技园留学人员创业园进驻企业及上海股权托管交易中心 Q 板挂牌企业北京球环拉胀科技有限公司董事长和总经理。2022年7月通过技术入股与投资方合伙创建湖南球环拉胀科技有限公司，进驻长沙高新区麓景路8号巨星创业基地湖南留学人员创业园，担任研发骨干兼任技术总监至今。

魏高原教授近照---2025.01.19摄于长沙