隨著新能源汽車、高端制造、軍工等行業的快速發展，我國制造業越來越注重復合材料行業發展。且隨著我國“2030年碳達峰、2060年碳中和”目標的提出，復合材料的發展優先級越來越靠前。為了深入了解復合材料行業存在的問題及發展策略，《Carbontech magazine》雜志副主編李彬彬特約采訪力學和復合材料學家杜善義院士，杜院士在接受采訪時說：“我們要重視復合材料的基礎研究!”

您是全國第一個航天學院的首任院長，前段時間，哈工大電致變色技術完成我國首次空間驗證，這是我國首次開展電致變色技術在空間環境下的性能驗證，電致變色在航空領域有何應用？

杜善義院士：

電致變色材料是光學屬性在外加電場作用下，可發生穩定、可逆變化的材料，在表面表現為顏色和透明度的變化。電致變色材料應用廣泛。實際上這種材料早就有了，比如說在飛機上應用，787的飛機舷窗就可以變色（你要睡覺了可以變成深色，營造一種黑暗的環境），建筑節能玻璃及汽車玻璃變色都是用它。電致變色材料可以根據需求調整，既可以做到吸光，也可以做到透光。作為一種材料，伴隨著需求，其性能與功能不斷提升，對可見波段顏色的變化可用于軍事偽裝，而中遠紅外波段的熱輻射調控可應用在航天器的智能熱控系統。哈工大復合材料所李垚教授研究團隊作了10年的研究和攻關，2021年10月完成了我國首次電致變色熱控器件的空間驗證。

Q&A

在航空航天領域，結構輕量化是永恒的主題。您團隊誕生了多項輕量化多功能復合材料項目，也助力我國航空航天和基礎設施領域取得突破性進展。你覺得復合材料在航空航天領域應用最大的難題是什么？ 

杜善義院士：

復合材料在航空航天領域應用主要存在以下幾個問題。

第一就是設計問題。我國復合材料的結構件設計以跟蹤替代應用為主，自主設計應用能力較弱。比如材料的許用值及設計值，在飛機復合材料結構設計和驗證中，是設計和審定的基礎和依據。在應用復合材料設計時，能允許它有多大的設計載荷對于復合材料應用而言非常重要，從這些方面來看我們還是需要進一步來提高。材料的許用值選的太低，材料的性能優勢發揮不出來，選的太高，應用的安全性無法保障，所以這是一個非常重要的問題。復合材料工作者必須對其進行科學表征。

第二就是應對服役環境變化的問題。不同的飛機有不同的應用場景，有通用飛機，客機，軍機、直升機，無人飛機等。復合材料也需要根據這些環境的變化進行設計，這本身對研究者也是一個挑戰，所以這也是一個很重要的問題。

第三就是成本的問題。目前復合材料的成本來還是偏高的（也許從全壽命周期看，復合材料的成本可能比使用金屬的低）。降低原材料成本以及設計制造成本，對于復合材料應用而言也是一個非常重要的問題。

第四就是復合材料多功能化的問題。比如高速飛行器或者高超聲速飛行器，還需要解決熱的問題，所以對于復合材料而言，就希望它既要有輕量化，又需要耐高溫以及其他功能等。這樣就給材料設計與制造帶來許多問題，這些問題也是復合材料在航空航天領域應用中需要攻破的關鍵技術問題。

第五就是用量問題。國際上碳纖維在航空航天領域的應用占全部應用的20%左右，但我們國家目前應用占比不到10%。未來航空上還需要有大量的應用。我國研制的 ARJ 21 支線客機復合材料用量占比約為2%，正在研制的C919中型客機復合材料用量占比約為13%，而國外最新研制的波音787、空中客車A350等大型客機復合材料用量占比則達到 50% 以上。歐洲直升機公司的 NH90 直升機復合材料達到了 95%，而國內新型直升機 Z10 的復合材料用量占比僅為 34%。

但是從航天來看，我們國家用的還是比較充分的。

Q&A

您主要從事飛行器結構輕量化和熱防護材料研究，據我所知，碳/碳復合材料、碳/碳化硅復合材料、碳化硅纖維復合材料都是比較好的熱防護復合材料，您可以講講這幾種材料的應用和區別么？什么是熱結構材料？

