獲獎項目:高性能碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工技術(shù)與裝備

創(chuàng)新感言:做科研要找對路子。刻苦的人很多,關(guān)鍵在于找準(zhǔn)方向,道走對了可能事半功倍;道走錯了,你費大力氣、繞大圈子也不一定能夠成功。

“我就是個干活的”——見面握手時,賈振元這樣“自報家門”。

今年54歲的賈振元是大連理工大學(xué)教授、副校長,長江學(xué)者特聘教授,國家973計劃項目首席科學(xué)家,國家萬人計劃入選者,2017年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎的第一完成人。

個頭不高、頭發(fā)灰白的他告訴記者:“農(nóng)民要種好地、多打糧食,工人要把工做好、拿出好產(chǎn)品,我們搞工程科學(xué)的就要把問題弄懂、把技術(shù)弄通,爭取解決實際問題、滿足國家重大需求。”

賈振元(中)與團(tuán)員成員搞研發(fā)。大連理工大學(xué)宣傳部提供

賈振元干的這個活,是世界性難題——碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱“碳纖維復(fù)合材料”)構(gòu)件的高質(zhì)高效加工。從2003年起,他帶領(lǐng)團(tuán)隊接力攻關(guān)十多年,不僅在碳纖維復(fù)合材料切削原理研究方面取得重大突破,而且研制出低損傷、高效率的系列新型加工工具、工藝和裝備,使加工損傷由原來的厘米級降低到0.1毫米內(nèi),達(dá)到國際領(lǐng)先水平,為碳纖維復(fù)合材料在航空、航天和交通等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。

“做制約行業(yè)發(fā)展的卡脖子問題”

從博士畢業(yè)留校任教至今,賈振元在機(jī)械工程精密加工領(lǐng)域干了近30年。“我們做工程科學(xué)的,總希望自己做的事情能有意義。”他說,“所謂‘有意義’,就是能把自己的研究和國家需求結(jié)合起來,做高校有優(yōu)勢、企業(yè)無法解決、制約行業(yè)發(fā)展的卡脖子問題。”

碳纖維復(fù)合材料的高質(zhì)高效加工,就是這樣的“卡脖子”問題。

航空、航天、交通等領(lǐng)域的高端裝備,是一個國家制造水平的集中體現(xiàn)。“這些要跑、要飛的高端裝備質(zhì)量越輕跑得越快、飛得越遠(yuǎn),有效載荷也更大。”賈振元介紹說,航空、航天飛行器和高鐵裝備的重量一般按“克”計算。研究結(jié)果表明,飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量每降低1%,油耗可以減少3%—4%;高鐵減重1%,能耗可減少6%—7%。

減輕重量有兩種途徑:一是設(shè)計巧妙,二是材料輕質(zhì)。目前既輕巧又有剛度、強(qiáng)度的材料,當(dāng)屬碳纖維材料:強(qiáng)度比鋼強(qiáng),比重比鋁輕,導(dǎo)電性能比銅好。因此,由碳纖維為增強(qiáng)相制備的樹脂基復(fù)合材料,不僅輕質(zhì)、高強(qiáng),而且易實現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)整體同步制造、省時省工,已成為航空、航天、交通等領(lǐng)域高端裝備減重增效的優(yōu)選材料。

“一代材料一代裝備,但光有好材料還不行,加工技術(shù)必須跟得上。”賈振元說,只有先經(jīng)過切邊、制孔等系列機(jī)械加工,復(fù)合材料構(gòu)件才能連接裝配、用到高端裝備上。讓企業(yè)頭疼的是:復(fù)合材料構(gòu)件加工過程中很容易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等損傷。這些加工損傷會影響構(gòu)件的承載性能、疲勞壽命和可靠性,屬于重大的安全隱患。由于加工技術(shù)落后,發(fā)達(dá)國家應(yīng)用多年的碳纖維復(fù)合材料,在我國愣是難以派上用場。

2003年,科研團(tuán)隊在與企業(yè)合作時發(fā)現(xiàn)了這個“卡脖子”問題后,下決心攻克這一難關(guān)。

“從根子上解決問題”

“這是一個很難的事情。”賈振元告訴記者,碳纖維復(fù)合材料是由纖維和樹脂經(jīng)過賦形、固化而成的新型材料,多層疊加、多相混合、各向異性,切邊、制孔過程中產(chǎn)生的失效行為、去除機(jī)理與金屬等均質(zhì)材料完全不同,是典型的難加工材料。國外大公司耗費九牛二虎之力研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料高質(zhì)高效加工技術(shù)屬于核心機(jī)密,根本不會告訴你。

“必須從根子上解決問題。”經(jīng)過深思熟慮,賈振元為團(tuán)隊確定了研發(fā)路徑:從應(yīng)用基礎(chǔ)研究出發(fā),從構(gòu)成機(jī)理上弄清楚造成碳纖維復(fù)合材料加工損傷的根源,然后再從工程實踐中提煉出解決共性問題的理論方法。

