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复合材料构件高质加工“卡脖子”难题

2018-01-09 17:34:14       来源:科技日报

“使用碳纤维增强树脂基复合材料后,某大型客机的翼盒紧固孔可从3万多个减至1万余个,减重可达15%。”大连理工大学长江学者特聘教授贾振元说,利用轻质、高强的碳纤维复合材料减重增效,对航空、航天、交通等领域高端装备的发展意义重大。

然而,碳纤维复合材料是典型难加工材料,加工时极易产生不可控的损伤,导致性能难以保证且会危及安全。

由大连理工大学贾振元领衔完成的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”,从源头上一举攻克高性能复材构件低损伤数字化加工“卡脖子”难题,荣获2017年度国家技术发明奖一等奖。

“当时的难点在于弄清楚问题是怎么产生的,因为影响碳纤维复材去除过程的因素复杂,加工损伤的产生随机且不可控。” 项目第三完成人、大连理工大学教授王福吉说,沿用传统金属等均质材料切削理论,加工碳纤维复合材料时损伤严重、质量差,难以满足复材构件的高性能要求。

作为团队领军人,贾振元拍板定调,“必须突破传统金属等均质材料切削理论体系的束缚,建立一个适应碳纤维复合材料加工的新理论体系。”

要建立理论体系,谈何容易?成百上千次实验后,团队揭开了碳纤维复材去除机理和加工损伤形成机制,当力小且集中时,纤维易剪断且损伤小。通俗来说,10微米和30微米的切深相比,前者的小切深可减少纤维界面的开裂;而当刀具圆弧半径小于纤维半径时,纤维更容易被剪断而不是折断……

“搞科研一定要服务于国家重大需求,高校要解决企业、行业‘卡脖子’的问题, 形成基础研究、应用基础研究、技术开发、产品研制一条链的创新体系。”贾振元说,十几年来,团队在摸清机理后,建立了适应碳纤维复合材料加工的新理论体系,通过开发工具和设计工艺的调整,实现了碳纤维复材的低损伤加工。

当贾振元团队在基础理论研究领域斩获成果后,再回头进行应用实践研究,就显得游刃有余了。之后,相继发明三类9个系列的制孔、铣削等刀具,不仅寿命高于进口刀具2—7倍,价格仅为其1/6—1/4;研发出13台套数控加工工艺装备,填补国内空白,成为我国航空航天多个重点型号复合材料关键构件加工的唯一装备。

自2010年起,该项目新研制的技术装备和刀具开始应用,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,加工技术进入国际领先水平。

如今,在航天一院、三院、中航工业和商飞等企业中,都有他们的成果应用。某新型航天装备舱段、某系列直升机旋翼、大型客机复材机翼试验件……这些关键构件的加工难题,都被贾振元团队一一攻破,为国家重点型号研制、定型及批量生产作出重要贡献,提升了高端装备的性能和核心竞争力。

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