2026年05月26日 星期二
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【復材之聲】人物專訪第七期丨從實驗室到型號戰(zhàn)場:賈曉龍教授解密高性能樹脂與纏繞技術攻關二十年
來源: 時間: 2025-09-26 瀏覽: 6057

“聽材料之聲,探未來之路。由中國復合材料學會推出的《復材之聲》,聚焦復合材料前沿科技、產(chǎn)業(yè)動態(tài)和專家觀點。致力于搭建一個交流平臺,匯行業(yè)精英,享真知灼見,共同推動中國復合材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展!”

復合材料,是科技創(chuàng)新的重要基石,也是推動產(chǎn)業(yè)變革的關鍵力量。在新能源、航空航天、電子信息等領域,高性能復合材料正發(fā)揮著不可替代的作用。然而,如何突破材料性能的極限?如何實現(xiàn)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越?這些問題不僅關乎技術本身,更關乎國家科技競爭力的提升。

當航天環(huán)氧樹脂需承受300℃高溫卻只能在150℃固化;當碳纖維纏繞技術因精度不足制約民用轉化——材料領域的“矛盾法則”正是技術突破的起點。

本期《復材之聲》對話北京化工大學賈曉龍教授,揭開高性能復合材料技術鏈的攻堅邏輯:

樹脂設計巧思:如何用“封端結構”與“大環(huán)樹脂”破解耐高溫與低溫固化的矛盾?

纏繞技術革命:干法精密纏繞如何將效率提升8倍,并實現(xiàn)復雜結構毫米級精度?

標準制定迫在眉睫:新興技術如何通過學會平臺快速建立行業(yè)“通用語言”?

青年成長路徑:高校研究者如何借團隊協(xié)作與需求牽引平衡創(chuàng)新與落地?

基于賈曉龍教授20年科研實證,呈現(xiàn)一場從分子設計到裝備集成的技術突圍。

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一、賈教授,您在環(huán)氧、氰酸酯等高性能樹脂基體合成中,如何解決耐高溫與工藝兼容性的矛盾?哪些特種樹脂已在重點型號裝備中實現(xiàn)應用?

賈曉龍教授的回答:謝謝你的提問,這涉及我們從事20多年的主要科研方向。你提到的環(huán)氧和氰酸酯是典型熱固性樹脂,而熱固性樹脂屬于有機材料。在有機材料研發(fā)中,兼顧工藝性和耐熱性較難,尤其應用于航天貨運領域,對耐熱性要求極高。比如,航天環(huán)氧樹脂需耐熱至200度甚至300度,但固化溫度不能超150度。為此,我們開展了大量科研攻關。

為實現(xiàn)環(huán)氧樹脂高溫使用,我們在低溫固化上做了諸多努力,如用氰酸酯作改性劑設計封端結構,該結構常溫穩(wěn)定,70-100多度高溫時解封釋放實現(xiàn)快速固化。耐溫方面,固化劑保證耐溫性,主體樹脂采用大環(huán)結構調控交聯(lián)網(wǎng)鏈結構剛性,實現(xiàn)工藝性和耐熱性協(xié)同。此外,氰酸酯正常反應溫度高,我們開發(fā)催化劑使其在150-160度低溫固化,完全固化后耐溫玻璃化溫度可達260-300度。通過技術原理突破,我們研發(fā)大量碳纖維專用樹脂牌號,很多已進入裝備和生產(chǎn)工藝文件,形成唯一定型樹脂體系,有幾十個牌號,其中三個環(huán)氧樹脂入選軍用國家航天主干材料,在航天、戰(zhàn)術導彈、火箭及衛(wèi)星結構中實現(xiàn)裝備類型全覆蓋應用,射程上也實現(xiàn)10公里到超1萬公里全覆蓋應用。

二、賈教授,您團隊在復合材料壓力容器‘設計-工藝-裝備’全鏈條研究中,如何實現(xiàn)纏繞成型精度與效率的協(xié)同提升?能否分享一個民用領域的關鍵技術突破案例?

