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國家技術發明獎一等獎:高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備

在航空、航天、交通等高端裝備制造領域,有“一克重就是一克金”的說法,材料越輕結構工作效能越高。目前國際通用的碳纖維復合材料可以顯著提高裝備性能,但加工過程極易產生損傷,制約其廣泛應用。2017年度國家技術發明一等獎授予大連理工大學賈振元團隊,表彰其發明的“高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備”解決了碳纖維復合材料構件高質高效加工難題,將我國碳纖維復合材料構件加工技術水平推進到國際前沿。

航空、航天、交通等領域高端裝備是國家制造水平和綜合實力的集中體現,碳纖維增強樹脂基復合材料(以下簡稱碳纖維復合材料)可以為高端裝備減重增效,具有非同尋常的戰略意義。然而這種材料是典型的難加工材料,加工過程中極易產生毛刺、撕裂、分層等加工損傷,難以滿足碳纖維復合材料構件的高性能要求,制約了這種高性能材料的推廣應用,限制了裝備性能的提升。

項目第一完成人 大連理工大學 教授 賈振元:那么研究它(復合材料)加工過程中,它的損傷到底是怎么產生的,把去除的機理搞清楚,把損傷的機制搞清楚,那么有了這個以后,來開發我們的加工工具,再開發我們的加工工藝,再開發我們的裝備,那么整個按照這套方式,應該說,我們有一個比較源頭創新的這樣一個特點。

首先,賈振元團隊揭示了碳纖維復合材料加工去除機理和加工損傷產生機制,提出了針對碳纖維復合材料加工的切削理論體系,實現了切削理論的源頭創新。提出了“微元去除”和“反向剪切”加工損傷抑制原理,研制出三類9個系列制孔、銑削等系列加工工具。完全擁有自主知識產權的新工具,使碳纖維復合材料加工損傷由厘米量級減至0.1毫米以內,加工理論與技術進入國際領先水平。刀具壽命為進口產品的2-7倍,價格則降至1/6-1/4。 “微元去除” “反向剪切”等系列技術獲多項發明專利。

項目第一完成人 大連理工大學 教授 賈振元:很好的解決了一些基礎的理論問題,我們的損傷是可以預測的,那么低損傷在可以預測這個理論指導下,開發的工具和工藝就實現了低損傷加工。通過這些辦法,能夠保證關鍵部件的性能,提高復合材料在航空、航天、交通運輸等領域的推廣應用,提高它的裝備的性能,那是非常有意義的。

 經過10多年攻關,團隊研發出13臺套高性能碳纖維復合材料數控加工工藝裝備,成為我國航空航天多個重點型號關鍵復合材料構件加工的唯一裝備,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。成果已在航天一院、航天三院、中航工業、中國商飛等企業應用,突破了某新型航天裝備艙段、某飛行器筒段、某系列直升機旋翼、某重型飛機調節板、大型客機機身筒段試驗件、高鐵車身試驗件等關鍵復合材料構件高質高效加工難題,打破國外封鎖。
  項目第五完成人 航天材料及工藝研究所 研究員 李蘭柱:在復合材料這種部段,在它的技術標準里頭,無損探傷是重要的一個指標。無論從航空和航天領域來說,復合材料的用量現在是一個航天裝備的重要的一個標志性,屬于衡量它先進性的重要指標之一。
  項目第一完成人 大連理工大學 教授 賈振元:波音787,它(復合材料)的用量已經達到了50%。空客的A350,它(復合材料)的用量達到了52%。我們的ARJ21飛機,它用量現在是2%,下一步也要提高。我們的C919,大致的數量,設計的復合材料用量達到23%,所以這樣的用量,對我們的加工的技術,提出了非常高的要求。

 “一克重就是一克金”,從某種意義上說,航天裝備的競爭就是材料的競爭、制造能力的競爭。隨著新材料的更替,賈振元團隊開創的復合材料加工理論體系仍將繼續適應新的課題和挑戰。
  項目第一完成人 大連理工大學 教授 賈振元:一代材料一代裝備,那么一代材料就需要一代加工工藝,那么我們搞加工的人第一要緊跟裝備的性能的需求,第二緊跟材料的發展,隨著新的材料的出現,我相信通過我們科技人員,企業界的共同努力,我們的目標還是明確的,有需求我們要去做。

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