國有企業材料力學性能測試與表征技術專業發展思路

朱亞輝 楊勝春 周建鋒 熊華鋒 劉曼妮

摘 ?要：材料的發展一直都是推動新工業革命的直接動力，耐高溫先進輕質材料和智能材料等新材料、新工藝的研發將徹底帶來航空工業的技術變革。材料力學性能測試與表征技術專業的發展在測試技術方面要逐步實現自動化、智能化;在管理方面實現流程的信息化;服務的區域從國內擴展至全球;服務的領域要立足航空，向航天、兵器、交通等全工業體系延伸;服務的內容要涉及到飛行器設計、制造、驗證和交付的每個環節;在研究對象方面重點關注先進復合材料、超高溫復合材料、先進輕質結構材料和智能材料。專業發展思路將主要從技術和體制/機制創新兩方面進行闡述。

關鍵詞：材料力學試驗;專業發展現狀;體制和機制創新

中圖分類號：O341 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0079-04

Abstract： The development of materials has always been the direct driving force to promote the new industrial revolution. The research and development of new materials and new processes such as high temperature-resistant advanced lightweight materials and intelligent materials will completely bring about technological changes in the aviation industry. The development of material mechanical property testing and characterization technology should gradually realize automation and intelligence in testing technology， realize the informatization of process in management， expand the area of service from domestic markets to global markets，base the field of service on aviation， extend to the whole industrial system such as aerospace， weapons， transportation， etc.， and the content of service should involve every link of aircraft design， manufacture， verification and delivery. In the aspect of research objects， we focus on advanced composite materials， ultra-high temperature composite materials， advanced lightweight structural materials and intelligent materials. The idea of professional development will be expounded mainly from two aspects： innovationin technology and institution/mechanism.

Keywords： material mechanics test; professional development status; innovation in institution/mechanism

1 概述

中國飛機強度研究所（以下簡稱強度所）作為航空工業的科研院所，專業的發展務必要圍繞整個航空工業來開展，航空武器裝備的發展是我們立所之本強所之基，更是我們存在的目的和意義;其次體制/機制的創新是企業能否高速發展的根，專業的發展離不開企業架構的優化和制度的變革。材料的發展一直都是推動新工業革命的直接動力，我們有理由相信耐高溫先進輕質材料和智能材料等新材料、新工藝的研發將徹底帶來航空工業的技術變革。

材料力學性能測試與表征技術專業的發展在測試技術方面要逐步實現自動化、智能化;在管理方面實現流程的信息化;服務的區域從國內擴展至全球;服務的領域要立足航空，向航天、兵器、交通等全工業體系延伸;服務的內容要涉及到飛行器設計、制造、驗證和交付的每個環節;在研究對象方面重點關注先進復合材料、超高溫復合材料、先進輕質結構材料和智能材料。專業發展思路將主要從技術和體制/機制創新兩方面進行闡述。

2 專業發展現狀及分析

2.1 優勢

（1）品牌優勢：中國飛機強度研究所是致力于飛機結構強度研究的國家隊，已在業內獲廣泛認可，知名度高，專業平臺高、起點高;實驗室通過CNAS認證，與國內同類實驗室相比覆蓋的復合材料測試標準種類最多測試能力最強。

（2）團隊優勢：實驗室擁有權威的技術專家和頂尖的測試團隊。學術帶頭人具有20多年從事復合材料及結構強度分析和力學性能試驗研究的經歷，現任國家標準化管理委員會、中國復合材料學會理事航空工業“航材中心力學與失效分析專業委員會”等多個權威機構委員，在整個復合材料行業有一定影響力;技術人員相對其他科研院所更加穩定，多年來積累了豐富的工程經驗，能夠憑借其在飛機結構強度方面的知識儲備，在測試過程中從結構強度設計和材料研發等多個角度為客戶提供專業的試驗方案、試驗頂層規劃和技術咨詢，這是其他實驗室所不具備的核心能力。實驗室也是獨立于材料供應商和應用部門的第三方檢測機構，能夠保證測試的公平性和公正性。

（3）技術優勢：本專業從2000年開始進行了聚合物基復合材料力學性能表征技術研究，國內首次建立了系統完整的表征體系，研制了配套的試驗設備、夾具，取得了大量的研究成果。經過多年的積累已經完成從標準參與編制單位向標準編修訂單位的身份轉變，累計完成GB、GJB、HB、AVIC等標準的修制定30多項，“十三五”計劃申報修制訂30項。技術成果已經在國內幾乎所有軍民機型號中得到了應用，特別是覆蓋了所有民機適航型號，測試能力獲得了兩大審定中心和多家適航局的認可，是國內目前唯一系紈掌握復合材料適航測試要求和通過適航審定項目最多、類別最多的單位。實驗室經過十幾年的發展，在國內同行業中處于領先地位。

