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航空飛機(jī)材料的新寵——復(fù)合材料
神奇的大自然總是源源不斷地饋贈(zèng)給人類智慧的靈感，就像所有的蜂巢都擁有統(tǒng)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(jié)省建筑材料，并且具有極佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在精巧的蜂窩結(jié)構(gòu)啟示下，2005年，全球首架全復(fù)合材料飛機(jī)就使用了蜂窩狀的碳纖維層合板。這種新型結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度、剛度和耐熱性的前提下，卻比飛機(jī)普遍使用的鋁、鋼和鈦合金材料的重量減輕了一半。
正是因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空材料的“新寵”。其在客機(jī)上的結(jié)構(gòu)重量日益增加，如今已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于民用航空制造業(yè)。一些先進(jìn)客機(jī)的復(fù)合材料重量已經(jīng)超過金屬材料，占其總重量的50%以上，這也成為未來民機(jī)在材料選擇方面的一種趨勢(shì)。
為了滿足飛機(jī)在飛行中一系列苛刻的要求，飛機(jī)制造商對(duì)復(fù)合材料的使用非常謹(jǐn)慎，而其中很多關(guān)鍵問題的答案都需要科學(xué)家的深刻認(rèn)識(shí)與理論闡釋。段慧玲就是這樣一位專家。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(fù)合材料研究領(lǐng)域鉆研多年，獲得了很多具有國(guó)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(guó)婦女聯(lián)合會(huì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、中國(guó)聯(lián)合國(guó)教科文組織全國(guó)委員會(huì)及歐萊雅中國(guó)共同主辦的第11屆“中國(guó)青年女科學(xué)家獎(jiǎng)”。在頒獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)，記者就復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)問題采訪了段慧玲。
記者:在航空復(fù)合材料研究領(lǐng)域，其研究目標(biāo)主要是什么?
段慧玲:我們主要研究的是復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。尤其是用于飛機(jī)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(fù)合材料重量輕的情況下，保證其較大的強(qiáng)度和剛度，并防止出現(xiàn)裂紋。
這些復(fù)合材料都是三明治結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，使其具有較大的剛度。因此，工程師通常會(huì)在復(fù)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(duì)材料特性帶來哪些影響，這些都直接決定了材料的剛度和強(qiáng)度。
記者:目前世界上最先進(jìn)的民用飛機(jī)，如波音787、空客A350在復(fù)合材料的應(yīng)用上都超過了整個(gè)機(jī)體材料的50% 。但是制造商在復(fù)合材料的應(yīng)用方面仍然比較謹(jǐn)慎，就目前的技術(shù)來看，復(fù)合材料在民機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)到了怎樣的程度?
段慧玲:復(fù)合材料已經(jīng)可以部分替代飛機(jī)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(jié)構(gòu)或者核心部件，將來的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)肯定使用的還是鋼材。
記者:復(fù)合材料在民機(jī)制造業(yè)的應(yīng)用還而臨哪些挑戰(zhàn)?
段慧玲:從力學(xué)角度來講，復(fù)合材料目前存在的問題是，在飛機(jī)飛了一段時(shí)間之后，都要進(jìn)行缺陷檢查。比如這架飛機(jī)飛了100天，需要檢查有沒有出現(xiàn)缺陷或者裂紋，否則時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)產(chǎn)生安全隱患。
過去我們可以通過各種方法對(duì)金屬材料進(jìn)行檢查。但是對(duì)于復(fù)合材料而言，目前尚沒有很好的方法對(duì)其進(jìn)行檢查。因?yàn)殇摬氖且环N均勻材料，出現(xiàn)裂縫可以判斷出來。但是復(fù)合材料則是一些纖維，由很多層疊合而成，是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，里而出現(xiàn)一些小的缺陷是很難被發(fā)現(xiàn)的。所以，制定復(fù)合材料無損探傷方面的研究和檢查規(guī)范變得非常重要。
記者:目前，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)在復(fù)合材料的應(yīng)用方面情況如何?我國(guó)在復(fù)合材料領(lǐng)域的研究水平如何?
段慧玲:目前，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)在復(fù)合材料的應(yīng)用上還比較保守，我們首先要保證的是飛機(jī)安全飛起來。實(shí)際上，我國(guó)復(fù)合材料的研制水平與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)是一個(gè)非常大的問題。
記者:這些問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:我覺得原因主要有兩個(gè)方面，一是中國(guó)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)過程去趕上發(fā)達(dá)國(guó)家。二是管理上還存在很多問題，雖然我們投入了很多資金來進(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，但這些成果沒有從實(shí)驗(yàn)室里“走出來”，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。事實(shí)上，一個(gè)產(chǎn)品從科研階段到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化要走很長(zhǎng)的路。
此外，中國(guó)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(guī)范、規(guī)程都存在問題。但是，我們要堅(jiān)信，經(jīng)過我們的努力，會(huì)逐漸消除這個(gè)差距，實(shí)現(xiàn)從“中國(guó)制造”到“中國(guó)創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變。
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