C919机身

益小苏：超级“魔法师”

很难想象，装在一个普通密封袋里的就是技术领先的航空复合材料增强织物——ESTM织物。这种织物大幅度提高了航空结构液态成型复合材料的损伤阻抗和损伤容限，不仅使飞机更加安全，更重要的是能够提高飞机的减重性能与效率。

“对着阳光看，寻找那些排列均匀的凸起点，慢一点旋转，所有的奥秘都储存在这些凸起的原点中。”ESTM织物的发明者，北京航空材料研究院科技委主任益小苏在解释发明过程时，只是轻松地说：“就像是魔法。”

国际航空工业界普遍认为，未来航空复合材料应该具有更高的韧性，经得起反复“打击”。至今，用于液态成型的复合材料，如何在保持材料刚度与强度的同时提高韧性，仍然是吸引世界复合材料领域专家们探索的技术前沿。

当全球先进复合材料的领导者都在致力于解决这一矛盾之时，美国赫氏集团推出一种著名的液体成型环氧树脂——RTM6，这是一种特殊的高流动性树脂，并且通过了美国联邦航空管理局（FAA）适航认证，在国际先进的航空器上几乎都有应用，但是RTM6却对中国禁运。

对此，益小苏用他一贯的诙谐语气说：“事实上，RTM6对于我们并不重要，因为用我们的ESTM织物，才能发挥其最大的性能潜力。”

经过国际权威机构检测，以ESTM织物增强的RTM6复合材料的冲击韧性指标，已经达到了液体成型树脂基复合材料的国际领先水平。

实现这种魔幻般变化的，正是益小苏在国际上首先提出的“层间结构化”增韧技术和表面附载预制新概念与新技术，而由此开发的具有全部中国知识产权、包括商标权的新材料分别是ESTM预浸料和ESTM增强织物。这项增韧技术及其专用材料产品已在我国多个航空、航天重点型号上应用，甚至提高了一些传统航空产品的性能。

作为国家“973计划项目”首席科学家，益小苏就像一位航空复合材料领域里的超级“魔法师”，面对来自国际航空复合材料技术前沿的每一次挑战，他都像是在完成一场“魔法秀”。

来自地球背面的人

1978年，科学的春天来了。南京航空航天大学机械工程系研究生益小苏，依然记得那一年郭沫若在全国科学大会闭幕式上的讲话，“那象征了一个新时代的开始”。

1980年，教育部派出首批赴英、日、德、法等西方发达国家的中国留学生，益小苏就在赴德的留学生当中。“我当时并没有意识到，从此会踏上探索材料科学与复合材料研究的奇幻旅程，只是带着一种学习的渴望。”他告诉《瞭望东方周刊》。

刚到德国Paderborn大学时，益小苏被老师和同学称为“来自地球背面的人”——改革开放之初的中国对外界依然陌生。而益小苏正用力推开材料科学的大门，此时，世界航空材料领域也正发生着一场划时代的变化。

“100多年来，材料与飞机一直在相互推动下不断发展，一代材料，一代飞机。”益小苏说，“从上世纪70年代起，复合材料就在与金属材料的博弈中登场，由于其可实现飞机结构减重的综合优势，在我留学的时候，复合材料正在逐步由飞机的非承力结构向主承力结构转变，成为继铝合金、钢、钛合金之后的第四大航空结构材料。”

那时，中国的航空复合材料研究还没有起步，而益小苏已经开始帮助欧洲空中客车工业公司旗下的MBB公司解决早期复合材料的应用问题。

他当时的研究课题主要是金属及复合材料的结构胶接问题。越战中，由于越南的湿热环境，大量应用复合材料的直升机都出现了黏结破坏的现象，特别是虚黏。如何可靠黏结，什么条件下能够黏合好，如何判断这种结合的环境稳定性……为了解决这些问题，益小苏设计了一套扫描电镜图谱与测试标准，不仅解决了飞机胶黏结构的稳定性与持久性问题，而且提高了飞机连接的可靠性。

“我当时在德国MBB公司参与这项研究，其结果形成了该公司的图谱与标准。”多年之后，益小苏仍然认为自己当年解决问题的方式是先进的，“这也是中国人第一次在这个领域展示自己的理解与能力。”

