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中國工程院院士,杜善義分享“碳纖維及復合材料”

?? 日期:2022-04-01???? 來源:新材料在線????瀏覽:226????
核心提示:他是新中國第一批外派的赴美訪問學者;他是哈工大航天學院首任院長;他在80年代初明確提出力學與材料結合,將細觀力學應用到復合
他是新中國第一批外派的赴美訪問學者;
 
他是哈工大航天學院首任院長;
 
他在80年代初明確提出力學與材料結合,將細觀力學應用到復合材料的分析和應用中;
 
他率先開展了結構功能一體化和多功能智能化復合材料結構的研究;
 
他是首位獲得國際復合材料委員會WORLD FELLOW榮譽稱號的中國科學家。
 
他就是飛行器結構力學和復合材料專家
 
——中國工程院院士杜善義
杜
杜善義院士暢談碳纖維應用發展
 
在外行人看來,將結構力學與復合材料放到一起相提并論,多少讓人有點意外。但只要跟杜善義院士有過交流,這個疑惑很快就能得到解答。
 
走進杜善義院士的辦公室,一個擺滿“C919”“蛟龍一號”“天宮一號”等航空航天、國防裝備各領域微縮模型機的展示柜分外惹人注目??闯鑫覀兊暮闷?,杜善義從容地打開展示柜的玻璃窗,順手拿起“C919”模型樂呵呵地說道,“這些都是我參與或咨詢過的從結構力學設計到復合材料應用的工程,我最喜歡在辦公間歇時好好觀摩研究下這些小玩意。”
 
作為中國復合材料學術帶頭人之一,杜善義在推廣復合材料的應用發展中做出了富有成效的工作。即使已過古稀之年,但他仍然時刻關注著我國先進復合材料的發展與應用,只要談及碳纖維及其復合材料,杜善義的精神便愈加矍鑠。
 
從專攻力學到“觸電”碳纖維復合材料
 
古人言“聞道有先后,術業有專攻”。航空航天裝備、國防裝備在制造過程中需要同時應用到力學及先進復合材料是不言而喻的,但一個力學專家為何會跨界鉆研先進復合材料?解答這個疑惑,得從杜善義的赴美求學之路說起。
 
據杜善義介紹,從小就好奇“不倒翁”的他原本一直癡迷于力學,在1980年赴美求學之前,他確實一直專注于航空航天飛行器設計的結構力學研究,但正是這次赴美求學之路開啟了他人生的另一半精彩。
 
“我當時的‘老板’也是一個力學家,是國際斷裂力學權威,有一天我在實驗室看見一些黑不溜秋的東西,那時候國內還不太清楚這個東西,我就問‘做這個實驗是干什么的?’”其實,這個不起眼的“黑色板”正是碳纖維增強復合材料,而導師接下來的一番話更是讓杜善義銘記了一輩子。“導師當時給我說的原話,‘這玩意和鋁合金性能差不多,但是比它輕多了,將來對航空航天非常有用。’”
 
反應機敏的杜善義當即意識到研究它的重大意義,隨即問他的合作導師,“你是搞力學的,為什么研究復合材料?”導師表示,復合材料是一種新材料,是非均勻的各向異性材料,必須把它的力學問題搞清楚才能達到會用和用好,特別是在航空航天領域的應用,力學分析是基礎,必須要學扎實!這給了杜善義極大的啟發,“這門課我是學得最認真的,現在還保存了厚厚的聽課筆記,我一面在那邊學一面就開始做研究,比如說它里面的沖擊和疲勞問題等等。”
 
“觸電”碳纖維復合材料后,杜善義在美國喬治華盛頓大學認真研習了2年,埋頭探索“黑色黃金”的更多秘密。1982年年末,杜善義學成歸來,明確提出將力學與材料結合,用力學新理論新方法解決以碳纖維為代表的復合材料的應用問題,并長期致力于斷裂力學、飛行器結構力學和復合材料的教學和研究工作。最終實現了將細觀力學應用到復合材料的分析和應用中,并率先開展了結構功能一體化和智能化復合材料及結構的研究。
 
