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杜善义院士:碳纤维开启了我人生的另一半精彩 | 新材料在线专栏
2018-10-29 00:10
来源:中国战略新兴产业
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  本文首发于2018年10月1日
  《中国战略新兴产业》
  邹科宁
  他是新中国第一批外派的赴美访问学者;他是哈工大航天学院首任院长;他在80年代初明确提出力学与材料结合,将细观力学应用到复合材料的分析和应用中;他率先开展了结构功能一体化和多功能智能化复合材料结构的研究;他是首位获得国际复合材料委员会WORLD FELLOW荣誉称号的中国科学家。
  他是飞行器结构力学和复合材料专家——中国工程院院士杜善义。
  >> 中国工程院院士杜善义
  在外行人看来,将结构力学与复合材料放到一起相提并论,多少让人有点意外。但只要跟杜善义院士有过交流,这个疑惑很快就能得到解答。走进杜善义院士的办公室,一个摆满“C919”“蛟龙一号”“天宫一号”等微缩模型机的展示柜分外惹人注目。看出我们的好奇,杜善义从容地打开展示柜的玻璃窗,顺手拿起“C919”模型乐呵呵地说道,“这些都是我参与或咨询过的从结构力学设计到复合材料应用的工程,我最喜欢在办公间歇时好好观摩研究这些小玩意。”
  作为中国复合材料学术带头人之一,杜善义在推广复合材料的应用发展中做出了富有成效的工作。即使已过古稀之年,但他仍然时刻关注着我国先进复合材料的发展与应用,只要谈及碳纤维及其复合材料,杜善义的精神便愈加矍铄。
  从专攻力学到“触电”碳纤维复合材料
  古人言“闻道有先后,术业有专攻。”航空航天装备、国防装备在制造过程中需要同时应用到力学及先进复合材料这是不言而喻的,但一个力学专家为何会跨界钻研先进复合材料?要解答这个疑惑,得从杜善义的赴美求学之路说起。
  据杜善义介绍,从小就好奇“不倒翁”的他原本一直痴迷于力学,在1980年赴美求学之前,他确实一直专注于航空航天飞行器设计的结构力学研究,但正是这次赴美求学之路开启了他人生的另一半精彩。
  “我当时的‘老板’也是一个力学家,是国际断裂力学权威,有一天我在实验室看见一些黑不溜秋的东西,那时候国内还不太清楚这个东西,我就问‘做这个实验是干什么的?’”其实,这个不起眼的“黑色板”正是碳纤维增强复合材料,而导师接下来的一番话更是让杜善义铭记了一辈子。“导师当时给我说的原话,说这玩意和铝合金性能差不多,但是比它轻多了,将来对航空航天非常有用。”
  反应机敏的杜善义当即意识到研究它的重大意义,随即问他的合作导师,你是搞力学的,为什么研究复合材料,导师表示,复合材料是一种新材料,是非均匀的各向异性材料,必须把它的力学问题搞清楚才能达到会用和用好,特别是在航空航天领域的应用,力学分析是基础,必须要学扎实!这给了杜善义极大的启发,“这门课我是学得最认真的,现在还保存了厚厚的听课笔记,我一面在那边学一面就开始做研究,比如说它里面的冲击和疲劳问题等等。”
  “触电”碳纤维复合材料后,杜善义在美国乔治华盛顿大学认真研习了2年,埋头探索“黑色黄金”的更多秘密。1982年年末,杜善义学成归来,明确提出将力学与材料结合,用力学新理论新方法解决以碳纤维为代表的复合材料的应用问题,并长期致力于断裂力学、飞行器结构力学和复合材料的教学和研究工作。最终实现了将细观力学应用到复合材料的分析和应用中,并率先开展了结构功能一体化和智能化复合材料及结构的研究。
  装备结构轻量化是永恒的主题,碳纤维等增强的复合材料是实现轻量化和提高结构效率的重要途径之一,而轻量化又直接关系到节能和减排问题。杜善义也经常遇到为碳纤维复合材料“打辩论赛”的场景。
