以交通為特色的生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向的若干思考

鄧健超 何凌仙子 章家立 王少會 趙火平

摘要：為充分發(fā)揮天然生物質(zhì)材料的性能特點及環(huán)保優(yōu)勢，體現(xiàn)我校交通運輸?shù)霓k學(xué)特色，開拓交通運輸應(yīng)用領(lǐng)域，構(gòu)建以交通為特色的生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向具有必要性，它是我校復(fù)合材料專業(yè)發(fā)展的一個重要分支。

關(guān)鍵詞：交通運輸；生物質(zhì)復(fù)合材料；學(xué)科建設(shè)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0066-02

“生物質(zhì)”泛指以二氧化碳通過光合作用產(chǎn)生的可再生資源為原料，生產(chǎn)并使用后能夠在自然界中被微生物或光降解為水和二氧化碳或通過堆肥作為肥料再利用的天然聚合物。它們的主要化學(xué)組成與木材相同，是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的天然有機復(fù)合體，是具有眾多細胞組成的生物結(jié)構(gòu)。以木本植物、禾本植物和藤本植物及其加工剩余物和廢棄物等作為生物質(zhì)原料，通過物理、化學(xué)和生物學(xué)等技術(shù)手段，可獲得一系列高性能、多功能和高附加值的新型復(fù)合材料—“生物質(zhì)復(fù)合材料”，應(yīng)用于人民生活和國民經(jīng)濟各部門[1]。

生物質(zhì)復(fù)合材料具有良好的生物降解性、可循環(huán)利用、環(huán)境友好、來源廣泛、可再生等優(yōu)點，是替代石油基等不可再生資源的理想材料[2]。作為一所以交通為特色的大學(xué)，專業(yè)設(shè)置必須具有交通的特點。我校十三五發(fā)展規(guī)劃中提出了“以交通為特色，以軌道為核心”的發(fā)展理念，明確強調(diào)各個專業(yè)建設(shè)必須緊緊圍繞著這個目標，包括學(xué)科發(fā)展方向、課程設(shè)置、人才培養(yǎng)與人才引進。基于學(xué)校的發(fā)展定位，結(jié)合低碳、節(jié)能、環(huán)保的時代背景，學(xué)院團隊在復(fù)合材料與工程專業(yè)思考并探索了以交通為特色的生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向。

一、生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向的思考

房屋的設(shè)計與建造，不僅涉及到外部的承重抗震，還包括內(nèi)部裝潢的舒適、環(huán)保、隔音等功能性考慮。若將交通運輸載體看作是“移動的房屋”，那么生物質(zhì)復(fù)合材料用于交通運輸領(lǐng)域，將關(guān)注輕量化、減震吸能、環(huán)保舒適、隔音減噪、耐候性等問題。

1.輕量化。“輕量化”即在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下，降低汽車自身重量，它可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性，提高車速、降低油耗、減少廢氣排放量、提升安全性。有研究數(shù)字顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。因此，車身變輕對于整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。交通運輸中常用的材料包括：碳纖維增強復(fù)合材料、生物質(zhì)復(fù)合材料、玻璃纖維增強復(fù)合材料、鋼合金、鋁合金等。鋼、鋁、玻璃纖維、碳纖維、竹木纖維的密度分別為7.8、2.7、2.5、1.8、0.4～0.6 g·cm-3[3]，在保證車輛性能的前提下，生物質(zhì)復(fù)合材料在“輕量化”方面具有較大優(yōu)勢，可用于車廂底板、側(cè)板、門內(nèi)襯等領(lǐng)域。部分高檔轎車內(nèi)襯采用模壓成型的木纖維增強復(fù)合材料，強度高，尺寸穩(wěn)定性和韌性好，然而其基本完全依賴進口[4]。作為竹子大國，竹纖維增強復(fù)合材料的研發(fā)及其在交通運輸領(lǐng)域的“輕量化”利用也是重要發(fā)展方向之一。

2.減震吸能。實踐表明，在經(jīng)歷地震的區(qū)域，竹木房屋建筑的穩(wěn)定性甚至優(yōu)于磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋水泥結(jié)構(gòu)。竹木結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，在房屋承受地震引起的晃動時，竹木結(jié)構(gòu)能夠更好地減震吸能，房屋更不容易散開和松動。在救災(zāi)期間，臨時搭建的房屋也基本是竹木結(jié)構(gòu)，防止再次遇到余震，如四川都江堰抗震竹預(yù)制房屋。作為“移動的房屋”，交通運輸（汽車、軌道交通、航天飛機等）過程中需要經(jīng)歷復(fù)雜的道路震動、鐵軌震動及氣流擾動等。如何利用閑置的天然可再生資源，充分發(fā)揮生物質(zhì)材料的減震吸能優(yōu)勢，優(yōu)化復(fù)合組坯結(jié)構(gòu)，制備高性能生物質(zhì)復(fù)合材料以用于交通運輸領(lǐng)域，仍需要進一步研究。

3.環(huán)保舒適。隨著鐵道車輛制造業(yè)的發(fā)展，車輛木材消耗嚴重，火車系統(tǒng)進行了以鋁代木、以鋼代木、以塑代木、以竹代木及以人造板代木等多種代木方案。從來源、性能、價格和環(huán)保舒適度進行綜合分析，人造板逐漸脫穎而出，成為火車內(nèi)飾的首選用材。發(fā)展至今，普通客用列車和貨用列車主要采用木膠合板、竹膠合板等作為車廂底板、鋪板、桌板、側(cè)板等。此外，一些高檔轎車使用旋切或刨切得到的微薄竹、微薄木作為內(nèi)飾材料，高值化利用生物質(zhì)復(fù)合材料，提升車內(nèi)環(huán)保舒適性。環(huán)保舒適的理念勢必帶來生物質(zhì)復(fù)合材料的高值化利用，值得關(guān)注與延伸。

