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变化|杜善义院士：我们要重视复合材料的基础研究

变化|杜善义院士：我们要重视复合材料的基础研究
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随着新能源汽车、高端制造、军工等行业的快速发展 ， 我国制造业越来越注重复合材料行业发展 。 且随着我国“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标的提出 ， 复合材料的发展优先级越来越靠前 。 为了深入了解复合材料行业存在的问题及发展策略 ， 《Carbontech magazine》杂志副主编李彬彬特约采访力学和复合材料学家杜善义院士 ， 杜院士在接受采访时说：“ 我们要重视复合材料的基础研究!”
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您是全国第一个航天学院的首任院长 ， 前段时间 ， 哈工大电致变色技术完成我国首次空间验证 ， 这是我国首次开展电致变色技术在空间环境下的性能验证 ， 电致变色在航空领域有何应用？
杜善义院士：
电致变色材料是光学属性在外加电场作用下 ， 可发生稳定、可逆变化的材料 ， 在表面表现为颜色和透明度的变化 。 电致变色材料应用广泛 。 实际上这种材料早就有了 ， 比如说在飞机上应用 ， 787的飞机舷窗就可以变色（你要睡觉了可以变成深色 ， 营造一种黑暗的环境） ， 建筑节能玻璃及汽车玻璃变色都是用它 。 电致变色材料可以根据需求调整 ， 既可以做到吸光 ， 也可以做到透光 。 作为一种材料 ， 伴随着需求 ， 其性能与功能不断提升 ， 对可见波段颜色的变化可用于军事伪装 ， 而中远红外波段的热辐射调控可应用在航天器的智能热控系统 。 哈工大复合材料所李垚教授研究团队作了10年的研究和攻关 ， 2021年10月完成了我国首次电致变色热控器件的空间验证 。
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在航空航天领域 ， 结构轻量化是永恒的主题 。 您团队诞生了多项轻量化多功能复合材料项目 ， 也助力我国航空航天和基础设施领域取得突破性进展 。 你觉得复合材料在航空航天领域应用最大的难题是什么？
杜善义院士：
复合材料在航空航天领域应用主要存在以下几个问题 。
第一就是设计问题 。 我国复合材料的结构件设计以跟踪替代应用为主 ， 自主设计应用能力较弱 。 比如材料的许用值及设计值 ， 在飞机复合材料结构设计和验证中 ， 是设计和审定的基础和依据 。 在应用复合材料设计时 ， 能允许它有多大的设计载荷对于复合材料应用而言非常重要 ， 从这些方面来看我们还是需要进一步来提高 。 材料的许用值选的太低 ， 材料的性能优势发挥不出来 ， 选的太高 ， 应用的安全性无法保障 ， 所以这是一个非常重要的问题 。 复合材料工作者必须对其进行科学表征 。
第二就是应对服役环境变化的问题 。 不同的飞机有不同的应用场景 ， 有通用飞机 ， 客机 ， 军机、直升机 ， 无人飞机等 。 复合材料也需要根据这些环境的变化进行设计 ， 这本身对研究者也是一个挑战 ， 所以这也是一个很重要的问题 。
第三就是成本的问题 。 目前复合材料的成本来还是偏高的（也许从全寿命周期看 ， 复合材料的成本可能比使用金属的低） 。 降低原材料成本以及设计制造成本 ， 对于复合材料应用而言也是一个非常重要的问题 。
第四就是复合材料多功能化的问题 。 比如高速飞行器或者高超声速飞行器 ， 还需要解决热的问题 ， 所以对于复合材料而言 ， 就希望它既要有轻量化 ， 又需要耐高温以及其他功能等 。 这样就给材料设计与制造带来许多问题 ， 这些问题也是复合材料在航空航天领域应用中需要攻破的关键技术问题 。
