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【復材之聲】人物專訪第五期丨從12%到50%:陳向明研究員解析國產大飛機復材應用攻堅
來源: 時間: 2025-07-29 瀏覽: 4106

“聽材料之聲,探未來之路。由中國復合材料學會推出的《復材之聲》,聚焦復合材料前沿科技、產業動態和專家觀點。致力于搭建一個交流平臺,匯行業精英,享真知灼見,共同推動中國復合材料產業蓬勃發展!”

復合材料,是科技創新的重要基石,也是推動產業變革的關鍵力量。在新能源、航空航天、電子信息等領域,高性能復合材料正發揮著不可替代的作用。然而,如何突破材料性能的極限?如何實現從實驗室到產業化的跨越?這些問題不僅關乎技術本身,更關乎國家科技競爭力的提升。

國產大飛機C919復合材料用量達12%,未來C929目標提升至50%——這一跨越背后,是復合材料主承力結構面臨的結構效率與安全挑戰。如何突破失效預測瓶頸?怎樣打通實驗室成果到型號應用的路徑?檢測標準體系存在哪些關鍵缺口?

本期《復材之聲》對話中國飛機強度研究所陳向明研究員,直面航空復材核心議題:

失效機理困局:復材“材料/結構一體化”特性導致的性能分散性,如何通過工藝提升與分析方法創新破局?

成果轉化邏輯:自主研發CAE軟件、試驗標準、專用裝置如何直接支撐型號設計與適航鑒定?

檢測標準真空:為何壁板等結構元件級測試標準比材料測試更亟需統一?

青年科研定位:如何平衡國家需求、個人特長與科研興趣?

跟隨陳向明研究員的視角,看中國航空復材從“保守設計”“精準掌控”的進化之路!

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一、您在飛機復合材料結構強度研究中,如何解決高載荷、復雜工況下的結構失效難題?能否以某型國產民機(如C919)為例,說明關鍵技術突破的實際應用價值?

陳老師的回答:確實,復合材料在航空結構中的應用已從非承力、次承力發展到如今的主承力結構,用量顯著提升,像C919已應用約12%,未來C929等機型預計會達到50%。這表明復材技術日趨成熟,但由于其固有特性也帶來了持續的挑戰。

復合材料是“材料/結構一體化”制造,其性能受材料組分、工藝過程及操作者影響顯著,導致力學性能存在一定分散性。尤其在復雜應力狀態下,失效模式預測困難。目前的設計方法常需通過保守策略——即犧牲部分減重潛力(“陪著重量”)來確保安全。這就導致盡管復材用量增加,其結構效率和減重效果尚未完全達到預期目標。

因此,關鍵突破口在于:一方面需持續提升制造工藝水平與穩定性;另一方面,亟需深入認識其失效機理,發展能夠精確評估其力學性能的分析方法。只有建立起可靠的分析工具,才能支撐更精準的設計,最終實現承載效率更高、減重效果更優的結構形式。未來在追求更高復材用量(如50%以上)的同時,提升結構效率將是核心課題。我們的研究正是圍繞開發先進分析方法(如損傷容限分析)和實驗表征技術來支撐這一目標,這些成果已應用于國產飛機的結構設計與驗證中,為保障其安全可靠服役提供了關鍵技術支撐。

二、您主持的航空基金和民機專項課題多次實現成果轉化,在推動高校基礎研究與工業界需求對接時,最關鍵的協同機制是什么?能否分享一個技術從實驗室到裝機應用的典型案例?

