隨著新能源汽車、高端制造、軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，我國制造業(yè)越來越注重復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展。且隨著我國“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”目標(biāo)的提出，復(fù)合材料的發(fā)展優(yōu)先級(jí)越來越靠前。為了深入了解復(fù)合材料行業(yè)存在的問題及發(fā)展策略，《Carbontech magazine》雜志副主編李彬彬特約采訪力學(xué)和復(fù)合材料學(xué)家杜善義院士，杜院士在接受采訪時(shí)說：“我們要重視復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究!”

您是全國第一個(gè)航天學(xué)院的首任院長，前段時(shí)間，哈工大電致變色技術(shù)完成我國首次空間驗(yàn)證，這是我國首次開展電致變色技術(shù)在空間環(huán)境下的性能驗(yàn)證，電致變色在航空領(lǐng)域有何應(yīng)用？

杜善義院士：

電致變色材料是光學(xué)屬性在外加電場(chǎng)作用下，可發(fā)生穩(wěn)定、可逆變化的材料，在表面表現(xiàn)為顏色和透明度的變化。電致變色材料應(yīng)用廣泛。實(shí)際上這種材料早就有了，比如說在飛機(jī)上應(yīng)用，787的飛機(jī)舷窗就可以變色（你要睡覺了可以變成深色，營造一種黑暗的環(huán)境），建筑節(jié)能玻璃及汽車玻璃變色都是用它。電致變色材料可以根據(jù)需求調(diào)整，既可以做到吸光，也可以做到透光。作為一種材料，伴隨著需求，其性能與功能不斷提升，對(duì)可見波段顏色的變化可用于軍事偽裝，而中遠(yuǎn)紅外波段的熱輻射調(diào)控可應(yīng)用在航天器的智能熱控系統(tǒng)。哈工大復(fù)合材料所李垚教授研究團(tuán)隊(duì)作了10年的研究和攻關(guān)，2021年10月完成了我國首次電致變色熱控器件的空間驗(yàn)證。

Q&A

在航空航天領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)輕量化是永恒的主題。您團(tuán)隊(duì)誕生了多項(xiàng)輕量化多功能復(fù)合材料項(xiàng)目，也助力我國航空航天和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。你覺得復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最大的難題是什么？ 

杜善義院士：

復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用主要存在以下幾個(gè)問題。

第一就是設(shè)計(jì)問題。我國復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)以跟蹤替代應(yīng)用為主，自主設(shè)計(jì)應(yīng)用能力較弱。比如材料的許用值及設(shè)計(jì)值，在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中，是設(shè)計(jì)和審定的基礎(chǔ)和依據(jù)。在應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)時(shí)，能允許它有多大的設(shè)計(jì)載荷對(duì)于復(fù)合材料應(yīng)用而言非常重要，從這些方面來看我們還是需要進(jìn)一步來提高。材料的許用值選的太低，材料的性能優(yōu)勢(shì)發(fā)揮不出來，選的太高，應(yīng)用的安全性無法保障，所以這是一個(gè)非常重要的問題。復(fù)合材料工作者必須對(duì)其進(jìn)行科學(xué)表征。

第二就是應(yīng)對(duì)服役環(huán)境變化的問題。不同的飛機(jī)有不同的應(yīng)用場(chǎng)景，有通用飛機(jī)，客機(jī)，軍機(jī)、直升機(jī)，無人飛機(jī)等。復(fù)合材料也需要根據(jù)這些環(huán)境的變化進(jìn)行設(shè)計(jì)，這本身對(duì)研究者也是一個(gè)挑戰(zhàn)，所以這也是一個(gè)很重要的問題。

第三就是成本的問題。目前復(fù)合材料的成本來還是偏高的（也許從全壽命周期看，復(fù)合材料的成本可能比使用金屬的低）。降低原材料成本以及設(shè)計(jì)制造成本，對(duì)于復(fù)合材料應(yīng)用而言也是一個(gè)非常重要的問題。

第四就是復(fù)合材料多功能化的問題。比如高速飛行器或者高超聲速飛行器，還需要解決熱的問題，所以對(duì)于復(fù)合材料而言，就希望它既要有輕量化，又需要耐高溫以及其他功能等。這樣就給材料設(shè)計(jì)與制造帶來許多問題，這些問題也是復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中需要攻破的關(guān)鍵技術(shù)問題。

