『解读』国家技术发明奖一等奖：碳纤维加工技术

摘要

碳纤维材料是高性能复合材料，但其高成本和加工难度限制了其广泛应用。大连理工大学贾振元团队发明了“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”，解决了加工难题，将我国加工技术水平推进到国际前沿。该技术揭示了碳纤维复合材料加工机理，提出了“微元去除”和“反向剪切”原理，并开发出系列加工工具。成果已应用于航空、航天等领域，打破国外封锁，提高了装备性能。贾振元表示，随着新材料的发展，加工技术需不断创新以适应新的挑战。

正文

作者：央视记者 李峥 闫洪

在航空、航天、交通等高端装备制造领域，有“一克重就是一克金”的说法，材料越轻结构工作效能越高。目前国际通用的碳纤维复合材料可以显著提高装备性能，但加工过程极易产生损伤，制约其广泛应用。

2017年度国家技术发明一等奖授予大连理工大学贾振元团队，表彰其发明的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”解决了碳纤维复合材料构件高质高效加工难题，将我国碳纤维复合材料构件加工技术水平推进到国际前沿。

航空、航天、交通等领域高端装备是国家制造水平和综合实力的集中体现，碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称碳纤维复合材料）可以为高端装备减重增效，具有非同寻常的战略意义。

然而这种材料是典型的难加工材料，加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层等加工损伤，难以满足碳纤维复合材料构件的高性能要求，制约了这种高性能材料的推广应用，限制了装备性能的提升。

项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：那么研究它（复合材料）加工过程中，它的损伤到底是怎么产生的，把去除的机理搞清楚，把损伤的机制搞清楚，那么有了这个以后，来开发我们的加工工具，再开发我们的加工工艺，再开发我们的装备，那么整个按照这套方式，应该说，我们有一个比较源头创新的这样一个特点。

首先，贾振元团队揭示了碳纤维复合材料加工去除机理和加工损伤产生机制，提出了针对碳纤维复合材料加工的切削理论体系，实现了切削理论的源头创新。提出了“微元去除”和“反向剪切”加工损伤抑制原理，研制出三类9个系列制孔、铣削等系列加工工具。完全拥有自主知识产权的新工具，使碳纤维复合材料加工损伤由厘米量级减至0.1毫米以内，加工理论与技术进入国际领先水平。刀具寿命为进口产品的2-7倍，价格则降至1/6-1/4。 “微元去除” “反向剪切”等系列技术获多项发明专利。

项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：解决了一些基础的理论问题，我们的损伤是可以预测的，那么低损伤在可以预测这个理论指导下，开发的工具和工艺就实现了低损伤加工。通过这些办法，能够保证关键部件的性能，提高复合材料在航空、航天、交通运输等领域的推广应用，提高它的装备的性能，那是非常有意义的。

经过10多年攻关，团队研发出13台套高性能碳纤维复合材料数控加工工艺装备，成为我国航空航天多个重点型号关键复合材料构件加工的唯一装备，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。

成果已在航天一院、航天三院、中航工业、中国商飞等企业应用，突破了某新型航天装备舱段、某飞行器筒段、某系列直升机旋翼、某重型飞机调节板、大型客机机身筒段试验件、高铁车身试验件等关键复合材料构件高质高效加工难题，打破国外封锁。

项目第五完成人 航天材料及工艺研究所 研究员李兰柱：在复合材料这种部段，在它的技术标准里头，无损探伤是重要的一个指标。无论从航空和航天领域来说，复合材料的用量现在是一个航天装备的重要的一个标志性，属于衡量它先进性的重要指标之一。

项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：波音787，它（复合材料）的用量已经达到了50%。空客的A350，它（复合材料）的用量达到了52%。我们的ARJ21飞机，它用量现在是2%，下一步也要提高。我们的C919，大致的数量，设计的复合材料用量达到23%，所以这样的用量，对我们的加工的技术，提出了非常高的要求。

“一克重就是一克金”，从某种意义上说，航天装备的竞争就是材料的竞争、制造能力的竞争。随着新材料的更替，贾振元团队开创的复合材料加工理论体系仍将继续适应新的课题和挑战。

项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：一代材料一代装备，那么一代材料就需要一代加工工艺，那么我们搞加工的人第一要紧跟装备的性能的需求，第二紧跟材料的发展，随着新的材料的出现，我相信通过我们科技人员，企业界的共同努力，我们的目标还是明确的，有需求我们要去做。