航空飛機材料的新寵——復合材料

　　神奇的大自然總是源源不斷地饋贈給人類(lèi)智慧的靈感，就像所有的蜂巢都擁有統一的建造角度和模式一樣—正六角形房孔，相鄰的房孔共用一堵蠟和絲制成的墻，孔底由3個(gè)完全相同的菱形組成。這不僅非常節省建筑材料，并且具有極佳的結構穩定性。在精巧的蜂窩結構啟示下，2005年，全球首架全復合材料飛機就使用了蜂窩狀的碳纖維層合板。這種新型結構在保證強度、剛度和耐熱性的前提下，卻比飛機普遍使用的鋁、鋼和鈦合金材料的重量減輕了一半。

　　正是因為這些優(yōu)勢，復合材料已經(jīng)成為航空材料的“新寵”。其在客機上的結構重量日益增加，如今已經(jīng)開(kāi)始廣泛應用于民用航空制造業(yè)。一些先進(jìn)客機的復合材料重量已經(jīng)超過(guò)金屬材料，占其總重量的50%以上，這也成為未來(lái)民機在材料選擇方面的一種趨勢。

　　為了滿(mǎn)足飛機在飛行中一系列苛刻的要求，飛機制造商對復合材料的使用非常謹慎，而其中很多關(guān)鍵問(wèn)題的答案都需要科學(xué)家的深刻認識與理論闡釋。段慧玲就是這樣一位專(zhuān)家。作為北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系的研究員，她在復合材料研究領(lǐng)域鉆研多年，獲得了很多具有國際影響力的研究成果。

　　由于杰出的科技成就，段慧玲獲得了由中華全國婦女聯(lián)合會(huì )、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )、中國聯(lián)合國教科文組織全國委員會(huì )及歐萊雅中國共同主辦的第11屆“中國青年女科學(xué)家獎”。在頒獎現場(chǎng)，記者就復合材料在航空領(lǐng)域應用的相關(guān)問(wèn)題采訪(fǎng)了段慧玲。

　　記者:在航空復合材料研究領(lǐng)域，其研究目標主要是什么?

　　段慧玲:我們主要研究的是復合材料的強度和剛度。尤其是用于飛機制造業(yè)的材料，其中一個(gè)重要的因素就是盡可能減輕重量。因此，我們的研究就是要在保證復合材料重量輕的情況下，保證其較大的強度和剛度，并防止出現裂紋。

　　這些復合材料都是三明治結構的，就像自然界的蜂巢，實(shí)際上它中間的“心”是空的，這樣重量才會(huì )輕。但是，這種結構一受力就會(huì )被壓扁。為了避免這種情況的發(fā)生，我們就要進(jìn)行設計，使其具有較大的剛度。因此，工程師通常會(huì )在復合材料中添加涂層。選用何種涂層材料、涂層厚度怎樣確定、涂層會(huì )對材料特性帶來(lái)哪些影響，這些都直接決定了材料的剛度和強度。

　　記者:目前世界上最先進(jìn)的民用飛機，如波音787、空客A350在復合材料的應用上都超過(guò)了整個(gè)機體材料的50% 。但是制造商在復合材料的應用方面仍然比較謹慎，就目前的技術(shù)來(lái)看，復合材料在民機制造領(lǐng)域的應用達到了怎樣的程度?

　　段慧玲:復合材料已經(jīng)可以部分替代飛機上的金屬材料了，但是不可能全部替代。比如一些大的受力結構或者核心部件，將來(lái)的飛機發(fā)動(dòng)機肯定使用的還是鋼材。

　　記者:復合材料在民機制造業(yè)的應用還而臨哪些挑戰?

　　段慧玲:從力學(xué)角度來(lái)講，復合材料目前存在的問(wèn)題是，在飛機飛了一段時(shí)間之后，都要進(jìn)行缺陷檢查。比如這架飛機飛了100天，需要檢查有沒(méi)有出現缺陷或者裂紋，否則時(shí)間長(cháng)了就會(huì )產(chǎn)生安全隱患。

　　過(guò)去我們可以通過(guò)各種方法對金屬材料進(jìn)行檢查。但是對于復合材料而言，目前尚沒(méi)有很好的方法對其進(jìn)行檢查。因為鋼材是一種均勻材料，出現裂縫可以判斷出來(lái)。但是復合材料則是一些纖維，由很多層疊合而成，是一個(gè)非常復雜的結構，里而出現一些小的缺陷是很難被發(fā)現的。所以，制定復合材料無(wú)損探傷方面的研究和檢查規范變得非常重要。

　　記者:目前，國產(chǎn)大飛機在復合材料的應用方面情況如何?我國在復合材料領(lǐng)域的研究水平如何?

　　段慧玲:目前，國產(chǎn)大飛機在復合材料的應用上還比較保守，我們首先要保證的是飛機安全飛起來(lái)。實(shí)際上，我國復合材料的研制水平與發(fā)達國家相比差距還很大，比如碳纖維材料本身。就我的了解，碳纖維的質(zhì)量不高在中國是一個(gè)非常大的問(wèn)題。

　　記者:這些問(wèn)題背后的原因主要是什么?是科研能力不足，還是管理能力不足?

　　段慧玲:我覺(jué)得原因主要有兩個(gè)方面，一是中國進(jìn)行科學(xué)研究的時(shí)間還比較短，盡管一直在加速，但仍需要一個(gè)過(guò)程去趕上發(fā)達國家。二是管理上還存在很多問(wèn)題，雖然我們投入了很多資金來(lái)進(jìn)行研發(fā)，而且在材料理論方面的研究也并不少，發(fā)表了很多有影響力的文章，但這些成果沒(méi)有從實(shí)驗室里“走出來(lái)”，無(wú)法實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。事實(shí)上，一個(gè)產(chǎn)品從科研階段到實(shí)現產(chǎn)業(yè)化要走很長(cháng)的路。

　　此外，中國制造業(yè)的落后與制造工藝水平低也有很大關(guān)系，我們工藝的規范、規程都存在問(wèn)題。但是，我們要堅信，經(jīng)過(guò)我們的努力，會(huì )逐漸消除這個(gè)差距，實(shí)現從“中國制造”到“中國創(chuàng )造”的轉變。

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