“聽材料之聲,探未來之路。由中國復(fù)合材料學會推出的《復(fù)材之聲》,聚焦復(fù)合材料前沿科技、產(chǎn)業(yè)動態(tài)和專家觀點。致力于搭建一個交流平臺,匯行業(yè)精英,享真知灼見,共同推動中國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展!”
復(fù)合材料,是科技創(chuàng)新的重要基石,也是推動產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量。在新能源、航空航天、電子信息等領(lǐng)域,高性能復(fù)合材料正發(fā)揮著不可替代的作用。然而,如何突破材料性能的極限?如何實現(xiàn)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越?這些問題不僅關(guān)乎技術(shù)本身,更關(guān)乎國家科技競爭力的提升。
國產(chǎn)大飛機C919復(fù)合材料用量達12%,未來C929目標提升至50%——這一跨越背后,是復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)面臨的結(jié)構(gòu)效率與安全挑戰(zhàn)。如何突破失效預(yù)測瓶頸?怎樣打通實驗室成果到型號應(yīng)用的路徑?檢測標準體系存在哪些關(guān)鍵缺口?
本期《復(fù)材之聲》對話中國飛機強度研究所陳向明研究員,直面航空復(fù)材核心議題:
失效機理困局:復(fù)材“材料/結(jié)構(gòu)一體化”特性導(dǎo)致的性能分散性,如何通過工藝提升與分析方法創(chuàng)新破局?
成果轉(zhuǎn)化邏輯:自主研發(fā)CAE軟件、試驗標準、專用裝置如何直接支撐型號設(shè)計與適航鑒定?
檢測標準真空:為何壁板等結(jié)構(gòu)元件級測試標準比材料測試更亟需統(tǒng)一?
青年科研定位:如何平衡國家需求、個人特長與科研興趣?
跟隨陳向明研究員的視角,看中國航空復(fù)材從“保守設(shè)計”到“精準掌控”的進化之路!

一、您在飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度研究中,如何解決高載荷、復(fù)雜工況下的結(jié)構(gòu)失效難題?能否以某型國產(chǎn)民機(如C919)為例,說明關(guān)鍵技術(shù)突破的實際應(yīng)用價值?
陳老師的回答:確實,復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已從非承力、次承力發(fā)展到如今的主承力結(jié)構(gòu),用量顯著提升,像C919已應(yīng)用約12%,未來C929等機型預(yù)計會達到50%。這表明復(fù)材技術(shù)日趨成熟,但由于其固有特性也帶來了持續(xù)的挑戰(zhàn)。
復(fù)合材料是“材料/結(jié)構(gòu)一體化”制造,其性能受材料組分、工藝過程及操作者影響顯著,導(dǎo)致力學性能存在一定分散性。尤其在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,失效模式預(yù)測困難。目前的設(shè)計方法常需通過保守策略——即犧牲部分減重潛力(“陪著重量”)來確保安全。這就導(dǎo)致盡管復(fù)材用量增加,其結(jié)構(gòu)效率和減重效果尚未完全達到預(yù)期目標。
因此,關(guān)鍵突破口在于:一方面需持續(xù)提升制造工藝水平與穩(wěn)定性;另一方面,亟需深入認識其失效機理,發(fā)展能夠精確評估其力學性能的分析方法。只有建立起可靠的分析工具,才能支撐更精準的設(shè)計,最終實現(xiàn)承載效率更高、減重效果更優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。未來在追求更高復(fù)材用量(如50%以上)的同時,提升結(jié)構(gòu)效率將是核心課題。我們的研究正是圍繞開發(fā)先進分析方法(如損傷容限分析)和實驗表征技術(shù)來支撐這一目標,這些成果已應(yīng)用于國產(chǎn)飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證中,為保障其安全可靠服役提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
二、您主持的航空基金和民機專項課題多次實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化,在推動高?;A(chǔ)研究與工業(yè)界需求對接時,最關(guān)鍵的協(xié)同機制是什么?能否分享一個技術(shù)從實驗室到裝機應(yīng)用的典型案例?
陳老師的回答:中國飛機強度研究所的核心使命就是服務(wù)型號研制。我們團隊的工作,無論是復(fù)合材料分析方法、實驗技術(shù)還是測試表征,都緊密面向型號需求,支撐型號研制全過程。
關(guān)鍵的協(xié)同機制在于“需求牽引”與“能力支撐”的雙向奔赴。科研工作必須緊扣型號研制中的痛點、難點問題。例如,我們?yōu)榻鉀Q特定分析難題,自主研發(fā)了CAE軟件,形成了支撐飛機設(shè)計的專用工具鏈。另一方面,我們的實驗測試技術(shù)研究,會凝練形成標準規(guī)范,并研制專用實驗裝置。這些標準、方法和裝置,直接應(yīng)用于飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的試驗驗證與適航鑒定工作,成為保障型號成功不可或缺的一環(huán)。
雖然“成果轉(zhuǎn)化”的提法在狹義上可能不多,但我們的分析工具(如前面提到的CAE軟件)、建立的試驗標準(如特定構(gòu)型的測試方法)和研制的專用試驗設(shè)備,本身就是直接服務(wù)于型號鑒定和設(shè)計優(yōu)化的核心成果。它們從實驗室誕生,經(jīng)過嚴格驗證后,立即投入到型號研制這個“主戰(zhàn)場”,這就是最直接的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
三、作為中國復(fù)合材料學會青年工作委員會副主任,您認為青年科研者應(yīng)如何平衡基礎(chǔ)理論研究與工程緊迫需求?學會的‘青年人才托舉計劃’對團隊建設(shè)有何助力?