第五就是用量问题 。 国际上碳纤维在航空航天领域的应用占全部应用的20%左右 ， 但我们国家目前应用占比不到10% 。 未来航空上还需要有大量的应用 。 我国研制的 ARJ 21 支线客机复合材料用量占比约为2% ， 正在研制的C919中型客机复合材料用量占比约为13% ， 而国外最新研制的波音787、空中客车A350等大型客机复合材料用量占比则达到 50% 以上 。 欧洲直升机公司的 NH90 直升机复合材料达到了 95% ， 而国内新型直升机 Z10 的复合材料用量占比仅为 34% 。
但是从航天来看 ， 我们国家用的还是比较充分的 。
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您主要从事飞行器结构轻量化和热防护材料研究 ， 据我所知 ， 碳/碳复合材料、碳/碳化硅复合材料、碳化硅纤维复合材料都是比较好的热防护复合材料 ， 您可以讲讲这几种材料的应用和区别么？什么是热结构材料？
杜善义院士：
对碳/碳复合材料、碳/碳化硅复合材料 ， 我们并不做原材料而主要做其力和热环境下的分析工作 ， 对其他的性能测试也做了非常多的研究工作 。 通过材料及结构相关的实验 ， 我们才能够做到用好、用多 ， 这是我们做的一方面的工作 。 另外 ， 我们在其他方面的热防护材料也做了很多的研究工作 ， 比如说超高温陶瓷和超高温陶瓷基复合材料 ， 隔热材料和热防护材料 ， 或者热结构材料等 。 比如超高温陶瓷基复合材料 ， 这属于非烧蚀材料 ， 还有烧蚀性的轻质材料 ， 已经在航天上得到一些应用 。
目前（碳/碳复合材料、碳化硅纤维复合材料）这两种材料大家比较重视 ， 而且能够应用到航空行业 ， 这两个材料有一个非常突出的优点：耐高温 。 但还是有一定的区别 ， 对碳/碳复合材料而言 ， 我国用的比较早 ， 相对比较成熟 ， 具有比较好的耐高温性能 。 碳化硅纤维复合材料能耐高温（三代的碳化硅纤维复合材料耐温可达1700 ℃） ， 碳/碳复合材料耐温可达2000 ℃ 。 但是 ， 碳/碳复合材料有一个缺点就是易于被氧化（大概在几百度就开始氧化了） ， 所以表面必须做抗氧化处理 ， 在耐氧化这方面 ， 碳化硅纤维复合材料更好一些 。
作为热防护材料来看 ， 它们的发展空间都非常大 。
什么是热结构材料呢？就是既能够耐高温 ， 同时又能够承受力的作用 。 这样就可以减轻产品重量 。我们团队也正在做超高温陶瓷基复合材料 ， 耐高温性能可达2500 ℃ ， 而且力学性能也在不断的提高 。 我们都知道 ， 陶瓷基复合材料的脆性比较大（韧性差） ， 我们在设计与工艺方面进行深入研究 ， 以期达到更高的工程结构方面要求 。
另外 ，新一代的热防护材料也在不断的发展 ， 我们的目标就是希望它能够多功能 ， 首先是既能够耐高温 ， 同时也能够承受力的作用 ， 另外最好还能够具有吸波或者透波等性能 ， 实现热防护材料的多功能化发展需求 。
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众所周知 ， 复合材料界面对于复合材料而言至关重要 ， 您可以讲下复合材料界面的主要作用么？我们应该从哪些方面做突破？
杜善义院士：
复合材料的界面对于复合材料而言是一个非常重要的问题 ， 也是复合材料非常重要的一个特征 。 界面有两种 ， 一种是纤维和基体形成的界面 ， 另外就是层合板中间形成界面 。
针对纤维和基体形成的界面而言 ， 这个界面非常重要 。界面作为纤维与树脂间应力传递的纽带 ， 直接影响到内部应力的传递和分散 ， 损伤的传播和抑制 ， 对复合材料整体性能起着决定性作用 。
