大量复杂工程结构系统中都存在界面接触问题，遇到的棘手问题是对接触特性难以有效表征，从而制约着对相关工程应用设计的有效指导。例如超导电缆，飞行器热防护系统，飞行器制动系统和微机电系统等。在这些复杂结构系统中，界面接触是构件间力传递、导电、传热的桥梁。因此，弄清界面接触特性一直是科学界关注的问题。出于对超导股线间接触力、电特性认知的需求驱动，两年前，在实验室依托单位——兰州大学土木工程与力学学院周又和教授的建议与指导下，他吴睿副教授指导本科生开始了对超导电缆股线间接触特性的攻关研究，并选取了从典型基础模型及其实验测量入手的实施路径。
近日，兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室他吴睿副教授主导建立了界面力-电接触理论模型，揭示出接触电阻、接触变形与作用压力的关联机制，这不仅为相关工程应用提供了新途径，而且也为后续深入研究奠定了基础。相关成果以“Volumetric contact theory to electrical contact between random rough surfaces”为题在摩擦学领域期刊《Tribology International》在线发表。研究成果是超导电缆股线间接触特性先期研究的突破。他吴睿为第一作者和通讯作者，周又和教授为共同通讯作者。他吴睿指导的本科生邱苏铭为共同第一作者、另两位本科生汪钰龙、袁尽雨同学和高原文教授为其余作者。所建立的理论模型揭示出了两随机粗糙界面之间的力、电作用机制，预测的定量特征被他们的实验证实有效。
在已有界面接触理论研究中，均是从难以测量的接触面积这一几何量入手的，即需要预先假定接触面积满足一定的条件，进而导致这类理论模型难以在工程应用中发挥作用。本论文建立的新理论模型则循不同途径，解决了这一难题。即提出了接触面之间的随机分布体积新概念，由表明粗糙度的直接实测结果来重构接触前的分布体积构型特征，然后通过建立压力作用下的变形机制和对接触体积进行降维处理（3D→2D），就得到了随作用压力变化的实时接触面积（见示意图1）。在此基础上建立的理论模型，获得了包含接触电阻、弹塑性变形及其接触面积随外压力的变化特征，预测的接触电阻随外压力变化的特征曲线被实验证实有效（见图2）。由于没有预设限制条件，这一新方法的理论模型可望在极端环境、复杂载荷等情形的相关工程中得到应用。
图1. 粗糙界面接触体积和真实接触体积等效示意图
图2. 不同粗糙界面理论模型与实验结果对比图
目前，邱苏铭、汪钰龙同学和袁尽雨同学分别是土木工程与力学学院理论与应用力学专业和信息科学与工程学院的大四学生。在他吴睿副教授的指导下，他们从大二开始组成校创团队参与这一研究的实验测量，大三时以该批校创项目的第一名被直接推荐并获国家级创新团队项目的支持，继续开展补充实验测量及数据处理分析研究。同学们的勤奋努力工作，不仅有力地提升了他们对前沿科学研究相关环节的有效认知体验，而且在科研能力上也得到了实在提升。目前，邱苏铭、汪钰龙同学分别被美国康奈尔大学和我国南京航空航天大学接收攻读研究生学位的进一步深造。