  几个月前杜善义在外进行演讲时,现场就有嘉宾提出质疑“你们之前说在高铁上应用碳纤维复合材料,让高铁轻量化,跑得更快更稳没问题,那小汽车轻量化后岂不是轻飘飘的,一撞就飞了?大高个摔跟头和小个头完全不一样的”。
  杜善义当即回道,“你说对了一半,但是轻和重也是有区别的,如果用重的撞轻的肯定轻的吃亏,但是如果所有小汽车的上方车体采用复合材料,下方底盘仍然采用金属铝合金,这样整个汽车重心下移了很多,撞车也不容易翻,这是简单的力学设计问题。”
  讲完“辩论赛”大乌龙,杜善义不忘叮嘱一番:“你们年轻人要运用碳纤维,得先打好材料和力学基础,这样在应用过程中才会更科学、更合理。”
  军民融合助跑碳纤维快速发展
  “碳纤维及复合材料在上世纪出现之后,首先是国防和航空航天特别重视它,因为它可以明显提高装备的性能,同时又能减轻重量,提高装备的有效载荷,在整个国防装备方面来看,这几乎是最重要的材料。”杜善义作为国内最早一批研发碳纤维复合材料的老专家,对它的应用发展史如数家珍。
  时光流转,如今碳纤维复合材料在民用层面同样大放异彩,大到“C919”大飞机,小到钓鱼竿、网球拍,碳纤维以另一种轻盈之姿进入到我们的生活之中。杜善义对新材料在线®表示,如今的飞机甚至已经将以碳纤维为代表的先进复合材料的应用量视为一架飞机的科技水平,这也是航空飞机参与市场竞争的一个重要标志。
  “‘碳氏家族’新增的这个成员非常有意义,因为碳纤维复合材料它本身有很多的优越性,在一定意义上它是颠覆性技术,是别的一些传统材料不可替代的,碳纤维也是典型的军民两用的战略性新兴材料。”杜善义表示,‘碳氏家族’每一位成员都意义重大,富勒烯、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨块等都曾引爆一时,但目前只有碳纤维的发展和应用是最活跃的。
  在他看来,碳纤维能够从“碳氏家族”脱颖而出,除了其本身不可替代的优越性能外,军民两用的融合发展更是起到了举足轻重的推动作用。
  他进一步解释到:“我们认为它最初是一个‘贵族材料’,主要应用在国防、航空航天领域,但在当时供不应求、国家高度重视的情况下,一批民企的企业家非常有担当、有责任地主动参与到碳纤维的技术研发及应用推广中来,他们觉得这是一种使命感,积极满足国家发展需求,因此中国碳纤维的发展,我认为民企起到非常重要的作用。”
  据报道显示,杜善义曾多次公开表达了对碳纤维行业民营企业家的关注及感谢,“我国的碳纤维及其复合材料技术之所以能够取得明显突破,以陈光威为代表的民营企业家们功不可没,我很尊重他,我们应该永远记住他。”
  杜善义表示,碳纤维及其复合材料首先是参军应用,满足国防、航空航天的需要,经过国防应用层面的反复试验、尝试之后,积累了碳纤维的应用经验,再辐射到能源、船舶、海洋、交通等民用层面去应用,反过来又带动碳纤维企业的研发生产,这就形成了碳纤维的特色发展模式。因而,在杜善义看来,碳纤维是最典型的军民融合的产物,值得其它行业借鉴。
  揭秘碳纤维价格之谜
  正是因为碳纤维有其特色发展模式,在国家积极鼓励发展新材料行业之际,不少资本方亦或正处转型之际的企业大多以碳纤维行业作为参考,对新材料这一新兴行业持观望之势。因而,开年以来多家国产碳纤维企业发布碳纤维涨价公告之后,几近引起行业巨荡之势,国人对国产碳纤维等其它新材料行业发展之势的猜测不绝于耳。
  时隔半年之久,国产碳纤维的涨价事件早已尘埃落定。那么,国产碳纤维在2018春节后为何“开门红”?难道国产碳纤维的质量已经达到国际领先生产水平?还是如网友众说纷纭的高成本一直没有得到解决?杜善义从宏观、微观层给了详细的解答。
  以下为杜善义原话,新材料在线 ® 略作整理
  新材料在线®:对于国产碳纤维涨价一事,您认为高成本是根本原因吗?