賈曉龍教授的回答:實際上,復合材料是多學科交叉領域,涉及材料、設計、工藝裝備和軟件,需形成完整技術體系。要實現(xiàn)技術鏈條精度協(xié)同提高,首先要有合適人才,研發(fā)團隊人員配置需多學科背景,例如我們團隊突破以材料為核心的局限,向上游拓展到結構力學設計,向下游延伸至工藝裝備和軟件,所以人才配置至關重要。

在人才支撐基礎上,接著要選好技術路線。例如我們研究的碳纖維纏繞成型,傳統(tǒng)濕法纏繞雖快速、低成本,但有樹脂流淌、環(huán)境差、有害人體、含量難控、性能波動、處理復雜形狀易滑線、纏繞速度低等缺點,難以實現(xiàn)高精度和高性能。

為此需改變技術路線,近三五年干法高精度纏繞技術出現(xiàn)。它建立新的材料體系,采用非覆膜型碳纖維預浸帶,取代傳統(tǒng)上下保護膜預浸紗,碳纖維直接放卷進膠、收卷保存、使用時展紗制作,制造鏈條短、成本低,且樹脂和纖維含量控制精確。其次實現(xiàn)高精度纏繞,突破傳統(tǒng)龍門式纏繞機,采用類似九軸機器人纏繞機,能實現(xiàn)復雜結構纏繞,提高纖維鋪放精度。當然,做好還需相應裝備和軟件,如纏繞機和高精度控制軟件,我們已開發(fā)并商業(yè)化。

民用領域例子很多,如高速電機最外層的轉子護套,傳統(tǒng)金屬護套高速運轉易損壞,現(xiàn)采用碳纖維復合材料,但濕法纏繞效果不佳,而轉子護套典型回轉桶狀結構適合干法超高速纏繞,能低成本制造,速度可達三、四米每秒,適合簡單結構、大批量生產(chǎn)產(chǎn)品,應用場景和性能好,大批量生產(chǎn)后成本可降低,經(jīng)濟效益顯著。

三、賈教授,作為中國復合材料學會科技評價工作委員會委員,您認為當前碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)最亟需統(tǒng)一的性能評價標準是什么?學會如何推動產(chǎn)學研三方協(xié)同制定標準?

賈曉龍教授的回答:這個問題較寬泛,復合材料涉及多學科,產(chǎn)業(yè)鏈各階段或有不完善處。結合工作與研究,如非覆膜型碳纖維預浸帶的干法精密纏繞這一新興技術,在性能和工藝評價方面缺乏標準規(guī)范。以工藝性評價為例,預浸紗制成后,其與片材粘附性、收卷和放紗性能,以及纏繞加張力后在模具表面貼合性能的評估標準尚屬空白。

但該技術發(fā)展熱度高、前景廣,迫切需要制定推廣相關標準。我們已結合實際工作在實驗室開展測試大綱和初步標準規(guī)范制定,還邀請專家審核完善。未來有機會可在復合材料學會立項制定團體標準,技術成熟后有望成為國家標準。

四、賈教授,您曾獲多項青年科技獎,對于從事復合材料工程應用的青年學者,如何平衡‘基礎研究創(chuàng)新性’與‘型號應用可靠性’的雙重需求?

賈曉龍教授的回答:這個問題提得很到位,是大量復合材料領域研究人員,尤其是高校青年教師普遍面臨的困惑,我入行前也有同樣困惑。高校既要開展應用技術研究,又要應對考評壓力、發(fā)表論文,最終還需做出成果并落地工程化,平衡兩者很頭疼。

從個人經(jīng)驗看,實現(xiàn)平衡關鍵在于兩點:一是現(xiàn)代科研需強大團隊支撐,個人難以成為全能型人才,最佳方式是在團隊中發(fā)揮自身科研專長,凝聚團隊力量。比如專注前期基礎研究發(fā)表論文,后期工程化靠團隊成員協(xié)助推向市場,自己仍可發(fā)揮主導作用。二是除提升自身能力,還應加強與用人單位和企業(yè)交流融合,這樣易找到需求牽引的研究點,使研究方向更精準,加快研究鏈條推進,避免埋頭苦干卻找不到需求應用點的痛苦。建議關注這兩點。

從三個環(huán)氧樹脂牌號入選國家航天主干材料,到干法纏繞技術助力民用轉子護套降本增效,賈曉龍團隊用“全鏈條創(chuàng)新”證明:材料的價值,終需在應用中驗證。

“靠一個人成為全能選手很難,平衡之道在于團隊支撐與需求牽引”

“新技術缺乏標準,就像路上沒有交通規(guī)則——我們正通過學會推動團標立項”

當實驗室的封端固化樹脂守護著萬公里射程的航天器,當機器人的纏繞臂勾勒出民用產(chǎn)品的低成本路徑,我們看到的不僅是技術突破,更是一代材料人“知難而進”的務實哲學。


下期內(nèi)容,敬請期待!

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