4.隔音減噪。生物質(zhì)材料由于其自身可降解的環(huán)保優(yōu)勢以及具有多級孔隙結(jié)構(gòu)的材性特點，能有效達到封閉空間的隔音吸音減噪效果，國內(nèi)外有不少圖書館、報告廳、音樂廳已采用竹/木質(zhì)工程材料，如無錫大劇院。隨著軌道交通的發(fā)展及列車的不斷提速，輪軌產(chǎn)生的噪音污染已成為急需解決的重大問題。生物質(zhì)材料能夠利用其多級孔隙結(jié)構(gòu)對聲音產(chǎn)生阻尼效果，從而降低車內(nèi)噪音。

5.耐候性。在船舶領(lǐng)域，船面板或船艙裝飾裝修等需使用大量的生物質(zhì)復(fù)合材料，包括膠合板、貼面刨花板、竹/木塑復(fù)合材料，其具有一定的耐候性。然而，生物質(zhì)復(fù)合材料由天然纖維原料制成，如果天然纖維直接暴露于外界，其性能會受到濕熱等因素的較大影響。因此，如何改善制備工藝使得天然纖維既能發(fā)揮其性能優(yōu)勢，又能免于光、氧、濕、熱、海水（酸堿）侵蝕等各種多變環(huán)境的困擾，延長生物質(zhì)復(fù)合材料的服役時間，是極其重要的研究發(fā)展方向。

二、生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向的教學(xué)實踐改革

1.明確交通特色的培養(yǎng)目標。在科技發(fā)展的今天，材料已成為三大支柱產(chǎn)業(yè)（材料、能源、信息）之一，材料的發(fā)展水平已作為評價一個國家綜合實力的重要標志。復(fù)合材料學(xué)是材料科學(xué)與工程的分支，生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)是復(fù)合材料學(xué)的重要發(fā)展方向之一。天然生物質(zhì)材料結(jié)合兩種或多種材料，充分發(fā)揮各組分的優(yōu)勢，獲得新功能性，這就使得生物質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用進一步拓展。

2.以科學(xué)研究強化學(xué)科建設(shè)內(nèi)涵。學(xué)科建設(shè)主要包括課程設(shè)置、教材選取和師資隊伍建設(shè)。課程體系是實現(xiàn)培養(yǎng)目標最直接的體現(xiàn)，是形成人才知識結(jié)構(gòu)和提高能力的主要來源，是提高人才培養(yǎng)素質(zhì)的核心，也是教學(xué)改革的重點。基于復(fù)合材料專業(yè)的培養(yǎng)目標以及生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向的發(fā)展需求，合理地設(shè)置專業(yè)方向模塊課程，突出交通特色，讓學(xué)生有選擇性進入不同方向的導(dǎo)師團隊，團隊的導(dǎo)師必須具有行業(yè)經(jīng)歷，尤其在專業(yè)方向上進行過專業(yè)生產(chǎn)實踐，承擔(dān)過或正在承擔(dān)企業(yè)項目，能夠做到課程內(nèi)容與形式不重復(fù)。在豐富教學(xué)內(nèi)容的同時，又加強了師資隊伍的建設(shè)。

3.以教學(xué)實踐促進學(xué)科建設(shè)。復(fù)合材料與工程專業(yè)重視科學(xué)實驗及工程實踐，運用物理、化學(xué)、生物學(xué)理論及數(shù)學(xué)建模等科學(xué)分析方法探索其內(nèi)在的作用機理，并在理論指導(dǎo)下，將科學(xué)研究應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，使理論體系進一步得以檢驗并逐步完善，即該專業(yè)的形成是一個從實踐回歸理論再指導(dǎo)實踐的動態(tài)發(fā)展過程。對于生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向的建設(shè)與發(fā)展，從原料獲取、工藝優(yōu)化到性能完善等各方面，均需要反復(fù)經(jīng)歷“實踐-理論-實踐”的道路。針對這一特點，我們在復(fù)合材料學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合材料聚合物基體、復(fù)合材料工藝與設(shè)備、軌道交通材料等課程的設(shè)置中有意加入交通特色的生物質(zhì)復(fù)合材料實踐教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生在交通領(lǐng)域的創(chuàng)新意識和實踐能力。

三、結(jié)語

基于學(xué)校的發(fā)展定位，結(jié)合低碳環(huán)保的時代背景，關(guān)注復(fù)合材料專業(yè)的發(fā)展動態(tài)，思考以交通為特色的生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)科方向，探索輕量化、減震吸能、環(huán)保舒適、隔音減噪、耐候性等重點問題，使之有望替代一部分現(xiàn)有的交通運輸材料，在交通運輸領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

參考文獻：

[1]李堅.生物質(zhì)復(fù)合材料學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]徐淑艷，謝元仲，孟令馨.生物質(zhì)基復(fù)合材料在食品包裝中的應(yīng)用[J].森林工程，2016，32（3）：85-89.

[3]王德鵬，余黎明.軌道交通車輛新材料應(yīng)用前景分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017，（2）：17-21.