“砍菜切瓜”通知書背后的“黑科技”

2024年，北京化工大學(xué)高考錄取通知書采用“細如發(fā)絲，輕如鴻毛，強如鋼鐵，貴如黃金”的碳纖維復(fù)合材料制成，厚度僅有0.2mm，具有質(zhì)量輕、高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕等特性，已被廣泛應(yīng)用于航天航空、新能源汽車、軌道交通、3C電子等領(lǐng)域。用此材料制作的通知書輕薄美觀、結(jié)實耐用、防水抗折，可以耐20萬次折疊，可在不同環(huán)境中長途運輸、永久展示與收藏。

碳纖維復(fù)合材料通知書如何制成

為實現(xiàn)碳纖維錄取通知書的批量制作，北京化工大學(xué)先進復(fù)合材料研究中心的師生們通過對單向纖維預(yù)浸料、平紋織物預(yù)浸料、斜紋織物預(yù)浸料，以及表面鍍層的織物預(yù)浸料進行反復(fù)實驗，最終選用斜紋織物預(yù)浸料。將斜紋織物與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備預(yù)浸料，隨后裁切預(yù)浸料，對稱鋪層，進入熱壓罐經(jīng)高溫高壓固化成復(fù)合材料板材，并切割成A4紙大小，噴涂紅色油漆，再用五色海德堡膠印機印刷教學(xué)樓圖案，無板燙金錄取通知書和?；眨詈笞霰Ｗo層；另一面先印刷白色油漆，然后UV打印考生姓名和編號等，最后做保護層。

看似簡單的制備過程，實則充滿挑戰(zhàn)，即便是微小的翹曲和表面缺陷也會影響整體的印刷效果。為解決通知書制備過程中存在的問題，先進復(fù)合材料研究中心的李剛老師帶領(lǐng)學(xué)生們集思廣益，從折疊屏手機上得到靈感，開發(fā)了高韌性碳纖維復(fù)合材料以保證錄取通知書的耐彎折性，應(yīng)用對稱鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計，來解決復(fù)合材料翹曲和后期著色的美觀均衡等問題。高質(zhì)量熱壓罐整體成型技術(shù)保證表面平整度，黑色表面紅色色調(diào)變換技術(shù)、復(fù)合材料表面UV打印和無板燙金等技術(shù)，使其在陽光下變換角度，可呈現(xiàn)顏色變化，極具藝術(shù)與科學(xué)之美。

碳纖維研究其他應(yīng)用

該通知書的研發(fā)團隊北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進復(fù)合材料研究中心（ACC團隊），是從事碳纖維復(fù)合材料、納米復(fù)合材料、能源和生物等功能復(fù)合材料及其相關(guān)領(lǐng)域教學(xué)和科研的專業(yè)機構(gòu)，組建于2000年，承擔(dān)了學(xué)校復(fù)合材料專業(yè)的本科和研究生教學(xué)工作，建立了包括拉擠實驗線、六維纏繞機和熱分析儀器等在內(nèi)的功能齊全的復(fù)合材料研究平臺和科研設(shè)施。

同時，ACC團隊依托有機無機復(fù)合材料國家重點實驗室、教育部碳纖維及功能高分子材料重點實驗室，以及生物醫(yī)用材料北京實驗室，面向國家重大需求，與國內(nèi)外企業(yè)和科研機構(gòu)建立了緊密的合作關(guān)系，取得了一批高水平的科研成果。

廣為人知的是，在2022年北京冬奧會前，ACC團隊攜手中國運載火箭技術(shù)研究院下屬研究所等單位，成功研制出第一臺國產(chǎn)碳纖維雪車，實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維雪車技術(shù)零的突破。

能夠參與到這個項目中，我們都十分自豪，將理論知識運用到實際上，對我們來說既是一次挑戰(zhàn)，也是一種激勵，開展碳纖維樹脂基復(fù)合材料高性能化的基礎(chǔ)研究，是目前研究的熱點和難點。

碳纖維樹脂基復(fù)合材料是以碳纖維為增強相的高性能樹脂基復(fù)合材料，其中樹脂基體在復(fù)合材料中起到了固定纖維、傳遞載荷、控制工藝以及決定性能的作用。與碳纖維復(fù)合的主要是熱固性樹脂基體，因為它固化前粘度低，易于浸漬纖維，便于加工成型，固化后有較高的力學(xué)性能、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。

不斷突破關(guān)鍵技術(shù)

