技术发明奖一等奖 | 贾振元:国家需要什么,我们就研究什么

奖项:2017年度国家技术发明奖一等奖

获奖项目:高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备

完成人:贾振元(大连理工大学),高航(大连理工大学),王福吉(大连理工大学),鲍永杰(大连理工大学),李兰柱(航天材料及工艺研究所),刘建波(哈尔滨飞机工业集团有限责任公司)


一克重就是一克金。在航空、航天、交通等领域,重量的减轻往往意味着性能的大幅提升和能耗的大幅降低。高性能碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、高强,被广泛应用于航空航天和国防领域。因为在高性能碳纤维复合材料构件加工方面做出的贡献,大连理工大学教授贾振元团队荣获2017年度国家技术发明奖一等奖。

碳纤维复合材料的优势是众所众知的,然而其加工难度却是一个世界性的难题。碳纤维复合材料与金属等均质材料加工机理迥异,传统加工方式极易产生损伤,且随机不可控,构件的设计性能难以保证,实际性能难以准确计算,无法实现构件的高性能加工,严重制约此类材料的推广应用,限制了装备性能的提升。贾振元团队的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”科研成果实现了碳纤维复合材料构件加工基础理论的源头创新,从源头上解决了碳纤维复合材料的加工难题,将我国碳纤维复合材料构件加工技术推进到国际先进水平。

源头创新,实现并跑领跑

碳纤维复合材料是由纤维和树脂经过赋形、固化而成,细观呈多相混合态、宏观层叠、各向异性,加工中在力、热的作用下,与金属等均质材料相比,碳纤维增强树脂基复合材料的失效行为及去除机理迥异,是典型的难加工材料。而国内外浩如烟海的研究中,又没有系统地从碳纤维复合材料构成机理上说清楚造成碳纤维复合材料加工损伤的缘由,更没有从工程实践中提炼出具有推广指导意义的、解决共性问题的基础理论。

“国外大公司靠大量经费与时间,耗时耗力,最后摸索出的经验是企业的核心机密,人家不会告诉你,也不会卖给你”,贾振元说,“我们要在短时间内实现从跟跑、并跑到领跑,没有基础研究做支撑,你就超不过去。”

团队成员高航回忆:“从2005年到2009年,我们虽然也曾较好地解决了若干航空和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的金属等均质材料切削理论,而碳纤维复合材料为各向异性,材料特性和材料结构与金属等各向同性均质材料完全不同,易产生加工损伤,对高质加工提出了严峻挑战。”

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,开辟和建立一个适应碳纤维复合材料加工新的理论体系,工程问题和理论问题同时去解决。

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。

团队加大材料、力学、机械等多学科交叉融合的研究力度,在“973计划”、国家自然科学基金、国家863重点课题、国家“04专项”研究任务等项目经费支持下,以基础理论研究为着眼点,重新搭建实践平台,开发新的实验装置,进行大量的材料分析、力学计算和机械加工实验,实现了理论与实验的充分结合。

终于,贾振元团队在碳纤维复合材料切削理论和加工损伤抑制原理上取得突破:揭示出碳纤维复合材料去除机理和损伤形成机制,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。

运用他们建立的加工理论,能在加工之前对损伤进行初步预测,通过开发工具和设计工艺进行有针对性调整,控制甚至抑制加工损伤,解决了碳纤维复合材料机械加工中损伤易发且随机不可控的难题,为加工损伤控制和构件性能可预测、可计算以及高性能制造奠定了基础,为碳纤维复合材料在高端装备中的应用,提升高端装备性能提供了前提和保证。

“做科研要找对路子”,这是贾振元常说的一句话,“刻苦的人很多,关键在于找准方向,道儿走对了可能事半功倍,道儿走错了,你费大力气、绕大圈子也不一定能够成功。”

“整个研究我们用了十几年,跟别人几十年的研究相比,时间并不长,这得益于贾老师方向把得准,他分析问题敏锐,能够直指问题的症结,所以我们弯路走得少,或者不走弯路”,团队成员王福吉说。

