陈祥宝院士:两获国家奖,做碳纤维复合材料,他是认真的!-复合材料网

陈祥宝,中国工程院院士,复合材料专家

1956年生于江苏省常熟市,1978.3~1984.7就读于北京航空航天大学材料系,获学士和硕士学位,1991年毕业于鲁汶大学,获工学博士学位。中国航空工业集团公司北京航空材料研究院研究员。现任北京航空材料研究院副院长,自然科学研究员,博士生导师,兼任结构性碳纤维先进复合材料国防科技重点国家工程实验室主任。中国航空工业集团公司复合材料首席专家,总装备部先进材料技术专业组副组长,国家高技术研究发展计划(863计划)航空航天领域专家,长期从事先进复合材料的研究工作,科技成果获得多项国家奖励。2011年12月当选为中国工程院院士。

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▲陈祥宝院士小传

跟温度战斗到底

01、成功开发低温固化剂 获得了国家技术发明二等奖

树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、抗疲劳性能好等独特优点,在航空航天、基础设施、风力发电、汽车和体育用品等领域应用日广。然而成本高、制造周期长和可靠性低是其存在的主要问题,特别是复合材料的高成本,严重制约了其大规模应用。

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▲国内先进树脂基复合材料在不同飞机的应用

你能想象吗?复合材料的制造成本高达总成本的60%-70%,究其原因是复合材料在的高能耗、耐高温工装模具和耐高温成型辅助材料。这三者同时被一个因素影响——复合材料的固化温度!固化温度越高,能耗就越高、模具和辅助材料的成本就越高,如果把复合材料的固化温度降低到80℃以下,复合材料的制造成本就会大大降低。因此,陈祥宝开始了研制低温固化高性能复合材料的漫漫长路。

低温固化剂是这一技术成功的关键之一。跟温度战斗到底!陈祥宝带领团队历时5年多,合成了新型潜伏性固化剂,它在室温下跟环氧树脂反应非常缓慢,但在60℃-80℃时二者能够迅速发生化学反应;通过控制其在环氧树脂中的溶解性和形态,可以做成在室温状态下不溶于环氧树脂的颗粒,当升温到60℃时,颗粒就会融化,扩大了反应面积,使得复合材料迅速固化。

低温固化高性能复合材料的成功研制,解决了复合材料成本过高的问题,极大地促进了高性能复合材料应用领域的扩大,目前已经在预警机、无人机和直升机构件获得应用。该项目获得了国家技术发明二等奖。

缩短复合材料固化周期

02、建立了树脂流动浸润模型 斩获国家科技进步二等奖

搞科研的都知道,问题是永远都存在的,成本问题已经基本解决,那是不是可以运用模型优化材料制造过程呢?有了想法就要进行实践。

为了优化制造工艺、提高研究效率,陈祥宝带领团队系统研究了树脂基复合材料制造过程的热化学、热物理规律,然后化繁为简,利用反应热和温度这两个核心要素来表征实际的固化反应,采用了制造过程固化动力学方程和温度场分布模型。

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▲复合材料固化过程温度计算和实测结果比较

在复合材料固化过程模拟技术的基础上,依据目前不同复合材料成型的基本要求,确定了固化过程优化的规范。以固化的时间最短、固化均匀和完全为优化目标,建立了复合材料固化过程工艺优化判据及固化工艺优化技术。采用固化模拟优化技术对5428BMI复合材料固化工艺参数进行优化,在复合材料性能不变的前提下,实现固化周期由11.5h减少到6h。

之后,他们又建立了树脂流动浸润模型,发展了固化变形控制和制造过程工艺优化技术,形成了结构完整、实用的“先进树脂基复合材料制造模拟与优化系统”,该系统具有树脂基复合材料制造过程树脂固化和流动模拟、制造成本和固化变形预测、制造过程工艺参数优化等多种功能,目前已在复合材料研制过程中大量应用,最终获得了国家科技进步二等奖。

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▲带工字平板结构RTM成型过程

树脂流动模拟及验证结果

永远不会满足

03、开展了复合材料增韧技术研究 满足航空应用要求

为了追求完美,陈祥宝永远也不会满足,他和团队人员还开展了复合材料增韧技术研究,通过发展多层次的增韧技术,建立了高性能复合材料增韧技术体系,研制了满足航空应用要求的高韧性环氧、高韧性双马树脂基复合材料体系,其中部分复合材料的韧性达到国际三代高韧性复合材料的水平。

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▲国内部分高性能复合材料的韧性和耐热性

他们还开展了国产碳纤维增强高性能复合材料应用技术研究,牵引和促进了国产碳纤维 CCF—300实现稳定生产和工程应用;主持了复合材料自动铺带技术研究,建立了复合材料预浸带技术标准和自动铺带工艺规范,明显提高了制造效率,提升了复合材料构件自动化制造技术水平。

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▲不同铺放技术的生产效率比较

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▲自动铺带制造的复合材料翼面构件

随着国内航空装备先进树脂基复合材料用量的不断增加和应用要求的不断提高,先进树脂基复合材料制造技术将继续向整体化、自动化、数字化和智能化发展,复合材料结构向整体模块化快速发展。让我们拭目以待!

俗话说,干一行爱一行,陈祥宝多年来专注于复合材料事业,一定是对它十分热爱的。希望未来的我们也会如此,不论哪行哪业,永远不知满足,始终保持激情!