国有企业材料力学性能测试与表征技术专业发展思路

朱亚辉 杨胜春 周建锋 熊华锋 刘曼妮

摘  要：材料的发展一直都是推动新工业革命的直接动力，耐高温先进轻质材料和智能材料等新材料、新工艺的研发将彻底带来航空工业的技术变革。材料力学性能测试与表征技术专业的发展在测试技术方面要逐步实现自动化、智能化;在管理方面实现流程的信息化;服务的区域从国内扩展至全球;服务的领域要立足航空，向航天、兵器、交通等全工业体系延伸;服务的内容要涉及到飞行器设计、制造、验证和交付的每个环节;在研究对象方面重点关注先进复合材料、超高温复合材料、先进轻质结构材料和智能材料。专业发展思路将主要从技术和体制/机制创新两方面进行阐述。

关键词：材料力学试验;专业发展现状;体制和机制创新

中图分类号：O341         文献标志码：A         文章编号：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

中國飞机强度研究所（以下简称强度所）作为航空工业的科研院所，专业的发展务必要围绕整个航空工业来开展，航空武器装备的发展是我们立所之本强所之基，更是我们存在的目的和意义;其次体制/机制的创新是企业能否高速发展的根，专业的发展离不开企业架构的优化和制度的变革。材料的发展一直都是推动新工业革命的直接动力，我们有理由相信耐高温先进轻质材料和智能材料等新材料、新工艺的研发将彻底带来航空工业的技术变革。

材料力学性能测试与表征技术专业的发展在测试技术方面要逐步实现自动化、智能化;在管理方面实现流程的信息化;服务的区域从国内扩展至全球;服务的领域要立足航空，向航天、兵器、交通等全工业体系延伸;服务的内容要涉及到飞行器设计、制造、验证和交付的每个环节;在研究对象方面重点关注先进复合材料、超高温复合材料、先进轻质结构材料和智能材料。专业发展思路将主要从技术和体制/机制创新两方面进行阐述。

2 专业发展现状及分析

2.1 优势

（1）品牌优势：中国飞机强度研究所是致力于飞机结构强度研究的国家队，已在业内获广泛认可，知名度高，专业平台高、起点高;实验室通过CNAS认证，与国内同类实验室相比覆盖的复合材料测试标准种类最多测试能力最强。

（2）团队优势：实验室拥有权威的技术专家和顶尖的测试团队。学术带头人具有20多年从事复合材料及结构强度分析和力学性能试验研究的经历，现任国家标准化管理委员会、中国复合材料学会理事航空工业“航材中心力学与失效分析专业委员会”等多个权威机构委员，在整个复合材料行业有一定影响力;技术人员相对其他科研院所更加稳定，多年来积累了丰富的工程经验，能够凭借其在飞机结构强度方面的知识储备，在测试过程中从结构强度设计和材料研发等多个角度为客户提供专业的试验方案、试验顶层规划和技术咨询，这是其他实验室所不具备的核心能力。实验室也是独立于材料供应商和应用部门的第三方检测机构，能够保证测试的公平性和公正性。

（3）技术优势：本专业从2000年开始进行了聚合物基复合材料力学性能表征技术研究，国内首次建立了系统完整的表征体系，研制了配套的试验设备、夹具，取得了大量的研究成果。经过多年的积累已经完成从标准参与编制单位向标准编修订单位的身份转变，累计完成GB、GJB、HB、AVIC等标准的修制定30多项，“十三五”计划申报修制订30项。技术成果已经在国内几乎所有军民机型号中得到了应用，特别是覆盖了所有民机适航型号，测试能力获得了两大审定中心和多家适航局的认可，是国内目前唯一系纨掌握复合材料适航测试要求和通过适航审定项目最多、类别最多的单位。实验室经过十几年的发展，在国内同行业中处于领先地位。

（4）较好的客户关系：与航空工业主机院所、制造厂以及中国商飞、航天院所等已建立了良好的合作关系。

2.2 不足

（1）一般能力：强度所是国内首个建立聚合物基复合材料力学性能表征体系的科研机构，在将复合材料力学性能表征技术及重要性推向全国的同时，也向外部输出了核心的测试技术。随着各科研院所技术能力的不断提升，实验室复合材料表征技术核心能力已逐渐退化到一般能力。