（4）較好的客戶關系：與航空工業主機院所、制造廠以及中國商飛、航天院所等已建立了良好的合作關系。

2.2 不足

（1）一般能力：強度所是國內首個建立聚合物基復合材料力學性能表征體系的科研機構，在將復合材料力學性能表征技術及重要性推向全國的同時，也向外部輸出了核心的測試技術。隨著各科研院所技術能力的不斷提升，實驗室復合材料表征技術核心能力已逐漸退化到一般能力。

（2）市場單一：科研任務以復合材料力學性能試驗為主，占全年產值95%，幾乎沒有金屬材料和非金屬材料等新材料的測試任務;客戶群單一，試驗任務主要集中在航空行業，航空工業單位和中國商飛的業務量占到了全年產值的90%以上，產值和規模直接受型號研制和發展的制約。

（3）專業面較窄：近年來雖然軍民機型號及新材料研制項目持續增多，但由于外部的激烈競爭和談判中比價環節的產生，導致試驗的利潤空間被再壓縮。為了確保年度產值的完成，很多合同往往只有幾年前的二分之一甚至三分之一。試驗任務已呈現出進度緊、難度大的態勢，試驗壓力的增大導致技術人員每天忙于開展測試任務，對試驗數據的分析、總結提煉較少，在預研方面投入的時間和精力就更少，對專業研究的深度和廣度遠遠不夠。

（4）行業競爭日趨激烈：由于技術門檻低，高校、私營企業通過大批量采購進口試驗機，在軟、硬件方面已具備了出色的試驗能力，通過“價格戰”和“服務戰”對任務承攬形成了巨大的威脅。與同行業相比強度所合同報價高，沒有價格優勢;國有企業員工缺乏危機感、工作壓力小，對客戶響應慢，管理成本居高不下，普遍存在服務意識和服務質量較差的問題。委托方往往因為價格和項目關注度不高等因素，將項目委托給高校或其他科研院所。

2.3 機遇

（1）航材中心力學與失效分析專業委員會：航空工業唯一的“航材中心力學與失效分析專業委員會”、“材料試驗和檢測機構資質認定中心”、“檢測及焊接人員資格認證管理中心”等專業機構隸屬于621所，在中國航空發動機集團公司成立以后，航空工業內部已沒有這一專業委員會或資質認證中心，未來強度所承擔集團公司這一內部專業職能并以此申報技改項目存在一定的可能性。

（2）傳統復合材料：隨著國外復合材料技術成熟度的不斷提高，復合材料在飛機結構的應用部位已經從次承力結構應用到主承力結構。以民機B787和A350為例，復合材料用量分別達到50%和52%，而同期研制的C919復合材料用量只占機體結構的12%，可以想象國內復合材料技術在面臨挑戰的同時擁有著巨大的發展空間和商機。與此同時，復合材料憑借其優異的材料特性在航天、航海、交通、石油、體育等多個領域也得到了廣泛應用。航空工業作為整個復合材料技術的領先者和推動者，強度所完全具備為其他行業產品提供復合材料結構設計、分析和驗證服務的資格和能力;在復合材料應用范圍逐漸擴大的同時國家已經意識到標準體系建設的重要性，在試驗標準研究方面持續加大了投入力度。隨著碳纖維從T300發展到T800、T1000;樹脂從環氧類低溫固化向雙馬類和350℃聚酰亞胺高溫固化發展;生產工藝不斷推陳出新，從熱壓罐模壓成形工藝發展到纏繞成形、拉擠成形、三維編織成形等多種工藝。現有試驗方法已不足以科學的表征這些新材料的力學性能，結構設計存在很大隱患。國內大部分試驗標準多年未進行更新，研究機構也沒有對這些標準進行有針對性的系統研究，型號或產品在研制過程中迫切需要與之相適用的試驗標準。

（3）超高溫復合材料：近年來國家逐漸將目光轉移到發動機和尖端武器系統的研發，材料和工藝往往成為技術發展的制約。先進航空發動機和現代高超音速飛行器的研制大量采用C/C、陶瓷基和金屬基等新材料來提高使用溫度（超過1200℃）。對于這些新材料力學性能數據，也無法借鑒國外的先進技術和經驗，急需建立一套成熟的、可供工程應用的復合材料高溫力學性能表征及測試技術體系。

（4）新材料：在聚合物基復合材料蓬勃發展的同時，很多新興材料正在孕育。有用于機體熱防護系統和發動機熱端部件的梯度功能材料;有用于大型整體化復雜結構的增材制造材料;有具備自診斷、自修復和自適應能力或埋入傳感器和驅動元件以改變機翼異型的智能材料;有集吸波和承載于一體的結構性吸波材料等。以上部分新材料的發展遠遠還未達到可工程應用的階段。因此，作為材料力學性能研究機構可以開展大量前期技術攻關以適應新材料的發展，如建立合理可行的測試方法和表征體系等。