  杜善义:对于任何一种新材料或任何一套装备而言,成本问题始终是一个非常重要的问题。那么对碳纤维及其复合材料来说,这个问题可能更为重要。据我所知,从整个中国的碳纤维发展情况来看,说实在话,因为在碳纤维发展之初,很多的先进装备都是引进的,比如说它的聚合炉、氧化炉、碳化炉等这些都是引进的,因此生产碳纤维的成本相对要比国外高一点。这是国产碳纤维“贵”的第一个原因。
  第二,我国碳纤维的应用面还比较窄,量不是太大。据统计,2016年国内市场消耗的碳纤维及其复合材料约为2万吨,这是军用、民用所有行业的应用量加起来的总和,算是比较少,那么相对来讲它的成本也高。
  第三,就是碳纤维目前存在的供给侧结构改革的问题。我国碳纤维产能相对来讲比较高,但是产量相对不饱和,包括还存在质量问题。比如说为达到对高产能的要求,就需要配置大批量研发生产设备,但由于实际市场需求等因素,并没有生产那么多东西,那么设备厂房等本身也占成本,也要消耗。所以产能、产量、质量这方面还需要协调。
  新材料在线®:所以在您看来,我国碳纤维的生产成本,前几年确实比国外稍微高一点。那么碳纤维高成本这个问题在如今有改善吗?
  杜善义:从国产碳纤维近几年的发展趋势来看,成本在不断降低,为什么呢?因为现在不仅是国防航空航天,包括能源、海洋工程、交通等其它方面的一些基础设施行业都在大量采用碳纤维。碳纤维及其复合材料是一个非常有活力、非常有前途的材料,大家对它非常感兴趣,最明显的就是汽车行业。中国每年生产3000万辆汽车,如果每辆汽车用1公斤碳纤维复合材料,需求量将达到3万吨。所以在这种情况下来看,我想它的成本会逐渐降下来。
  另外,正如“十九大”提出的“质量强国”,通过碳纤维生产技术的改进,和碳纤维生产工艺过程控制技术的提高,以及用量的逐渐增加,碳纤维的成本会越来越下降,所以这一点我想不用担心。
  降成本这方面,这是未来的一个战略,也是我们必须要去实现的,具体降到什么程度,现在还不能完全定论。但是据我了解,比如说我们国产T800级高档碳纤维,因为我们在航空航天方面执行的一个计划,整个报价其实和国外基本持平,所以成本降低还是有希望。
  新材料在线®:那您认为现阶段的国产碳纤维的价格,对市场来说是否合理?
  杜善义:由于国家的重视,企业家的重视,科技工作者的重视,再加上碳纤维及复合材料它本身的优越性,因此无论在国际还是我们国内来看,碳纤维的发展速度都比较快。目前国产碳纤维不管从高强和高模量来看,虽然不能说超过日本、美国这样一些国家,但我们是紧紧跟在后面,但是这个距离很近了,我们要从跟跑发展成并跑。我觉得现在是逐渐要达到并跑这样一个水平。
  新材料在线®:您对国内碳纤维行业发展有什么建议?
  杜善义:我希望国产碳纤维这个行业能够国际化,而且必须国际化,我们不能仅仅满足于供应国内市场需求。我们应该有这样一个雄心,有这样一个梦想,我想我们中国人完全有能力、有技术,能够做到把碳纤维推向国际化。
  走国际化其实就是两点:一个是性能,就是质量,第二个就是成本。我们紧盯这两点,必然会走到国际化。
  碳纤维对我们建设材料强国、制造强国、质量强国,和我们的航空航天的强国,都有积极的推动作用。我希望更多的碳纤维企业,特别是民营企业,他们自己能够完全设计、制造装备,比如氧化炉、碳化炉等等这些,从源头上降低成本。第二就是希望碳纤维的用量越来越多,协调侧供给改革,促使它的成本降低,这两条是非常之重的。
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