首先就是保证纤维和基体之间具有良好的结合性能 ， 纤维增强复合材料的力学性能在很大程度上取决于界面粘接性能 ， 这对于我们而言 ， 是一个需要解决的问题 。 另外我们需要解决的就是 界面的设计和控制 ， 复合材料界面的结构与性能对复合材料整体的性能影响非常大 ， 可以 通过界面的设计和控制进而调控复合材料增强和增韧 。
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【变化|杜善义院士：我们要重视复合材料的基础研究】&
哈尔滨工业大学《理论力学》自1961年首版问世以来 ， 历经60年长盛不衰 ， 并根据各个时期的教学需要不断修订再版 ， 累计出版8个版本 ， 被国内300余所院校采用 。 您觉得《理论力学》这本书最大的魅力在哪里？
杜善义院士：
力学这门课程在理工科大学 ， 特别是工科大学是非常重要的基础课 。 因为 力学是一切装备设计的理论基础 ， 我们缺它不行 ， 我们盖一个高楼 ， 需要力学设计；飞机、卫星更要设计 。 这些设计的很重要的基础就是力学 。 力学的基础课 ， 有理论力学 ， 材料力学 ， 弹性力学 ， 塑性力学 ， 板壳理论与流体力学等等 ， 这些课程非常多 ， 不仅是力学的专业需要学习这些课程 ， 其他工科如：机械、土木、建筑、材料等设计专业都要学习（这些课程） 。 那么在力学里面最基础的就是理论力学 ， 包括静力学、运动学 ， 动力学等等 。 这个课程是基础 ， 只有把理论力学学好 ， 你才能够去学习其他的力学课程 。 所以 ， 理论力学是我们一个很重要的工具 ， 是设计理论的基础和支撑 。
哈工大的《理论力学》为什么影响比较大？我觉得主要有这几个大特点：
第一个特点就是哈工大重视这个教材 。 因为教材是一个重要的教学资源 ， 涉及到教学改革 ， 学生对知识的领会 ， 对力学技术理论掌握等 。 哈工大的《理论力学》这本教材根据各个时期的教学需要不断修订 ， 以满足学生更好地掌握这门知识 。
第二个特点就是这本教材是集体的智慧 ， 是一个团队做的教材 ， 所以教材很多时候是以教研室署名 ， 不是某一个人署名 。 从老一辈的教师就开始做这件事情：编写这个教材 ， 一代接一代传下来 ， 不断修订 ， 不断完善 ， 这样一步一步进行改进 。 没有最好的教材 ， 只有更好的教材 。 这个教材通过一代一代的教师不断的修订 ， 所以会做的越来越好 ， 越来越适合教育改革的要求 ， 也越来越适合学生培养的要求 。
第三个很重要的特点就是这本教材体现了体系化 。 《理论力学》不仅有这个《理论力学》这个书 ， 还有习题集、选题集等等 ， 而且现在也配备数字化的讲课方式等等 。 它在不断地与时俱进 ， 这样的话大家用起来就比较方便 ， 也适合不同的专业来学习 。 所以长盛不衰 ， 现在非常受拥护 。 《理论力学》第八版在全国首届优秀教材评选中也荣获优秀教材一等奖 。
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网上流传一句话：“复合材料力学 ， 太难了 ， 你会一直后悔做这个决定 。 ”
您作为力学和复合材料专家 ， 对于有志从事复合材料力学方向研究的青年学生有什么建议？
杜善义院士：
这个问题问的很好 ，复合材料力学对于复合材料来讲非常重要 。 科学研究必须知难而进 ， 任何学科的新分支都有新的理论与试验问题需要解决 。
第一：复合材料力学对于复合材料应用来讲非常重要 。 复合材料最早用是作为结构材料来使用的 ， 上面讲了使用复合材料主要为了减重 ， 提高结构效率 ， 这是永恒的主题 。 复合材料的比性能高 ， 又具有可设计性 ， 所以可以在结构上应用 。 在结构上应用有一个很重要的问题 ， 怎么样用好？要把复合材料作为一个最重要的结构材料 ， 它的力学性能必须要搞清楚 ， 力学性能搞不清楚没人敢用 ， 设计师也没有办法进行设计 。 而复合材料是各向异性非均匀性材料 ， 比金属、有机、无机非金属材料的力学分析要难得多 。
