辽宁实验室的“黑科技”②｜ “难搞”的复合材料

“减重增效是所有装备发展的必然趋势，碳纤维的抗拉强度是钢筋的7倍、铝合金的8倍，且比它们都轻，广泛应用于航空航天。”日前，在辽宁黄海实验室，复合材料控形控性制造团队负责人王福吉拿起一个小型碳纤维器件解释说，“这类先进复合材料制成的构件能让火车跑得更快，导弹飞得更远。”

据了解，先进复合材料因其轻质、高强、可设计、耐腐蚀、耐高温等优点，广泛应用于航空航天飞行器关键部件，是航空航天飞行器研制和发展的物质基础和技术先导，也是衡量其先进性和可靠性的重要标志。特别是进入21世纪以来，我国在先进复合原材料研制方面投入大量的人力物力，取得了突破性进展，实现了原材料产业化和低成本化，使其在能源、化工、建筑和交通等诸多领域实现了规模化应用，逐渐成为我国国民经济的支柱产业。特别在“双碳战略”的驱动下，先进复合材料基于其轻量化的特点，在汽车、高铁、船舶及航空交通运输领域中起着至关重要的作用。因此，掌握先进复合材料低成本高效成型制造技术，是保障相应产品质量一致性，提高其市场竞争力，实现其批量生产商品化的基石和驱动力。

连续纤维增强树脂基先进复合材料一般采用缠绕或铺放工艺进行成型制造。缠绕一般适用于回转体制造，对于复杂曲面构件以及具有凹面回转体产品的制造，需要采用铺放成型工艺。为了充分发挥纤维丝的强度，克服缠绕和铺放单独工艺的不足，就需要研发具有独立知识产权的缠绕/铺放一体化工艺与装备，从而获得高性能的先进复合材料产品。

“目前，我们先进复合材料制造团队基于这一理念，正在积极突破缠绕和铺放单独工艺的原理性限制，探索缠绕和铺放制造组合工艺的制造技术，开发相应的智能制造装备，研究先进复合材料结构产品的控形控性制造，实现先进复合材料产品的低成本高性能的批量生产。”王福吉说，“由于碳纤维复合材料构件是一层层铺出来的，加工钻孔时会产生毛边或劈裂，我们研制出复合材料制孔刀具。”他指着小小钻头细致地解释。做成这样一个结构发明，小刃会变切为剪，实现复材高质高效加工，该系列技术获得国家技术发明一等奖。

据了解，复合材料控形控性制造技术是辽宁黄海实验室正在进行的重大科研攻关项目。该项目围绕复合材料成型过程中纤维形态的演化传递机制和控制规律、大型复杂结构纤维增强树脂基复材的成型成性机理、热塑性树脂基复合材料切削机理和加工损伤产生机制等科学问题，对高性能热塑性复材高质高效成型、低损伤加工和连接装配以及短切碳纤维预浸料高稳定制造等展开研究，突破“卡脖子”技术，研发热塑性复材复杂构件稳定成形工艺技术、高寿命专用加工工具以及相应的工艺技术和装备，实现复材构件高质高效加工制造。

目前，团队已开展热塑性复材钻削和铣削预实验，初步建立热塑性复材与金属激光连接温度场仿真模型及连续碳纤维预浸料横向切割三维模型。

“实验室面向经济主战场，以市场需求为导向，依据先进复合材料成型制造行业前沿发展动态，不断提高自主创新能力，开展先进复合材料产品制造中核心技术攻关，突破‘卡脖子’技术难点，积极推动实现其产业转化。”辽宁黄海实验室常务副主任刘巍表示。（视频由本报记者查金辉 拍摄，韩宇浩制作）