美軍在新式戰(zhàn)機(jī)上大量使用復(fù)合材料來達(dá)到減重目的。圖為F22戰(zhàn)機(jī)機(jī)體表面。
基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)突破，是復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前的根本原因。
“我國復(fù)合材料在應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化方面，與國外相比至少落后10年以上。”在日前召開的中國國際先進(jìn)復(fù)合材料與工藝技術(shù)論壇上，中國工程院院士劉連元表示，國內(nèi)的復(fù)合材料很多產(chǎn)品不過關(guān)，技術(shù)與性能的穩(wěn)定性都不達(dá)標(biāo)。
作為國務(wù)院《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中重點(diǎn)發(fā)展的三大新材料之一，復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化備受矚目。然而，多位專家在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須以基礎(chǔ)研究的發(fā)展作為先導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不能完全靠需求牽引來推動(dòng)。
復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)：有產(chǎn)能，無產(chǎn)量
和很多技術(shù)的推廣路線一樣，復(fù)合材料最先開始應(yīng)用在航空航天與軍事領(lǐng)域，然后轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域。
與發(fā)達(dá)國家相比，復(fù)合材料在我國航空航天與軍事領(lǐng)域的使用量并不高。據(jù)悉，發(fā)達(dá)國家復(fù)合材料在部分軍機(jī)上的用量早已超過50%，而我國軍用戰(zhàn)斗機(jī)上的最大用量尚不足10%；在民用方面，美國大型客機(jī)波音787上的復(fù)合材料用量也超過了50%，而我國首架擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的支線客機(jī)ARJ21使用的復(fù)合材料僅占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的2%。即便是如此少的用量，我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)仍不能滿足國內(nèi)需求。
“我國的產(chǎn)能是有了，但產(chǎn)量還不能滿足需求，高品質(zhì)、高性能的纖維還是沒有過關(guān)的。”中國工程院院士、中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)杜善義表示。
基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)突破，是復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前的根本原因。“我國基礎(chǔ)研究的水平整體上與國外差距較大，高水平的研究成果鮮有出現(xiàn)，制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”劉連元表示。
“我們需求的牽引往往大于科學(xué)推動(dòng)，科學(xué)還沒有成熟，技術(shù)度還沒有達(dá)到一定的程度，就著急進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，容易引起一系列問題。”杜善義表示。
結(jié)構(gòu)效率與可靠性的技術(shù)矛盾
在復(fù)合材料研究領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)難題中，材料結(jié)構(gòu)效率與可靠性的矛盾是最難解決的。
“和很多材料一樣，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高效率與高可靠性很難兼顧，是一對(duì)矛盾體。”杜善義表示，復(fù)合材料的性能分散性和服役環(huán)境的不確定性是制約復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用最大的問題，也是復(fù)合材料的“軟肋”。
解決難題應(yīng)重返基礎(chǔ)研究
從復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究入手，根本上解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題，這是受訪專家的一致心聲。
“我國復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究底子薄，產(chǎn)業(yè)發(fā)展有點(diǎn)急于求成。”中科院化學(xué)研究所研究員徐堅(jiān)認(rèn)為，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該重視基礎(chǔ)研究。
杜善義認(rèn)為，科學(xué)界需要發(fā)展力學(xué)的新理論、新方法，來提供解決復(fù)合材料的離散性和服役條件下的不確定性難題。
基礎(chǔ)研究固有的投入高、風(fēng)險(xiǎn)高、研究周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，是造成我國復(fù)合材料基礎(chǔ)研究薄弱、缺乏原創(chuàng)性技術(shù)的根本原因。
“政府應(yīng)該布局復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，用政策來推動(dòng)基礎(chǔ)研究。”劉連元表示，政府對(duì)行業(yè)的規(guī)劃是制約復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的重要因素，“必須堅(jiān)持科研、生產(chǎn)和應(yīng)用的結(jié)合不斷線”。
“科學(xué)研究要超前發(fā)展，等需要什么材料做裝備的時(shí)候才開始作研究就來不及了。”杜善義說。
據(jù)了解，美國于2011年研制的“獵鷹”級(jí)超音速技術(shù)飛行器2號(hào)機(jī)（HTV-2）試驗(yàn)失敗，根本原因就是在設(shè)計(jì)過程中對(duì)飛行環(huán)境載荷和材料使用性能的不穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)不足。
我國從上世紀(jì)80年代便開展了復(fù)合材料項(xiàng)目，后來由于穩(wěn)定性差被迫“下馬”。“復(fù)合材料的應(yīng)用之所以停滯不前，就是因?yàn)榉�(wěn)定性太差、離散性比較大。”劉連元無奈地說，“這批產(chǎn)品性能達(dá)到了，下批又不行了。”
穩(wěn)定性的控制是復(fù)合材料界的世界性難題。英國諾丁漢大學(xué)教授李曙光致力于復(fù)合材料在海洋平臺(tái)與海底輸油管道中的應(yīng)用，“一個(gè)海洋平臺(tái)的碳纖維用量就相當(dāng)于20架波音787的用量，海底輸油管道上的用量更大”。然而，由于高昂的費(fèi)用與可靠性問題，復(fù)合材料在海洋平臺(tái)建設(shè)領(lǐng)域仍未能占領(lǐng)“高地”。