（2）市场单一：科研任务以复合材料力学性能试验为主，占全年产值95%，几乎没有金属材料和非金属材料等新材料的测试任务;客户群单一，试验任务主要集中在航空行业，航空工业单位和中国商飞的业务量占到了全年产值的90%以上，产值和规模直接受型号研制和发展的制约。

（3）专业面较窄：近年来虽然军民机型号及新材料研制项目持续增多，但由于外部的激烈竞争和谈判中比价环节的产生，导致试验的利润空间被再压缩。为了确保年度产值的完成，很多合同往往只有几年前的二分之一甚至三分之一。试驗任务已呈现出进度紧、难度大的态势，试验压力的增大导致技术人员每天忙于开展测试任务，对试验数据的分析、总结提炼较少，在预研方面投入的时间和精力就更少，对专业研究的深度和广度远远不够。

（4）行业竞争日趋激烈：由于技术门槛低，高校、私营企业通过大批量采购进口试验机，在软、硬件方面已具备了出色的试验能力，通过“价格战”和“服务战”对任务承揽形成了巨大的威胁。与同行业相比强度所合同报价高，没有价格优势;国有企业员工缺乏危机感、工作压力小，对客户响应慢，管理成本居高不下，普遍存在服务意识和服务质量较差的问题。委托方往往因为价格和项目关注度不高等因素，将项目委托给高校或其他科研院所。

2.3 机遇

（1）航材中心力学与失效分析专业委员会：航空工业唯一的“航材中心力学与失效分析专业委员会”、“材料试验和检测机构资质认定中心”、“检测及焊接人员资格认证管理中心”等专业机构隶属于621所，在中国航空发动机集团公司成立以后，航空工业内部已没有这一专业委员会或资质认证中心，未来强度所承担集团公司这一内部专业职能并以此申报技改项目存在一定的可能性。

（2）传统复合材料：随着国外复合材料技术成熟度的不断提高，复合材料在飞机结构的应用部位已经从次承力结构应用到主承力结构。以民机B787和A350为例，复合材料用量分别达到50%和52%，而同期研制的C919复合材料用量只占机体结构的12%，可以想象国内复合材料技术在面临挑战的同时拥有着巨大的发展空间和商机。与此同时，复合材料凭借其优异的材料特性在航天、航海、交通、石油、体育等多个领域也得到了广泛应用。航空工业作为整个复合材料技术的领先者和推动者，强度所完全具备为其他行业产品提供复合材料结构设计、分析和验证服务的资格和能力;在复合材料应用范围逐渐扩大的同时国家已经意识到标准体系建设的重要性，在试验标准研究方面持续加大了投入力度。随着碳纤维从T300发展到T800、T1000;树脂从环氧类低温固化向双马类和350℃聚酰亚胺高温固化发展;生产工艺不断推陈出新，从热压罐模压成形工艺发展到缠绕成形、拉挤成形、三维编织成形等多种工艺。现有试验方法已不足以科学的表征这些新材料的力学性能，结构设计存在很大隐患。国内大部分试验标准多年未进行更新，研究机构也没有对这些标准进行有针对性的系统研究，型号或产品在研制过程中迫切需要与之相适用的试验标准。

（3）超高温复合材料：近年来国家逐渐将目光转移到发动机和尖端武器系统的研发，材料和工艺往往成为技术发展的制约。先进航空发动机和现代高超音速飞行器的研制大量采用C/C、陶瓷基和金属基等新材料来提高使用温度（超过1200℃）。对于这些新材料力学性能数据，也无法借鉴国外的先进技术和经验，急需建立一套成熟的、可供工程应用的复合材料高温力学性能表征及测试技术体系。

（4）新材料：在聚合物基复合材料蓬勃发展的同时，很多新兴材料正在孕育。有用于机体热防护系统和发动机热端部件的梯度功能材料;有用于大型整体化复杂结构的增材制造材料;有具备自诊断、自修复和自适应能力或埋入传感器和驱动元件以改变机翼异型的智能材料;有集吸波和承载于一体的结构性吸波材料等。以上部分新材料的发展远远还未达到可工程应用的阶段。因此，作为材料力学性能研究机构可以开展大量前期技术攻关以适应新材料的发展，如建立合理可行的测试方法和表征体系等。

