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高质高效的碳纤维复合材料加工技术和装备是怎样产生的

高质高效的碳纤维复合材料加工技术和装备是怎样产生的 AutoNewTech
2018-01-09
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导读:航天装备的竞争就是材料的竞争、制造能力的竞争。

碳纤维及其复合材料(CFRP)是一种重要的结构型和功能型新材料,随着各行业对材料轻量化和卓越性能的追求,在交通运输、能源电力、土木建筑、油田化工、体育休闲等民用工业领域具有广泛应用前景,也是航空航天和武器装备必不可少的战略性材料。


一般碳纤维复合材料的成型方法有如下几点:


  1. 1、模压法。这种方法是将早已预浸树脂的的碳纤维材料放入金属模具中,加压后使多余的胶液溢出来,然后高温固化成型,脱膜后成品就出来了,这种方法最适合用来制作汽车零件。


  2. 2、手糊压层法。将浸过胶后的碳纤维片剪形叠层,或是以便铺层一边刷上树脂,再热压成型。这个方法可以随便选择纤维的方向、大小和厚度,被广泛使用。注意的是铺层后的形状要小于模具的形状,这样纤维在模具内受压时就不会挠曲。


  3. 3、真空袋热压法。在模具山叠层,并覆上耐热薄膜,利用柔软的口袋向叠层施加压力,并在热压灌中固化。


  4. 4、缠绕成型法。将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上,特别适用于制作圆柱体和空心器皿。


  5. 5、挤拉成型法。先将碳纤维完全浸润,通过挤拉除去树脂和空气,然后在炉子里固化成型。这种方法简单,适用于制备棒状、管状零件。


目前国际通用的碳纤维复合材料可以显著提高装备性能,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,但是在加工过程中,基体和纤维存在较为复杂的内部相互作用,因为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。



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的代表团队就是在2017年度国家技术发明的奖项上获得一等奖的大连理工大学贾振元团队,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,在颁奖典礼上受到了极大的表彰。


大连理工大学 教授 贾振元


复合材料在加工过程中的损伤到底是怎么产生的?


贾振元教授表示:“在弄清去除机理和损伤机制的情况下,开发他们的加工工具、加工工艺以及装备,按照这样的一套方式,就会有一个源头创新特点。



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。贾振元教授表示:“加工过程中的损伤是可以预测的,在可以预测的理论指导下,开发的工具和工艺就实现了低损伤加工。因此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 李兰柱表示在复合材料的部段,无损探伤是重要的一个指标。从航空和航天领域来说,复合材料的用量现在是航天装备的一个重要标志,是衡量它先进性的重要指标之一。


“一代材料一代装备,那么一代材料就需要一代加工工艺么我们搞加工的人第一要紧跟装备性能的需求,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。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。贾振元教授如是说。



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。“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。




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