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

创新感言:做科研要找对路子?？炭嗟娜撕芏?关键在于找准方向,道走对了可能事半功倍;道走错了,你费大力气、绕大圈子也不一定能够成功。

“我就是个干活的”——见面握手时,贾振元这样“自报家门”。

今年54岁的贾振元是大连理工大学教授、副校长,长江学者特聘教授,国家973计划项目首席科学家,国家万人计划入选者,2017年度国家技术发明奖一等奖的第一完成人。

个头不高、头发灰白的他告诉记者:“农民要种好地、多打粮食,工人要把工做好、拿出好产品,我们搞工程科学的就要把问题弄懂、把技术弄通,争取解决实际问题、满足国家重大需求?！?/p>

贾振元(中)与团员成员搞研发。大连理工大学宣传部提供

贾振元干的这个活,是世界性难题——碳纤维增强树脂基复合材料(以下简称“碳纤维复合材料”)构件的高质高效加工。从2003年起,他带领团队接力攻关十多年,不仅在碳纤维复合材料切削原理研究方面取得重大突破,而且研制出低损伤、高效率的系列新型加工工具、工艺和装备,使加工损伤由原来的厘米级降低到0.1毫米内,达到国际领先水平,为碳纤维复合材料在航空、航天和交通等领域的大规模应用铺平了道路。

“做制约行业发展的卡脖子问题”

从博士毕业留校任教至今,贾振元在机械工程精密加工领域干了近30年?！拔颐亲龉こ炭蒲У?总希望自己做的事情能有意义?！彼?“所谓‘有意义’,就是能把自己的研究和国家需求结合起来,做高校有优势、企业无法解决、制约行业发展的卡脖子问题。”

碳纤维复合材料的高质高效加工,就是这样的“卡脖子”问题。

航空、航天、交通等领域的高端装备,是一个国家制造水平的集中体现?！罢庑┮堋⒁傻母叨俗氨钢柿吭角崤艿迷娇?、飞得越远,有效载荷也更大?！奔终裨樯芩?航空、航天飞行器和高铁装备的重量一般按“克”计算。研究结果表明,飞机结构重量每降低1%,油耗可以减少3%—4%;高铁减重1%,能耗可减少6%—7%。

减轻重量有两种途径:一是设计巧妙,二是材料轻质。目前既轻巧又有刚度、强度的材料,当属碳纤维材料:强度比钢强,比重比铝轻,导电性能比铜好。因此,由碳纤维为增强相制备的树脂基复合材料,不仅轻质、高强,而且易实现材料与结构整体同步制造、省时省工,已成为航空、航天、交通等领域高端装备减重增效的优选材料。

“一代材料一代装备,但光有好材料还不行,加工技术必须跟得上。”贾振元说,只有先经过切边、制孔等系列机械加工,复合材料构件才能连接装配、用到高端装备上。让企业头疼的是:复合材料构件加工过程中很容易产生毛刺、撕裂、分层等损伤。这些加工损伤会影响构件的承载性能、疲劳寿命和可靠性,属于重大的安全隐患。由于加工技术落后,发达国家应用多年的碳纤维复合材料,在我国愣是难以派上用场。

2003年,科研团队在与企业合作时发现了这个“卡脖子”问题后,下决心攻克这一难关。

“从根子上解决问题”

“这是一个很难的事情。”贾振元告诉记者,碳纤维复合材料是由纤维和树脂经过赋形、固化而成的新型材料,多层叠加、多相混合、各向异性,切边、制孔过程中产生的失效行为、去除机理与金属等均质材料完全不同,是典型的难加工材料。国外大公司耗费九牛二虎之力研发的碳纤维复合材料高质高效加工技术属于核心机密,根本不会告诉你。

“必须从根子上解决问题。”经过深思熟虑,贾振元为团队确定了研发路径:从应用基础研究出发,从构成机理上弄清楚造成碳纤维复合材料加工损伤的根源,然后再从工程实践中提炼出解决共性问题的理论方法。