3 总体思路及框架

材料力学性能测试与表征技术专业的发展思路必须与强度所“十三五”发展规划保持高度一致，全面落实强度所“大强度、新强度、数字强度”的发展思路。

坚持航空为本，成为世界一流的航空材料力学性能评定与测试中心，建设一流的国家级航空重点实验室和省部级重点实验室，取得一系列国际级、国家级、省部级检测机构的资质认证;孵化出一流的技术，培养出一流的专家;紧抓型号任务的同时大力开展材料力学性能研究，开展航空材料从细观到宏观的力学行为研究、失效机理研究等基础理论的研究工作;开展材料失效判据和分析方法的研究;开展从所标、航标到国标的试验标准研究和制定，建立每类航空材料表征体系，研制数据库和材料力学性能统计和分析软件等工具;成为试验标准制定、材料力学性能鉴定和数据发布的权威单位，完成国家赋予强度所的四大使命。

4 技术发展思路

航空材料力学性能评定与测试中心重点开展材料力学性能测试技术、材料力学性能表征技术和材料失效分析技术的研究，形成一批核心能力和规模能力。

（1）采用设备自动化、流程信息化等手段全面升级复合材料力学性能测试水平，将专业一般能力提升为规模能力，并取得一些列不同级别、不同行业检测机构的资质认证。

（2）加大对传统复合材料、超高温复合材料和新材料失效判据、失效分析技术和虚拟试验技术等基础理论和分析手段的研究力度，实验室成为试验标准制定、材料力学性能评定和数据发布的权威单位，成为航空材料检测机构资质认定和培训中心，形成专业核心能力。

（3）借鉴聚合物基复合材料表征体系建立的经验，突

破高温复合材料力学性能测试技术，建立高温复合材料表征体系，再次占据行业制高点，形成材料专业的又一核心能力。

4.1 材料力学性能测试技术

提升传统专业聚合物基复合材料力学性能测试技术的规模化能力，突破C/C和C/SiC高温复合材料力学性能测试核心技术，拓展金属和其他新材料的测试能力。

（1）聚合物基复合材料力学性能测试技术：依托现有技术能力，利用自动化、信息等手段，进一步提升试验质量和效率。利用信息化手段实现试验流程优化和软件化：全面梳理试验的流程，明确不同岗位人员的职责和分工，明确试验安装和操作过程的每个技术细节，自动生成质量记录、试验数据、质量控制，不断提高试验的质量和效率，提高顾客满意度;随着全自动试验技术的成熟，采购全自动试验机，解放生产力的同时提高试验质量。

（2）高温复合材料力学性能测试技术：目前已具备1000℃金属小样的测试能力;掌握10余项陶瓷复合材料测试标准，研制出室温试验夹具，并获得满意的试验结果。依托863和双三等项目，开展前期技术攻关，形成1000℃～1800℃陶瓷基复合材料的测试能力。

（3）实验室资质认证：取得CNAS能力验证提供者和Nadcap认证，相继通过市级、省级、行业和国家级实验室认证。

4.2 材料力学性能表征技术

对材料力学性能的有效表征是整个型号研制的重要组成部分，是积木式验证方法的基础，其特点是，试验的数量大、种类多，并基于统计分析用合理的试验矩阵、标准的试验方法来表征材料的基本性能，为材料研发和设计输入提供关键数据和参数。核心内容是试验矩阵的建立、试验方法的标准化以及许用值的确定，从数据的应用主要分5类，分别是材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构验证。

（1）材料力学性能试验标准的研究与制订：目前国标、航标、国军标的制定工作主要由国标委各专业委员会（北玻院）和中航301所等单位来组织完成。本专业多年累计完成GB、GJB、HB、AVIC等标准的修制定30多项，在试验标准的研究和修制定方面累积了大量的经验。力争从多个渠道来申报试验标准，以及确定行业地位，在跟踪和收集国外先进的力学性能试验标准、各公司的材料标准和材料规范的同时，与国标委、科工局、301所等标准计划发布单位保持密切联系，制订详细的标准制修订和申报计划，同时开展试验方法的研究工作。在高温复合材料力学性能测试方面，积累大量工程经验后要抢先申报国家标准，未能形成国家标准的试验方法可先从所级层面或集团层面申报。

（2）数据库的完善和维护：对多年试验数据进行收集和整理，通过系统分析和全面的总结形成有价值的数据分析报告;进一步完善和补充现有数据库的统计分析方法，为实验室成为权威的数据发布单位做储备。

