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先进复合材料是建设航天强国的物质基础和保障——专访我国力学和复合材料专家杜善义院士(上)

时间:2017年08月15日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:

    

 杜善义院士是我国著名的力学和复合材料专家。1958年,他出生于辽连市。19801982年,作为我国第一批公派出国的访问学者,杜善义被派往治·华盛顿大学学习力学和材料科学。他曾担任哈尔滨工业大学航天学院院校长等职务,1999年当选中国工程院院士,现任中国航天科技集团高级技术哈尔滨工业大学教授和中国复合材料学会名誉理事长等职务。岁末年初之陌士在百忙之中接受了《中国航天》杂志的专访。


 记者:请您谈谈复合材料学科在我国航天领域的发展历程。

 杜善义:地球上共有四大类材料:金属、非金属、有机材料和复合材料。20世纪以来,复合材料的出现是材料家族中里程碑式和颠覆式的成果。各类航天器的发展都与复合材料的发展密切相关。

 第一,在结构材料领域,上世纪50年代,以玻璃纤维复合材料为代表的人工复合材料诞生了。玻璃纤维复合材料具有质量轻、强度高的特点,可大幅减小航天器的结构重量,对材料重量有着严苛要求的航天领域敏锐地意识到了这种材料的重要性。我在大学学习时,中国航天之父钱学森先生任我的系主任,他在给我们讲授《星际航行概论》时曾说,对航天器来说,每个零件减少1克重量都是贡献。我一直牢记着先生的这句话。因此,航天是国内最早应用玻璃纤维复合材料的行业。新材料是航天发展的物质基础和保障,而航天领域又是新材料的试金石。航天领域对新材料的敏感度比任何领域都要高。

上世纪7 0年代后,我国开始研制碳纤维增强树脂复合材料,这种材料的性能跟铝合金类似,但是结构效率远高于铝合金材料,被称为先进复合材料。它非常契合航天器的制造要求,因此,我国航天开始大力发展碳纤维复合材料。随着复合材料制造技术的不断提升和完善,碳纤维复合材料的性能和工作温度也在不断提高。目前,我国已经能够生产出T800级的碳纤维复合材料。 “十五”之后,我国复合材料领域的发展速度十分迅猛。

第二,在以热防护材料为代表的功能材料方面,由于导弹、返回式卫星和飞船等航天器再入大气层的过程中都会产生上千度的高温,因此,研制、发展和应用耐高温功能复合材料是一个至关重要的问题。功能防热材料主要有两种类型:一类是以纤维增强酚醛树脂基为代表的树脂基复合材料;另一类是碳一碳和陶瓷基复合材料。值得欣慰的是,在这一领域我国目前处于国际先进水平。

第三,在多功能复合材料领域,这种材料已有近40年的发展历程,在此期间,多功能复合材料的概念、结构和种类都发生了巨大的变化,而且其应用领域也由战略导弹扩展到应用卫星、飞船等各种宇航系统中。多功能复合材料的发展为我国航天工业和武器系统的发展打下了坚实的基础。

 

记者:请您讲讲我国航天复合材料应用的现状和特点。

杜善义:先进复合材料是航天器的物质基础,复合材料的使用率是航天器先进程度的重要标志,是我们建设航天强国的物质基础和保障。航天材料的发展在一定程度上关系到航天任务的成败,没有先进复合材料,航天的发展就如无米之炊。航天器对复合材料的需求与材料本身的性能、工艺水平、设计水平、服役环境等方面都息息相关。复合材料的使用可降低航天器的结构重量,增加有效载荷的重量,从而提升航天器能力并降低成本。目前,先进复合材料是我国航天器制造的主导材料。在大型液体火箭上。为减轻重量,我国非常关注先进复合材料的应用;在固体火箭上,我国已基本实现了结构复合材料化;在应用卫星上,复合材料的使用率达到80%以上;战略导弹的复合材料使用率达到70%。

 

记者:近年来,深空探测和载人航天等复杂航天任务对航天器提出了许多新要求,请您谈谈在复合材料领域有哪些问题、挑战和瓶颈?我们应着力做好哪些方面的工作?

杜善义:我国正稳步、有序地开展各项空间探测活动:我国的月球探测器将要飞到月球背面和南北极,目前世界其他国家尚未做到;我国计戈TJN2020年发射一颗火星探测器,一步实现对火星的“绕、落、巡”;在2050年之前,我国可实现对太阳系内行星发射探测器;我国在继续论证载人登月、登火星的可行性和必要性。这些复杂的深空探测活动对航天器材料也提出了极高的要求:第一,由于路途遥远,要用更轻质化、性能更高的材料以节省推进剂。目前,树脂基复合材料的密度大约在159cm3左右,进行深空探测时,我们要求探测器材料的密度小于lgcm3,甚至个别的要小于空气密度。第二,深空环境与地球差别很大,制造深空探测器的材料要能够适应复杂极端环境。例如,月球昼夜温差极大,而火星上二氧化碳的浓度非常高。目前,我国的相关研究已经取得了一定的成果,但是,要实现目标我们还任重道远。



(作者:陈晓丽 张太胜)
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