[科普中國]-杜善義：復(fù)合材料的發(fā)展離不開力學研究

20世紀50年代，我國的航天事業(yè)開始起步。由于航天領(lǐng)域涉及到高溫、輻射等特殊環(huán)境，所以對材料的要求非常高，材料的創(chuàng)新也成為航天事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。作為第一批訪問學者，訪美之后的杜善義在認識到復(fù)合材料的應(yīng)用前景后，便開始考慮復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。而學習力學出身的杜善義認為，任何一個裝備結(jié)構(gòu)，它在工作中都要受力，要發(fā)展復(fù)合材料的應(yīng)用，則必須搞清楚它本身的力學問題。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料復(fù)合而成的，可分為天然復(fù)合材料和人工復(fù)合材料。竹子、木材屬于天然復(fù)合材料。人工復(fù)合材料是在二十世紀五六十年代逐漸發(fā)展過來的，由基體材料和增強相材料通過特殊的復(fù)合工藝制作而成，杜善義舉例說，以有機的樹脂作為基體，然后用另一種材料，如玻璃纖維或者碳纖維跟它復(fù)合，就可以形成樹脂基復(fù)合材料。所以復(fù)合材料類型很多，不同的基體與增強相材料可以形成不同的復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料都是典型復(fù)合材料。

復(fù)合材料的優(yōu)勢顯著，原因在于它結(jié)合了多種材料的性能優(yōu)勢。杜善義解釋到，復(fù)合材料的性能具有可設(shè)計性，可以根據(jù)性能需求進行材料選型復(fù)合。復(fù)合材料中最有代表性的是碳纖維和樹脂材料復(fù)合而成的材料，前者作為增強相，后者作為基體。雖然碳纖維出現(xiàn)比較晚，但它的出現(xiàn)，給航天航空的發(fā)展帶來了一定的變化。杜善義說，航空航天對結(jié)構(gòu)重量的要求非常嚴格，減少航天器的重量，就會大大提高它的有效載荷。而以碳纖維作為一個相來增強樹脂，比鋁合金要輕得多，而且由于碳纖維本身的力學性能比較好，所以將其應(yīng)用在航天航空和其他裝備上，能減輕裝置的重量，提高其有效載荷，還可以節(jié)能減排。也正是這些優(yōu)點，這種復(fù)合材料受到了航空航天領(lǐng)域的青睞，并逐漸發(fā)展應(yīng)用到交通、能源、海洋工程、體育休閑等領(lǐng)域。

但是復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的發(fā)展并不是一蹴而就，也遇到了很多困難和挑戰(zhàn)。杜善義表示，首要難題便是基礎(chǔ)理論研究，這需要通過建立計算、實驗和理論的方法，得出具有支撐性的理論，將復(fù)合材料的性能準確地定量化；再則，實驗形成研究也是攻關(guān)難點，需要通過一系列的實驗平臺測試得出準確的性能數(shù)據(jù)，作為材料設(shè)計前提；另外，就是一些基礎(chǔ)性問題的解決，主要體現(xiàn)在設(shè)計、實驗、應(yīng)用中的理論和技術(shù)，材料相關(guān)的細節(jié)把控要非常到位。

“任何一種材料，沒有最好，只有更好”杜善義說。為了提高材料的性能和功能，復(fù)合化是未來材料發(fā)展的重要趨勢。目前復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用規(guī)模正在不斷增大，研究技術(shù)水平也在不斷提高，在其他技術(shù)力量的協(xié)助和推動下，更好的新型復(fù)合材料會不斷被設(shè)計和應(yīng)用。

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