为什么以大连理工大学教授贾振元为首的研究团队获得了2017国家技术发明奖一等奖?
正视问题
传统的加工方法严重制约了碳纤维复合材料的推广应用。为此,贾振源团队进行了跨学科融合研究,开辟了适合碳纤维复合材料加工的新理论体系。
民航客机的结构重量每减少1%,其耗油量可减少3%至4%。高铁每减重1%,其能耗可降低6%至7%...
对于“一克重就是一克金”的高端装备领域,无论是天上飞,还是地上跑,只有减轻重量,才能提高结构效率和装备性能。
为此,一场由“减肥”引发的先进材料争夺战早已席卷全球。“碳纤维复合材料作为高端装备领域减重增效的首选材料,使用越多,装备性能越先进。”贾振源说。
但是工艺技术的滞后难以支撑材料的创新应用,使得碳纤维复合材料一旦出现就遇到了不小的问题。贾振源告诉《经济日报》记者,传统的加工只能靠手工,质量低,效率低。加工后的构件容易出现毛刺、撕裂和分层,加工损伤具有随机性和不可控性,无法满足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,虽然我们解决了一些航空航天企业复合材料构件加工中遇到的问题,但由于项目中使用了金属等同质材料的传统切削理论,加工质量在一定程度上的提高是有限的,但碳纤维复合材料的特性和结构与它们完全不同,是典型的难加工材料。”团队骨干高航说。
经过反复讨论,贾振源果断提出:“我们必须突破金属等切割均质材料的传统理论体系的束缚,开辟和建立适应碳纤维复合材料加工的新理论体系,同时解决从理论到工程的问题。”
建立理论体系,必须在前人的基础上有所突破。现实问题迫使贾振源团队在基础理论研究上开疆拓土,再造一片新天地。为此,团队加大了材料、力学、机械等学科交叉融合的研究力度,从碳纤维复合材料的特性和材料去除的过程中彻底搞清楚加工损伤的原因,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,打硬仗。最终,贾振源团队在一系列关键环节取得突破,揭示了碳纤维复合材料的去除机理和加工损伤的形成机理,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的动态仿真模型,实现了切削理论的原始创新。
突破性应用
贾振元团队尝试工艺创新,研制出13套数控加工工艺装备,填补了国内空白,成为我国航空航天工业几类关键复合材料构件加工的关键设备。
“国外大公司要花很多钱和时间,耗时耗力。最后摸索出来的经验是企业的核心机密,不会告诉我们。”贾振源说,“要想在短时间内跟随和领先,没有基础研究的支撑是不可能的。”
以扎实的理论创新为后盾,再沉浸在实际应用中,完全是一幅“又一个前途光明的村庄”的景象。
贾振源团队提出了微刀片抑制损伤的力最小化原理,在螺旋槽的切削刃上切出切屑槽,形成微齿,实现了加工过程中的“微元去除”;通过工具的巧妙设计和切割动作的配合,发明了“反向剪切原理”,有效地切断了表面纤维。此外,还开发了九大系列钻铣刀具,实现了碳纤维复合材料的高质量加工,使用寿命比进口刀具长2至7倍,价格仅为1/6至1/4。
不仅如此,他们大胆尝试技术创新,发明了原位随行加工法、低应力柔性工装和随动除尘装置,研制出13套数控加工工艺装备,填补了国内空白,成为我国航空航天工业几类关键复合材料构件加工的关键设备。
2010以来,新研制的技术装备和工具投入使用,使复合材料的加工损伤从原来的厘米、毫米量级降低到0.1 mm以下,实现了从不可能或手工加工到低损伤数字化加工的跨越,加工技术跃居国际领先水平。
高航告诉《经济日报》记者,有一次,他带着学生鲍永杰去一家航空公司推销他们的刀具。公司不相信刀具的性能,只是简单的提出了“让刀具连续加工100个孔”的问题。师徒在现场拿着复合板,实际钻了100个孔,每个孔都很顺利,最终赢得了企业的信任。
如今,基础理论和加工工艺双向保驾护航,让一系列充满匠心的刀具和加工工艺装备书写着“中国制造”的传奇。
新型航空航天设备座舱、飞机部件异形深腔、航空设备机翼结构中大型厚板的边缘轮廓和超大孔、直升机旋翼和尾翼系列、大型客机机身筒段复合材料/铝层压验证件、高铁复合材料机身试验件...所有这些大国重器关键部件的加工难题,都是贾振源团队攻克的,为国家重大装备和重点型号的研制、定型和批量生产做出了突出贡献,并已成功应用于航天一院。
找到正确的方向
贾振源团队认为,搞科研,要加大原创性基础研究,形成企业需求,构建基础研究、应用基础研究、技术开发、产品开发的创新链。
“找对方法做科研。”这是贾振源经常挂在嘴边的一句话:“努力的人很多,关键是找准方向。正道可能事半功倍;走错了,下大力气绕一大圈也不一定能成功。”
“我们的困难在于找出问题是如何产生的。由于影响碳纤维复合材料加工损伤的因素非常复杂,加工损伤的形式多种多样,整个研究过程充满挑战。”团队成员王福记说,“无论是创造一个理论研究模型,还是发明新工具、设计新流程,都需要数百次实验。”
这项技术发明从理论到实践,在研究方法和手段上获得了多项“第一”,持续创新贯穿贾振源团队每一个成员的研究过程。
“贾老师的办公桌上总是放着各种复合材料方面的书籍。他只要有时间,就会找相关的研究生和老师讨论项目的技术方案和存在的问题。”王福记回忆道。
身兼大连理工大学副校长的贾振源不忘初心,坚守科研一线。但是责任和压力有多大,只有他自己知道。"即使在吃饭和睡觉的时候,我也在思考这个课题的研究."
凝聚一切力量突破国家重大需求难题,是贾振源团队一直坚持的科研态度。贾振源告诉记者:“科学研究必须服务于国家的重大需求。”这种意识来自于他30多年来坚持深入企业、服务生产一线的深刻认识。“如果我们工科老师只从学校的角度搞R&D,研究成果就很难‘落地’,可能会被抛弃在实验室里,形成不了生产力。”