益小蘇：超級“魔法師”

劉濟美

很難想象，裝在一個普通密封袋里的就是技術(shù)領(lǐng)先的航空復合材料增強織物——ESTM織物。這種織物大幅度提高了航空結(jié)構(gòu)液態(tài)成型復合材料的損傷阻抗和損傷容限，不僅使飛機更加安全，更重要的是能夠提高飛機的減重性能與效率。

“對著陽光看，尋找那些排列均勻的凸起點，慢一點旋轉(zhuǎn)，所有的奧秘都儲存在這些凸起的原點中?！?ESTM織物的發(fā)明者，北京航空材料研究院科技委主任益小蘇在解釋發(fā)明過程時，只是輕松地說：“就像是魔法?！?/p>

國際航空工業(yè)界普遍認為，未來航空復合材料應(yīng)該具有更高的韌性，經(jīng)得起反復“打擊”。至今，用于液態(tài)成型的復合材料，如何在保持材料剛度與強度的同時提高韌性，仍然是吸引世界復合材料領(lǐng)域?qū)＜覀兲剿鞯募夹g(shù)前沿。

當全球先進復合材料的領(lǐng)導者都在致力于解決這一矛盾之時，美國赫氏集團推出一種著名的液體成型環(huán)氧樹脂——RTM6，這是一種特殊的高流動性樹脂，并且通過了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）適航認證，在國際先進的航空器上幾乎都有應(yīng)用，但是RTM6卻對中國禁運。

對此，益小蘇用他一貫的詼諧語氣說：“事實上，RTM6對于我們并不重要，因為用我們的ESTM織物，才能發(fā)揮其最大的性能潛力?！?/p>

經(jīng)過國際權(quán)威機構(gòu)檢測，以ESTM織物增強的RTM6復合材料的沖擊韌性指標，已經(jīng)達到了液體成型樹脂基復合材料的國際領(lǐng)先水平。

實現(xiàn)這種魔幻般變化的，正是益小蘇在國際上首先提出的“層間結(jié)構(gòu)化”增韌技術(shù)和表面附載預制新概念與新技術(shù)，而由此開發(fā)的具有全部中國知識產(chǎn)權(quán)、包括商標權(quán)的新材料分別是ESTM預浸料和ESTM增強織物。這項增韌技術(shù)及其專用材料產(chǎn)品已在我國多個航空、航天重點型號上應(yīng)用，甚至提高了一些傳統(tǒng)航空產(chǎn)品的性能。

作為國家“973計劃項目”首席科學家，益小蘇就像一位航空復合材料領(lǐng)域里的超級“魔法師”，面對來自國際航空復合材料技術(shù)前沿的每一次挑戰(zhàn)，他都像是在完成一場“魔法秀”。

來自地球背面的人

1978年，科學的春天來了。南京航空航天大學機械工程系研究生益小蘇，依然記得那一年郭沫若在全國科學大會閉幕式上的講話，“那象征了一個新時代的開始”。

1980年，教育部派出首批赴英、日、德、法等西方發(fā)達國家的中國留學生，益小蘇就在赴德的留學生當中?！拔耶敃r并沒有意識到，從此會踏上探索材料科學與復合材料研究的奇幻旅程，只是帶著一種學習的渴望。”他告訴《瞭望東方周刊》。

剛到德國Paderborn大學時，益小蘇被老師和同學稱為“來自地球背面的人”——改革開放之初的中國對外界依然陌生。而益小蘇正用力推開材料科學的大門，此時，世界航空材料領(lǐng)域也正發(fā)生著一場劃時代的變化。

“100多年來，材料與飛機一直在相互推動下不斷發(fā)展，一代材料，一代飛機?！币嫘√K說，“從上世紀70年代起，復合材料就在與金屬材料的博弈中登場，由于其可實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)減重的綜合優(yōu)勢，在我留學的時候，復合材料正在逐步由飛機的非承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，成為繼鋁合金、鋼、鈦合金之后的第四大航空結(jié)構(gòu)材料。”

