美軍在新式戰(zhàn)機上大量使用復合材料來達到減重目的。圖為F22戰(zhàn)機機體表面。
基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)未能實現(xiàn)突破，是復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前的根本原因。
“我國復合材料在應(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復合材料與工藝技術(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)定性都不達標。
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》中重點發(fā)展的三大新材料之一，復合材料的產(chǎn)業(yè)化備受矚目。然而，多位專家在接受《中國科學報》采訪時表示，復合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須以基礎(chǔ)研究的發(fā)展作為先導，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不能完全靠需求牽引來推動。
復合材料產(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)達國家相比，復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)達國家復合材料在部分軍機上的用量早已超過50%，而我國軍用戰(zhàn)斗機上的最大用量尚不足10%；在民用方面，美國大型客機波音787上的復合材料用量也超過了50%，而我國首架擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的支線客機ARJ21使用的復合材料僅占飛機結(jié)構(gòu)重量的2%。即便是如此少的用量，我國復合材料產(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、中國復合材料學會副理事長杜善義表示。
基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)未能實現(xiàn)突破，是復合材料產(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推動，科學還沒有成熟，技術(shù)度還沒有達到一定的程度，就著急進入應(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
在復合材料研究領(lǐng)域的科學與技術(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，復合材料結(jié)構(gòu)的高效率與高可靠性很難兼顧，是一對矛盾體。”杜善義表示，復合材料的性能分散性和服役環(huán)境的不確定性是制約復合材料及結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用最大的問題，也是復合材料的“軟肋”。
解決難題應(yīng)重返基礎(chǔ)研究
從復合材料的基礎(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。
“我國復合材料的基礎(chǔ)研究底子薄，產(chǎn)業(yè)發(fā)展有點急于求成。”中科院化學研究所研究員徐堅認為，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該重視基礎(chǔ)研究。
杜善義認為，科學界需要發(fā)展力學的新理論、新方法，來提供解決復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、風險高、研究周期長的特點，是造成我國復合材料基礎(chǔ)研究薄弱、缺乏原創(chuàng)性技術(shù)的根本原因。
“政府應(yīng)該布局復合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，用政策來推動基礎(chǔ)研究。”劉連元表示，政府對行業(yè)的規(guī)劃是制約復合材料產(chǎn)業(yè)化的重要因素，“必須堅持科研、生產(chǎn)和應(yīng)用的結(jié)合不斷線”。
“科學研究要超前發(fā)展，等需要什么材料做裝備的時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”級超音速技術(shù)飛行器2號機（HTV-2）試驗失敗，根本原因就是在設(shè)計過程中對飛行環(huán)境載荷和材料使用性能的不穩(wěn)定性認識不足。
我國從上世紀80年代便開展了復合材料項目，后來由于穩(wěn)定性差被迫“下馬”。“復合材料的應(yīng)用之所以停滯不前，就是因為穩(wěn)定性太差、離散性比較大。”劉連元無奈地說，“這批產(chǎn)品性能達到了，下批又不行了。”
穩(wěn)定性的控制是復合材料界的世界性難題。英國諾丁漢大學教授李曙光致力于復合材料在海洋平臺與海底輸油管道中的應(yīng)用，“一個海洋平臺的碳纖維用量就相當于20架波音787的用量，海底輸油管道上的用量更大”。然而，由于高昂的費用與可靠性問題，復合材料在海洋平臺建設(shè)領(lǐng)域仍未能占領(lǐng)“高地”。