航空材料要求具有高性能、高可靠性、高技術(shù)成熟度，因此相對于其他工業(yè)領(lǐng)域，航空材料研發(fā)的周期更長。早在1955年，錢學森就指出，飛機材料要能經(jīng)受住長期的服役考驗，發(fā)展航空飛機的困難在材料，而材料問題不是一下子就能解決的，得靠經(jīng)驗積累。自1956年中航工業(yè)北京航空材料研究院（以下簡稱中航工業(yè)航材院）建立以來，我國航空材料的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有，從小到大的發(fā)展過程，取得了許多關(guān)鍵性技術(shù)的突破和大量研究成果，正在不斷創(chuàng)新航空結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機材料等關(guān)鍵材料技術(shù)。

    材料基因組計劃

    2011年，美國提出了 “材料基因組計劃”。該計劃的首要目標是促進材料行業(yè)全體參與者，包括政府部門、工業(yè)部門、專業(yè)社團以及學術(shù)界的大力合作。材料基因組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括計算工具、實驗工具、數(shù)字化數(shù)據(jù)以及協(xié)作網(wǎng)絡(luò)四大部分。正如生物DNA序列數(shù)據(jù)的開放共享加速了人類基因組計劃的進程、促進了生物信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成壯大，材料基因組計劃通過材料數(shù)據(jù)的私密性和公開性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，擴大實驗儀器、模擬計算工具、材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可獲取性，把發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用先進材料的速度提高一倍，從而保持美國的全球競爭力。

    圖 材料基因組計劃的目標

    “基因組”一詞在生物學領(lǐng)域代表了遺傳信息，在材料基因組計劃中，則是指“宏大目標的基本單元”。新材料從原理概念提出到最終投放市場，中間需要經(jīng)歷概念發(fā)展、性能優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計集成、考核驗證、加工制造、服役行為考核等一系列階段。材料基因組計劃的“加速”，是針對所有這些階段的加速。材料基因組計劃對我國航空材料的發(fā)展具有重要的借鑒意義。

    中航工業(yè)航材院材料基因組技術(shù)研究中心

    作為國內(nèi)唯一面向航空，從事航空先進材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、材料研制與應(yīng)用技術(shù)研究、工程化技術(shù)研究、關(guān)鍵件研制交付與小批量生產(chǎn)以及型號應(yīng)用的綜合性科研機構(gòu)和我國國防科技工業(yè)領(lǐng)域高水平材料研究發(fā)展中心，中航工業(yè)航材院已成為國家科技創(chuàng)新體系和國防科技創(chuàng)新體系的重要組成部分。為積極應(yīng)對材料研發(fā)模式面臨的變革、推動信息化和工業(yè)化的深度融合、實現(xiàn)“虛擬技術(shù)助推材料發(fā)展”的戰(zhàn)略愿景，中航工業(yè)航材院于2013年成立了“材料基因組技術(shù)研究中心”。材料基因組技術(shù)研究中心是航空材料科學與工程集成計算專業(yè)的主要依托部門，同時履行中航工業(yè)航空材料數(shù)據(jù)中心的職能，負責全面推動材料基因組技術(shù)在航空材料領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

    圖 材料基因組技術(shù)內(nèi)涵

    從航空材料工業(yè)的角度理解，材料基因組技術(shù)的內(nèi)涵是融合材料科學、固體力學、信息科學、軟件工程、先進實驗方法等學科，采用數(shù)值模擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能技術(shù)揭示材料的工藝過程、微/細觀結(jié)構(gòu)、材料性能、服役行為之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，闡明成分、微結(jié)構(gòu)和工藝對性能的控制機制，引導并支撐實體材料的研發(fā)和應(yīng)用的集成計算工程技術(shù)。材料基因組技術(shù)特點包括多學科系統(tǒng)集成、以實驗支撐計算、材料-工藝-檢測-服役的“全流程覆蓋”等。

    航空工業(yè)材料基因組技術(shù)的工作范圍包括：基于數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括工業(yè)級航空材料數(shù)據(jù)庫設(shè)計、開發(fā)及數(shù)據(jù)庫集成應(yīng)用；基于計算的技術(shù)，包括材料成分設(shè)計、材料工藝仿真模擬、材料虛擬服役性能模擬；基于實驗的技術(shù)，包括極端環(huán)境下的模擬考核實驗、材料成分和工藝的快速篩選實驗等。

    圖 面向材料研制和應(yīng)用的材料基因組技術(shù)

    中航工業(yè)航材院材料基因組技術(shù)研究中心的近期目標是以航材院重點專業(yè)或產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)為典型應(yīng)用，形成虛擬技術(shù)支撐實體材料研究、開發(fā)和驗證的技術(shù)途徑，取得提高質(zhì)量、縮短周期、降低成本的實際成果和示范效應(yīng)，中長期目標是使材料基因組技術(shù)在新材料研發(fā)中發(fā)揮重要作用，材料成分設(shè)計及工藝模擬融入到產(chǎn)品設(shè)計中，使虛擬技術(shù)成為航空材料產(chǎn)品流程鏈上的重要一環(huán)，從而提升航空材料產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)字化技術(shù)水平，推進新材料新工藝的應(yīng)用，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量；建立材料數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用平臺，材料數(shù)據(jù)管理直通性能檢測試驗室，滿足“高通量”材料檢測數(shù)據(jù)自動采集、存儲、處理、審核和發(fā)布等管理需求，具備面向行業(yè)提供材料信息服務(wù)能力，形成我國國防級結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)中心和管理平臺。