陳老師的回答:中國飛機強度研究所的核心使命就是服務型號研制。我們團隊的工作,無論是復合材料分析方法、實驗技術還是測試表征,都緊密面向型號需求,支撐型號研制全過程。

關鍵的協同機制在于“需求牽引”與“能力支撐”的雙向奔赴。科研工作必須緊扣型號研制中的痛點、難點問題。例如,我們為解決特定分析難題,自主研發了CAE軟件,形成了支撐飛機設計的專用工具鏈。另一方面,我們的實驗測試技術研究,會凝練形成標準規范,并研制專用實驗裝置。這些標準、方法和裝置,直接應用于飛機復合材料結構的試驗驗證適航鑒定工作,成為保障型號成功不可或缺的一環。

雖然“成果轉化”的提法在狹義上可能不多,但我們的分析工具(如前面提到的CAE軟件)、建立的試驗標準(如特定構型的測試方法)和研制的專用試驗設備,本身就是直接服務于型號鑒定和設計優化的核心成果。它們從實驗室誕生,經過嚴格驗證后,立即投入到型號研制這個“主戰場”,這就是最直接的轉化應用。

三、作為中國復合材料學會青年工作委員會副主任,您認為青年科研者應如何平衡基礎理論研究與工程緊迫需求?學會的‘青年人才托舉計劃’對團隊建設有何助力?

陳老師的回答:對于青年科研人員,我認為關鍵在于找到三個要素的結合點:國家重大需求、個人學術特長與科研興趣。國家需求是廣闊的舞臺,總能在其中找到與個人志趣相契合的方向。只有這三者有機結合,青年科技工作者才能更好地融入有組織的科研,并在特定領域深耕下去,實現可持續發展。

平衡基礎研究與工程需求,需要清晰的定位和務實的態度。青年時期(尤其是剛從高校畢業時)是進行自由探索、潛心鉆研的黃金期。“青年人才托舉計劃”正是為這個階段的青年才俊提供了一個寶貴的平臺。它給予支持,鼓勵青年在面向國家重大需求(如航空主戰場)的同時,結合自身優勢開展探索性研究。這既有助于個人成長,也能為未來解決更復雜的工程問題打下堅實的理論基礎,最終反哺團隊整體創新能力的提升。托舉計劃為青年人才的早期成長提供了關鍵助力,也為科研團隊的梯隊建設注入了活力。

四、您擔任學會檢測與評價技術專委會常務委員,當前航空復材檢測領域最亟需統一的標準是什么?學會如何推動跨行業(如航宇-能源)檢測技術互認?

陳老師的回答:  在復合材料檢測領域,材料層級的測試標準(國際、國家、行業)已相對成熟。目前亟需標準化規范化的重點在于更高層級——特別是典型結構元件(如加筋壁板)的試驗方法。這類結構形式具有共性,但當前其力學性能測試結果分散性較大,操作過程中的人為因素是重要原因之一。通過建立統一、規范的結構元件級試驗標準,能有效降低測試結果的離散性,提高數據的可靠性和可比性。航空航天、船舶等領域在結構形式上有很多相似之處(如壁板、連接),其壁板結構測試標準化的需求也很迫切。中國復合材料學會的團體標準制定工作,正是面向整個復材行業、推動各領域標準統一的重要平臺。

至于跨行業互認,如航空航天(碳纖維為主)與新能源風電(玻璃纖維為主),情況略有不同。在材料層級的基本力學性能測試標準(如拉伸、壓縮、剪切)方面,兩者是相通甚至可以直接互認的。差異主要出現在結構層級。風電葉片這類大型、細長、厚壁結構形式,其測試方法(如全尺寸測試、疲勞載荷譜)與航空領域關注的薄壁加筋壁板結構存在顯著區別。因此,在結構級的測試標準和評價方法上,需要根據各自的結構特點和服役環境進行專門研究和標準化,互認的基礎在于材料級共性標準和結構級方法學的深入交流與協調。學會通過搭建交流平臺,促進不同行業專家對話,共同探討共性測試技術和標準協調的可能性,為未來可能的互認奠定基礎。

從C919復材部件的“失效機理圖譜”,到青年科研者的“需求-興趣坐標軸”,陳向明研究員用時間詮釋了航空復材創新的三重境界——精準認知材料、精準服務型號、精準培育人才

當自主研發的CAE軟件成為大飛機的“數字筋骨”,當結構元件級檢測標準填補行業空白,我們看到的不僅是一項項技術突破,更是一代航空人“以型號需求為錨點”的務實哲學。正如陳研究員所言:“我們的分析工具從實驗室誕生,直接奔赴型號戰場——這就是最硬核的轉化。”

下期內容,敬請期待!

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