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杜善義:復合材料的發展離不開力學研究

時間: 2019-11-08 | 編輯: 62 | 閱讀:62次

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

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復合材料是由兩種或兩種以上的材料復合而成的,可分為天然復合材料和人工復合材料。竹子、木材屬于天然復合材料。人工復合材料是在二十世紀五六十年代逐漸發展過來的,由基體材料和增強相材料通過特殊的復合工藝制作而成,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合,就可以形成樹脂基復合材料。所以復合材料類型很多,不同的基體與增強相材料可以形成不同的復合材料,陶瓷基復合材料、金屬基復合材料都是典型復合材料。

復合材料的優勢顯著,原因在于它結合了多種材料的性能優勢。杜善義解釋到,復合材料的性能具有可設計性,可以根據性能需求進行材料選型復合。復合材料中最有代表性的是碳纖維和樹脂材料復合而成的材料,前者作為增強相,后者作為基體。雖然碳纖維出現比較晚,但它的出現,給航天航空的發展帶來了一定的變化。杜善義說,航空航天對結構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,還可以節能減排。也正是這些優點,這種復合材料受到了航空航天領域的青睞,并逐漸發展應用到交通、能源、海洋工程、體育休閑等領域。

但是復合材料在航天領域的發展并不是一蹴而就,也遇到了很多困難和挑戰。杜善義表示,首要難題便是基礎理論研究,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,將復合材料的性能準確地定量化;再則,實驗形成研究也是攻關難點,需要通過一系列的實驗平臺測試得出準確的性能數據,作為材料設計前提;另外,就是一些基礎性問題的解決,主要體現在設計、實驗、應用中的理論和技術,材料相關的細節把控要非常到位。

“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,復合化是未來材料發展的重要趨勢。目前復合材料的發展和應用規模正在不斷增大,研究技術水平也在不斷提高,在其他技術力量的協助和推動下,更好的新型復合材料會不斷被設計和應用。

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文章標題: 杜善義:復合材料的發展離不開力學研究
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