“听材料之声,探未来之路。由中国复合材料学会推出的《复材之声》,聚焦复合材料前沿科技、产业动态和专家观点。致力于搭建一个交流平台,汇行业精英,享真知灼见,共同推动中国复合材料产业蓬勃发展!”
复合材料,是科技创新的重要基石,也是推动产业变革的关键力量。在新能源、航空航天、电子信息等领域,高性能复合材料正发挥着不可替代的作用。然而,如何突破材料性能的极限?如何实现从实验室到产业化的跨越?这些问题不仅关乎技术本身,更关乎国家科技竞争力的提升。
国产大飞机C919复合材料用量达12%,未来C929目标提升至50%——这一跨越背后,是复合材料主承力结构面临的结构效率与安全挑战。如何突破失效预测瓶颈?怎样打通实验室成果到型号应用的路径?检测标准体系存在哪些关键缺口?
本期《复材之声》对话中国飞机强度研究所陈向明研究员,直面航空复材核心议题:
失效机理困局:复材“材料/结构一体化”特性导致的性能分散性,如何通过工艺提升与分析方法创新破局?
成果转化逻辑:自主研发CAE软件、试验标准、专用装置如何直接支撑型号设计与适航鉴定?
检测标准真空:为何壁板等结构元件级测试标准比材料测试更亟需统一?
青年科研定位:如何平衡国家需求、个人特长与科研兴趣?
跟随陈向明研究员的视角,看中国航空复材从“保守设计”到“精准掌控”的进化之路!
一、您在飞机复合材料结构强度研究中,如何解决高载荷、复杂工况下的结构失效难题?能否以某型国产民机(如C919)为例,说明关键技术突破的实际应用价值?
陈老师的回答:确实,复合材料在航空结构中的应用已从非承力、次承力发展到如今的主承力结构,用量显著提升,像C919已应用约12%,未来C929等机型预计会达到50%。这表明复材技术日趋成熟,但由于其固有特性也带来了持续的挑战。
复合材料是“材料/结构一体化”制造,其性能受材料组分、工艺过程及操作者影响显著,导致力学性能存在一定分散性。尤其在复杂应力状态下,失效模式预测困难。目前的设计方法常需通过保守策略——即牺牲部分减重潜力(“陪着重量”)来确保安全。这就导致尽管复材用量增加,其结构效率和减重效果尚未完全达到预期目标。
因此,关键突破口在于:一方面需持续提升制造工艺水平与稳定性;另一方面,亟需深入认识其失效机理,发展能够精确评估其力学性能的分析方法。只有建立起可靠的分析工具,才能支撑更精准的设计,最终实现承载效率更高、减重效果更优的结构形式。未来在追求更高复材用量(如50%以上)的同时,提升结构效率将是核心课题。我们的研究正是围绕开发先进分析方法(如损伤容限分析)和实验表征技术来支撑这一目标,这些成果已应用于国产飞机的结构设计与验证中,为保障其安全可靠服役提供了关键技术支撑。
二、您主持的航空基金和民机专项课题多次实现成果转化,在推动高校基础研究与工业界需求对接时,最关键的协同机制是什么?能否分享一个技术从实验室到装机应用的典型案例?
陈老师的回答:中国飞机强度研究所的核心使命就是服务型号研制。我们团队的工作,无论是复合材料分析方法、实验技术还是测试表征,都紧密面向型号需求,支撑型号研制全过程。
关键的协同机制在于“需求牵引”与“能力支撑”的双向奔赴。科研工作必须紧扣型号研制中的痛点、难点问题。例如,我们为解决特定分析难题,自主研发了CAE软件,形成了支撑飞机设计的专用工具链。另一方面,我们的实验测试技术研究,会凝练形成标准规范,并研制专用实验装置。这些标准、方法和装置,直接应用于飞机复合材料结构的试验验证与适航鉴定工作,成为保障型号成功不可或缺的一环。
虽然“成果转化”的提法在狭义上可能不多,但我们的分析工具(如前面提到的CAE软件)、建立的试验标准(如特定构型的测试方法)和研制的专用试验设备,本身就是直接服务于型号鉴定和设计优化的核心成果。它们从实验室诞生,经过严格验证后,立即投入到型号研制这个“主战场”,这就是最直接的转化应用。
三、作为中国复合材料学会青年工作委员会副主任,您认为青年科研者应如何平衡基础理论研究与工程紧迫需求?学会的‘青年人才托举计划’对团队建设有何助力?
陈老师的回答:对于青年科研人员,我认为关键在于找到三个要素的结合点:国家重大需求、个人学术特长与科研兴趣。国家需求是广阔的舞台,总能在其中找到与个人志趣相契合的方向。只有这三者有机结合,青年科技工作者才能更好地融入有组织的科研,并在特定领域深耕下去,实现可持续发展。
平衡基础研究与工程需求,需要清晰的定位和务实的态度。青年时期(尤其是刚从高校毕业时)是进行自由探索、潜心钻研的黄金期。“青年人才托举计划”正是为这个阶段的青年才俊提供了一个宝贵的平台。它给予支持,鼓励青年在面向国家重大需求(如航空主战场)的同时,结合自身优势开展探索性研究。这既有助于个人成长,也能为未来解决更复杂的工程问题打下坚实的理论基础,最终反哺团队整体创新能力的提升。托举计划为青年人才的早期成长提供了关键助力,也为科研团队的梯队建设注入了活力。
四、您担任学会检测与评价技术专委会常务委员,当前航空复材检测领域最亟需统一的标准是什么?学会如何推动跨行业(如航宇-能源)检测技术互认?
陈老师的回答: 在复合材料检测领域,材料层级的测试标准(国际、国家、行业)已相对成熟。目前亟需标准化规范化的重点在于更高层级——特别是典型结构元件(如加筋壁板)的试验方法。这类结构形式具有共性,但当前其力学性能测试结果分散性较大,操作过程中的人为因素是重要原因之一。通过建立统一、规范的结构元件级试验标准,能有效降低测试结果的离散性,提高数据的可靠性和可比性。航空航天、船舶等领域在结构形式上有很多相似之处(如壁板、连接),其壁板结构测试标准化的需求也很迫切。中国复合材料学会的团体标准制定工作,正是面向整个复材行业、推动各领域标准统一的重要平台。
至于跨行业互认,如航空航天(碳纤维为主)与新能源风电(玻璃纤维为主),情况略有不同。在材料层级的基本力学性能测试标准(如拉伸、压缩、剪切)方面,两者是相通甚至可以直接互认的。差异主要出现在结构层级。风电叶片这类大型、细长、厚壁结构形式,其测试方法(如全尺寸测试、疲劳载荷谱)与航空领域关注的薄壁加筋壁板结构存在显著区别。因此,在结构级的测试标准和评价方法上,需要根据各自的结构特点和服役环境进行专门研究和标准化,互认的基础在于材料级共性标准和结构级方法学的深入交流与协调。学会通过搭建交流平台,促进不同行业专家对话,共同探讨共性测试技术和标准协调的可能性,为未来可能的互认奠定基础。
从C919复材部件的“失效机理图谱”,到青年科研者的“需求-兴趣坐标轴”,陈向明研究员用时间诠释了航空复材创新的三重境界——精准认知材料、精准服务型号、精准培育人才。
当自主研发的CAE软件成为大飞机的“数字筋骨”,当结构元件级检测标准填补行业空白,我们看到的不仅是一项项技术突破,更是一代航空人“以型号需求为锚点”的务实哲学。正如陈研究员所言:“我们的分析工具从实验室诞生,直接奔赴型号战场——这就是最硬核的转化。”
下期内容,敬请期待!