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?；?，最后做保護層；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(yán)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