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杜善义:复合材料的发展离不开力学研究

2019-11-05 15:56 来源: 新华网

20世纪50年代,我国的航天事业开始起步。由于航天领域涉及到高温、辐射等特殊环境,所以对材料的要求非常高,材料的创新也成为航天事业发展的重要基础。作为第一批访问学者,访美之后的杜善义在认识到复合材料的应用前景后,便开始考虑复合材料在航空航天领域的应用和发展。而学习力学出身的杜善义认为,任何一个装备结构,它在工作中都要受力,要发展复合材料的应用,则必须搞清楚它本身的力学问题。

 

 

复合材料是由两种或两种以上的材料复合而成的,可分为天然复合材料和人工复合材料。竹子、木材属于天然复合材料。人工复合材料是在二十世纪五六十年代逐渐发展过来的,由基体材料和增强相材料通过特殊的复合工艺制作而成,杜善义举例说,以有机的树脂作为基体,然后用另一种材料,如玻璃纤维或者碳纤维跟它复合,就可以形成树脂基复合材料。所以复合材料类型很多,不同的基体与增强相材料可以形成不同的复合材料,陶瓷基复合材料、金属基复合材料都是典型复合材料。

复合材料的优势显著,原因在于它结合了多种材料的性能优势。杜善义解释到,复合材料的性能具有可设计性,可以根据性能需求进行材料选型复合。复合材料中最有代表性的是碳纤维和树脂材料复合而成的材料,前者作为增强相,后者作为基体。虽然碳纤维出现比较晚,但它的出现,给航天航空的发展带来了一定的变化。杜善义说,航空航天对结构重量的要求非常严格,减少航天器的重量,就会大大提高它的有效载荷。而以碳纤维作为一个相来增强树脂,比铝合金要轻得多,而且由于碳纤维本身的力学性能比较好,所以将其应用在航天航空和其他装备上,能减轻装置的重量,提高其有效载荷,还可以节能减排。也正是这些优点,这种复合材料受到了航空航天领域的青睐,并逐渐发展应用到交通、能源、海洋工程、体育休闲等领域。

但是复合材料在航天领域的发展并不是一蹴而就,也遇到了很多困难和挑战。杜善义表示,首要难题便是基础理论研究,这需要通过建立计算、实验和理论的方法,得出具有支撑性的理论,将复合材料的性能准确地定量化;再则,实验形成研究也是攻关难点,需要通过一系列的实验平台测试得出准确的性能数据,作为材料设计前提;另外,就是一些基础性问题的解决,主要体现在设计、实验、应用中的理论和技术,材料相关的细节把控要非常到位。

“任何一种材料,没有最好,只有更好”杜善义说。为了提高材料的性能和功能,复合化是未来材料发展的重要趋势。目前复合材料的发展和应用规模正在不断增大,研究技术水平也在不断提高,在其他技术力量的协助和推动下,更好的新型复合材料会不断被设计和应用。

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作者: 余木   [责任编辑: 李浩]

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