國產碳纖維複合材料不僅抗拉還抗壓

◎本報記者 俞慧友

要應對臂架受力情況的複雜多變，就需要研發出可滿足工程機械裝備製造需求的“既抗拉又抗壓”的碳纖維複合材料。這，是業內研究的熱點，同時也是極具挑戰力的難點。

“泵車是工程機械中極為典型的超長柔性多關節臂架類裝備。今天大家看到的這台泵車展臂，最大長度可達63米，是四橋底盤上可實現的極限臂長。這主要得益於碳纖維臂架技術優異的輕量化能力。”11月26日，在長沙召開的“中聯重科新能源裝備及碳纖維複合材料新技術發佈會”上，中聯重科研究院技術研究中心（以下簡稱中聯重科）副主任劉延斌，介紹了首次公開亮相的我國首款國產化碳纖維臂架泵車。

“兩級混合”設計成就碳纖維複合材料“鋼”性

這台國產化碳纖維臂架泵車採用了中聯重科歷經10年自主研發的碳纖維複合材料。該材料設計—計算—製造—測試成套技術的研發成功，助力我國實現了碳纖維複合材料從原材料、裝備、設計計算方法到工藝製造等全鏈條的國產化；打破國外技術壟斷的同時，大幅降低了工程機械領域以碳纖維材料製造的主承力結構件的價格成本，助力這類新型高性能材料的商用落地。

新裝備開發，材料先行。上世紀以來，以碳纖維複合材料為代表的輕量化材料，支撐了航空航天裝備飛速發展。到本世紀，隨着技術的成熟，碳纖維複合材料逐漸在交通、能源、工業等民用領域推廣應用。

不過，相較於碳纖維材料常用於的航空航天領域，其用於工程裝備製造，技術難度和複雜性更甚。通常，衞星、火箭、飛機等在空中運行，處於相對穩定的運動狀態。但工程施工中，具多關節結構的碳纖維細長臂架，需在空中完成各類施工所需的操作動作，運動狀態和受力情況複雜多變。可偏偏，碳纖維是一種“抗拉（伸）不抗壓（力）”的材料。要應對臂架受力情況的複雜多變，就需要研發出可滿足工程機械裝備製造需求的“既抗拉又抗壓”的碳纖維複合材料。這，是業內研究的熱點，同時也是極具挑戰力的難點。

早在2011年，中聯重科便開始研究以碳纖維材料製造臂架。但碳纖維材料“抗拉不抗壓”的難題，也同樣困擾了他們。不斷地研究與實驗，中聯重科碳纖維材料研發團隊終於創新性地提出了“兩級混合”設計。即對臂架端部採用高強鋼結構和臂體部分碳纖維複合材料結構裝配式混合；對臂體部分，採用碳纖維複合材料和高強鋼板疊層式的半金屬化混合，實現了碳纖維複合材料抗拉、抗壓的“雙抗”性能。這樣的“操作”後，碳纖維複合材料結構便具備了鋼材同樣的成型和加工性能。

“我們設計製造的碳纖維復材—高強鋼混合結構臂架，經過最嚴格的疲勞考核驗證，4米縮尺臂架試驗用過的樣件超過100件，臂架總成考核的時間超過15000小時，整機也經過了長達一年的工地工業性考核。上述驗證表明，混合結構臂架的壽命達到了高強鋼臂架的2倍。”劉延斌説。

成套技術有望帶來工程機械行業“輕”革命

“2008年起，我們就開始探索和形成以高強鋼結構來設計、製造臂架的輕量化技術和動力節能技術。2014年，我們全面啓動了以新材料、新工藝、新方法為核心的綠色化技術研究與應用，並且把碳纖維作為繼高強鋼之後的下一代新材料攻關重點。今天很欣喜的是，我們成功了。”中聯重科副總裁、總工程師付玲説。

事實上，碳纖維複合材料原創新技術除了臂架兩級混合結構設計，還實現了基於臂架兩級混合結構設計和自研的臂架製造工藝而建立的“混合結構數據庫”，並給出了計算誤差小於10%的“碳纖維復材—金屬混合臂架精準計算方法”。

針對泵車使用過程中可能出現的臂架異常損傷，團隊還提出並建立了成套修復方法。同時，團隊還在結構中嵌入磨損失效感知元件，在碳纖維臂架的“骨頭”中裝上“感知神經”，助力碳纖維臂架修復。

“通過成套技術，我們製造的碳纖維複合材料臂架，可顯著提高整機輕量化水平。以今天亮相的國產化碳纖維泵車臂架為例，相對鋼材料臂架，輕量化可達35%。”劉延斌説。

中國工程院院士黃伯雲稱，碳纖維材料與工程機械裝備的結合，有望為工程建築裝備帶來“輕”革命，傳感元件與複合材料融合，則有望給新材料帶來“智”的飛躍。這種碳纖維複合材料新技術，有望拓寬碳纖維材料的民用領域，也有望助力新材料在工程機械領域的發展。