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領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構液態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，所有的奧秘都儲存在這些凸起的原點中。” ESTM織物的發明者，北京航空材料研究院科技委主任益小蘇在解釋發明過程時，只是輕松地說：“就像是魔法。”

國際航空工業界普遍認為，未來航空復合材料應該具有更高的韌性，經得起反復“打擊”。至今，用于液態成型的復合材料，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域專家們探索的技術前沿。

當全球先進復合材料的領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，才能發揮其最大的性能潛力。”

經過國際權威機構檢測，以ESTM織物增強的RTM6復合材料的沖擊韌性指標，已經達到了液體成型樹脂基復合材料的國際領先水平。

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

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域里的超級“魔法師”，面對來自國際航空復合材料技術前沿的每一次挑戰，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、法等西方發達國家的中國留學生，益小蘇就在赴德的留學生當中。“我當時并沒有意識到，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，世界航空材料領域也正發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展，一代材料，一代飛機。”益小蘇說，“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，由于其可實現飛機結構減重的綜合優勢，在我留學的時候，復合材料正在逐步由飛機的非承力結構向主承力結構轉變，成為繼鋁合金、鋼、鈦合金之后的第四大航空結構材料。”

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

他當時的研究課題主要是金屬及復合材料的結構膠接問題。越戰中，由于越南的濕熱環境，大量應用復合材料的直升機都出現了黏結破壞的現象，特別是虛黏。如何可靠黏結，什么條件下能夠黏合好，如何判斷這種結合的環境穩定性……為了解決這些問題，益小蘇設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構的穩定性與持久性問題，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，其結果形成了該公司的圖譜與標準。”多年之后，益小蘇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域展示自己的理解與能力。”

從那時起，益小蘇著迷于這些發生在高分子世界里的神奇變化。“復合材料是由諸多不相容的矛盾構成的，而且每一項特性的優點又都非常突出，如何保留各自的優點，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打交道，“德國非常注重產學研的關系，非常注重如何讓試驗室的知識快速轉化為企業成果。”這樣的氛圍讓他更多地積累了與企業界聯系的經驗。

1987年，益小蘇在浙江大學建立了高分子復合材料專業的碩士與博士點。此時，國內復合材料應用風起云涌。但是，在回國之后的很長時間里，他發現國內的試驗室研究與企業需求依然是脫節的。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。

尖端產品的核心技術買不來

進入90年代后，西方的戰斗機無一例外大量采用復合材料結構，用量逐步攀升，有的甚至達到35%，結構減重效率達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。

飛機結構復合材料由碳纖維材料和基體樹脂構成，其中碳纖維決定了復合材料的剛度和強度，而樹脂決定了耐環境性能、成型加工特性，特別是韌性。“對基體樹脂增韌，是國內外大多數研究者的共同思路。”益小蘇說。

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部的多尺度、多層次的微結構。因此，他將創新的突破口定位在“層間”。

2004年，益小蘇受邀在復合材料領域國際最高級別學術會議——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“層間結構化”，即“離位”增韌技術。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“層間結構化”新概念制備的新型增強織物，經對方嚴格測試，證明該材料的關鍵技術指標達到樹脂基復合材料的國際領先水平。

這項成果很快應用在空警200預警機上，單個產品的減重效果優異，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。

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

隨后，這種產品在航空、航天以及船舶上都有大量應用，新增產值超過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，益小蘇發現，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，這已經是世界上最先進的水平。”益小蘇說，“我當時就表態，可以在不剖析和改變其基本材料的基礎上，全面提升其復合材料的韌性。”

在國家科技部國際合作重大專項的支持下，合作結果充分驗證了 “層間結構化”增韌技術的有效性和普適性，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，這開了中航工業復合材料專利技術國際轉移應用之先河。

2010年，益小蘇及其團隊獲得周光召基金會“應用科學獎”，獲得的評價是：“歷史經驗已經充分證明，尖端產品的核心技術是買不來的，是不可能引進的。在知識產權保護下也不能依靠跟蹤去仿造，我國的產業和國防技術轉型，要達到世界的尖端，只能依靠自身的創新。”

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。”

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將電流導走，從而導致溫度上升，這又使復合材料產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，造成結構破壞，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域的發展方向，也是對材料科學的一項挑戰。

國際上的普遍思路是在現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。”益小蘇解釋說，“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公司找到航材院，愿意投資“層間功能化”技術。對方檢測后表示，這是他們所測到的導電性最好的產品，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。”

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用，而不是從中國的產品開始——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用的前提。”益小蘇說，適航關注的是產品的一致性與穩定性，而科研成功一旦轉為量產，工業基礎攸關成敗。

“我們曾經遇到過這樣的事情，在國內七年沒有轉化的成果，專利轉讓到國外，馬上就獲得成功。”他說，我們要有國際視野，要在國際先進的工業基礎上突破關鍵技術。

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都落后。中國的材料技術是領先的，卻受限于落后的應用。例如，我國戰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的復合材料機翼問世。

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

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注的創新基金——益才基金。益小蘇捐出了周光召基金會應用科學獎的35萬港元獎金，北京航空材料研究院加注200萬元人民幣，專設此項基金，資助青年科學工作者開展創新性研究。

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自行診斷，甚至自行修復損傷，適應外界環境的變化。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，但離應用還有相當距離。而“綠色化”，則是改變復合材料的基礎物質來自石油等不可持續資源的現狀，轉變為可再生資源。

益小蘇的這些想法得到了國家“973計劃”和中航工業創新基金的支持，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年路試，效果良好，即將擴大試驗推廣。

“領先的感覺不錯，探索并沒有結束。”益小蘇說，中國的航空材料還沒有在國際航空供應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商，中國的復合材料也應該成為世界的一級供應商。

“未來，我們不僅可以專利經營，更要產品國際銷售。”益小蘇很自信，“我心中還有很多想法，我知道，有些想法一定是領先世界的，我要做的就是盡快實現。”endprint