獲獎項目:高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備

創新感言:做科研要找對路子?？炭嗟娜撕芏?關鍵在于找準方向,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教授、副校長,長江學者特聘教授,國家973計劃項目首席科學家,國家萬人計劃入選者,2017年度國家技術發明獎一等獎的第一完成人。

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

賈振元(中)與團員成員搞研發。大連理工大學宣傳部提供

賈振元干的這個活,是世界性難題——碳纖維增強樹脂基復合材料(以下簡稱“碳纖維復合材料”)構件的高質高效加工。從2003年起,他帶領團隊接力攻關十多年,不僅在碳纖維復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,達到國際領先水平,為碳纖維復合材料在航空、航天和交通等領域的大規模應用鋪平了道路。

“做制約行業發展的卡脖子問題”

從博士畢業留校任教至今,賈振元在機械工程精密加工領域干了近30年?！拔覀冏龉こ炭茖W的,總希望自己做的事情能有意義?！彼f,“所謂‘有意義’,就是能把自己的研究和國家需求結合起來,做高校有優勢、企業無法解決、制約行業發展的卡脖子問題。”

碳纖維復合材料的高質高效加工,就是這樣的“卡脖子”問題。

航空、航天、交通等領域的高端裝備,是一個國家制造水平的集中體現?！斑@些要跑、要飛的高端裝備質量越輕跑得越快、飛得越遠,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。研究結果表明,飛機結構重量每降低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:一是設計巧妙,二是材料輕質。目前既輕巧又有剛度、強度的材料,當屬碳纖維材料:強度比鋼強,比重比鋁輕,導電性能比銅好。因此,由碳纖維為增強相制備的樹脂基復合材料,不僅輕質、高強,而且易實現材料與結構整體同步制造、省時省工,已成為航空、航天、交通等領域高端裝備減重增效的優選材料。

“一代材料一代裝備,但光有好材料還不行,加工技術必須跟得上?！辟Z振元說,只有先經過切邊、制孔等系列機械加工,復合材料構件才能連接裝配、用到高端裝備上。讓企業頭疼的是:復合材料構件加工過程中很容易產生毛刺、撕裂、分層等損傷。這些加工損傷會影響構件的承載性能、疲勞壽命和可靠性,屬于重大的安全隱患。由于加工技術落后,發達國家應用多年的碳纖維復合材料,在我國愣是難以派上用場。

2003年,科研團隊在與企業合作時發現了這個“卡脖子”問題后,下決心攻克這一難關。

“從根子上解決問題”

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

“必須從根子上解決問題?！苯涍^深思熟慮,賈振元為團隊確定了研發路徑:從應用基礎研究出發,從構成機理上弄清楚造成碳纖維復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、國家自然科學基金和國家“04專項”課題等項目支持下,研發團隊重新搭建科研平臺、開發新的實驗裝置,從材料分析、力學計算和機械加工實驗等多面開展交叉研究。憑著“螞蟻啃骨頭”的精神,賈振元團隊終于取得多項重大突破:探明了碳纖維復合材料去除機理和加工損傷形成機制,提出了針對碳纖維復合材料加工的切削理論,建立了切削力和切削過程動態仿真模型。

一通百通。在此基礎上,研發團隊用理論指導實踐,提出“微元去除”和“反向剪切”加工損傷抑制原理,先后發明3大類、9個系列的制孔、銑削等刀具,實現了復合材料的低損傷加工。

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

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

自2010年起,賈振元團隊研制的新型刀具和技術裝備投入應用,把碳纖維復合材料的加工損傷控制在0.1毫米內,實現了從無法加工、手工加工到低損傷數字化加工的跨越——高性能碳纖維復合材料構件終于在航空、航天和交通等領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發明獎。第一次是2005年,他以第五完成人身份榮獲得國家技術發明獎二等獎,第二次是2008年,他以第二完成人的身份榮獲國家技術發明獎一等獎;第三次是2014年,他作為第一完成人榮獲國家技術發明獎二等獎。四次拿大獎,都是聚焦國家重大需求的關鍵零部件加工的基礎理論和工具工藝裝備問題,但對象完全不同,有聯系也有區別。

這期間,他也由機械工程學院院長升至機械工程與材料能源學部部長,并于2015年起擔任大連理工副校長。

“其實我最喜歡別人叫我‘賈老師’?！彼龟?“我給自己的定義就是老師,教書是本分,科研是本分。我當院長、部長很多年,現在干副校長,行政和科研不能說沒有沖突,關鍵是你如何分配好時間、提高效率?！?/p>

賈振元是如何做到的?

同事的答案是“三不會”。團隊骨干高航教授說:“賈老師一不會打麻將,二不會打撲克,三不會唱歌,幾乎沒什么業余愛好?！?/p>

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’。”團隊成員王福吉教授介紹說,賈振元幾乎沒有節假日,辦公桌上全是書,一有空就看材料、研究問題?！坝幸淮涡瞧谔煳业睫k公樓處理點私事,經過賈老師辦公室時,瞅見他正低著頭、仔細琢磨手里的刀具?！?/p>

賈振元嚴于律己,在團隊成員面前則幽默謙和。他負責的現代制造技術科研團隊是科技部、教育部認定的創新團隊,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——如何把這么大的團隊帶好?

“賈老師很幽默,當我們碰到挫折愁眉苦臉時,他一個玩笑就把氣氛搞活了?！痹诟吆窖劾?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?！辟Z振元笑著說,“知識分子的特點,就是要得到尊重、實現自己的價值。我的工作,就是如何把成員自己的價值和團隊價值結合起來,讓大家都有事做、能做事,團隊有發展、個人能成長?！?/p>

經過10多年的發展,賈振元帶領的現代制造技術科研團隊可謂人才濟濟、藏龍臥虎:1人入選萬人計劃創新人才、2人入選長江學者特聘教授、1人獲國家杰青基金資助、1入選青年長江學者、1人獲國家優秀青年基金資助。高航教授自豪地說:我們這個團隊,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,在企業特別受歡迎?！迸c賈振元團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。