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    用航天材料打造冰雪“神器”

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-02-25  來源:《人民周刊》2022年第2期  瀏覽次數:115
    核心提示:訪冬季項目碳纖維復合材料高性能器材關鍵技術項目負責人楊小平訪談人物楊小平,北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室副主
    ——訪冬季項目碳纖維復合材料高性能器材關鍵技術項目負責人楊小平


    訪談人物

    楊小平,北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室副主任,教授,博士生導師,國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項——冬季項目碳纖維復合材料高性能器材關鍵技術項目負責人。
     
    現任中國復合材料學會、中國硅酸鹽學會玻璃鋼分會、SAMPE(國際先進材料與制造工程學會)北京分會等學會理事,國家藥監局監督管理局口腔材料重點實驗室學術委員,中國復合材料學會超細纖維復合材料分會副主任、中國復合材料學會車輛工程復合材料專委會委員等。
     
    為了體現“科技冬奧”理念,北京冬奧會在賽事運動裝備方面投入了許多科研力量。其中,在冰雪運動裝備方面,研制了國內首臺雙人碳纖維雪車樣機,突破了雪車外形結構一體化設計、高抗沖復合材料、高質量整體成型制造以及個性化定制等多項關鍵技術,解決了雪車低風阻、高可靠等技術難題,實現了國產雪車裝備“從0到1”的突破。國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項——冬季項目碳纖維復合材料高性能器材關鍵技術項目負責人楊小平,介紹了國產高性能雪車的研發之路。
     
    讓中國運動員用上高端體育器材
     
    問:這個項目有什么立項背景?它主要解決哪些問題?
     
    楊小平:在冬夏兩季奧運會上,運動員的成績都與器材息息相關。比如,夏季奧運會的撐桿跳、網球、自行車,冬季奧運會的雪車、滑雪、冰球等項目。碳纖維具有輕質高強的特點,在航空航天領域得到了廣泛應用。在國際上,碳纖維的跳高桿、碳纖維的自行車、碳纖維的網球棚、碳纖維的雪車、碳纖維的滑雪板等,這一系列的高端器材都極大地提高了運動員的成績。隨著國產碳纖維在航空航天領域的高端應用,推動冬奧會上我國運動員能夠用上我國自主生產的高端體育器材,這就是這個項目的立項背景。
     
    問:目前,這個項目形成了哪些創新成果?有哪些亮點?
     
    楊小平:立項時,我們考慮了四個方面的內容。第一個方面,要用我國的航天技術以及航天的結構設計,如風洞,建立體育器材的結構。第二個方面,要用國產的碳纖維復合材料建立材料體系。在這個方面,我們要研制出一系列高端體育器材,如碳纖維的2人或4人雪車、碳纖維的滑雪板、碳纖維的冰球桿等。第三個方面,把石墨烯、生物級橡膠等前沿新材料應用在體育器材的研制中。第四個方面,希望在國家隊運動員的訓練和比賽中,能用上我國自主研發的高端器材。這個項目中最大的亮點就是2人和4人的碳纖維雪車。
     
    國產雪車
     
    國產碳纖維雪車依靠技術突破
     
    問:雪車項目是一個毫秒必爭的項目,勝負常常在毫秒之間。針對這一特點的比賽,運動裝備在技術上有哪些要求?
     
    楊小平:雪車項目觀賞性很強,運動速度可以達到每小時160公里,冠亞軍之間的比賽成績差距在毫秒之間。在平昌2018年冬奧會上,德國寶馬汽車為德國隊打造了一款碳纖維雪車,助力德國隊拿到世界冠軍,但是這個設備秘不示人,比賽結束后,他們就把這個裝備“藏”起來了。我國在碳纖維雪車研制方面,以前是一片空白?,F在在裝備研發過程中,我們理解到,碳纖維雪車的特性體現在三個方面。第一個方面是要低風阻;第二個方面是高可靠性,因為速度達到了每小時160公里;第三個方面是可操控,我們這次研發的雪車是2人或4人的,有一個舵手,還有運動員,要便于操控。在這三個關鍵技術上,我們要有突破。通過研發,我們研制出了國內第一臺碳纖維雪車。
     
    問:第一臺雪車的研制背后一定有很多技術跨越,能否請您詳細介紹一下?
     
    楊小平:雪車的研制分為兩個階段。第一個階段是填補空白階段,實現了“從0到1”的突破。項目組從2019年11月開始,聯合裝備、設計、材料、制造等部門和體育部門,克服了底子薄的弱點和新冠肺炎疫情的影響,于2021年1月研制出了第一臺國產碳纖維雪車。第二個階段是迭代提升,推進現代化和規?;A段。我們聯合一汽紅旗轎車,在人機工程和操控性能兩個方面有了一些大的突破,實現了碳纖維雪車從可用到好用的跨越。
     
    問:在這些技術的跨越中,科研團隊都突破了哪些技術難題?
     
    楊小平:我們突破了四個方面的技術難題。第一,舵面車身如何實現流線化?我們結合航天的風洞實驗和結構設計技術,實現了系統優化,測試結果與國際同類產品相比,風阻系數降低了8%。第二,采用什么樣的材料?我們采用了國產宇航級的T800碳纖維復合材料,特別突破了它耐高低溫的一些性能,材料的一個關鍵指標沖擊或壓縮強度達到了350兆帕。第三,如何實現整體制造?我們采用了航天的熱壓罐技術,結合一體化制造,檢測結果是缺陷小于1%,保證了高安全性。第四,雪車運動員的頭盔怎么制造?結合3D打印的點陣技術和碳纖維復合材料,以及運動員頭部的個性化數據,個性化定制了運動員的碳纖維頭盔。我們檢測發現,這個頭盔減重20%,風阻系數明顯下降,運動員佩戴的舒適度顯著提高。通過四個方面關鍵技術的突破,實現了“從0到1”、從可用到好用的跨越。
     
     
    國產雪車設計、制造、應用人員協同工作
     
    為中國運動員普及“個性化定制”高端裝備
     
    問:在雪車項目中,頭盔也是影響運動員的一個重要因素。請您展開介紹一下。
     
    楊小平:不只是碳纖維雪車的頭盔,在大部分冬季體育運動中,運動員都戴有頭盔,頭盔都是一個很重要的因素。碳纖維雪車的頭盔,我們采用了三個方面的關鍵技術。第一,把運動員頭盔的氣動設計和雪車的氣動設計結合起來,實現了“1+1>2”的氣動減阻效果;第二,用3D打印技術做了一個點陣結構,加上碳纖維復合材料的高強度,能夠避免運動員的顱內損傷,降低骨折風險;第三,以前,我國運動員使用的頭盔都是國際化的,頭盔的頭型基本上是歐美運動員的頭型,我們通過采集中國運動員的數據,為中國運動員實現了個性化定制。通過這三個方面的關鍵技術,這種3D打印的、定制化的碳纖維頭盔不只雪車運動員能夠使用,未來,其他運動員也都能夠用上。
     
    問:這個項目的研究成果對于中國體育裝備產業的整體發展有什么意義?
     
    楊小平:第一,實現了一些新技術和新材料在高端體育裝備領域的應用;第二,正如航天技術可以用到民用領域,我們相信,碳纖維雪車或頭盔研發的技術也能夠向大眾普及;第三,高端體育器材研發制造是一個大產業,通過這個項目的研究,我們為碳纖維高端體育器材產業的發展作出一些積極的探索,也能汲取很多的經驗。
     
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