国产碳纤维复合材料不仅抗拉还抗压

◎本报记者 俞慧友

要应对臂架受力情况的复杂多变，就需要研发出可满足工程机械装备制造需求的“既抗拉又抗压”的碳纤维复合材料。这，是业内研究的热点，同时也是极具挑战力的难点。

“泵车是工程机械中极为典型的超长柔性多关节臂架类装备。今天大家看到的这台泵车展臂，最大长度可达63米，是四桥底盘上可实现的极限臂长。这主要得益于碳纤维臂架技术优异的轻量化能力。”11月26日，在长沙召开的“中联重科新能源装备及碳纤维复合材料新技术发布会”上，中联重科研究院技术研究中心（以下简称中联重科）副主任刘延斌，介绍了首次公开亮相的我国首款国产化碳纤维臂架泵车。

“两级混合”设计成就碳纤维复合材料“钢”性

这台国产化碳纤维臂架泵车采用了中联重科历经10年自主研发的碳纤维复合材料。该材料设计—计算—制造—测试成套技术的研发成功，助力我国实现了碳纤维复合材料从原材料、装备、设计计算方法到工艺制造等全链条的国产化；打破国外技术垄断的同时，大幅降低了工程机械领域以碳纤维材料制造的主承力结构件的价格成本，助力这类新型高性能材料的商用落地。

新装备开发，材料先行。上世纪以来，以碳纤维复合材料为代表的轻量化材料，支撑了航空航天装备飞速发展。到本世纪，随着技术的成熟，碳纤维复合材料逐渐在交通、能源、工业等民用领域推广应用。

不过，相较于碳纤维材料常用于的航空航天领域，其用于工程装备制造，技术难度和复杂性更甚。通常，卫星、火箭、飞机等在空中运行，处于相对稳定的运动状态。但工程施工中，具多关节结构的碳纤维细长臂架，需在空中完成各类施工所需的操作动作，运动状态和受力情况复杂多变。可偏偏，碳纤维是一种“抗拉（伸）不抗压（力）”的材料。要应对臂架受力情况的复杂多变，就需要研发出可满足工程机械装备制造需求的“既抗拉又抗压”的碳纤维复合材料。这，是业内研究的热点，同时也是极具挑战力的难点。

早在2011年，中联重科便开始研究以碳纤维材料制造臂架。但碳纤维材料“抗拉不抗压”的难题，也同样困扰了他们。不断地研究与实验，中联重科碳纤维材料研发团队终于创新性地提出了“两级混合”设计。即对臂架端部采用高强钢结构和臂体部分碳纤维复合材料结构装配式混合；对臂体部分，采用碳纤维复合材料和高强钢板叠层式的半金属化混合，实现了碳纤维复合材料抗拉、抗压的“双抗”性能。这样的“操作”后，碳纤维复合材料结构便具备了钢材同样的成型和加工性能。

“我们设计制造的碳纤维复材—高强钢混合结构臂架，经过最严格的疲劳考核验证，4米缩尺臂架试验用过的样件超过100件，臂架总成考核的时间超过15000小时，整机也经过了长达一年的工地工业性考核。上述验证表明，混合结构臂架的寿命达到了高强钢臂架的2倍。”刘延斌说。

成套技术有望带来工程机械行业“轻”革命

“2008年起，我们就开始探索和形成以高强钢结构来设计、制造臂架的轻量化技术和动力节能技术。2014年，我们全面启动了以新材料、新工艺、新方法为核心的绿色化技术研究与应用，并且把碳纤维作为继高强钢之后的下一代新材料攻关重点。今天很欣喜的是，我们成功了。”中联重科副总裁、总工程师付玲说。

事实上，碳纤维复合材料原创新技术除了臂架两级混合结构设计，还实现了基于臂架两级混合结构设计和自研的臂架制造工艺而建立的“混合结构数据库”，并给出了计算误差小于10%的“碳纤维复材—金属混合臂架精准计算方法”。

针对泵车使用过程中可能出现的臂架异常损伤，团队还提出并建立了成套修复方法。同时，团队还在结构中嵌入磨损失效感知元件，在碳纤维臂架的“骨头”中装上“感知神经”，助力碳纤维臂架修复。

“通过成套技术，我们制造的碳纤维复合材料臂架，可显著提高整机轻量化水平。以今天亮相的国产化碳纤维泵车臂架为例，相对钢材料臂架，轻量化可达35%。”刘延斌说。

中国工程院院士黄伯云称，碳纤维材料与工程机械装备的结合，有望为工程建筑装备带来“轻”革命，传感元件与复合材料融合，则有望给新材料带来“智”的飞跃。这种碳纤维复合材料新技术，有望拓宽碳纤维材料的民用领域，也有望助力新材料在工程机械领域的发展。