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【材访录】第六期|对话郝文峰教授:实验力学——从“验证工具”到“发现引擎”的跨越之路
来源: 时间: 2026-09-03 浏览: 344

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复合材料从实验室里的“性能达标”,到真正随直升机飞上天、闯战场、经年累月接受严苛考验——这中间的距离,远比大多数人想象的要漫长而凶险。

当复合材料从实验室走向工程现场,一个核心问题始终悬而未决:我们测得的性能数据,究竟在多大程度上代表了真实服役状态下的结构行为?

【材访录】第六期,我们走进扬州大学,对话郝文峰教授。作为长期深耕先进复合材料与结构实验力学领域的学者,他同时担任中国复合材料学会、江苏省力学学会、江苏省复合材料学会三会理事,兼具学术深度与交叉视野。

本期访谈中,郝教授将以实验力学家的独特视角,犀利指出:实验不应只是模型的“验证工具”,更应是理论突破的“发现引擎”。他从“科技副总”的产业实践出发,深入剖析了复合材料从“可测”走向“可信”的关键瓶颈,并前瞻性地提出了原位、融合、标准化三大发展方向。

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郝文峰,扬州大学 教授 博士生导师,长期从事先进复合材料与结构实验力学方面的研究。在Composites Part B: Engineering、Composite Structures、复合材料学报等期刊上发表论文多篇。2016年入选江苏省“双创计划”双创博士,2018年入选江苏省“双创计划”科技副总,2019年入选江苏省“六大人才高峰”,2019年江苏省力学优秀科技工作者。现任中国复合材料学会理事、江苏省力学学会理事、江苏省复合材料学会理事、《Sustainable Structures》、《智能化农业装备学报(中英文)》、《材料工程》、《航空材料学报》青年编委。

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一、郝教授,您长期深耕“先进复合材料与结构实验力学”这一交叉领域。在复合材料研究从“试错”走向“可预测、可设计”的今天,您认为实验力学在揭示复合材料失效机理、验证理论模型和支撑工程设计中,扮演着怎样不可替代的角色?当前最迫切的实验技术需求是什么?

从我个人角度来看,无论复合材料的理论模型和数值方法发展到什么程度,实验力学始终是连接“材料真实行为”与“理论预测”的重要桥梁。复合材料具有明显的多尺度、非均质和各向异性特征,其失效往往不是由单一机制控制,而是包含基体开裂、界面脱粘、分层、纤维断裂以及结构失稳等多种损伤形式,并且这些损伤之间还存在相互耦合。因此,仅仅得到一个强度值、刚度值或最终破坏形貌,实际上很难真正回答“损伤从哪里开始、如何演化以及为什么最终失效”这些关键问题。

实验力学的价值,就在于能够把这些原本难以观察的过程进行表征和量化。例如,通过DIC、声发射、超声、CT等多种测试与表征手段,可以从表面变形、内部损伤、声学响应等不同维度捕捉材料从初始损伤到最终失效的全过程。这些实验信息不仅用于验证理论和数值模型,更重要的是帮助我们发现模型中没有被充分认识甚至尚未考虑的物理机制。因此,我更愿意把实验看作理论发展的“发现工具”,而不仅仅是模型建立之后的“验证工具”。

当前我认为最迫切的需求,是推动复合材料实验由单一指标测试向多场、多尺度、全过程和多模态协同表征转变。特别是在高低温、冲击、疲劳、湿热等复杂服役环境下,如何实现载荷、环境与多种测试手段同步加载、同步测量和数据融合,仍然面临很多挑战。未来如果能够进一步把先进传感、原位测试、智能识别与数据驱动方法结合起来,使实验不仅能够测得准,还能够实时识别损伤状态、追踪损伤演化甚至预测失效,那么实验力学对于复合材料可预测设计和可靠应用的支撑作用会更加突出。

 二、郝教授,您曾入选江苏省“双创计划”科技副总,这段深入企业一线的经历对您的研究工作产生了怎样的影响?它是否让您对复合材料结构在真实服役环境下的损伤演化与失效模式有了不同于纯学术研究的认识?

这段经历对我的影响还是比较大的。过去在高校开展研究时,我们往往会把一个复杂的工程问题进行理想化和简化,控制材料、边界条件和载荷变量,希望从中提炼出清晰的科学规律。这种研究方式对于认识机理非常重要。但真正进入企业以后会发现,工程现场的问题往往没有这么简单。材料批次差异、制造缺陷、装配误差、环境变化、复杂载荷甚至操作条件,都会影响最终的结构性能。

这也使我更加深刻地认识到,实验室里获得一个较高的强度或者设计出一种性能优异的结构,只是工程应用的第一步。企业真正关注的是:这种性能能不能稳定实现;批次之间差异有多大;在复杂环境和长期服役之后还能保持多少;出现某种损伤以后还能不能继续安全工作。这些问题本质上都指向了可靠性、可重复性和全寿命性能评价。

另一方面,企业现场的一些失效问题也会反过来给基础研究提出非常有价值的科学问题。很多工程失效并不是简单的材料强度不够,而可能是制造缺陷、界面损伤、局部应力集中以及环境因素长期耦合作用的结果。因此,我后来越来越关注损伤演化过程本身,而不仅仅关注最终失效载荷。

我认为高校和企业之间最有价值的合作,并不是简单地把实验室已有的技术搬到企业,而是从真实工程问题中提炼科学问题,再利用实验力学、理论分析和数值模拟去寻找其内在规律,最后再把形成的方法反馈到工程设计和评价中。这样的循环能够使科研工作既保持科学深度,又真正回应工程需求。

三、郝教授,您同时担任中国复合材料学会、江苏省力学学会、江苏省复合材料学会的理事,这种多学会交叉的身份为您带来了怎样的独特视角?您认为力学与复合材料两个学科在未来的深度交融中,最值得关注的生长点在哪里?

