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        用航天材料打造冰雪“神器”

        放大字体  缩小字体 发布日期:2022-02-25  来源:《人民周刊》2022年第2期  浏览次数:350
        核心提示:访冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目负责人杨小平访谈人物杨小平,北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室副主
        ——访冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目负责人杨小平


        访谈人物

        杨小平,北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室副主任,教授,博士生导师,国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目负责人。
         
        现任中国复合材料学会、中国硅酸盐学会玻璃钢分会、SAMPE(国际先进材料与制造工程学会)北京分会等学会理事,国家药监局监督管理局口腔材料重点实验室学术委员,中国复合材料学会超细纤维复合材料分会副主任、中国复合材料学会车辆工程复合材料专委会委员等。
         
        为了体现“科技冬奥”理念,北京冬奥会在赛事运动装备方面投入了许多科研力量。其中,在冰雪运动装备方面,研制了国内首台双人碳纤维雪车样机,突破了雪车外形结构一体化设计、高抗冲复合材料、高质量整体成型制造以及个性化定制等多项关键技术,解决了雪车低风阻、高可靠等技术难题,实现了国产雪车装备“从0到1”的突破。国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目负责人杨小平,介绍了国产高性能雪车的研发之路。
         
        让中国运动员用上高端体育器材
         
        问:这个项目有什么立项背景?它主要解决哪些问题?
         
        杨小平:在冬夏两季奥运会上,运动员的成绩都与器材息息相关。比如,夏季奥运会的撑杆跳、网球、自行车,冬季奥运会的雪车、滑雪、冰球等项目。碳纤维具有轻质高强的特点,在航空航天领域得到了广泛应用。在国际上,碳纤维的跳高杆、碳纤维的自行车、碳纤维的网球棚、碳纤维的雪车、碳纤维的滑雪板等,这一系列的高端器材都极大地提高了运动员的成绩。随着国产碳纤维在航空航天领域的高端应用,推动冬奥会上我国运动员能够用上我国自主生产的高端体育器材,这就是这个项目的立项背景。
         
        问:目前,这个项目形成了哪些创新成果?有哪些亮点?
         
        杨小平:立项时,我们考虑了四个方面的内容。第一个方面,要用我国的航天技术以及航天的结构设计,如风洞,建立体育器材的结构。第二个方面,要用国产的碳纤维复合材料建立材料体系。在这个方面,我们要研制出一系列高端体育器材,如碳纤维的2人或4人雪车、碳纤维的滑雪板、碳纤维的冰球杆等。第三个方面,把石墨烯、生物级橡胶等前沿新材料应用在体育器材的研制中。第四个方面,希望在国家队运动员的训练和比赛中,能用上我国自主研发的高端器材。这个项目中最大的亮点就是2人和4人的碳纤维雪车。
         
        国产雪车
         
        国产碳纤维雪车依靠技术突破
         
        问:雪车项目是一个毫秒必争的项目,胜负常常在毫秒之间。针对这一特点的比赛,运动装备在技术上有哪些要求?
         
        杨小平:雪车项目观赏性很强,运动速度可以达到每小时160公里,冠亚军之间的比赛成绩差距在毫秒之间。在平昌2018年冬奥会上,德国宝马汽车为德国队打造了一款碳纤维雪车,助力德国队拿到世界冠军,但是这个设备秘不示人,比赛结束后,他们就把这个装备“藏”起来了。我国在碳纤维雪车研制方面,以前是一片空白。现在在装备研发过程中,我们理解到,碳纤维雪车的特性体现在三个方面。第一个方面是要低风阻;第二个方面是高可靠性,因为速度达到了每小时160公里;第三个方面是可操控,我们这次研发的雪车是2人或4人的,有一个舵手,还有运动员,要便于操控。在这三个关键技术上,我们要有突破。通过研发,我们研制出了国内第一台碳纤维雪车。
         
        问:第一台雪车的研制背后一定有很多技术跨越,能否请您详细介绍一下?
         
        杨小平:雪车的研制分为两个阶段。第一个阶段是填补空白阶段,实现了“从0到1”的突破。项目组从2019年11月开始,联合装备、设计、材料、制造等部门和体育部门,克服了底子薄的弱点和新冠肺炎疫情的影响,于2021年1月研制出了第一台国产碳纤维雪车。第二个阶段是迭代提升,推进现代化和规模化阶段。我们联合一汽红旗轿车,在人机工程和操控性能两个方面有了一些大的突破,实现了碳纤维雪车从可用到好用的跨越。
         
        问:在这些技术的跨越中,科研团队都突破了哪些技术难题?
         
        杨小平:我们突破了四个方面的技术难题。第一,舵面车身如何实现流线化?我们结合航天的风洞实验和结构设计技术,实现了系统优化,测试结果与国际同类产品相比,风阻系数降低了8%。第二,采用什么样的材料?我们采用了国产宇航级的T800碳纤维复合材料,特别突破了它耐高低温的一些性能,材料的一个关键指标冲击或压缩强度达到了350兆帕。第三,如何实现整体制造?我们采用了航天的热压罐技术,结合一体化制造,检测结果是缺陷小于1%,保证了高安全性。第四,雪车运动员的头盔怎么制造?结合3D打印的点阵技术和碳纤维复合材料,以及运动员头部的个性化数据,个性化定制了运动员的碳纤维头盔。我们检测发现,这个头盔减重20%,风阻系数明显下降,运动员佩戴的舒适度显著提高。通过四个方面关键技术的突破,实现了“从0到1”、从可用到好用的跨越。
         
         
        国产雪车设计、制造、应用人员协同工作
         
        为中国运动员普及“个性化定制”高端装备
         
        问:在雪车项目中,头盔也是影响运动员的一个重要因素。请您展开介绍一下。
         
        杨小平:不只是碳纤维雪车的头盔,在大部分冬季体育运动中,运动员都戴有头盔,头盔都是一个很重要的因素。碳纤维雪车的头盔,我们采用了三个方面的关键技术。第一,把运动员头盔的气动设计和雪车的气动设计结合起来,实现了“1+1>2”的气动减阻效果;第二,用3D打印技术做了一个点阵结构,加上碳纤维复合材料的高强度,能够避免运动员的颅内损伤,降低骨折风险;第三,以前,我国运动员使用的头盔都是国际化的,头盔的头型基本上是欧美运动员的头型,我们通过采集中国运动员的数据,为中国运动员实现了个性化定制。通过这三个方面的关键技术,这种3D打印的、定制化的碳纤维头盔不只雪车运动员能够使用,未来,其他运动员也都能够用上。
         
        问:这个项目的研究成果对于中国体育装备产业的整体发展有什么意义?
         
        杨小平:第一,实现了一些新技术和新材料在高端体育装备领域的应用;第二,正如航天技术可以用到民用领域,我们相信,碳纤维雪车或头盔研发的技术也能够向大众普及;第三,高端体育器材研发制造是一个大产业,通过这个项目的研究,我们为碳纤维高端体育器材产业的发展作出一些积极的探索,也能汲取很多的经验。
         
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