（3）C/C和陶瓷复合材料力学性能表征体系研究：材料高温力学性能表征技術是以统计方法为基础，为耐高温结构的选材、材料规范建立、材料的鉴定和验收、材料许用值的确定等提供科学、严谨的确定原则、试验标准及试验矩阵，用尽可能少的试验为结构设计、分析和强度校核提供关键的力学性能参数。可借鉴树脂基复合材料的表征技术，并结合实际的工程应用需求，建立C/C和陶瓷基复合材料的表征体系。

4.3 材料失效分析技术

材料失效机理及失效准则研究是充分了解材料特征的关键和结构强度分析的根本，能够为试验标准的研究和制定提供有力的理论依据。材料失效机理研究应首先从损伤模式开始。损伤模式的研究应主要集中在拉伸、压缩、剪切等载荷下的破坏形式，对破坏后的断口进行分析，分析方法有目视检查、光学显微镜、扫描电镜、透视电镜等;再根据失效模式进一步研究材料的失效准则，并开展材料本构关系、数值模拟、工程算法、虚拟试验方面的研究。

（1）断口分析：目视检查、光学显微镜、扫描电镜、透视电镜等。

（2）材料本构关系与失效机理研究：开展聚合物复合材料、C/C和陶瓷基复合材料的机理性研究，研究材料本构方程及失效准则。

（3）多尺寸强度分析技术和工程分析软件的开发：复

合材料力学性能受缺陷、缺口以及湿热环境等的影响很大，考虑损伤容限的要求，结合积累的大量试验数据和失效判据的研究，开展多尺度强度分析技术研究，形成工程算法的同时，开发一系列的工程分析软件。

（4）虚拟试验技术：在研究材料本构方程、失效准则和工程算法的基础上开展虚拟试验技术研究，通过此项研究成果进一步推动试验方法的改进，并指导整个过程。

5 体制和机制创新

材料力学性能测试与表征技术专业是受市场冲击最大的强度专业之一，需要体制和机制创新。

5.1 实验室发展模式

受地域限制，由于测试任务的急迫性很多厂所大量出厂检验任务委托给技术力量并不雄厚的高校或公司，无形中失去一定数量的任务和客户资源。实验室建设和发展可以考虑接近、靠前服务。

（1）区域实验室建设：区域实验室的建设先以某一特定客户为服务对象和运营基础，实验室稳定后逐渐向整个区域辐射。优点是投入少、回报快，大大降低运营成本和风险。

（2）材料国家工程实验室或工程技术研究中心的建设，与航空材料研发单位抱团发展，共同申报国家级工程实验室或工程技术中心。

5.2 改进管理模式

（1）全面推行绩效考核制度：进一步细化了考核方法，强化绩效考核的同时，实行按劳分配制度。通过绩考使员工的个人工作表现同所里战略目标紧密结合，员工的工作能力进行客观评价，为调整工资、岗位、培训和发展等提供依据，采用工时制对工作量实行量化考核，目前通过绩效考核实现：干多干少不一样，干好干坏不一样，充分调动员工的积极性。落实所战略和企业文化的关键是建立合理的绩效考核制度，把员工的激励和价值创造行为紧密联系起来。

（2）建立、健全各项规章制度，做到任何事情有章可循，有章必依，违章必究。制度是绝情的，管理是无情的，执行是合理的。管理者必须要借助制度的有效性和策略性来引导部门发展，而对于执行者，则要依据单位制定的各项方法、流程并以不打折扣的执行力和协作精神努力实现单位的良好运转。管理的根本是制度和流程，要靠制度而不是靠人，再好的制度没有执行力等于零。

5.3 客户关系管理

在现今社会，过硬的技术能力是获得任务的前提，但服务质量的高低直接决定了你的价值和未来的空间，二者相辅相成不可厚此薄彼。麻雀虽小五脏俱全，实验室也需要专业的市场队伍和激励机制。

（1）与科室不同，我们的客户除了航空工业的兄弟单位和中国商飞外，与航天、高铁、民营企业等其他单位也有业务来往。

（2）技术能力是取得合作伙伴信任的敲门砖，但顾客至上的服务意识是长远合作的基本保障，为了提高服务质量，加强与客户沟通和走访，暴露自身的不足并加以改进，满足客户需求。

（3）通过对合作单位立项的早期介入，为其提供技术服务，最终争取项目研究合作伙伴，相互支持，共同发展。

参考文献：

[1]孙侠生.飞机结构强度新技术[M].北京：航空工业出版社，2017.

[2]强宝平.飞机结构强度地面试验[M].北京：航空工业出版社，2014.