那時，中國的航空復合材料研究還沒有起步，而益小蘇已經(jīng)開始幫助歐洲空中客車工業(yè)公司旗下的MBB公司解決早期復合材料的應(yīng)用問題。

他當時的研究課題主要是金屬及復合材料的結(jié)構(gòu)膠接問題。越戰(zhàn)中，由于越南的濕熱環(huán)境，大量應(yīng)用復合材料的直升機都出現(xiàn)了黏結(jié)破壞的現(xiàn)象，特別是虛黏。如何可靠黏結(jié)，什么條件下能夠黏合好，如何判斷這種結(jié)合的環(huán)境穩(wěn)定性……為了解決這些問題，益小蘇設(shè)計了一套掃描電鏡圖譜與測試標準，不僅解決了飛機膠黏結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與持久性問題，而且提高了飛機連接的可靠性。

“我當時在德國MBB公司參與這項研究，其結(jié)果形成了該公司的圖譜與標準?！倍嗄曛螅嫘√K仍然認為自己當年解決問題的方式是先進的，“這也是中國人第一次在這個領(lǐng)域展示自己的理解與能力。”

從那時起，益小蘇著迷于這些發(fā)生在高分子世界里的神奇變化?！皬秃喜牧鲜怯芍T多不相容的矛盾構(gòu)成的，而且每一項特性的優(yōu)點又都非常突出，如何保留各自的優(yōu)點，同時融入更新的東西，這正是我感興趣的地方。”

留學期間，益小蘇雖然是在試驗室做科研，但是大部分時間都在與企業(yè)打交道，“德國非常注重產(chǎn)學研的關(guān)系，非常注重如何讓試驗室的知識快速轉(zhuǎn)化為企業(yè)成果?！边@樣的氛圍讓他更多地積累了與企業(yè)界聯(lián)系的經(jīng)驗。

1987年，益小蘇在浙江大學建立了高分子復合材料專業(yè)的碩士與博士點。此時，國內(nèi)復合材料應(yīng)用風起云涌。但是，在回國之后的很長時間里，他發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的試驗室研究與企業(yè)需求依然是脫節(jié)的。他享受著教書育人的樂趣，但始終想尋找一個能將自己的想法落地的平臺。

尖端產(chǎn)品的核心技術(shù)買不來

進入90年代后，西方的戰(zhàn)斗機無一例外大量采用復合材料結(jié)構(gòu)，用量逐步攀升，有的甚至達到35%，結(jié)構(gòu)減重效率達30%。但是，與可以塑性變形的鋁合金相比，復合材料的一個顯著弱項就是韌性不足，沒有變形能力，沖擊后壓縮強度偏低。

1998年，為了提升我國航空復合材料的韌性，在國家“973計劃”項目的支持下，經(jīng)過嚴格選拔，益小蘇成為復合材料項目的首席科學家。他與中國航空復合材料的命運從此改變。

飛機結(jié)構(gòu)復合材料由碳纖維材料和基體樹脂構(gòu)成，其中碳纖維決定了復合材料的剛度和強度，而樹脂決定了耐環(huán)境性能、成型加工特性，特別是韌性?！皩w樹脂增韌，是國內(nèi)外大多數(shù)研究者的共同思路?！币嫘√K說。

為了突破這個局限，必須尋找導致復合材料韌性偏低缺陷的源頭。根據(jù)文獻研究和材料學分析判斷，益小蘇認為，決定材料使用性能的關(guān)鍵不僅取決于組成這個材料體系的成分，而且取決于這個材料體系內(nèi)部的多尺度、多層次的微結(jié)構(gòu)。因此，他將創(chuàng)新的突破口定位在“層間”。

2004年，益小蘇受邀在復合材料領(lǐng)域國際最高級別學術(shù)會議——國際復合材料大會上作報告，他是大會邀請報告中唯一的中國學者，報告題目就是“層間結(jié)構(gòu)化”，即“離位”增韌技術(shù)。endprint

通過北京航空材料研究院的一個國際合作，益小蘇和他的團隊向英國曼徹斯特大學提供了依據(jù)“層間結(jié)構(gòu)化”新概念制備的新型增強織物，經(jīng)對方嚴格測試，證明該材料的關(guān)鍵技術(shù)指標達到樹脂基復合材料的國際領(lǐng)先水平。