第五就是用量問題。國際上碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占全部應(yīng)用的20%左右，但我們國家目前應(yīng)用占比不到10%。未來航空上還需要有大量的應(yīng)用。我國研制的 ARJ 21 支線客機(jī)復(fù)合材料用量占比約為2%，正在研制的C919中型客機(jī)復(fù)合材料用量占比約為13%，而國外最新研制的波音787、空中客車A350等大型客機(jī)復(fù)合材料用量占比則達(dá)到 50% 以上。歐洲直升機(jī)公司的 NH90 直升機(jī)復(fù)合材料達(dá)到了 95%，而國內(nèi)新型直升機(jī) Z10 的復(fù)合材料用量占比僅為 34%。

但是從航天來看，我們國家用的還是比較充分的。

Q&A

您主要從事飛行器結(jié)構(gòu)輕量化和熱防護(hù)材料研究，據(jù)我所知，碳/碳復(fù)合材料、碳/碳化硅復(fù)合材料、碳化硅纖維復(fù)合材料都是比較好的熱防護(hù)復(fù)合材料，您可以講講這幾種材料的應(yīng)用和區(qū)別么？什么是熱結(jié)構(gòu)材料？

杜善義院士：

對(duì)碳/碳復(fù)合材料、碳/碳化硅復(fù)合材料，我們并不做原材料而主要做其力和熱環(huán)境下的分析工作，對(duì)其他的性能測(cè)試也做了非常多的研究工作。通過材料及結(jié)構(gòu)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，我們才能夠做到用好、用多，這是我們做的一方面的工作。另外，我們?cè)谄渌矫娴臒岱雷o(hù)材料也做了很多的研究工作，比如說超高溫陶瓷和超高溫陶瓷基復(fù)合材料，隔熱材料和熱防護(hù)材料，或者熱結(jié)構(gòu)材料等。比如超高溫陶瓷基復(fù)合材料，這屬于非燒蝕材料，還有燒蝕性的輕質(zhì)材料，已經(jīng)在航天上得到一些應(yīng)用。

目前（碳/碳復(fù)合材料、碳化硅纖維復(fù)合材料）這兩種材料大家比較重視，而且能夠應(yīng)用到航空行業(yè)，這兩個(gè)材料有一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)：耐高溫。但還是有一定的區(qū)別，對(duì)碳/碳復(fù)合材料而言，我國用的比較早，相對(duì)比較成熟，具有比較好的耐高溫性能。碳化硅纖維復(fù)合材料能耐高溫（三代的碳化硅纖維復(fù)合材料耐溫可達(dá)1700 ℃），碳/碳復(fù)合材料耐溫可達(dá)2000 ℃。但是，碳/碳復(fù)合材料有一個(gè)缺點(diǎn)就是易于被氧化（大概在幾百度就開始氧化了），所以表面必須做抗氧化處理，在耐氧化這方面，碳化硅纖維復(fù)合材料更好一些。

作為熱防護(hù)材料來看，它們的發(fā)展空間都非常大。

什么是熱結(jié)構(gòu)材料呢？就是既能夠耐高溫，同時(shí)又能夠承受力的作用。這樣就可以減輕產(chǎn)品重量。我們團(tuán)隊(duì)也正在做超高溫陶瓷基復(fù)合材料，耐高溫性能可達(dá)2500 ℃，而且力學(xué)性能也在不斷的提高。我們都知道，陶瓷基復(fù)合材料的脆性比較大（韌性差），我們?cè)谠O(shè)計(jì)與工藝方面進(jìn)行深入研究，以期達(dá)到更高的工程結(jié)構(gòu)方面要求。

另外，新一代的熱防護(hù)材料也在不斷的發(fā)展，我們的目標(biāo)就是希望它能夠多功能，首先是既能夠耐高溫，同時(shí)也能夠承受力的作用，另外最好還能夠具有吸波或者透波等性能，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)材料的多功能化發(fā)展需求。

Q&A

眾所周知，復(fù)合材料界面對(duì)于復(fù)合材料而言至關(guān)重要，您可以講下復(fù)合材料界面的主要作用么？我們應(yīng)該從哪些方面做突破？

杜善義院士：

復(fù)合材料的界面對(duì)于復(fù)合材料而言是一個(gè)非常重要的問題，也是復(fù)合材料非常重要的一個(gè)特征。界面有兩種，一種是纖維和基體形成的界面，另外就是層合板中間形成界面。

針對(duì)纖維和基體形成的界面而言，這個(gè)界面非常重要。界面作為纖維與樹脂間應(yīng)力傳遞的紐帶，直接影響到內(nèi)部應(yīng)力的傳遞和分散，損傷的傳播和抑制，對(duì)復(fù)合材料整體性能起著決定性作用。