从那时起，益小苏着迷于这些发生在高分子世界里的神奇变化。“复合材料是由诸多不相容的矛盾构成的，而且每一项特性的优点又都非常突出，如何保留各自的优点，同时融入更新的东西，这正是我感兴趣的地方。”

留学期间，益小苏虽然是在试验室做科研，但是大部分时间都在与企业打交道，“德国非常注重产学研的关系，非常注重如何让试验室的知识快速转化为企业成果。”这样的氛围让他更多地积累了与企业界联系的经验。

1987年，益小苏在浙江大学建立了高分子复合材料专业的硕士与博士点。此时，国内复合材料应用风起云涌。但是，在回国之后的很长时间里，他发现国内的试验室研究与企业需求依然是脱节的。他享受着教书育人的乐趣，但始终想寻找一个能将自己的想法落地的平台。

尖端产品的核心技术买不来

进入90年代后，西方的战斗机无一例外大量采用复合材料结构，用量逐步攀升，有的甚至达到35%，结构减重效率达30%。但是，与可以塑性变形的铝合金相比，复合材料的一个显著弱项就是韧性不足，没有变形能力，冲击后压缩强度偏低。

1998年，为了提升我国航空复合材料的韧性，在国家“973计划”项目的支持下，经过严格选拔，益小苏成为复合材料项目的首席科学家。他与中国航空复合材料的命运从此改变。

飞机结构复合材料由碳纤维材料和基体树脂构成，其中碳纤维决定了复合材料的刚度和强度，而树脂决定了耐环境性能、成型加工特性，特别是韧性。“对基体树脂增韧，是国内外大多数研究者的共同思路。”益小苏说。

为了突破这个局限，必须寻找导致复合材料韧性偏低缺陷的源头。根据文献研究和材料学分析判断，益小苏认为，决定材料使用性能的关键不仅取决于组成这个材料体系的成分，而且取决于这个材料体系内部的多尺度、多层次的微结构。因此，他将创新的突破口定位在“层间”。

2004年，益小苏受邀在复合材料领域国际最高级别学术会议——国际复合材料大会上作报告，他是大会邀请报告中唯一的中国学者，报告题目就是“层间结构化”，即“离位”增韧技术。

通过北京航空材料研究院的一个国际合作，益小苏和他的团队向英国曼彻斯特大学提供了依据“层间结构化”新概念制备的新型增强织物，经对方严格测试，证明该材料的关键技术指标达到树脂基复合材料的国际领先水平。

这项成果很快应用在空警200预警机上，单个产品的减重效果优异，不仅解决了原金属制件的疲劳问题，噪音还降低很多，提高了飞机的安全性和舒适性。

谈起这段经历，益小苏非常开心：“这是我第一次将研究成果应用在国家型号上，而且是把一个先进技术应用在老平台上，使其焕发了青春。能为国家服务，心里感觉很光荣。”

随后，这种产品在航空、航天以及船舶上都有大量应用，新增产值超过5亿多元人民币，同时获得多项国防科技奖励。

2008年，我国大型客机项目启动后，国际众多复合材料供应商纷纷竞标，其中一家著名的跨国公司推出了一种复合材料新品种，但在检测后，益小苏发现，无论预浸料还是液体成型复合材料，韧性都有不足。

“这家公司知道自身的差距，但他们表示，这已经是世界上最先进的水平。”益小苏说，“我当时就表态，可以在不剖析和改变其基本材料的基础上，全面提升其复合材料的韧性。”

在国家科技部国际合作重大专项的支持下，合作结果充分验证了“层间结构化”增韧技术的有效性和普适性，这家公司复合材料的韧性提升显著。最后，这家跨国公司引进了此项专利技术，这开了中航工业复合材料专利技术国际转移应用之先河。

2010年，益小苏及其团队获得周光召基金会“应用科学奖”，获得的评价是：“历史经验已经充分证明，尖端产品的核心技术是买不来的，是不可能引进的。在知识产权保护下也不能依靠跟踪去仿造，我国的产业和国防技术转型，要达到世界的尖端，只能依靠自身的创新。”

导电的“千层饼”

益小苏拿着ESTM织物试图向本刊记者解释这些碳布上排列有序的“原点”如何“工作”。他说：“这一切匪夷所思，变化无穷，尖锐的矛盾与可能性同时存在，而我要做的恰恰是解决尖锐的矛盾。”