這項成果很快應(yīng)用在空警200預警機上，單個產(chǎn)品的減重效果優(yōu)異，不僅解決了原金屬制件的疲勞問題，噪音還降低很多，提高了飛機的安全性和舒適性。

談起這段經(jīng)歷，益小蘇非常開心：“這是我第一次將研究成果應(yīng)用在國家型號上，而且是把一個先進技術(shù)應(yīng)用在老平臺上，使其煥發(fā)了青春。能為國家服務(wù)，心里感覺很光榮。”

隨后，這種產(chǎn)品在航空、航天以及船舶上都有大量應(yīng)用，新增產(chǎn)值超過5億多元人民幣，同時獲得多項國防科技獎勵。

2008年，我國大型客機項目啟動后，國際眾多復合材料供應(yīng)商紛紛競標，其中一家著名的跨國公司推出了一種復合材料新品種，但在檢測后，益小蘇發(fā)現(xiàn)，無論預浸料還是液體成型復合材料，韌性都有不足。

“這家公司知道自身的差距，但他們表示，這已經(jīng)是世界上最先進的水平?！币嫘√K說，“我當時就表態(tài)，可以在不剖析和改變其基本材料的基礎(chǔ)上，全面提升其復合材料的韌性?！?/p>

在國家科技部國際合作重大專項的支持下，合作結(jié)果充分驗證了 “層間結(jié)構(gòu)化”增韌技術(shù)的有效性和普適性，這家公司復合材料的韌性提升顯著。最后，這家跨國公司引進了此項專利技術(shù)，這開了中航工業(yè)復合材料專利技術(shù)國際轉(zhuǎn)移應(yīng)用之先河。

2010年，益小蘇及其團隊獲得周光召基金會“應(yīng)用科學獎”，獲得的評價是：“歷史經(jīng)驗已經(jīng)充分證明，尖端產(chǎn)品的核心技術(shù)是買不來的，是不可能引進的。在知識產(chǎn)權(quán)保護下也不能依靠跟蹤去仿造，我國的產(chǎn)業(yè)和國防技術(shù)轉(zhuǎn)型，要達到世界的尖端，只能依靠自身的創(chuàng)新。”

導電的“千層餅”

益小蘇拿著ESTM織物試圖向本刊記者解釋這些碳布上排列有序的“原點”如何“工作”。他說：“這一切匪夷所思，變化無窮，尖銳的矛盾與可能性同時存在，而我要做的恰恰是解決尖銳的矛盾?！?/p>

與鋁合金相比，樹脂基復合材料的另一個弱項是它近乎絕緣的導電性能。當雷電閃擊復合材料部件時，部件很難在短時間內(nèi)將電流導走，從而導致溫度上升，這又使復合材料產(chǎn)生深度分層或被嚴重燒蝕，整個部件的強度與剛度大幅度下降，造成結(jié)構(gòu)破壞，危及飛機安全。

因此，在提高復合材料韌性的同時，提高其導電性，發(fā)展“高韌性與導電功能一體化”的新型復合材料，是當前國際航空復合材料領(lǐng)域的發(fā)展方向，也是對材料科學的一項挑戰(zhàn)。

國際上的普遍思路是在現(xiàn)有材料上融入其余的東西，例如碳納米管、石墨烯和其他導電填料等，但還是達不到要求。

“我們是在全世界最早提出‘層間功能化這一概念的，解決問題的方式很巧妙?！币嫘√K解釋說，“就像森林里的樹與藤，樹承擔著強度、剛度與韌度，而藤承擔著導電性，各司其職。”

益小蘇和他的團隊將銀納米線應(yīng)用于復合材料的層間，大幅提升了導電性，也提升了沖擊后壓縮強度。在一次模擬雷擊試驗中，3000多度的高溫，復合材料表面除了變色，沒有什么損傷。