不同学科看待同一个问题时,关注点确实不完全一样。材料领域更关心材料怎么做出来、微结构怎么调控以及性能怎么提升,而力学领域更关注为什么会产生这样的响应、损伤如何演化与结构最终为什么失效。真正面向工程应用时,这两个问题实际上是不能割裂的。

复合材料本身就是一个非常典型的多学科交叉领域。材料的组分、界面和细观结构决定了基本性能,而这些性能又必须通过不同尺度的力学行为最终体现到构件和结构上。因此,我认为未来一个很重要的发展方向,就是进一步打通“材料-细观结构-构件-工程结构”之间的跨尺度联系。不仅要回答一种材料的性能怎么样,还要能够解释这种性能是如何由内部结构产生的,以及材料参数的变化最终会怎样影响结构安全和服役寿命。

第二个值得关注的方向,是复杂环境下的多场耦合问题。未来复合材料越来越多地应用于航空航天、海洋工程、新能源等高端装备领域,实际服役环境中往往同时存在力、热、湿、电磁等多种因素。传统的单一力学性能评价已经难以完整描述其真实服役状态,这就需要材料科学、实验力学、计算力学以及多物理场分析进一步融合。

另外,我非常关注实验力学与人工智能、数据科学的结合。现在先进实验能够产生大量全场、连续和多模态数据,过去我们可能只从中提取一个峰值或者几条曲线,实际上还有很多信息没有被充分利用。通过机器学习和数据驱动方法,把不同测试手段获得的信息关联起来,有可能实现损伤特征自动提取、失效模式识别以及剩余性能预测。当然,人工智能不能脱离力学规律,真正有生命力的方向应该是数据与物理机制相结合。

所以我理解的学科交叉,不是简单地把几种方法叠加在一起,而是让材料解决怎么构造,让力学回答为什么,让实验解决怎么验证和发现,再让人工智能方法解决怎么预测和优化。这些环节真正贯通起来,才有可能推动复合材料由性能设计进一步走向面向服役的可靠设计。

四、郝教授您认为复合材料结构在工程应用中,其力学性能的可重复性和可靠性评估始终是核心关切。从实验力学的角度看,目前我们在测试标准、表征方法或数据解读上,还存在哪些制约工程放心的关键短板?

我认为,力学性能的可重复性和可靠性,是复合材料从实验室走向工程应用过程中非常关键的问题。复合材料与传统均质材料不同,其性能不仅取决于材料体系本身,还高度依赖纤维铺层、界面状态、制造工艺以及缺陷水平。因此,即使名义上采用相同的材料和结构,不同批次、不同工艺条件下获得的性能也可能存在一定离散性。对于工程应用来说,仅仅知道“平均性能很好”是不够的,更重要的是知道这种性能是否稳定、离散程度有多大,以及在最不利情况下能否保证安全。

从实验测试角度看,我认为首先需要解决的是测试条件与真实服役状态之间的差距。目前大量标准试验仍然是在相对理想、单一载荷和常规环境条件下进行,而工程结构往往面临复杂载荷、极端环境以及长期服役条件。如何建立从标准试样、典型构件到真实结构之间具有明确关联的分级测试与评价体系,是提升工程可信度的重要基础。

第二个问题是,我们现在能够获得的数据越来越丰富,但对于数据背后物理含义的解释还不够充分。以DIC、声发射、超声和CT为例,每一种方法都能够描述损伤的某一个侧面,但不同信号究竟对应什么损伤机制,不同表征参数之间如何建立统一关联,尚缺少具有广泛适用性的评价准则。因此未来不仅需要发展更先进的测试装备,更需要建立多源实验数据与实际损伤机制之间的定量映射关系。

第三个问题是测试方法和评价标准的标准化。很多新型测试和表征技术在科研领域已经得到广泛应用,但不同实验室在试样设计、测试参数、数据处理方法甚至损伤判据方面仍存在差异,这会直接影响结果之间的可比性。实验技术只有从能够测,进一步发展到测得准、可重复、可比较,才能真正进入工程设计体系。

我认为未来复合材料实验力学需要更加重视三个关键词:原位、融合和标准化。原位,是在尽可能接近真实服役条件下观察损伤发生和演化;融合,是利用多种测试手段从不同维度相互验证;标准化,则是把成熟的科研方法逐步转化为可复制、可评价的工程方法。只有把材料性能的离散性和损伤演化的不确定性真正认识清楚、解释清楚并评价清楚,才能让设计人员和工程单位真正放心地使用复合材料。

本期访谈中,郝文峰教授以其贯通材料、力学与实验的交叉视野,为我们呈现了实验力学在复合材料研究中的深层价值。他提出的实验是“发现工具”而非仅仅是“验证工具”这一洞见,为重新审视实验学科定位提供了新思路。

他对“科技副总”经历的真诚分享——从工程现场提炼科学问题,再让方法回归工程评价——生动诠释了何为“顶天立地”的科研路径。而他关于原位观测、多模态融合与标准化建设的三大主张,则为复合材料实验技术从“测得准”迈向“信得过”指明了方向。


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