3 總體思路及框架

材料力學性能測試與表征技術專業的發展思路必須與強度所“十三五”發展規劃保持高度一致，全面落實強度所“大強度、新強度、數字強度”的發展思路。

堅持航空為本，成為世界一流的航空材料力學性能評定與測試中心，建設一流的國家級航空重點實驗室和省部級重點實驗室，取得一系列國際級、國家級、省部級檢測機構的資質認證;孵化出一流的技術，培養出一流的專家;緊抓型號任務的同時大力開展材料力學性能研究，開展航空材料從細觀到宏觀的力學行為研究、失效機理研究等基礎理論的研究工作;開展材料失效判據和分析方法的研究;開展從所標、航標到國標的試驗標準研究和制定，建立每類航空材料表征體系，研制數據庫和材料力學性能統計和分析軟件等工具;成為試驗標準制定、材料力學性能鑒定和數據發布的權威單位，完成國家賦予強度所的四大使命。

4 技術發展思路

航空材料力學性能評定與測試中心重點開展材料力學性能測試技術、材料力學性能表征技術和材料失效分析技術的研究，形成一批核心能力和規模能力。

（1）采用設備自動化、流程信息化等手段全面升級復合材料力學性能測試水平，將專業一般能力提升為規模能力，并取得一些列不同級別、不同行業檢測機構的資質認證。

（2）加大對傳統復合材料、超高溫復合材料和新材料失效判據、失效分析技術和虛擬試驗技術等基礎理論和分析手段的研究力度，實驗室成為試驗標準制定、材料力學性能評定和數據發布的權威單位，成為航空材料檢測機構資質認定和培訓中心，形成專業核心能力。

（3）借鑒聚合物基復合材料表征體系建立的經驗，突

破高溫復合材料力學性能測試技術，建立高溫復合材料表征體系，再次占據行業制高點，形成材料專業的又一核心能力。

4.1 材料力學性能測試技術

提升傳統專業聚合物基復合材料力學性能測試技術的規模化能力，突破C/C和C/SiC高溫復合材料力學性能測試核心技術，拓展金屬和其他新材料的測試能力。

（1）聚合物基復合材料力學性能測試技術：依托現有技術能力，利用自動化、信息等手段，進一步提升試驗質量和效率。利用信息化手段實現試驗流程優化和軟件化：全面梳理試驗的流程，明確不同崗位人員的職責和分工，明確試驗安裝和操作過程的每個技術細節，自動生成質量記錄、試驗數據、質量控制，不斷提高試驗的質量和效率，提高顧客滿意度;隨著全自動試驗技術的成熟，采購全自動試驗機，解放生產力的同時提高試驗質量。

（2）高溫復合材料力學性能測試技術：目前已具備1000℃金屬小樣的測試能力;掌握10余項陶瓷復合材料測試標準，研制出室溫試驗夾具，并獲得滿意的試驗結果。依托863和雙三等項目，開展前期技術攻關，形成1000℃～1800℃陶瓷基復合材料的測試能力。

（3）實驗室資質認證：取得CNAS能力驗證提供者和Nadcap認證，相繼通過市級、省級、行業和國家級實驗室認證。

4.2 材料力學性能表征技術

對材料力學性能的有效表征是整個型號研制的重要組成部分，是積木式驗證方法的基礎，其特點是，試驗的數量大、種類多，并基于統計分析用合理的試驗矩陣、標準的試驗方法來表征材料的基本性能，為材料研發和設計輸入提供關鍵數據和參數。核心內容是試驗矩陣的建立、試驗方法的標準化以及許用值的確定，從數據的應用主要分5類，分別是材料篩選、材料取證、材料驗收、材料等同性和結構驗證。

（1）材料力學性能試驗標準的研究與制訂：目前國標、航標、國軍標的制定工作主要由國標委各專業委員會（北玻院）和中航301所等單位來組織完成。本專業多年累計完成GB、GJB、HB、AVIC等標準的修制定30多項，在試驗標準的研究和修制定方面累積了大量的經驗。力爭從多個渠道來申報試驗標準，以及確定行業地位，在跟蹤和收集國外先進的力學性能試驗標準、各公司的材料標準和材料規范的同時，與國標委、科工局、301所等標準計劃發布單位保持密切聯系，制訂詳細的標準制修訂和申報計劃，同時開展試驗方法的研究工作。在高溫復合材料力學性能測試方面，積累大量工程經驗后要搶先申報國家標準，未能形成國家標準的試驗方法可先從所級層面或集團層面申報。

（2）數據庫的完善和維護：對多年試驗數據進行收集和整理，通過系統分析和全面的總結形成有價值的數據分析報告;進一步完善和補充現有數據庫的統計分析方法，為實驗室成為權威的數據發布單位做儲備。

