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[中国梦实践者]贾振元碳纤维复合材料研究团队:用匠心雕琢“中国制造”

字号: 2018-01-23 13:39 来源:中国经济网-经济日报

  经济日报原标题:碳纤维复合材料基础理论和加工技术不断取得突破 匠心独运 雕琢“中国制造”

  贾振元(右二)和团队在实验室工作。 (资料图片)

  大连理工大学有这样一支科研团队,他们在碳纤维增强树脂基复合材料加工领域坚持自主创新,走出了一条产学研合作的新路。1月8日,这支以大连理工大学教授贾振元为首的科研团队凭借“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”项目摘取2017年度国家技术发明奖一等奖。

  直面难题

  传统加工方式严重制约了碳纤维复合材料的推广应用。为此,贾振元团队研究多学科交叉融合,开辟了适应碳纤维复合材料加工的新理论体系

  民航客机结构重量每降低1%,其油耗可减少3%至4%;高铁每减重1%,其能耗可减少6%至7%……

  对于“一克重就是一克金”的高端装备领域来说,不管是天上飞的,还是地上跑的,只有减轻重量,才能提高结构效率、提升装备性能。

  为此,一场由“减重”而引发的先进材料之争早已蔓延全球。“碳纤维复合材料作为高端装备领域减重增效的优选材料,其用量越多,表明装备性能越先进。”贾振元说。

  然而,工艺技术的滞后难以支撑材料的创新运用,这让碳纤维复合材料一经亮相就遇上了不小的难题。贾振元告诉经济日报记者,传统加工只能采取手工方式,低质低效,加工构件极易出现毛刺、撕裂和分层等损伤,并且加工损伤是随机的、不可控的,达不到碳纤维复合材料构件的高性能要求,严重制约了材料的推广应用。

  “从2005年到2009年,我们虽然也曾较好地解决了若干航空航天企业复合材料构件加工中遇到的难题,但是加工质量提升到一定程度就受限,原因在于工程中沿用的是传统金属等均质材料切削理论,但碳纤维复合材料的特性和结构与之完全不同,是典型的难加工材料。”团队骨干高航说。

  经过反复研讨,贾振元果断提出:“必须突破传统金属等均质材料切削理论体系的束缚,开辟和建立适应碳纤维复合材料加工的新理论体系、从理论到工程同时解决问题的研究思路。”

  要建立理论体系,必须在前人的基础上有所突破。实践上的难题倒逼贾振元团队在基础理论研究上开疆拓土,重新打造一番新天地。为此,团队加大材料、力学、机械等多学科交叉融合的研究力度,从碳纤维复合材料特性上和材料去除过程中彻底弄清楚加工损伤产生的原因,进而研究低损伤加工的原理和构件高性能的保证方法。

  啃硬骨头,打攻坚战。终于,贾振元团队在一系列关键环节取得了突破,揭示出碳纤维复合材料去除机理和加工损伤的形成机制,提出了针对碳纤维复合材料加工的切削理论,建立了切削力和切削过程动态仿真模型,实现了切削理论的源头创新。

  突破应用

  贾振元团队尝试工艺创新,研发出13台套数控加工工艺装备,填补了国内空白,成为我国航空航天多个重点型号复合材料构件加工的关键装备

  “国外大公司花费大量经费与时间,耗时耗力,最后摸索出的经验是企业的核心机密,不会告诉我们。”贾振元说,“我们要想在短时间内实现从跟跑、并跑到领跑,没有基础研究作支撑,不可能实现”。

  有了扎实的理论创新作后盾,再埋头钻研实践应用,就完全是一番“柳暗花明又一村”的景象。

  贾振元团队提出了微刃力小化抑制损伤原理,在一个个螺旋槽切削刃上开出分屑槽,形成微齿,实现加工过程的“微元去除”;通过巧妙设计工具以及切削运动的配合,发明了“反向剪切原理”,实现了表层纤维有效切断。此外,还研制出9个系列的制孔、铣削等刀具,实现了碳纤维复合材料高质加工,寿命高于进口刀具2倍至7倍,价格仅为1/6至1/4。

  不仅如此,他们大胆尝试工艺创新,发明了在位随行加工方法、低应力柔性工装和随动除尘装置,研发出13台套数控加工工艺装备,填补了国内空白,成为我国航空航天多个重点型号复合材料构件加工的关键装备。

  自2010年起,新研制的技术装备和刀具开始投入应用,使复合材料加工损伤由原来的厘米、毫米量级减至0.1毫米以内,实现了从无法加工或手工加工到低损伤数字化加工的跨越,加工技术跃升至国际领先水平。

  高航告诉经济日报-中国经济网记者,有一次,他带着学生鲍永杰到一家航空企业推广他们的刀具,企业不相信刀具性能,硬是提出“让刀具连续加工100个孔”的考题。师徒俩就在现场拿来复材板,实实在在地钻出100个孔,每个孔都很光滑,最终赢得了企业的信任。

  如今,基础理论和加工技术双向护航,让一把把满载匠心巧思的刀具和系列加工工艺技术与装备书写着“中国制造”的传奇——

  某新型航天装备舱段,某飞行器构件异形深腔,某航空装备机翼结构中的大厚板边缘轮廓及超大孔,某系列直升机旋翼及尾端,大型客机机身筒段复材/铝叠层验证件,高铁复材车身试验件……这些大国重器关键构件的加工难题都被贾振元团队一一攻克,为国家重大装备、重点型号研制、定型及批量生产作出了突出贡献,已成功应用于航天一院、航天三院、中航工业和商飞等企业。

  找准方向

  贾振元团队认为,搞科研要加大原创性基础研究,形成企业需求拉动,搭建起基础研究、应用基础研究、技术开发、产品研制的一条创新链

  “做科研要找对路子。”这是贾振元时常挂在嘴边的一句话:“刻苦的人很多,关键在于找准方向。道走对了,可能事半功倍;道走错了,你费大力气、绕大圈子也不一定成功。”

  “我们的难点在于弄清楚问题是怎么产生的。由于影响碳纤维复合材料加工损伤的因素非常复杂,加工产生损伤的形式多种多样,整个研究过程都充满挑战。”团队成员王福吉说,“无论是创建理论研究模型还是发明新工具、设计新工艺,都要经过成百上千次实验”。

  此项技术发明从理论到实践,在研究方式与研究方法上获得了多个“首次”,持续创新贯穿于贾振元团队每位成员的研究过程。

  “贾老师桌上总是放着各种关于复合材料的书,只要一有时间,他就会找相关研究生和教师一起探讨项目技术方案和存在的问题。”王福吉回忆道。

  身兼大连理工大学副校长一职的贾振元不忘初心,坚守在科研一线。但也只有他自己知道这其中的责任和压力有多大,“我甚至连吃饭时、睡觉前都在琢磨课题的研究”。

  凝聚众力突破国家重大需求难题,这是贾振元团队一贯秉承的科研态度。贾振元告诉记者:“搞科研一定要服务国家重大需求。”这种意识来自他30多年坚持深入企业、服务生产一线的深切感悟,“我们工科教师如果单纯从学校角度搞研发,没有企业应用拉动,研究成果就很难‘落地’,可能撂荒在实验室里,没有形成生产力”。

  与企业合作,选择研究目标很重要。“搞科研要加大原创性基础研究,去解决企业、行业‘卡脖子’的问题,形成企业需求拉动,搭建起基础研究、应用基础研究、技术开发、产品研制的一条创新链。”贾振元说。(经济日报·中国经济网记者 郭静原)

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责任编辑:张艳丽

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