“听材料之声,探未来之路。由中国复合材料学会推出的《复材之声》,聚焦复合材料前沿科技、产业动态和专家观点。致力于搭建一个交流平台,汇行业精英,享真知灼见,共同推动中国复合材料产业蓬勃发展!”
复合材料,是科技创新的重要基石,也是推动产业变革的关键力量。在新能源、航空航天、电子信息等领域,高性能复合材料正发挥着不可替代的作用。然而,如何突破材料性能的极限?如何实现从实验室到产业化的跨越?这些问题不仅关乎技术本身,更关乎国家科技竞争力的提升。
当航天环氧树脂需承受300℃高温却只能在150℃固化;当碳纤维缠绕技术因精度不足制约民用转化——材料领域的“矛盾法则”正是技术突破的起点。
本期《复材之声》对话北京化工大学贾晓龙教授,揭开高性能复合材料技术链的攻坚逻辑:
树脂设计巧思:如何用“封端结构”与“大环树脂”破解耐高温与低温固化的矛盾?
缠绕技术革命:干法精密缠绕如何将效率提升8倍,并实现复杂结构毫米级精度?
标准制定迫在眉睫:新兴技术如何通过学会平台快速建立行业“通用语言”?
青年成长路径:高校研究者如何借团队协作与需求牵引平衡创新与落地?
基于贾晓龙教授20年科研实证,呈现一场从分子设计到装备集成的技术突围。
一、贾教授,您在环氧、氰酸酯等高性能树脂基体合成中,如何解决耐高温与工艺兼容性的矛盾?哪些特种树脂已在重点型号装备中实现应用?
贾晓龙教授的回答:谢谢你的提问,这涉及我们从事20多年的主要科研方向。你提到的环氧和氰酸酯是典型热固性树脂,而热固性树脂属于有机材料。在有机材料研发中,兼顾工艺性和耐热性较难,尤其应用于航天货运领域,对耐热性要求极高。比如,航天环氧树脂需耐热至200度甚至300度,但固化温度不能超150度。为此,我们开展了大量科研攻关。
为实现环氧树脂高温使用,我们在低温固化上做了诸多努力,如用氰酸酯作改性剂设计封端结构,该结构常温稳定,70-100多度高温时解封释放实现快速固化。耐温方面,固化剂保证耐温性,主体树脂采用大环结构调控交联网链结构刚性,实现工艺性和耐热性协同。此外,氰酸酯正常反应温度高,我们开发催化剂使其在150-160度低温固化,完全固化后耐温玻璃化温度可达260-300度。通过技术原理突破,我们研发大量碳纤维专用树脂牌号,很多已进入装备和生产工艺文件,形成唯一定型树脂体系,有几十个牌号,其中三个环氧树脂入选军用国家航天主干材料,在航天、战术导弹、火箭及卫星结构中实现装备类型全覆盖应用,射程上也实现10公里到超1万公里全覆盖应用。
二、贾教授,您团队在复合材料压力容器‘设计-工艺-装备’全链条研究中,如何实现缠绕成型精度与效率的协同提升?能否分享一个民用领域的关键技术突破案例?
贾晓龙教授的回答:实际上,复合材料是多学科交叉领域,涉及材料、设计、工艺装备和软件,需形成完整技术体系。要实现技术链条精度协同提高,首先要有合适人才,研发团队人员配置需多学科背景,例如我们团队突破以材料为核心的局限,向上游拓展到结构力学设计,向下游延伸至工艺装备和软件,所以人才配置至关重要。
在人才支撑基础上,接着要选好技术路线。例如我们研究的碳纤维缠绕成型,传统湿法缠绕虽快速、低成本,但有树脂流淌、环境差、有害人体、含量难控、性能波动、处理复杂形状易滑线、缠绕速度低等缺点,难以实现高精度和高性能。
为此需改变技术路线,近三五年干法高精度缠绕技术出现。它建立新的材料体系,采用非覆膜型碳纤维预浸带,取代传统上下保护膜预浸纱,碳纤维直接放卷进胶、收卷保存、使用时展纱制作,制造链条短、成本低,且树脂和纤维含量控制精确。其次实现高精度缠绕,突破传统龙门式缠绕机,采用类似九轴机器人缠绕机,能实现复杂结构缠绕,提高纤维铺放精度。当然,做好还需相应装备和软件,如缠绕机和高精度控制软件,我们已开发并商业化。
民用领域例子很多,如高速电机最外层的转子护套,传统金属护套高速运转易损坏,现采用碳纤维复合材料,但湿法缠绕效果不佳,而转子护套典型回转桶状结构适合干法超高速缠绕,能低成本制造,速度可达三、四米每秒,适合简单结构、大批量生产产品,应用场景和性能好,大批量生产后成本可降低,经济效益显著。
三、贾教授,作为中国复合材料学会科技评价工作委员会委员,您认为当前碳纤维复合材料产业最亟需统一的性能评价标准是什么?学会如何推动产学研三方协同制定标准?
贾晓龙教授的回答:这个问题较宽泛,复合材料涉及多学科,产业链各阶段或有不完善处。结合工作与研究,如非覆膜型碳纤维预浸带的干法精密缠绕这一新兴技术,在性能和工艺评价方面缺乏标准规范。以工艺性评价为例,预浸纱制成后,其与片材粘附性、收卷和放纱性能,以及缠绕加张力后在模具表面贴合性能的评估标准尚属空白。
但该技术发展热度高、前景广,迫切需要制定推广相关标准。我们已结合实际工作在实验室开展测试大纲和初步标准规范制定,还邀请专家审核完善。未来有机会可在复合材料学会立项制定团体标准,技术成熟后有望成为国家标准。
四、贾教授,您曾获多项青年科技奖,对于从事复合材料工程应用的青年学者,如何平衡‘基础研究创新性’与‘型号应用可靠性’的双重需求?
贾晓龙教授的回答:这个问题提得很到位,是大量复合材料领域研究人员,尤其是高校青年教师普遍面临的困惑,我入行前也有同样困惑。高校既要开展应用技术研究,又要应对考评压力、发表论文,最终还需做出成果并落地工程化,平衡两者很头疼。
从个人经验看,实现平衡关键在于两点:一是现代科研需强大团队支撑,个人难以成为全能型人才,最佳方式是在团队中发挥自身科研专长,凝聚团队力量。比如专注前期基础研究发表论文,后期工程化靠团队成员协助推向市场,自己仍可发挥主导作用。二是除提升自身能力,还应加强与用人单位和企业交流融合,这样易找到需求牵引的研究点,使研究方向更精准,加快研究链条推进,避免埋头苦干却找不到需求应用点的痛苦。建议关注这两点。
从三个环氧树脂牌号入选国家航天主干材料,到干法缠绕技术助力民用转子护套降本增效,贾晓龙团队用“全链条创新”证明:材料的价值,终需在应用中验证。
“靠一个人成为全能选手很难,平衡之道在于团队支撑与需求牵引”
“新技术缺乏标准,就像路上没有交通规则——我们正通过学会推动团标立项”
当实验室的封端固化树脂守护着万公里射程的航天器,当机器人的缠绕臂勾勒出民用产品的低成本路径,我们看到的不仅是技术突破,更是一代材料人“知难而进”的务实哲学。
下期内容,敬请期待!