首先就是保證纖維和基體之間具有良好的結(jié)合性能，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能在很大程度上取決于界面粘接性能，這對(duì)于我們而言，是一個(gè)需要解決的問題。另外我們需要解決的就是界面的設(shè)計(jì)和控制，復(fù)合材料界面的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)復(fù)合材料整體的性能影響非常大，可以通過界面的設(shè)計(jì)和控制進(jìn)而調(diào)控復(fù)合材料增強(qiáng)和增韌。

Q&A

哈爾濱工業(yè)大學(xué)《理論力學(xué)》自1961年首版問世以來，歷經(jīng)60年長盛不衰，并根據(jù)各個(gè)時(shí)期的教學(xué)需要不斷修訂再版，累計(jì)出版8個(gè)版本，被國內(nèi)300余所院校采用。您覺得《理論力學(xué)》這本書最大的魅力在哪里？

杜善義院士：

力學(xué)這門課程在理工科大學(xué)，特別是工科大學(xué)是非常重要的基礎(chǔ)課。因?yàn)榱W(xué)是一切裝備設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，我們?nèi)彼恍校覀兩w一個(gè)高樓，需要力學(xué)設(shè)計(jì)；飛機(jī)、衛(wèi)星更要設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)的很重要的基礎(chǔ)就是力學(xué)。力學(xué)的基礎(chǔ)課，有理論力學(xué)，材料力學(xué)，彈性力學(xué)，塑性力學(xué)，板殼理論與流體力學(xué)等等，這些課程非常多，不僅是力學(xué)的專業(yè)需要學(xué)習(xí)這些課程，其他工科如：機(jī)械、土木、建筑、材料等設(shè)計(jì)專業(yè)都要學(xué)習(xí)（這些課程）。那么在力學(xué)里面最基礎(chǔ)的就是理論力學(xué)，包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)等等。這個(gè)課程是基礎(chǔ)，只有把理論力學(xué)學(xué)好，你才能夠去學(xué)習(xí)其他的力學(xué)課程。所以，理論力學(xué)是我們一個(gè)很重要的工具，是設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)和支撐。

哈工大的《理論力學(xué)》為什么影響比較大？我覺得主要有這幾個(gè)大特點(diǎn)：

第一個(gè)特點(diǎn)就是哈工大重視這個(gè)教材。因?yàn)榻滩氖且粋€(gè)重要的教學(xué)資源，涉及到教學(xué)改革，學(xué)生對(duì)知識(shí)的領(lǐng)會(huì)，對(duì)力學(xué)技術(shù)理論掌握等。哈工大的《理論力學(xué)》這本教材根據(jù)各個(gè)時(shí)期的教學(xué)需要不斷修訂，以滿足學(xué)生更好地掌握這門知識(shí)。

第二個(gè)特點(diǎn)就是這本教材是集體的智慧，是一個(gè)團(tuán)隊(duì)做的教材，所以教材很多時(shí)候是以教研室署名，不是某一個(gè)人署名。從老一輩的教師就開始做這件事情：編寫這個(gè)教材，一代接一代傳下來，不斷修訂，不斷完善，這樣一步一步進(jìn)行改進(jìn)。沒有最好的教材，只有更好的教材。這個(gè)教材通過一代一代的教師不斷的修訂，所以會(huì)做的越來越好，越來越適合教育改革的要求，也越來越適合學(xué)生培養(yǎng)的要求。

第三個(gè)很重要的特點(diǎn)就是這本教材體現(xiàn)了體系化。《理論力學(xué)》不僅有這個(gè)《理論力學(xué)》這個(gè)書，還有習(xí)題集、選題集等等，而且現(xiàn)在也配備數(shù)字化的講課方式等等。它在不斷地與時(shí)俱進(jìn)，這樣的話大家用起來就比較方便，也適合不同的專業(yè)來學(xué)習(xí)。所以長盛不衰，現(xiàn)在非常受擁護(hù)。《理論力學(xué)》第八版在全國首屆優(yōu)秀教材評(píng)選中也榮獲優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)。

Q&A

網(wǎng)上流傳一句話：“復(fù)合材料力學(xué)，太難了，你會(huì)一直后悔做這個(gè)決定。”

您作為力學(xué)和復(fù)合材料專家，對(duì)于有志從事復(fù)合材料力學(xué)方向研究的青年學(xué)生有什么建議？

杜善義院士：

這個(gè)問題問的很好，復(fù)合材料力學(xué)對(duì)于復(fù)合材料來講非常重要。科學(xué)研究必須知難而進(jìn)，任何學(xué)科的新分支都有新的理論與試驗(yàn)問題需要解決。

