国产碳纤维复合材料不仅具有拉伸性能 还具有压缩性能

为了应对吊臂复杂多变的受力情况，有必要开发能够满足工程机械设备制造要求的碳纤维复合材料。这既是业界研究的热点，也是一个具有挑战性和难度的点。

“泵车是工程机械中非常典型的超长柔性多关节臂架设备。今天我们看到的泵车展示的臂，最大长度可以达到63米，这是四轴底盘上可以达到的极限臂长。这主要得益于碳纤维吊杆技术出色的轻量化能力。”11月26日，中联重科研究院(以下简称中联重科)技术研究中心副主任刘彦斌在长沙介绍了中国第一辆国产碳纤维臂架泵车。

“两级混合”设计使碳纤维复合材料“钢”

这款国产碳纤维臂架泵车采用中联重科自主研发10年的碳纤维复合材料。这套材料设计-计算-制造-测试成套技术的成功研发，帮助我国实现了碳纤维复合材料从原材料、设备、设计计算方法到工艺制造的全链条国产化。在打破国外技术垄断的同时，工程机械领域碳纤维材料主要承重结构件的价格成本大幅降低，助力这种新型高性能材料的商业落地。

新设备开发，材料先行。自上个世纪以来，碳纤维复合材料等轻质材料支撑了航空航天设备的快速发展。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、工业等民用领域得到推广和应用。

然而，与碳纤维材料普遍应用的航空航天领域相比，其在工程装备制造中应用的技术难度和复杂性更大。通常是卫星、火箭、飞机等。在空中奔跑，处于相对稳定的运动状态。然而，在工程建设中，多关节结构的碳纤维细长臂需要在空中完成各种作业动作，其运动状态和受力情况复杂多变。然而，碳纤维是一种“拉伸(拉伸)但不压缩(压缩)”的材料。为了应对吊臂复杂多变的受力情况，有必要开发能够满足工程机械设备制造要求的碳纤维复合材料。这既是业界研究的热点，也是一个具有挑战性和难度的点。

早在2011年，中联重科就开始研究碳纤维制造的吊杆。然而，碳纤维材料的“抗拉强度而非抗压强度”问题也困扰着他们。经过不断的研究和实验，中联重科碳纤维材料研发团队最终创新性地提出了“两级混合”设计。即臂架端部采用高强度钢结构和臂架碳纤维复合材料结构制作混合；对于臂部，采用碳纤维复合材料和高强度钢板的叠层半金属化混合物，实现碳纤维复合材料在拉伸和压缩时的“双抗”性能。经过这一“操作”，碳纤维复合材料结构具有与钢相同的成型加工性能。

“我们设计并制造了碳纤维复合材料-高强度钢混合结构吊杆。经过最严格的疲劳评估和验证，4米秤臂架试验使用了100多个样品，臂架总成的评估时间已超过15000小时。整机也通过了长达一年的现场工业评估。上述验证表明，混合结构吊臂的使用寿命是高强度钢吊臂的两倍。”刘彦斌说。

成套技术有望给工程机械行业带来“光”革命。

“自2008年以来，我们一直在探索和形成轻量化技术和节能技术，用于设计和制造具有高强度钢结构的吊臂。2014年，我们开始了以新材料、新工艺、新方法为核心的绿色技术的研究和应用，制造了碳f

事实上，碳纤维复合材料原创创新技术不仅实现了吊臂的两级混合结构设计，还基于吊臂的两级混合结构设计和自主研发的吊臂制造工艺，实现了“混合结构数据库”，给出了计算误差小于10%的“碳纤维复合材料-金属混合吊臂精确计算方法”。

该团队还针对泵车使用过程中可能出现的动臂异常损坏，提出并建立了一套完整的修复方法。同时，该团队还在结构中嵌入磨损失效传感元件，并在碳纤维吊杆的“骨骼”中安装“传感神经”，帮助修复碳纤维吊杆。

“通过整套技术，我们制造的碳纤维复合材料吊臂可以显著提升整机的轻量化水平。以今天亮相的国产碳纤维泵车热潮为例。"与钢吊杆相比，重量减轻可达35% . "刘彦斌说。

中国工程院院士黄博云表示，碳纤维材料与工程机械设备的结合有望给工程建设设备带来“光”革命，而传感器元件与复合材料的融合有望给新材料带来“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，有助于工程机械领域新材料的开发。