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碳纖維復合材料基礎理論和加工技術不斷取得突破 匠心獨運 雕琢“中國制造”

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大連理工大學有這樣一支科研團隊,他們在碳纖維增強樹脂基復合材料加工領域堅持自主創新,走出了一條產學研合作的新路。1月8日,這支以大連理工大學教授賈振元為首的科研團隊憑借“高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備”項目摘取2017年度國家技術發明獎一等獎。

  直面難題

  傳統加工方式嚴重制約了碳纖維復合材料的推廣應用。為此,賈振元團隊研究多學科交叉融合,開辟了適應碳纖維復合材料加工的新理論體系

  民航客機結構重量每降低1%,其油耗可減少3%至4%;高鐵每減重1%,其能耗可減少6%至7%……

  對于“一克重就是一克金”的高端裝備領域來說,不管是天上飛的,還是地上跑的,只有減輕重量,才能提高結構效率、提升裝備性能。

  為此,一場由“減重”而引發的先進材料之爭早已蔓延全球。“碳纖維復合材料作為高端裝備領域減重增效的優選材料,其用量越多,表明裝備性能越先進。”賈振元說。

  然而,工藝技術的滯后難以支撐材料的創新運用,這讓碳纖維復合材料一經亮相就遇上了不小的難題。賈振元告訴經濟日報記者,傳統加工只能采取手工方式,低質低效,加工構件極易出現毛刺、撕裂和分層等損傷,并且加工損傷是隨機的、不可控的,達不到碳纖維復合材料構件的高性能要求,嚴重制約了材料的推廣應用。

  “從2005年到2009年,我們雖然也曾較好地解決了若干航空航天企業復合材料構件加工中遇到的難題,但是加工質量提升到一定程度就受限,原因在于工程中沿用的是傳統金屬等均質材料切削理論,但碳纖維復合材料的特性和結構與之完全不同,是典型的難加工材料。”團隊骨干高航說。

  經過反復研討,賈振元果斷提出:“必須突破傳統金屬等均質材料切削理論體系的束縛,開辟和建立適應碳纖維復合材料加工的新理論體系、從理論到工程同時解決問題的研究思路。”

  要建立理論體系,必須在前人的基礎上有所突破。實踐上的難題倒逼賈振元團隊在基礎理論研究上開疆拓土,重新打造一番新天地。為此,團隊加大材料、力學、機械等多學科交叉融合的研究力度,從碳纖維復合材料特性上和材料去除過程中徹底弄清楚加工損傷產生的原因,進而研究低損傷加工的原理和構件高性能的保證方法。

  啃硬骨頭,打攻堅戰。終于,賈振元團隊在一系列關鍵環節取得了突破,揭示出碳纖維復合材料去除機理和加工損傷的形成機制,提出了針對碳纖維復合材料加工的切削理論,建立了切削力和切削過程動態仿真模型,實現了切削理論的源頭創新。

  突破應用

  賈振元團隊嘗試工藝創新,研發出13臺套數控加工工藝裝備,填補了國內空白,成為我國航空航天多個重點型號復合材料構件加工的關鍵裝備

  “國外大公司花費大量經費與時間,耗時耗力,最后摸索出的經驗是企業的核心機密,不會告訴我們。”賈振元說,“我們要想在短時間內實現從跟跑、并跑到領跑,沒有基礎研究作支撐,不可能實現”。

  有了扎實的理論創新作后盾,再埋頭鉆研實踐應用,就完全是一番“柳暗花明又一村”的景象。

  賈振元團隊提出了微刃力小化抑制損傷原理,在一個個螺旋槽切削刃上開出分屑槽,形成微齒,實現加工過程的“微元去除”;通過巧妙設計工具以及切削運動的配合,發明了“反向剪切原理”,實現了表層纖維有效切斷。此外,還研制出9個系列的制孔、銑削等刀具,實現了碳纖維復合材料高質加工,壽命高于進口刀具2倍至7倍,價格僅為1/6至1/4。

  不僅如此,他們大膽嘗試工藝創新,發明了在位隨行加工方法、低應力柔性工裝和隨動除塵裝置,研發出13臺套數控加工工藝裝備,填補了國內空白,成為我國航空航天多個重點型號復合材料構件加工的關鍵裝備。

  自2010年起,新研制的技術裝備和刀具開始投入應用,使復合材料加工損傷由原來的厘米、毫米量級減至0.1毫米以內,實現了從無法加工或手工加工到低損傷數字化加工的跨越,加工技術躍升至國際領先水平。

  高航告訴經濟日報-中國經濟網記者,有一次,他帶著學生鮑永杰到一家航空企業推廣他們的刀具,企業不相信刀具性能,硬是提出“讓刀具連續加工100個孔”的考題。師徒倆就在現場拿來復材板,實實在在地鉆出100個孔,每個孔都很光滑,最終贏得了企業的信任。

  如今,基礎理論和加工技術雙向護航,讓一把把滿載匠心巧思的刀具和系列加工工藝技術與裝備書寫著“中國制造”的傳奇——

  某新型航天裝備艙段,某飛行器構件異形深腔,某航空裝備機翼結構中的大厚板邊緣輪廓及超大孔,某系列直升機旋翼及尾端,大型客機機身筒段復材/鋁疊層驗證件,高鐵復材車身試驗件……這些大國重器關鍵構件的加工難題都被賈振元團隊一一攻克,為國家重大裝備、重點型號研制、定型及批量生產作出了突出貢獻,已成功應用于航天一院、航天三院、中航工業和商飛等企業。

  找準方向

  賈振元團隊認為,搞科研要加大原創性基礎研究,形成企業需求拉動,搭建起基礎研究、應用基礎研究、技術開發、產品研制的一條創新鏈

  “做科研要找對路子。”這是賈振元時常掛在嘴邊的一句話:“刻苦的人很多,關鍵在于找準方向。道走對了,可能事半功倍;道走錯了,你費大力氣、繞大圈子也不一定成功。”

  “我們的難點在于弄清楚問題是怎么產生的。由于影響碳纖維復合材料加工損傷的因素非常復雜,加工產生損傷的形式多種多樣,整個研究過程都充滿挑戰。”團隊成員王福吉說,“無論是創建理論研究模型還是發明新工具、設計新工藝,都要經過成百上千次實驗”。

  此項技術發明從理論到實踐,在研究方式與研究方法上獲得了多個“首次”,持續創新貫穿于賈振元團隊每位成員的研究過程。

  “賈老師桌上總是放著各種關于復合材料的書,只要一有時間,他就會找相關研究生和教師一起探討項目技術方案和存在的問題。”王福吉回憶道。

  身兼大連理工大學副校長一職的賈振元不忘初心,堅守在科研一線。但也只有他自己知道這其中的責任和壓力有多大,“我甚至連吃飯時、睡覺前都在琢磨課題的研究”。

  凝聚眾力突破國家重大需求難題,這是賈振元團隊一貫秉承的科研態度。賈振元告訴記者:“搞科研一定要服務國家重大需求。”這種意識來自他30多年堅持深入企業、服務生產一線的深切感悟,“我們工科教師如果單純從學校角度搞研發,沒有企業應用拉動,研究成果就很難‘落地’,可能撂荒在實驗室里,沒有形成生產力”。

  與企業合作,選擇研究目標很重要。“搞科研要加大原創性基礎研究,去解決企業、行業‘卡脖子’的問題,形成企業需求拉動,搭建起基礎研究、應用基礎研究、技術開發、產品研制的一條創新鏈。”賈振元說。

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