第一：復(fù)合材料力學(xué)對(duì)于復(fù)合材料應(yīng)用來講非常重要。復(fù)合材料最早用是作為結(jié)構(gòu)材料來使用的，上面講了使用復(fù)合材料主要為了減重，提高結(jié)構(gòu)效率，這是永恒的主題。復(fù)合材料的比性能高，又具有可設(shè)計(jì)性，所以可以在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用有一個(gè)很重要的問題，怎么樣用好？要把復(fù)合材料作為一個(gè)最重要的結(jié)構(gòu)材料，它的力學(xué)性能必須要搞清楚，力學(xué)性能搞不清楚沒人敢用，設(shè)計(jì)師也沒有辦法進(jìn)行設(shè)計(jì)。而復(fù)合材料是各向異性非均勻性材料，比金屬、有機(jī)、無機(jī)非金屬材料的力學(xué)分析要難得多。

第二：復(fù)合材料力學(xué)可以解決非常多的實(shí)際問題：比如纖維的鋪層設(shè)計(jì)、強(qiáng)度的預(yù)測(cè)以及界面的分析等。

復(fù)合材料力學(xué)相比于其他材料學(xué)科是比較難學(xué)，但是學(xué)好之后用途也是非常之大的。怎么學(xué)？我這里有幾個(gè)建議，大家可以參考下：

第一就是在理論上把材料科學(xué)這個(gè)因素加進(jìn)去，怎么樣來解決一些重要的理論和科學(xué)的問題，這是一個(gè)觀點(diǎn)，必須要樹立起來，不能拿來就用，這肯定是不行的。

第二個(gè)就是有一個(gè)辦法借鑒，我個(gè)人就用這個(gè)辦法。做復(fù)合材料力學(xué)，必須要和材料結(jié)合，和材料學(xué)家結(jié)合，根據(jù)材料學(xué)家一些觀點(diǎn)去建立一些模型，那對(duì)你是一個(gè)幫助，脫離材料學(xué)家，那你的力學(xué)工作是做不好的。復(fù)合材料力學(xué)就是復(fù)合材料和應(yīng)用中間的橋梁。這實(shí)際上是力學(xué)與材料學(xué)有機(jī)結(jié)合。

第三個(gè)是要跟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師結(jié)合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師是需求方，復(fù)合材料設(shè)計(jì)需要滿足需求方的要求。

Q&A

最后，作為碳材料雜志的編委會(huì)成員，我們也特別想知道，您作為業(yè)界專家，您最關(guān)注碳材料部分的哪些方向？

杜善義院士：

碳材料是應(yīng)該是我們地球上最豐富的材料之一。它的來源很多，有天然的，有人工合成的，而且在不斷的發(fā)展。近些年低維的碳材料也非常受到重視和青睞。我主要講一下以下三種材料。

第一就是碳纖維，我覺得碳纖維的出現(xiàn)是一個(gè)顛覆性的技術(shù)。它是復(fù)合材料最重要最有代表性的增強(qiáng)材料，為軍民兩用的戰(zhàn)略性材料。像787飛機(jī)基本上50%以上都是這種類型的復(fù)合材料。

第二就是碳納米管，這個(gè)材料現(xiàn)在雖然沒有大量的應(yīng)用，但目前在材料方面來看，可以做很多新的東西，現(xiàn)在也在不斷的發(fā)展。材料到了納米尺度之后，會(huì)改變材料本身很多性能：力學(xué)性能、電性能、光性能、熱性能等。

第三就是石墨烯，我們國家石墨的產(chǎn)量很豐富，石墨到石墨烯是顛覆性的。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。

人物檔案

杜善義，中國工程院院士，力學(xué)和復(fù)合材料學(xué)家。哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國航天科技集團(tuán)教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院院長，中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事長，國家商用飛機(jī)咨詢組成員。原總裝備部科技委兼職委員、國防科工局科技委委員、國家安全重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃專家顧問組成員、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃專家咨詢組成員等。主要從事飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)與先進(jìn)復(fù)合材料方面研究，在重大裝備結(jié)構(gòu)輕量化、高速飛行器熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)、多功能與智能復(fù)合材料方面取得重要研究成果，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)與國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)共5項(xiàng)，第二屆“錢學(xué)森力學(xué)獎(jiǎng)”，中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)“終身成就獎(jiǎng)”，何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，并獲國際復(fù)合材料委員會(huì)WORLD FELLOW榮譽(yù)稱號(hào)。1999年當(dāng)選中國工程院院士。