我們團隊通過本征撓性環(huán)氧樹脂的分子設(shè)計、可溶性熱塑性微粉的兩相增韌以及反應(yīng)性熱塑性顆粒的層間增韌實現(xiàn)了環(huán)氧樹脂基體的三級增強增韌的技術(shù)，提高了復(fù)合材料整體的損傷容限，所研制的高韌性樹脂/T800碳纖維復(fù)合材料的性能指標(biāo)與美國赫氏的977-2相當(dāng)，部分性能指標(biāo)甚至超過977-2，處于國際先進水平；基于環(huán)氧樹脂剛性主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計和聚酰亞胺中間體原位固化的“二級增剛”的技術(shù)思路，提高了復(fù)合材料整體的剛度發(fā)揮效率，確立了航天用M40J/55J等高模碳纖維的專用樹脂牌號；以熱塑性聚酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計和前原位聚合法的技術(shù)思路，發(fā)明了高耐熱雙馬樹脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達到了370℃，達到國內(nèi)的最高水平，有效提高了復(fù)合材料的高溫性能保持率，突破了國產(chǎn)CCF-3/CCF-4碳纖維預(yù)浸料制備的關(guān)鍵技術(shù)。

此外，界面相作為連接碳纖維和樹脂基體的紐帶和相互作用的微觀區(qū)域，也是復(fù)合材料中應(yīng)力傳遞、熱傳遞等的橋梁。因此，界面是復(fù)合材料中極為重要的微結(jié)構(gòu)，界面性能直接影響甚至控制復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。

我們對復(fù)合材料界面相開展了以下研究：為了滿足高強碳纖維復(fù)合材料承受高溫?zé)嵫趵匣h(huán)境的需求，我們通過分子設(shè)計研制了水性聚酰胺酸上漿劑，在有效傳遞載荷的同時保持高熱分解溫度，可以達到界面增強和界面相耐高溫的雙重效果；而針對復(fù)合材料在壓縮載荷下易于失效的困境，我們基于“二級增剛”的設(shè)計思路制備可控模量樹脂基體，提高界面相的應(yīng)力傳遞效率，quqdMAjO9lTEsOjdJ0O1rlvIa6KzMn8MQaauAIwuXoU=提升復(fù)合材料界面性能。而對于高模碳纖維稀少的物理溝槽和薄弱的化學(xué)活性，以及其與樹脂基體間模量的巨大差異，我們團隊提出了“模量過渡層”的構(gòu)建思路，利用芳稠環(huán)分子、無機納米粒子等在碳纖維表面通過多級組裝的方式構(gòu)筑界面相，在碳纖維和樹脂基體間形成有效的模量過渡層，增加了裂紋的擴展路徑，緩解了界面相應(yīng)力集中，改善了復(fù)合材料的界面結(jié)合。

隨著碳纖維復(fù)合材料的持續(xù)發(fā)展，以M40X為代表的高強高模碳纖維憑借石墨化過程中嚴格控制納米級石墨微晶結(jié)構(gòu)的工藝流程，在維持其高模量的同時大幅提升了纖維的強度與伸長率。

“寧愿青絲變白，也要碳化為纖”

為了最大程度地發(fā)揮高強高模碳纖維的優(yōu)異性能，以達到復(fù)合材料高強高模高韌的性能要求，我們設(shè)計了以剛性抑制層為主、柔性變形層為輔的剛?cè)崞胶饨缑嫦?，兼顧界面相的?yīng)力傳遞能力與能量耗散效率。此外，由于碳纖維復(fù)合材料在遭受動態(tài)或靜態(tài)過載、沖擊等作用時，容易造成纖維斷裂或界面脫粘等微觀損傷，損傷的積累會導(dǎo)致材料形變，甚至損壞失效。為了有效檢測復(fù)合材料界面損傷，我們將具備顯著的光化學(xué)穩(wěn)定性，熒光量子產(chǎn)率和優(yōu)良的著色強度的苝酰亞胺（PDI）及其衍生物上漿到碳纖維表面，由于其具有較大的共軛分子結(jié)構(gòu)，其與碳纖維表面的π-π相互作用很強，對界面相有顯著的增剛效果。將其與猝滅劑結(jié)合后改性碳纖維并與樹脂復(fù)合，制備碳纖維復(fù)合材料并對其進行低速沖擊，可以利用激光共聚焦顯微鏡觀察其沖擊前后熒光變化，實現(xiàn)復(fù)合材料沖擊后的損傷監(jiān)測，對碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的安全應(yīng)用具有極其重要的意義。但是如何評估與損傷相關(guān)的應(yīng)力水平，是目前工作中的難點。

這次制作碳纖維錄取通知書的新探索，既是對學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科及科研實力的生動展示，也是北京化工大學(xué)科技工作者數(shù)十年如一日，“寧愿青絲變白，也要化碳為纖”的科研精神的體現(xiàn)，目的是在2024級新生的心中厚植強國報國之志，培育科研創(chuàng)新之芽。

碳纖維錄取通知書，不僅展示了北京化工大學(xué)在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的卓越實力，也代表了國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料從“高端化”向“百姓化”成功轉(zhuǎn)型，是學(xué)?？蒲谐晒D(zhuǎn)化的生動實踐。希望每一位考上北京化工大學(xué)的學(xué)子都能夠心懷“國之大者”，勇?lián)褡鍙?fù)興重任，用實際行動助推高水平科技自立自強！

責(zé)任編輯：樸添勤