“碳纤维复材加工技术”和“提高无毒增塑剂产能技术”项目获2017国家科技奖

国家技术发明一等奖：碳纤维复合材料加工技术

大连理工大学贾振元教授主持的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”荣获国家技术发明一等奖。下面就对贾振元教授的这项发明成果作简单解读。

问题的提出

做碳纤维复合材料部件，必然要涉及很多打孔、切削、铣削等加工工艺。但是碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂组成，与金属材料相比，复合材料加工复杂得多，因为其内部的碳纤维和树脂加工特性明显不一样，尤其是层间强度明显低于其他方向。

这就带来几个问题，首先当刀具切削力大于层间强度的时候，很容易顶开最外边基层材料，产生撕裂损伤。也就是碳纤维复合材料一层一层叠起来，像书本一样。当切削或者钻孔到最后几层厚度的时候，有可能就会把最后的几层撕裂，看起来就如下图。

其次，碳纤维强度高，刀具难以切断，因此很容易造成表面毛刺现象，降低了工件结构完整性和增大了装配误差。

最后，刀具和碳纤维复合材料摩擦生热，肯定使接触面温度过高，可能会造成基体树脂的软化、烧蚀，从而带来结构损伤。而且切削产生的碎屑不容易排出。

解决方案

从大连理工官网发布的消息和贾振元教授申请的专利，我们可以得到这项技术的大概轮廓。

首先针对碳纤维复合材料表层撕裂和纤维毛刺问题，贾振元教授提出了“微元去除”和“反向剪切”相结合的方案，我们分别了解一下。

所谓“微元去除”，就是减小刀具单刃切削量，来降低切削过程的分层和撕裂损伤的可能。也就是贾教授认为切削过程发生分层和撕裂，是因为切得太猛了，因此应该减小切削。

所谓“反向剪切”，就是表面几层材料撕裂，是因为切削方向有刀具向外顶，而外部没有力约束着最外边几层的材料，所以会发生撕裂。解决之道就是，最外边几层利用刀具从反方向的切削，来防止撕裂行为的发生。

所以，贾振元教授解决撕裂损伤和剥层的技术方案就是：首先利用一系列的公式计算碳纤维复合材料可能会在切削到什么程度的时候会发生撕裂现象，然后先利用“微元去除”的办法小步快跑的进行切削，到达计算的容易发生撕裂的程度，翻转刀具，从反向进行加工，防止撕裂产生。

以上技术方案记录在公开号为：CN201610975600的专利公开文件中。

对于切削过程容易产生温度过高和切屑不容易排出的问题，贾振元教授提出的方案是“负压逆向冷却”和“自风冷排屑”方案。示意图如下：

同样，这是一个贾振元教授申请的专利文件的附图。其中最主要的两个亮点：一是在钻头外部加了一个罩子，这个罩子与复合材料表面形成一个密闭的空腔，然后在编号为11的小口进行抽真空；第二个亮点就是钻头尖部有一个小孔。该小孔是一个气孔，加工的时候，气体从这里吹出，然后从上面说的11口排出去，这个过程不但把切削过程产生的热量带走，也吹走了切屑。

不止于此，如上述最外边几层材料无支撑，因此加工的时候，容易发生撕裂。贾振元教授的方案钻头尖部这个小孔可以在还剩下最后几层材料的时候，改吹起为吸气，利用钻头外边的这个罩子里面形成的真空，外部大气压会压着最外边几层材料向内，从而防止发生撕裂损伤。

以上技术方案记录在专利号为：CN201610392258的专利授权文件中。

这里仅是对解决方案进行了简要介绍，其实在贾振元教授的专利文件中，列举了大量的公式和原理来进行说明，可以看出是做了大量的理论研究的。加工问题算是复合材料里面的一个小众问题，能获得国家技术发明一等奖，说明不怕问题小，就怕不较真。任何一个小问题，或许也可以产生巨大的研究成果。

国家技术发明二等奖：解决生物基增塑剂生产关键难题

南京工业大学生物与制药工程学院院长郭凯教授主持的“基于微流场反应技术的生物基无毒增塑剂及其衍生物连续绿色制造”获国家科技发明二等奖。该技术将提高无毒增塑剂产能近万倍。

众所周知，塑料制品与我们的生活息息相关，而塑料制品的生产离不开增塑剂。增塑剂能改变塑料又硬又脆的特性，使其具有柔韧性，便于制品弯曲成型等。

据了解，由于技术和成本的原因，现在市场上很多塑料制品使用了含有毒性的传统增塑剂，而美国FDA和欧盟认证的两类无毒增塑剂柠檬酸酯类及环氧植物油类产品尚未在中国大范围使用，主要原因是较多生产企业技术水平较低导致产品品质低及生产安全存在隐患等。

郭凯教授介绍：“微流场反应技术规模化工程应用是国际共性难题，因为传统微通道反应尺度在百微米级别，一旦尺度扩大则会导致复杂有机化学反应体系微流场效应丧失，但是我们的研究成果已能在厘米尺度下保持微流场效应，百微米尺度的传统微通道反应器每年只能生产百公斤至吨级增塑剂，难以满足生产及市场需求，而厘米级管径的反应器每年能生产万吨”。

郭凯教授课题组经过多年技术攻关突破了尺度放大与尺度效应难以同步、多单元系统集成困难、高效工程装备缺失等技术瓶颈后，在江苏雷蒙化工科技有限公司、江苏向阳科技有限公司及张家港市飞航科技有限公司实现了基于微流场反应技术的高品质增塑剂(柠檬酸酯产品、环氧脂肪酸甲酯产品)及增塑剂下游产品(生物基聚氨酯硬泡多元醇产品)的连续化生产。

研究团队骨干方正副教授介绍道说：“我们合作厂家生产的柠檬酸酯等产品通过中国、美国、欧盟等中国外权威机构的认证，在中国外多家企业获得应用，解决了增塑剂反应品质低下和生产安全问题”。

据悉，郭凯教授领衔的项目组在国家973计划、国家重大专项、国家自然科学基金及校企合作项目的支持下完成，项目相关技术共申请国家发明专利32项，其中授权专利21项，发表SCI论文11篇，为推动微流场技术的规模化应用及增塑剂产业的无毒化转型及衍生应用作出了重要贡献。近3年新增销售额达16.28亿元人民币，新增利税2.58亿元人民币。