第二：复合材料力学可以解决非常多的实际问题：比如纤维的铺层设计、强度的预测以及界面的分析等 。
复合材料力学相比于其他材料学科是比较难学 ， 但是学好之后用途也是非常之大的 。 怎么学？我这里有几个建议 ， 大家可以参考下：
第一就是在理论上把材料科学这个因素加进去 ， 怎么样来解决一些重要的理论和科学的问题 ， 这是一个观点 ， 必须要树立起来 ， 不能拿来就用 ， 这肯定是不行的 。
第二个就是有一个办法借鉴 ， 我个人就用这个办法 。做复合材料力学 ， 必须要和材料结合 ， 和材料学家结合 ， 根据材料学家一些观点去建立一些模型 ， 那对你是一个帮助 ， 脱离材料学家 ， 那你的力学工作是做不好的 。 复合材料力学就是复合材料和应用中间的桥梁 。 这实际上是力学与材料学有机结合 。
第三个是要跟结构设计师结合 ， 结构设计师是需求方 ， 复合材料设计需要满足需求方的要求 。
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最后 ， 作为碳材料杂志的编委会成员 ， 我们也特别想知道 ， 您作为业界专家 ， 您最关注碳材料部分的哪些方向？
杜善义院士：
碳材料是应该是我们地球上最丰富的材料之一 。 它的来源很多 ， 有天然的 ， 有人工合成的 ， 而且在不断的发展 。 近些年低维的碳材料也非常受到重视和青睐 。 我主要讲一下以下三种材料 。
第一就是碳纤维 ， 我觉得碳纤维的出现是一个颠覆性的技术 。 它是复合材料最重要最有代表性的增强材料 ， 为军民两用的战略性材料 。 像787飞机基本上50%以上都是这种类型的复合材料 。
第二就是碳纳米管 ， 这个材料现在虽然没有大量的应用 ， 但目前在材料方面来看 ， 可以做很多新的东西 ， 现在也在不断的发展 。 材料到了纳米尺度之后 ， 会改变材料本身很多性能：力学性能、电性能、光性能、热性能等 。
第三就是石墨烯 ， 我们国家石墨的产量很丰富 ， 石墨到石墨烯是颠覆性的 。 石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性 ， 在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景 ， 被认为是一种未来革命性的材料 。
人物档案
杜善义 ， 中国工程院院士 ， 力学和复合材料学家 。 哈尔滨工业大学与中国航天科技集团教授 ， 中国科学技术大学工程科学学院院长 ， 中国复合材料学会荣誉理事长 ， 国家商用飞机咨询组成员 。 原总装备部科技委兼职委员、国防科工局科技委委员、国家安全重大基础研究计划专家顾问组成员、国家重点基础研究发展计划专家咨询组成员等 。 主要从事飞行器结构力学与先进复合材料方面研究 ， 在重大装备结构轻量化、高速飞行器热防护与热结构、多功能与智能复合材料方面取得重要研究成果 ， 获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖与国家自然科学二等奖共5项 ， 第二届“钱学森力学奖” ， 中国复合材料学会“终身成就奖” ， 何梁何利科学与技术进步奖 ， 并获国际复合材料委员会WORLD FELLOW荣誉称号 。 1999年当选中国工程院院士 。
本内容为《Carbontech magazine》杂志采访原创内容 ， 如需转载请联系平台工作人员授权！
内容编辑：李彬彬 ， 校对：董顺（哈尔滨工业大学）

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