    對材料基因組技術(shù)的需求和盼望

    目前中國航空材料研制的主要途徑為大規(guī)模的工藝、性能實驗。通過材料基因組技術(shù)，可以在材料研發(fā)的初期實驗、產(chǎn)品方法、服役行為進行數(shù)字化仿真模擬，為實驗提供指導，減少實驗量，加快產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用的周期。目前由于大量的數(shù)值仿真模擬方面的工作中仿真模型所需的參數(shù)不完備，或僅僅關(guān)注材料研發(fā)的某一中間環(huán)節(jié)，模擬結(jié)果缺乏必要的實驗驗證，計算工作對實際材料研發(fā)和應(yīng)用的支撐和指導作用有限。實際工程涉及的材料和工藝繁雜，只有通過計算模擬技術(shù)和數(shù)據(jù)庫/專家系統(tǒng)的集成應(yīng)用，才能真正做到“虛擬設(shè)計、虛擬制造，虛擬樣機”，從而大力推動航空材料工業(yè)的發(fā)展。

    為使科學研究的成果最終轉(zhuǎn)化為工業(yè)部門的能力，發(fā)展材料基因組技術(shù)需要強調(diào)需求引導、學科支撐、產(chǎn)學研的協(xié)同合作。新材料的研發(fā)應(yīng)用，涉及成分設(shè)計、工藝優(yōu)化、服役性能考核等多個環(huán)節(jié)。通過材料基因組技術(shù)“設(shè)計”出某種新材料，只是整個研發(fā)應(yīng)用周期中的第一步，要真正應(yīng)用于型號，還需要進行大量的工作。下面著重分析航空工業(yè)對材料基因組技術(shù)的需求和盼望。

    圖  材料基因組技術(shù)所涉及的學科領(lǐng)域

    新材料成分設(shè)計方面：為了保證我國在航空材料研發(fā)方面的持續(xù)競爭力，滿足未來航空工業(yè)對新材料的重大需求，需要采用材料基因組技術(shù)設(shè)計新的材料。高溫合金、高性能鋼、鋁合金、鈦合金的新型成分計算涉及第一原理計算、Calphad相圖計算、相場分析等多尺度計算，需要對各種可能組分進行計算篩選，必然帶來高通量、高并發(fā)、長時間的大規(guī)模計算的需求。

    工藝優(yōu)化方面：目前鑄造、焊接、鍛壓等大型制件和復雜制件的“變形-殘余應(yīng)力-缺陷”的控制水平需要進一步提高。現(xiàn)階段由于缺乏相關(guān)國產(chǎn)材料數(shù)據(jù)、模型及其參數(shù)測定方法和設(shè)備，未建立模擬驗證手段，因而建模仿真的可靠性不足。現(xiàn)有能力不能滿足對航空關(guān)鍵材料的納觀、微觀、細觀和宏觀特性進行多尺度建模和仿真，對不同工藝過程進行多學科仿真與優(yōu)化，對不同檢測試驗進行多場耦合分析和性能模擬的需求；現(xiàn)有軟件尚未集成，只能應(yīng)用于材料工藝流程局部，未打通工藝過程數(shù)據(jù)鏈。因此，針對工藝仿真需求量大、任務(wù)急迫的特點，亟需建設(shè)高通量物性測試系統(tǒng)、高并行計算能力的硬件系統(tǒng)和工藝仿真軟件系統(tǒng)，提高重要材料制件的工藝控制水平。

    服役性能方面：航空材料制件的服役環(huán)境包括高溫、高應(yīng)變率沖擊、高載荷等極端工況，實驗周期長、費用高；制件在服役過程中存在缺陷的萌生、發(fā)展、裂紋擴展、失效等一系列損傷演化過程。在材料設(shè)計、制造階段對服役行為進行研究，利用集成計算技術(shù)對含缺陷制件進行完整性分析，提出檢測和修理的判定標準，可以降低實驗成本、提高飛行的安全性。

    材料數(shù)據(jù)庫方面：材料數(shù)據(jù)庫設(shè)計、開發(fā)與集成應(yīng)用是材料基因組技術(shù)的重要組成部分。材料研發(fā)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)和服役數(shù)據(jù)的整理和集成應(yīng)用有助于將歷史上積累的隱形經(jīng)驗顯性化、有助于使服役數(shù)據(jù)反饋到新材料研制階段形成閉環(huán)，從而加快材料研發(fā)流程。建立全流程覆蓋的工業(yè)級的航空材料數(shù)據(jù)共享平臺，在互利互惠的基礎(chǔ)上實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的分級分類共享，促進航空材料工業(yè)的發(fā)展。

    協(xié)同創(chuàng)新 推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級

    十八屆三中全會提出，要建立產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新機制，強化企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新中的主體地位，發(fā)揮大型企業(yè)創(chuàng)新骨干作用，建設(shè)國家創(chuàng)新體系。材料基因組技術(shù)對材料研發(fā)應(yīng)用的“全流程覆蓋”，并不意味著所有的工作都由同一個部門或單位完成。通過材料基因組計劃，產(chǎn)業(yè)部門可以和從事基礎(chǔ)研究的院校或科研單位合作，有所分工、有所側(cè)重、協(xié)同創(chuàng)新，從而獲得技術(shù)創(chuàng)新所需要的持續(xù)的學科支持。中航工業(yè)航材院將以開放創(chuàng)新的態(tài)度，與院校和科研機構(gòu)合作開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究、與工業(yè)研究院所和企業(yè)合作開展應(yīng)用和工程化研究、與企業(yè)開展聯(lián)合開發(fā)合作或轉(zhuǎn)讓技術(shù)，提高我國國防工業(yè)的材料研發(fā)應(yīng)用水平，推動制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

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責任編輯：王元

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