杜善義院士：

對碳/碳復合材料、碳/碳化硅復合材料，我們并不做原材料而主要做其力和熱環境下的分析工作，對其他的性能測試也做了非常多的研究工作。通過材料及結構相關的實驗，我們才能夠做到用好、用多，這是我們做的一方面的工作。另外，我們在其他方面的熱防護材料也做了很多的研究工作，比如說超高溫陶瓷和超高溫陶瓷基復合材料，隔熱材料和熱防護材料，或者熱結構材料等。比如超高溫陶瓷基復合材料，這屬于非燒蝕材料，還有燒蝕性的輕質材料，已經在航天上得到一些應用。

目前（碳/碳復合材料、碳化硅纖維復合材料）這兩種材料大家比較重視，而且能夠應用到航空行業，這兩個材料有一個非常突出的優點：耐高溫。但還是有一定的區別，對碳/碳復合材料而言，我國用的比較早，相對比較成熟，具有比較好的耐高溫性能。碳化硅纖維復合材料能耐高溫（三代的碳化硅纖維復合材料耐溫可達1700 ℃），碳/碳復合材料耐溫可達2000 ℃。但是，碳/碳復合材料有一個缺點就是易于被氧化（大概在幾百度就開始氧化了），所以表面必須做抗氧化處理，在耐氧化這方面，碳化硅纖維復合材料更好一些。

作為熱防護材料來看，它們的發展空間都非常大。

什么是熱結構材料呢？就是既能夠耐高溫，同時又能夠承受力的作用。這樣就可以減輕產品重量。我們團隊也正在做超高溫陶瓷基復合材料，耐高溫性能可達2500 ℃，而且力學性能也在不斷的提高。我們都知道，陶瓷基復合材料的脆性比較大（韌性差），我們在設計與工藝方面進行深入研究，以期達到更高的工程結構方面要求。

另外，新一代的熱防護材料也在不斷的發展，我們的目標就是希望它能夠多功能，首先是既能夠耐高溫，同時也能夠承受力的作用，另外最好還能夠具有吸波或者透波等性能，實現熱防護材料的多功能化發展需求。

Q&A

眾所周知，復合材料界面對于復合材料而言至關重要，您可以講下復合材料界面的主要作用么？我們應該從哪些方面做突破？

杜善義院士：

復合材料的界面對于復合材料而言是一個非常重要的問題，也是復合材料非常重要的一個特征。界面有兩種，一種是纖維和基體形成的界面，另外就是層合板中間形成界面。

針對纖維和基體形成的界面而言，這個界面非常重要。界面作為纖維與樹脂間應力傳遞的紐帶，直接影響到內部應力的傳遞和分散，損傷的傳播和抑制，對復合材料整體性能起著決定性作用。

首先就是保證纖維和基體之間具有良好的結合性能，纖維增強復合材料的力學性能在很大程度上取決于界面粘接性能，這對于我們而言，是一個需要解決的問題。另外我們需要解決的就是界面的設計和控制，復合材料界面的結構與性能對復合材料整體的性能影響非常大，可以通過界面的設計和控制進而調控復合材料增強和增韌。

Q&A

哈爾濱工業大學《理論力學》自1961年首版問世以來，歷經60年長盛不衰，并根據各個時期的教學需要不斷修訂再版，累計出版8個版本，被國內300余所院校采用。您覺得《理論力學》這本書最大的魅力在哪里？

杜善義院士：

力學這門課程在理工科大學，特別是工科大學是非常重要的基礎課。因為力學是一切裝備設計的理論基礎，我們缺它不行，我們蓋一個高樓，需要力學設計；飛機、衛星更要設計。這些設計的很重要的基礎就是力學。力學的基礎課，有理論力學，材料力學，彈性力學，塑性力學，板殼理論與流體力學等等，這些課程非常多，不僅是力學的專業需要學習這些課程，其他工科如：機械、土木、建筑、材料等設計專業都要學習（這些課程）。那么在力學里面最基礎的就是理論力學，包括靜力學、運動學，動力學等等。這個課程是基礎，只有把理論力學學好，你才能夠去學習其他的力學課程。所以，理論力學是我們一個很重要的工具，是設計理論的基礎和支撐。

哈工大的《理論力學》為什么影響比較大？我覺得主要有這幾個大特點：

第一個特點就是哈工大重視這個教材。因為教材是一個重要的教學資源，涉及到教學改革，學生對知識的領會，對力學技術理論掌握等。哈工大的《理論力學》這本教材根據各個時期的教學需要不斷修訂，以滿足學生更好地掌握這門知識。