帶著這項成果，2013年，益小蘇再次在國際復合材料大會（ICCM）上作大會邀請報告，與會專家都為這個新概念感到振奮。

很快，國際著名的飛機工業(yè)公司找到航材院，愿意投資“層間功能化”技術(shù)。對方檢測后表示，這是他們所測到的導電性最好的產(chǎn)品，超出預期。

益小蘇告訴本刊記者：“復合材料就像‘千層餅，客戶提出的條件很苛刻，要求在厚度方向上進行導通，樹脂是完全絕緣的，這么多層隔離，做到導電性困難可想而知?！?/p>

而這次的合作也讓他心里有些沉重。為什么這些先進材料還是要先從國外的公司開始應(yīng)用，而不是從中國的產(chǎn)品開始——很多人問過他類似的問題。

“我期待我們的成果能夠通過國際適航認證，這是在商用飛機上應(yīng)用的前提?！币嫘√K說，適航關(guān)注的是產(chǎn)品的一致性與穩(wěn)定性，而科研成功一旦轉(zhuǎn)為量產(chǎn)，工業(yè)基礎(chǔ)攸關(guān)成敗。

“我們曾經(jīng)遇到過這樣的事情，在國內(nèi)七年沒有轉(zhuǎn)化的成果，專利轉(zhuǎn)讓到國外，馬上就獲得成功?！彼f，我們要有國際視野，要在國際先進的工業(yè)基礎(chǔ)上突破關(guān)鍵技術(shù)。

中國復合材料落后國際10到15年，但整體落后并不意味著每個細節(jié)都落后。中國的材料技術(shù)是領(lǐng)先的，卻受限于落后的應(yīng)用。例如，我國戰(zhàn)斗機上復合材料的最大用量尚不足10%，世界軍機的機翼自上世紀80年代后就已復合材料化了，我國至今尚無批量生產(chǎn)的復合材料機翼問世。

這其中的關(guān)鍵是設(shè)計理念與技術(shù)。益小蘇解釋說，目前我國軍機在復合材料上的設(shè)計能力優(yōu)于商用飛機，能夠明顯減重，而商用飛機在設(shè)計上依然過于保守，并未按照復合材料的思維進行設(shè)計。

未來的材料將更智能

北京航空材料研究院有一個廣受青年關(guān)注的創(chuàng)新基金——益才基金。益小蘇捐出了周光召基金會應(yīng)用科學獎的35萬港元獎金，北京航空材料研究院加注200萬元人民幣，專設(shè)此項基金，資助青年科學工作者開展創(chuàng)新性研究。

1987年，是中國科學院青年獎勵基金（國家自然科學基金的前身之一）資助了益小蘇回國后的第一個科研項目，因此，他深知年輕人需要支持。益才基金已資助了幾十位青年科研人員的優(yōu)秀項目。

談到航空復合材料的未來，益小蘇認為一是“智能化”，二是“綠色化”。

所謂“智能”，大致是這種材料能對其載荷狀態(tài)自行診斷，甚至自行修復損傷，適應(yīng)外界環(huán)境的變化。目前，在能量有源的條件下，這些特性中的一部分已能在實驗室演示，但離應(yīng)用還有相當距離。而“綠色化”，則是改變復合材料的基礎(chǔ)物質(zhì)來自石油等不可持續(xù)資源的現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕Y源。

益小蘇的這些想法得到了國家“973計劃”和中航工業(yè)創(chuàng)新基金的支持，目前，采用我國特色資源——苧麻纖維增強的復合材料，已在我國軌道車輛上進行了數(shù)年路試，效果良好，即將擴大試驗推廣。

“領(lǐng)先的感覺不錯，探索并沒有結(jié)束?！币嫘√K說，中國的航空材料還沒有在國際航空供應(yīng)鏈的任何位置占有一席之地，參與中國大型客機C919項目競爭的都是國際一級供應(yīng)商，中國的復合材料也應(yīng)該成為世界的一級供應(yīng)商。

“未來，我們不僅可以專利經(jīng)營，更要產(chǎn)品國際銷售?！币嫘√K很自信，“我心中還有很多想法，我知道，有些想法一定是領(lǐng)先世界的，我要做的就是盡快實現(xiàn)?！眅ndprint