与铝合金相比，树脂基复合材料的另一个弱项是它近乎绝缘的导电性能。当雷电闪击复合材料部件时，部件很难在短时间内将电流导走，从而导致温度上升，这又使复合材料产生深度分层或被严重烧蚀，整个部件的强度与刚度大幅度下降，造成结构破坏，危及飞机安全。

因此，在提高复合材料韧性的同时，提高其导电性，发展“高韧性与导电功能一体化”的新型复合材料，是当前国际航空复合材料领域的发展方向，也是对材料科学的一项挑战。

国际上的普遍思路是在现有材料上融入其余的东西，例如碳纳米管、石墨烯和其他导电填料等，但还是达不到要求。

“我们是在全世界最早提出‘层间功能化’这一概念的，解决问题的方式很巧妙。”益小苏解释说，“就像森林里的树与藤，树承担着强度、刚度与韧度，而藤承担着导电性，各司其职。”

益小苏和他的团队将银纳米线应用于复合材料的层间，大幅提升了导电性，也提升了冲击后压缩强度。在一次模拟雷击试验中，3000多度的高温，复合材料表面除了变色，没有什么损伤。

带着这项成果，2013年，益小苏再次在国际复合材料大会（ICCM）上作大会邀请报告，与会专家都为这个新概念感到振奋。

很快，国际著名的飞机工业公司找到航材院，愿意投资“层间功能化”技术。对方检测后表示，这是他们所测到的导电性最好的产品，超出预期。

益小苏告诉本刊记者：“复合材料就像‘千层饼’，客户提出的条件很苛刻，要求在厚度方向上进行导通，树脂是完全绝缘的，这么多层隔离，做到导电性困难可想而知。”

而这次的合作也让他心里有些沉重。为什么这些先进材料还是要先从国外的公司开始应用，而不是从中国的产品开始——很多人问过他类似的问题。

“我期待我们的成果能够通过国际适航认证，这是在商用飞机上应用的前提。”益小苏说，适航关注的是产品的一致性与稳定性，而科研成功一旦转为量产，工业基础攸关成败。

“我们曾经遇到过这样的事情，在国内七年没有转化的成果，专利转让到国外，马上就获得成功。”他说，我们要有国际视野，要在国际先进的工业基础上突破关键技术。

中国复合材料落后国际10到15年，但整体落后并不意味着每个细节都落后。中国的材料技术是领先的，却受限于落后的应用。例如，我国战斗机上复合材料的最大用量尚不足10%，世界军机的机翼自上世纪80年代后就已复合材料化了，我国至今尚无批量生产的复合材料机翼问世。

这其中的关键是设计理念与技术。益小苏解释说，目前我国军机在复合材料上的设计能力优于商用飞机，能够明显减重，而商用飞机在设计上依然过于保守，并未按照复合材料的思维进行设计。

未来的材料将更智能

北京航空材料研究院有一个广受青年关注的创新基金——益才基金。益小苏捐出了周光召基金会应用科学奖的35万港元奖金，北京航空材料研究院加注200万元人民币，专设此项基金，资助青年科学工作者开展创新性研究。

1987年，是中国科学院青年奖励基金（国家自然科学基金的前身之一）资助了益小苏回国后的第一个科研项目，因此，他深知年轻人需要支持。益才基金已资助了几十位青年科研人员的优秀项目。

谈到航空复合材料的未来，益小苏认为一是“智能化”，二是“绿色化”。

所谓“智能”，大致是这种材料能对其载荷状态自行诊断，甚至自行修复损伤，适应外界环境的变化。目前，在能量有源的条件下，这些特性中的一部分已能在实验室演示，但离应用还有相当距离。而“绿色化”，则是改变复合材料的基础物质来自石油等不可持续资源的现状，转变为可再生资源。

益小苏的这些想法得到了国家“973计划”和中航工业创新基金的支持，目前，采用我国特色资源——苎麻纤维增强的复合材料，已在我国轨道车辆上进行了数年路试，效果良好，即将扩大试验推广。

“领先的感觉不错，探索并没有结束。”益小苏说，中国的航空材料还没有在国际航空供应链的任何位置占有一席之地，参与中国大型客机C919项目竞争的都是国际一级供应商，中国的复合材料也应该成为世界的一级供应商。

“未来，我们不仅可以专利经营，更要产品国际销售。”益小苏很自信，“我心中还有很多想法，我知道，有些想法一定是领先世界的，我要做的就是尽快实现。”