五问复合材料

　　神奇的大自然总是源源不断地馈赠给人类智慧的灵感，就像所有的蜂巢都拥有统一的建造角度和模式一样　　正是因为这些优势，复合材料已经成为航空材料的“新宠”。其在客机上的结构重量日益增加，如今已经开始广泛应用于民用航空制造业。一些先进客机的复合材料重量已经超过金属材料，占其总重量的50%以上，这也成为未来民机在材料选择方面的一种趋势。
　　为了满足飞机在飞行中一系列苛刻的要求，飞机制造商对复合材料的使用非常谨慎，而其中很多关键问题的答案都需要科学家的深刻认识与理论阐释。段慧玲就是这样一位专家。作为北京大学工学院力学与工程科学系的研究员，她在复合材料研究领域钻研多年，获得了很多具有国际影响力的研究成果。
　　由于杰出的科技成就，段慧玲获得了由妇女联合会、科学技术协会、联合国教科文组织委员会及欧莱雅共同主办的第11届“青年女科学家奖”。在颁奖现场，记者就复合材料在航空领域应用的相关问题采访了段慧玲。
　　记者：在航空复合材料研究领域，其研究目标主要是什么？
　　段慧玲：我们主要研究的是复合材料的强度和刚度。尤其是用于飞机制造业的材料，其中一个重要的因素就是尽可能减轻重量。因此，我们的研究就是要在保证复合材料重量轻的情况下，保证其较大的强度和刚度，并防止出现裂纹。
　　这些复合材料都是三明治结构的，就像自然界的蜂巢，实际上它中间的“心”是空的，这样重量才会轻。但是，这种结构一受力就会被压扁。为了避免这种情况的发生，我们就要进行设计，使其具有较大的刚度。因此，工程师通常会在复合材料中添加涂层。选用何种涂层材料、涂层厚度怎样确定、涂层会对材料特性带来哪些影响，这些都直接决定了材料的刚度和强度。
　　记者：目前上先进的民用飞机，如波音787、空客A350在复合材料的应用上都超过了整个机体材料的50%。但是制造商在复合材料的应用方面仍然比较谨慎，就目前的技术来看，复合材料在民机制造领域的应用达到了怎样的程度？
　　段慧玲：复合材料已经可以部分替代飞机上的金属材料了，但是不可能全部替代。比如一些大的受力结构或者核心部件，将来的飞机发动机肯定使用的还是钢材。
　　记者：复合材料在民机制造业的应用还面临哪些挑战？
　　段慧玲：从力学角度来讲，复合材料目前存在的问题是，在飞机飞了一段时间之后，都要进行缺陷检查。比如这架飞机飞了100天，需要检查有没有出现缺陷或者裂纹，否则时间长了就会产生安全隐患。
　　过去我们可以通过各种方法对金属材料进行检查。但是对于复合材料而言，目前尚没有很好的方法对其进行检查。因为钢材是一种均匀材料，出现裂缝可以判断出来。但是复合材料则是一些纤维，由很多层叠合而成，是一个非常复杂的结构，里面出现一些小的缺陷是很难被发现的。所以，制定复合材料无损探伤方面的研究和检查规范变得非常重要。
　　记者：目前，国产大飞机在复合材料的应用方面情况如何？我国在复合材料领域的研究水平如何？
　　段慧玲：目前，国产大飞机在复合材料的应用上还比较保守，我们先要保证的是飞机安全飞起来。实际上，我国复合材料的研制水平与发达相比差距还很大，比如碳纤维材料本身。就我的了解，碳纤维的质量不高在是一个非常大的问题。
　　记者：这些问题背后的原因主要是什么？是科研能力不足，还是管理能力不足？
　　段慧玲：我觉得原因主要有两个方面，一是进行科学研究的时间还比较短，尽管一直在加速，但仍需要一个过程去赶上发达。二是管理上还存在很多问题，虽然我们投入了很多资金来进行研发，而且在材料理论方面的研究也并不少，发表了很多有影响力的文章，但这些成果没有从实验室里“走出来”，无法实现产业化。事实上，一个产品从科研阶段到实现产业化要走很长的路。
　　此外，制造业的落后与制造工艺水平低也有很大关系，我们工艺的规范、规程都存在问题。但是，我们要坚信，经过我们的努力，会逐渐消除这个差距，实现从“制造”到“创造”的转变。
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