（3）C/C和陶瓷復合材料力學性能表征體系研究：材料高溫力學性能表征技術是以統計方法為基礎，為耐高溫結構的選材、材料規范建立、材料的鑒定和驗收、材料許用值的確定等提供科學、嚴謹的確定原則、試驗標準及試驗矩陣，用盡可能少的試驗為結構設計、分析和強度校核提供關鍵的力學性能參數。可借鑒樹脂基復合材料的表征技術，并結合實際的工程應用需求，建立C/C和陶瓷基復合材料的表征體系。

4.3 材料失效分析技術

材料失效機理及失效準則研究是充分了解材料特征的關鍵和結構強度分析的根本，能夠為試驗標準的研究和制定提供有力的理論依據。材料失效機理研究應首先從損傷模式開始。損傷模式的研究應主要集中在拉伸、壓縮、剪切等載荷下的破壞形式，對破壞后的斷口進行分析，分析方法有目視檢查、光學顯微鏡、掃描電鏡、透視電鏡等;再根據失效模式進一步研究材料的失效準則，并開展材料本構關系、數值模擬、工程算法、虛擬試驗方面的研究。

（1）斷口分析：目視檢查、光學顯微鏡、掃描電鏡、透視電鏡等。

（2）材料本構關系與失效機理研究：開展聚合物復合材料、C/C和陶瓷基復合材料的機理性研究，研究材料本構方程及失效準則。

（3）多尺寸強度分析技術和工程分析軟件的開發：復

合材料力學性能受缺陷、缺口以及濕熱環境等的影響很大，考慮損傷容限的要求，結合積累的大量試驗數據和失效判據的研究，開展多尺度強度分析技術研究，形成工程算法的同時，開發一系列的工程分析軟件。

（4）虛擬試驗技術：在研究材料本構方程、失效準則和工程算法的基礎上開展虛擬試驗技術研究，通過此項研究成果進一步推動試驗方法的改進，并指導整個過程。

5 體制和機制創新

材料力學性能測試與表征技術專業是受市場沖擊最大的強度專業之一，需要體制和機制創新。

5.1 實驗室發展模式

受地域限制，由于測試任務的急迫性很多廠所大量出廠檢驗任務委托給技術力量并不雄厚的高校或公司，無形中失去一定數量的任務和客戶資源。實驗室建設和發展可以考慮接近、靠前服務。

（1）區域實驗室建設：區域實驗室的建設先以某一特定客戶為服務對象和運營基礎，實驗室穩定后逐漸向整個區域輻射。優點是投入少、回報快，大大降低運營成本和風險。

（2）材料國家工程實驗室或工程技術研究中心的建設，與航空材料研發單位抱團發展，共同申報國家級工程實驗室或工程技術中心。

5.2 改進管理模式

（1）全面推行績效考核制度：進一步細化了考核方法，強化績效考核的同時，實行按勞分配制度。通過績考使員工的個人工作表現同所里戰略目標緊密結合，員工的工作能力進行客觀評價，為調整工資、崗位、培訓和發展等提供依據，采用工時制對工作量實行量化考核，目前通過績效考核實現：干多干少不一樣，干好干壞不一樣，充分調動員工的積極性。落實所戰略和企業文化的關鍵是建立合理的績效考核制度，把員工的激勵和價值創造行為緊密聯系起來。

（2）建立、健全各項規章制度，做到任何事情有章可循，有章必依，違章必究。制度是絕情的，管理是無情的，執行是合理的。管理者必須要借助制度的有效性和策略性來引導部門發展，而對于執行者，則要依據單位制定的各項方法、流程并以不打折扣的執行力和協作精神努力實現單位的良好運轉。管理的根本是制度和流程，要靠制度而不是靠人，再好的制度沒有執行力等于零。

5.3 客戶關系管理

在現今社會，過硬的技術能力是獲得任務的前提，但服務質量的高低直接決定了你的價值和未來的空間，二者相輔相成不可厚此薄彼。麻雀雖小五臟俱全，實驗室也需要專業的市場隊伍和激勵機制。

（1）與科室不同，我們的客戶除了航空工業的兄弟單位和中國商飛外，與航天、高鐵、民營企業等其他單位也有業務來往。

（2）技術能力是取得合作伙伴信任的敲門磚，但顧客至上的服務意識是長遠合作的基本保障，為了提高服務質量，加強與客戶溝通和走訪，暴露自身的不足并加以改進，滿足客戶需求。

（3）通過對合作單位立項的早期介入，為其提供技術服務，最終爭取項目研究合作伙伴，相互支持，共同發展。

參考文獻：

[1]孫俠生.飛機結構強度新技術[M].北京：航空工業出版社，2017.

[2]強寶平.飛機結構強度地面試驗[M].北京：航空工業出版社，2014.