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航空飛機材料的新寵——復合材料
神奇的大自然總是源源不斷地饋贈給人類智慧的靈感，就像所有的蜂巢都擁有統一的建造角度和模式一樣—正六角形房孔，相鄰的房孔共用一堵蠟和絲制成的墻，孔底由3個完全相同的菱形組成。這不僅非常節省建筑材料，并且具有極佳的結構穩定性。在精巧的蜂窩結構啟示下，2005年，全球首架全復合材料飛機就使用了蜂窩狀的碳纖維層合板。這種新型結構在保證強度、剛度和耐熱性的前提下，卻比飛機普遍使用的鋁、鋼和鈦合金材料的重量減輕了一半。
正是因為這些優勢，復合材料已經成為航空材料的“新寵”。其在客機上的結構重量日益增加，如今已經開始廣泛應用于民用航空制造業。一些先進客機的復合材料重量已經超過金屬材料，占其總重量的50%以上，這也成為未來民機在材料選擇方面的一種趨勢。
為了滿足飛機在飛行中一系列苛刻的要求，飛機制造商對復合材料的使用非常謹慎，而其中很多關鍵問題的答案都需要科學家的深刻認識與理論闡釋。段慧玲就是這樣一位專家。作為北京大學工學院力學與工程科學系的研究員，她在復合材料研究領域鉆研多年，獲得了很多具有國際影響力的研究成果。
由于杰出的科技成就，段慧玲獲得了由中華全國婦女聯合會、中國科學技術協會、中國聯合國教科文組織全國委員會及歐萊雅中國共同主辦的第11屆“中國青年女科學家獎”。在頒獎現場，記者就復合材料在航空領域應用的相關問題采訪了段慧玲。
記者:在航空復合材料研究領域，其研究目標主要是什么?
段慧玲:我們主要研究的是復合材料的強度和剛度。尤其是用于飛機制造業的材料，其中一個重要的因素就是盡可能減輕重量。因此，我們的研究就是要在保證復合材料重量輕的情況下，保證其較大的強度和剛度，并防止出現裂紋。
這些復合材料都是三明治結構的，就像自然界的蜂巢，實際上它中間的“心”是空的，這樣重量才會輕。但是，這種結構一受力就會被壓扁。為了避免這種情況的發生，我們就要進行設計，使其具有較大的剛度。因此，工程師通常會在復合材料中添加涂層。選用何種涂層材料、涂層厚度怎樣確定、涂層會對材料特性帶來哪些影響，這些都直接決定了材料的剛度和強度。
記者:目前世界上最先進的民用飛機，如波音787、空客A350在復合材料的應用上都超過了整個機體材料的50% 。但是制造商在復合材料的應用方面仍然比較謹慎，就目前的技術來看，復合材料在民機制造領域的應用達到了怎樣的程度?
段慧玲:復合材料已經可以部分替代飛機上的金屬材料了，但是不可能全部替代。比如一些大的受力結構或者核心部件，將來的飛機發動機肯定使用的還是鋼材。
記者:復合材料在民機制造業的應用還而臨哪些挑戰?
段慧玲:從力學角度來講，復合材料目前存在的問題是，在飛機飛了一段時間之后，都要進行缺陷檢查。比如這架飛機飛了100天，需要檢查有沒有出現缺陷或者裂紋，否則時間長了就會產生安全隱患。
過去我們可以通過各種方法對金屬材料進行檢查。但是對于復合材料而言，目前尚沒有很好的方法對其進行檢查。因為鋼材是一種均勻材料，出現裂縫可以判斷出來。但是復合材料則是一些纖維，由很多層疊合而成，是一個非常復雜的結構，里而出現一些小的缺陷是很難被發現的。所以，制定復合材料無損探傷方面的研究和檢查規范變得非常重要。
記者:目前，國產大飛機在復合材料的應用方面情況如何?我國在復合材料領域的研究水平如何?
段慧玲:目前，國產大飛機在復合材料的應用上還比較保守，我們首先要保證的是飛機安全飛起來。實際上，我國復合材料的研制水平與發達國家相比差距還很大，比如碳纖維材料本身。就我的了解，碳纖維的質量不高在中國是一個非常大的問題。
記者:這些問題背后的原因主要是什么?是科研能力不足，還是管理能力不足?
段慧玲:我覺得原因主要有兩個方面，一是中國進行科學研究的時間還比較短，盡管一直在加速，但仍需要一個過程去趕上發達國家。二是管理上還存在很多問題，雖然我們投入了很多資金來進行研發，而且在材料理論方面的研究也并不少，發表了很多有影響力的文章，但這些成果沒有從實驗室里“走出來”，無法實現產業化。事實上，一個產品從科研階段到實現產業化要走很長的路。
此外，中國制造業的落后與制造工藝水平低也有很大關系，我們工藝的規范、規程都存在問題。但是，我們要堅信，經過我們的努力，會逐漸消除這個差距，實現從“中國制造”到“中國創造”的轉變。
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