中国工程院院士 杜善义

“探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。”航空航天是高技术、高投入、高风险、高回报、高牵引的领域。

无论是C919国产大飞机的成功商飞，还是神舟号航天员乘组圆满完成出舱活动，都彰显着我国航空航天事业发展已进入“快车道”，航空航天科技实现跨越式发展。这些成就的取得离不开新型材料特别是复合材料的广泛应用。

复合材料是面向经济主战场的先进基础材料，同时是面向国家重大需求的关键战略材料，也是面向世界科技前沿的新型材料。它既是航空航天装备的物质基础，也是推动航空航天发展更新换代的重要技术支撑。

面对新时代、新征程、新要求、新任务，特别是航空强国建设的新使命，这对新材料特别是复合材料既是机遇也是挑战。面临一系列核心技术要自立自强，在满足需求的同时，也会推动材料本身的发展。

装备结构轻量化是永恒的主题。结构轻量化会带来一系列效益，如增加有效载荷，提高飞行航程或射程，减少能耗，保护环境等。

进入空天时代，新型空天飞行器对轻量化设计提出了极为苛刻的要求。钱学森先生早在1961年讲授《星际航行概论》课时指出：“航天器每一个零件减少1克重量都是贡献，协调重量是总设计师的首要任务。”结构轻量化的实现离不开设计、先进制造，特别是高比性能的新材料。

设计是实现轻量化的第一步。空天飞行器的设计需要从概念、形状/结构、材料、功能一体化等多个维度，综合考虑所有可行的轻量化设计策略，创新理念，发挥结构作用，提高结构效率，同时要利用好基于数字化的复合材料智能设计新技术与新方法，最终实现有效轻量化设计。

先进制造是实现轻量化的保障。工欲善其事，必先利其器。新型空天飞行器结构中采用的先进复合材料形式复杂、尺寸规模大，生产工艺复杂，自动化制造程度要求高，无损检测难度大。如今，以数字化、网络化、智能化为代表的先进制造技术为轻量化的实现提供了前所未有的手段，使材料—结构—产品（装备）一体化的先进制造成为可能。

高比性能的新材料是轻量化的基础。以碳纤维作为增强相为代表的复合材料是新兴材料，是军民两用的战略性材料之一。先进复合材料比性能高、可设计性强，可实现飞行器大幅度减重。

结构复合材料化是航空飞行器的发展趋势之一。波音公司的B787通过使用复合材料，减少了1500个左右的铝合金板件和40000～50000个紧固件，外场维护间隔时间从B767的500小时提高到1000小时，维修费用比B777降低32%。国产大飞机C919复合材料使用率达12%，减重7%，还有很大的轻量化潜力。在我国航空技术不断提升的情况之下，飞机制造过程中复合材料的应用比例将会不断提高，预计在不久的将来，随着复合材料的发展，我国的军用民用飞机结构复合材料用量会不断提高，以实现飞机结构复合材料化。

复合材料在航天领域的应用不断扩大。新型运载器、应用卫星、飞船及深空探测器对轻量化要求更为迫切。因此，高比性能的复合材料是实现结构轻量化的首选材料。如卫星星载天线反射面、主承力筒、太阳帆板基板通过使用复合材料，既实现了结构轻量化，也解决了传统铝制蜂窝芯热膨胀系数大的问题。

“卡脖子”技术向上溯源，多数是材料问题。新材料是新型飞行器的物质基础，在满足空天装备需求的同时，材料本身也得到发展，两者相辅相成。高性能新材料的发展要靠创新，特别是颠覆性创新。

如今，先进复合材料以国防、航空航天需求为牵引，已取得广泛应用，逐步扩展到新能源、现代交通、船舶与海洋工程及土木建筑等更多领域，从“贵族”材料向“平民化”发展。

据统计，全球范围内，作为代表性增强相的碳纤维，我国碳纤维产量与用量均为世界第一，需求量占50%以上。我国碳纤维的性能与品种已与国际接轨，有多家国内碳纤维企业在制造水平上也基本达到国际水平，有望推动我国成为碳纤维强国。

新型空天飞行器的发展，材料要先行，关键基础材料更要自主可控，强化材料科学、技术和工程的结合，通过技术创新，跨越向产业转化的“死亡之谷”，缩短新材料研发与应用周期，抓住机遇，应对挑战，迎接新的科技革命。

本文原载于《中国建材报》7月31日1版

转载链接：

https://article.xuexi.cn/articles/index.html?art_id=16207185593397918895&item_id=16207185593397918895&study_style_id=feeds_opaque&t=1691119681634&showmenu=false&ref_read_id=e40bd284-90af-4adb-8cfa-fef8e34da005_1691475840271&pid=&ptype=-1&source=share&share_to=wx_single