在“973計劃”、“863”重點課題、國家自然科學(xué)基金和國家“04專項”課題等項目支持下,研發(fā)團(tuán)隊重新搭建科研平臺、開發(fā)新的實驗裝置,從材料分析、力學(xué)計算和機(jī)械加工實驗等多面開展交叉研究。憑著“螞蟻啃骨頭”的精神,賈振元團(tuán)隊終于取得多項重大突破:探明了碳纖維復(fù)合材料去除機(jī)理和加工損傷形成機(jī)制,提出了針對碳纖維復(fù)合材料加工的切削理論,建立了切削力和切削過程動態(tài)仿真模型。

一通百通。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)團(tuán)隊用理論指導(dǎo)實踐,提出“微元去除”和“反向剪切”加工損傷抑制原理,先后發(fā)明3大類、9個系列的制孔、銑削等刀具,實現(xiàn)了復(fù)合材料的低損傷加工。

具有“微元去除”和“反向剪切”功能的復(fù)合材料系列加工工具。大連理工大學(xué)宣傳部提供

光有工具還不行,大型構(gòu)件加工還離不開精良的工藝和裝備。研發(fā)團(tuán)隊持續(xù)攻關(guān),開發(fā)了負(fù)壓逆向冷卻和具有自風(fēng)冷排屑功能的系列加工工藝,研制了13臺套數(shù)控加工工藝裝備。截至目前,這些裝備依然是我國航空航天多個重點型號復(fù)合材料關(guān)鍵構(gòu)件加工的“獨一份兒”。

自2010年起,賈振元團(tuán)隊研制的新型刀具和技術(shù)裝備投入應(yīng)用,把碳纖維復(fù)合材料的加工損傷控制在0.1毫米內(nèi),實現(xiàn)了從無法加工、手工加工到低損傷數(shù)字化加工的跨越——高性能碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件終于在航空、航天和交通等領(lǐng)域的高端裝備上大顯身手。

“最喜歡別人叫我‘賈老師’”

這是賈振元第四次獲國家技術(shù)發(fā)明獎。第一次是2005年,他以第五完成人身份榮獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎,第二次是2008年,他以第二完成人的身份榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎;第三次是2014年,他作為第一完成人榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。四次拿大獎,都是聚焦國家重大需求的關(guān)鍵零部件加工的基礎(chǔ)理論和工具工藝裝備問題,但對象完全不同,有聯(lián)系也有區(qū)別。

這期間,他也由機(jī)械工程學(xué)院院長升至機(jī)械工程與材料能源學(xué)部部長,并于2015年起擔(dān)任大連理工副校長。

“其實我最喜歡別人叫我‘賈老師’。”他坦陳,“我給自己的定義就是老師,教書是本分,科研是本分。我當(dāng)院長、部長很多年,現(xiàn)在干副校長,行政和科研不能說沒有沖突,關(guān)鍵是你如何分配好時間、提高效率。”

賈振元是如何做到的?

同事的答案是“三不會”。團(tuán)隊骨干高航教授說:“賈老師一不會打麻將,二不會打撲克,三不會唱歌,幾乎沒什么業(yè)余愛好。”

賈振元自己的訣竅,是“三個一會兒”:早上早到一會兒,中午少休息一會兒、下班以后再多干一會兒。

“其實賈老師搞科研不止‘三個一會兒’。”團(tuán)隊成員王福吉教授介紹說,賈振元幾乎沒有節(jié)假日,辦公桌上全是書,一有空就看材料、研究問題。“有一次星期天我到辦公樓處理點私事,經(jīng)過賈老師辦公室時,瞅見他正低著頭、仔細(xì)琢磨手里的刀具。”

賈振元嚴(yán)于律己,在團(tuán)隊成員面前則幽默謙和。他負(fù)責(zé)的現(xiàn)代制造技術(shù)科研團(tuán)隊是科技部、教育部認(rèn)定的創(chuàng)新團(tuán)隊,目前有30多名教師、200多名研究生。

在外人眼里,知識分子毛病多、脾氣大——如何把這么大的團(tuán)隊帶好?

“賈老師很幽默,當(dāng)我們碰到挫折愁眉苦臉時,他一個玩笑就把氣氛搞活了。”在高航眼里,賈老師非常大度,有名有利的事都讓給別人。

“帶隊伍其實不難。”賈振元笑著說,“知識分子的特點,就是要得到尊重、實現(xiàn)自己的價值。我的工作,就是如何把成員自己的價值和團(tuán)隊價值結(jié)合起來,讓大家都有事做、能做事,團(tuán)隊有發(fā)展、個人能成長。”

經(jīng)過10多年的發(fā)展,賈振元帶領(lǐng)的現(xiàn)代制造技術(shù)科研團(tuán)隊可謂人才濟(jì)濟(jì)、藏龍臥虎:1人入選萬人計劃創(chuàng)新人才、2人入選長江學(xué)者特聘教授、1人獲國家杰青基金資助、1入選青年長江學(xué)者、1人獲國家優(yōu)秀青年基金資助。高航教授自豪地說:我們這個團(tuán)隊,是名副其實的“東北狼”。

“像他們這樣既懂理論、又懂實踐,能拿出真家伙、解決真問題的隊伍,在企業(yè)特別受歡迎。”與賈振元團(tuán)隊合作多年的航天材料及工藝研究所研究員李蘭柱這樣評價。