陳老師的回答:對于青年科研人員,我認為關(guān)鍵在于找到三個要素的結(jié)合點:國家重大需求、個人學術(shù)特長與科研興趣。國家需求是廣闊的舞臺,總能在其中找到與個人志趣相契合的方向。只有這三者有機結(jié)合,青年科技工作者才能更好地融入有組織的科研,并在特定領(lǐng)域深耕下去,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
平衡基礎(chǔ)研究與工程需求,需要清晰的定位和務(wù)實的態(tài)度。青年時期(尤其是剛從高校畢業(yè)時)是進行自由探索、潛心鉆研的黃金期?!扒嗄耆瞬磐信e計劃”正是為這個階段的青年才俊提供了一個寶貴的平臺。它給予支持,鼓勵青年在面向國家重大需求(如航空主戰(zhàn)場)的同時,結(jié)合自身優(yōu)勢開展探索性研究。這既有助于個人成長,也能為未來解決更復(fù)雜的工程問題打下堅實的理論基礎(chǔ),最終反哺團隊整體創(chuàng)新能力的提升。托舉計劃為青年人才的早期成長提供了關(guān)鍵助力,也為科研團隊的梯隊建設(shè)注入了活力。
四、您擔任學會檢測與評價技術(shù)專委會常務(wù)委員,當前航空復(fù)材檢測領(lǐng)域最亟需統(tǒng)一的標準是什么?學會如何推動跨行業(yè)(如航宇-能源)檢測技術(shù)互認?
陳老師的回答: 在復(fù)合材料檢測領(lǐng)域,材料層級的測試標準(國際、國家、行業(yè))已相對成熟。目前亟需標準化規(guī)范化的重點在于更高層級——特別是典型結(jié)構(gòu)元件(如加筋壁板)的試驗方法。這類結(jié)構(gòu)形式具有共性,但當前其力學性能測試結(jié)果分散性較大,操作過程中的人為因素是重要原因之一。通過建立統(tǒng)一、規(guī)范的結(jié)構(gòu)元件級試驗標準,能有效降低測試結(jié)果的離散性,提高數(shù)據(jù)的可靠性和可比性。航空航天、船舶等領(lǐng)域在結(jié)構(gòu)形式上有很多相似之處(如壁板、連接),其壁板結(jié)構(gòu)測試標準化的需求也很迫切。中國復(fù)合材料學會的團體標準制定工作,正是面向整個復(fù)材行業(yè)、推動各領(lǐng)域標準統(tǒng)一的重要平臺。
至于跨行業(yè)互認,如航空航天(碳纖維為主)與新能源風電(玻璃纖維為主),情況略有不同。在材料層級的基本力學性能測試標準(如拉伸、壓縮、剪切)方面,兩者是相通甚至可以直接互認的。差異主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)層級。風電葉片這類大型、細長、厚壁結(jié)構(gòu)形式,其測試方法(如全尺寸測試、疲勞載荷譜)與航空領(lǐng)域關(guān)注的薄壁加筋壁板結(jié)構(gòu)存在顯著區(qū)別。因此,在結(jié)構(gòu)級的測試標準和評價方法上,需要根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特點和服役環(huán)境進行專門研究和標準化,互認的基礎(chǔ)在于材料級共性標準和結(jié)構(gòu)級方法學的深入交流與協(xié)調(diào)。學會通過搭建交流平臺,促進不同行業(yè)專家對話,共同探討共性測試技術(shù)和標準協(xié)調(diào)的可能性,為未來可能的互認奠定基礎(chǔ)。
從C919復(fù)材部件的“失效機理圖譜”,到青年科研者的“需求-興趣坐標軸”,陳向明研究員用時間詮釋了航空復(fù)材創(chuàng)新的三重境界——精準認知材料、精準服務(wù)型號、精準培育人才。
當自主研發(fā)的CAE軟件成為大飛機的“數(shù)字筋骨”,當結(jié)構(gòu)元件級檢測標準填補行業(yè)空白,我們看到的不僅是一項項技術(shù)突破,更是一代航空人“以型號需求為錨點”的務(wù)實哲學。正如陳研究員所言:“我們的分析工具從實驗室誕生,直接奔赴型號戰(zhàn)場——這就是最硬核的轉(zhuǎn)化?!?/span>
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