小小刀具 大国重器

由于贾振元团队在基础理论研究上取得了重大成果,再回过头来进行应用实践研究,就完全是“柳暗花明又一村”的景象。


在碳纤维复合材料加工损伤抑制原理上,实现多项原创性发明,并研制出制孔、铣削等系列加工工具。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,实现表层纤维有效切断。基于“微元去除”和“反向剪切”原理,先后发明三类9个系列的制孔、铣削等刀具,实现了这种难加工材料的低损伤高质量加工,寿命高于进口刀具的2-7倍,价格仅为1/6-1/4。“微元去除”“反向剪切”等系列技术获多项发明专利。

关于加工损伤抑制工艺,提出了适温切削加工损伤抑制原理,揭示出碳纤维复合材料切削质量随温度的变化规律。发明了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺。创建了典型构件加工工艺数据库。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关键构件加工的唯一装备。

高航曾带着鲍永杰到一家航空企业推广他们的刀具,企业的人不相信刀具的性能,提出:“高老师,我们大家瞅着,你这个刀具能连续加工100个孔,我们就承认。” 师徒俩就在现场,拿来块复材板,真的就钻了100个孔,每个孔都光滑利落,最终赢得了企业的信任。

某新型航天装备舱段、某航天装备超长窄缝结构关键构件、某航天器舱段异型盲窗、某飞行器构件异型深腔,某航空装备机翼结构中的大厚板边缘轮廓及超大孔,某重型飞机调节板,某系列直升机旋翼及尾端,大型客机平尾钛合金/复材叠层验证件和机身筒段复材/铝叠层验证件,高铁复材车身试验件等;这些关键构件的加工难题都被贾振元团队一一攻破,为国家重大装备、重点型号研制、定型及批量生产作出重要贡献,对提升高端装备的性能和核心竞争力具有重要推动作用。

不会娱乐,却善于凝聚团队战斗力


贾振元同事都普遍反映,老贾没有什么业余爱好,但是有一项“神乎其技”的本事:风趣幽默,有他在大家干科研特别有劲头。

年轻的高级工程师鲍永杰说得最多就是“压力”,“我们没有什么捷径可走,每走一步必然会被问题卡住,不卡才怪呢!有的实验,做了半年没一点进展,真熬人呢,每天都愁眉苦脸的,特别是我们这些年轻教师,面对的都是从来没遇到的问题”。而能让大家坚持下来、走到今天的是团队有个好氛围。”

“正是因为团队氛围好,尽管压力大,但现在想起来,收获蛮大的”,鲍永杰说。大家的感受就像青年教师刘巍所说:“跟贾老师一起干活,感觉挺爽。”

“贾老师很忙,但只要我们有问题,他甚至晚上十点后还会主动找我们讨论。”青年教师马建伟是贾振元的学生,从硕士到博士,“刚开始跟贾老师搞科研时,贾老师对我强调注重创新精神和实践能力,当我思路走偏时,他并不一下否定,而是循循善诱,一步步引导我发现研究中的错误,让我感受到主动研究的乐趣,激发了我的创新意识。”刚刚工作不久的他获得了“辽宁省百千万人才”荣誉。

年轻教师不仅折服于贾振元的高深学识,更敬重他的为人品格。王福吉说:“贾老师看淡名利,凡事先替别人着想,宁可牺牲个人利益。‘04专项’研究任务是在贾老师主持下完成的,但是项目成果报奖时,他把自己的名字拿掉,说成绩是大家共同努力的结果,年轻人更需要。”“作为学术前辈,他甘做人梯,多次把他选定的前景看好的科研方向、或者已经做到一定程度的科研工作让我们年轻人来做,不仅给了我们成长机会,而且更是一种鞭策和督促。”

2015年,贾振元担任大连理工大学副校长。从学院院长到学部部长再到副校长,一路走来,担子越压越重,对国家的责任意识、担当意识也越来越强。

“搞科研一定要服务国家重大需求,这点我们体会非常深。”这是贾振元30多年坚持深入企业、服务生产一线的深切感悟。

“时刻以国家重大需求为导向,国家需要什么,我们就研究什么!”

加载更多>>
责任编辑:韩凤鸣
专题 更多>>
评论 更多>>
独家编译 更多>>