第二個特點就是這本教材是集體的智慧，是一個團隊做的教材，所以教材很多時候是以教研室署名，不是某一個人署名。從老一輩的教師就開始做這件事情：編寫這個教材，一代接一代傳下來，不斷修訂，不斷完善，這樣一步一步進行改進。沒有最好的教材，只有更好的教材。這個教材通過一代一代的教師不斷的修訂，所以會做的越來越好，越來越適合教育改革的要求，也越來越適合學生培養的要求。

第三個很重要的特點就是這本教材體現了體系化。《理論力學》不僅有這個《理論力學》這個書，還有習題集、選題集等等，而且現在也配備數字化的講課方式等等。它在不斷地與時俱進，這樣的話大家用起來就比較方便，也適合不同的專業來學習。所以長盛不衰，現在非常受擁護。《理論力學》第八版在全國首屆優秀教材評選中也榮獲優秀教材一等獎。

Q&A

網上流傳一句話：“復合材料力學，太難了，你會一直后悔做這個決定。”

您作為力學和復合材料專家，對于有志從事復合材料力學方向研究的青年學生有什么建議？

杜善義院士：

這個問題問的很好，復合材料力學對于復合材料來講非常重要。科學研究必須知難而進，任何學科的新分支都有新的理論與試驗問題需要解決。

第一：復合材料力學對于復合材料應用來講非常重要。復合材料最早用是作為結構材料來使用的，上面講了使用復合材料主要為了減重，提高結構效率，這是永恒的主題。復合材料的比性能高，又具有可設計性，所以可以在結構上應用。在結構上應用有一個很重要的問題，怎么樣用好？要把復合材料作為一個最重要的結構材料，它的力學性能必須要搞清楚，力學性能搞不清楚沒人敢用，設計師也沒有辦法進行設計。而復合材料是各向異性非均勻性材料，比金屬、有機、無機非金屬材料的力學分析要難得多。

第二：復合材料力學可以解決非常多的實際問題：比如纖維的鋪層設計、強度的預測以及界面的分析等。

復合材料力學相比于其他材料學科是比較難學，但是學好之后用途也是非常之大的。怎么學？我這里有幾個建議，大家可以參考下：

第一就是在理論上把材料科學這個因素加進去，怎么樣來解決一些重要的理論和科學的問題，這是一個觀點，必須要樹立起來，不能拿來就用，這肯定是不行的。

第二個就是有一個辦法借鑒，我個人就用這個辦法。做復合材料力學，必須要和材料結合，和材料學家結合，根據材料學家一些觀點去建立一些模型，那對你是一個幫助，脫離材料學家，那你的力學工作是做不好的。復合材料力學就是復合材料和應用中間的橋梁。這實際上是力學與材料學有機結合。

第三個是要跟結構設計師結合，結構設計師是需求方，復合材料設計需要滿足需求方的要求。

Q&A

最后，作為碳材料雜志的編委會成員，我們也特別想知道，您作為業界專家，您最關注碳材料部分的哪些方向？

杜善義院士：

碳材料是應該是我們地球上最豐富的材料之一。它的來源很多，有天然的，有人工合成的，而且在不斷的發展。近些年低維的碳材料也非常受到重視和青睞。我主要講一下以下三種材料。

第一就是碳纖維，我覺得碳纖維的出現是一個顛覆性的技術。它是復合材料最重要最有代表性的增強材料，為軍民兩用的戰略性材料。像787飛機基本上50%以上都是這種類型的復合材料。

第二就是碳納米管，這個材料現在雖然沒有大量的應用，但目前在材料方面來看，可以做很多新的東西，現在也在不斷的發展。材料到了納米尺度之后，會改變材料本身很多性能：力學性能、電性能、光性能、熱性能等。

第三就是石墨烯，我們國家石墨的產量很豐富，石墨到石墨烯是顛覆性的。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

人物檔案

杜善義，中國工程院院士，力學和復合材料學家。哈爾濱工業大學與中國航天科技集團教授，中國科學技術大學工程科學學院院長，中國復合材料學會榮譽理事長，國家商用飛機咨詢組成員。原總裝備部科技委兼職委員、國防科工局科技委委員、國家安全重大基礎研究計劃專家顧問組成員、國家重點基礎研究發展計劃專家咨詢組成員等。主要從事飛行器結構力學與先進復合材料方面研究，在重大裝備結構輕量化、高速飛行器熱防護與熱結構、多功能與智能復合材料方面取得重要研究成果，獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎與國家自然科學二等獎共5項，第二屆“錢學森力學獎”，中國復合材料學會“終身成就獎”，何梁何利科學與技術進步獎，并獲國際復合材料委員會WORLD FELLOW榮譽稱號。1999年當選中國工程院院士。