裝備結構輕量化是永恒的主題,碳纖維等增強的復合材料是實現輕量化和提高結構效率的重要途徑之一,而輕量化又直接關系到節能和減排問題。杜善義也經常遇到為碳纖維復合材料“打辯論賽”的場景。
 
此前杜善義在外進行演講時,現場就有嘉賓提出質疑“你們之前說在高鐵上應用碳纖維復合材料,讓高鐵輕量化,跑得更快更穩沒問題,那小汽車輕量化后豈不是輕飄飄的,一撞就飛了?大高個摔跟頭和小個頭完全不一樣的”。
 
杜善義當即回道,“你這說對了一半,但是輕和重也是有區別的,如果用重的撞輕的,肯定輕的吃虧,但是如果所有小汽車的上方車體采用復合材料,下方底盤仍然采用金屬鋁合金,這樣整個汽車重心下移了很多,撞車也不容易翻,這是簡單的力學設計問題。”
 
講完“辯論賽”大烏龍,杜善義不忘叮囑一番:“你們年輕人要運用碳纖維,得先打好材料和力學基礎,這樣在應用過程中才會更科學、更合理。”
 
軍民融合助跑碳纖維快速發展
 
“碳纖維及復合材料在上世紀出現之后,首先是國防和航空航天特別重視它,因為它可以明顯提高裝備的性能,同時又能減輕重量,提高裝備的有效載荷,在整個國防裝備方面來看,這幾乎是最重要的材料。”杜善義作為國內最早一批研發碳纖維復合材料的老專家,對它的應用發展史如數家珍。
 
時光流轉,如今碳纖維復合材料在民用層面同樣大放異彩,大到“C919”大飛機,小到釣魚竿、網球拍,碳纖維以另一種輕盈之姿進入到我們的生活之中。杜善義對新材料在線®表示,如今的飛機甚至已經將以碳纖維為代表的先進復合材料的應用量視為一架飛機的科技水平,這也是航空飛機參與市場競爭的一個重要標志。
 
“‘碳氏家族’新增的這個成員非常有意義,因為碳纖維復合材料它本身有很多的優越性,在一定意義上它是顛覆性技術,是別的一些傳統材料不可替代的,碳纖維也是典型的軍民兩用的戰略性新興材料。”杜善義表示,‘碳氏家族’每一位成員都意義重大,富勒烯、石墨烯、碳納米管、碳纖維、石墨塊等都曾引爆一時,但目前只有碳纖維的發展和應用是最活躍的。
 
在他看來,碳纖維能夠從“碳氏家族”脫穎而出,除了其本身不可替代的優越性能外,軍民兩用的融合發展更是起到了舉足輕重的推動作用。
 
他進一步解釋到:“我們認為它最初是一個‘貴族材料’,主要應用在國防、航空航天領域,但在當時供不應求、國家高度重視的情況下,一批民企的企業家非常有擔當、有責任地主動參與到碳纖維的技術研發及應用推廣中來,他們覺得這是一種使命感,積極滿足國家發展需求,因此中國碳纖維的發展,我認為民企起到非常重要的作用。”
 
據報道顯示,杜善義曾多次公開表達了對碳纖維行業民營企業家的關注及感謝,“我國的碳纖維及其復合材料技術之所以能夠取得明顯突破,以陳光威為代表的民營企業家們功不可沒,我很尊重他,我們應該永遠記住他。”
 
杜善義表示,碳纖維及其復合材料首先是參軍應用,滿足國防、航空航天的需要,經過國防應用層面的反復試驗、嘗試之后,積累了碳纖維的應用經驗,再輻射到能源、船舶、海洋、交通等民用層面去應用,反過來又帶動碳纖維企業的研發生產,這就形成了碳纖維的特色發展模式。因而,在杜善義看來,碳纖維是最典型的軍民融合的產物,值得其它行業借鑒。
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