在“973计划”、“863”重点课题、国家自然科学基金和国家“04专项”课题等项目支持下,研发团队重新搭建科研平台、开发新的实验装置,从材料分析、力学计算和机械加工实验等多面开展交叉研究。凭着“蚂蚁啃骨头”的精神,贾振元团队终于取得多项重大突破:探明了碳纤维复合材料去除机理和加工损伤形成机制,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。

一通百通。在此基础上,研发团队用理论指导实践,提出“微元去除”和“反向剪切”加工损伤抑制原理,先后发明3大类、9个系列的制孔、铣削等刀具,实现了复合材料的低损伤加工。

具有“微元去除”和“反向剪切”功能的复合材料系列加工工具。大连理工大学宣传部提供

光有工具还不行,大型构件加工还离不开精良的工艺和装备。研发团队持续攻关,开发了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺,研制了13台套数控加工工艺装备。截至目前,这些装备依然是我国航空航天多个重点型号复合材料关键构件加工的“独一份儿”。

自2010年起,贾振元团队研制的新型刀具和技术装备投入应用,把碳纤维复合材料的加工损伤控制在0.1毫米内,实现了从无法加工、手工加工到低损伤数字化加工的跨越——高性能碳纤维复合材料构件终于在航空、航天和交通等领域的高端装备上大显身手。

“最喜欢别人叫我‘贾老师’”

这是贾振元第四次获国家技术发明奖。第一次是2005年,他以第五完成人身份荣获得国家技术发明奖二等奖,第二次是2008年,他以第二完成人的身份荣获国家技术发明奖一等奖;第三次是2014年,他作为第一完成人荣获国家技术发明奖二等奖。四次拿大奖,都是聚焦国家重大需求的关键零部件加工的基础理论和工具工艺装备问题,但对象完全不同,有联系也有区别。

这期间,他也由机械工程学院院长升至机械工程与材料能源学部部长,并于2015年起担任大连理工副校长。

“其实我最喜欢别人叫我‘贾老师’?！彼钩?“我给自己的定义就是老师,教书是本分,科研是本分。我当院长、部长很多年,现在干副校长,行政和科研不能说没有冲突,关键是你如何分配好时间、提高效率?！?/p>

贾振元是如何做到的?

同事的答案是“三不会”。团队骨干高航教授说:“贾老师一不会打麻将,二不会打扑克,三不会唱歌,几乎没什么业余爱好。”

贾振元自己的诀窍,是“三个一会儿”:早上早到一会儿,中午少休息一会儿、下班以后再多干一会儿。

“其实贾老师搞科研不止‘三个一会儿’。”团队成员王福吉教授介绍说,贾振元几乎没有节假日,办公桌上全是书,一有空就看材料、研究问题?！坝幸淮涡瞧谔煳业桨旃ゴ淼闼绞?经过贾老师办公室时,瞅见他正低着头、仔细琢磨手里的刀具?！?/p>

贾振元严于律己,在团队成员面前则幽默谦和。他负责的现代制造技术科研团队是科技部、教育部认定的创新团队,目前有30多名教师、200多名研究生。

在外人眼里,知识分子毛病多、脾气大——如何把这么大的团队带好?

“贾老师很幽默,当我们碰到挫折愁眉苦脸时,他一个玩笑就把气氛搞活了?！痹诟吆窖劾?贾老师非常大度,有名有利的事都让给别人。

“带队伍其实不难?！奔终裨ψ潘?“知识分子的特点,就是要得到尊重、实现自己的价值。我的工作,就是如何把成员自己的价值和团队价值结合起来,让大家都有事做、能做事,团队有发展、个人能成长?！?/p>

经过10多年的发展,贾振元带领的现代制造技术科研团队可谓人才济济、藏龙卧虎:1人入选万人计划创新人才、2人入选长江学者特聘教授、1人获国家杰青基金资助、1入选青年长江学者、1人获国家优秀青年基金资助。高航教授自豪地说:我们这个团队,是名副其实的“东北狼”。

“像他们这样既懂理论、又懂实践,能拿出真家伙、解决真问题的队伍,在企业特别受欢迎?！庇爰终裨哦雍献鞫嗄甑暮教觳牧霞肮ひ昭芯克芯吭崩罾贾庋兰邸?/p>