“砍菜切瓜”通知書背后的“黑科技”

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

碳纖維復合材料通知書如何制成

為實現碳纖維錄取通知書的批量制作，北京化工大學先進復合材料研究中心的師生們通過對單向纖維預浸料、平紋織物預浸料、斜紋織物預浸料，以及表面鍍層的織物預浸料進行反復實驗，最終選用斜紋織物預浸料。將斜紋織物與環氧樹脂復合制備預浸料，隨后裁切預浸料，對稱鋪層，進入熱壓罐經高溫高壓固化成復合材料板材，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，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，先進復合材料研究中心的李剛老師帶領學生們集思廣益，從折疊屏手機上得到靈感，開發了高韌性碳纖維復合材料以保證錄取通知書的耐彎折性，應用對稱鋪層結構設計，來解決復合材料翹曲和后期著色的美觀均衡等問題。高質量熱壓罐整體成型技術保證表面平整度，黑色表面紅色色調變換技術、復合材料表面UV打印和無板燙金等技術，使其在陽光下變換角度，可呈現顏色變化，極具藝術與科學之美。

碳纖維研究其他應用

該通知書的研發團隊北京化工大學材料科學與工程學院先進復合材料研究中心（ACC團隊），是從事碳纖維復合材料、納米復合材料、能源和生物等功能復合材料及其相關領域教學和科研的專業機構，組建于2000年，承擔了學校復合材料專業的本科和研究生教學工作，建立了包括拉擠實驗線、六維纏繞機和熱分析儀器等在內的功能齊全的復合材料研究平臺和科研設施。

同時，ACC團隊依托有機無機復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，以及生物醫用材料北京實驗室，面向國家重大需求，與國內外企業和科研機構建立了緊密的合作關系，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研究院下屬研究所等單位，成功研制出第一臺國產碳纖維雪車，實現國產碳纖維雪車技術零的突破。

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，也是一種激勵，開展碳纖維樹脂基復合材料高性能化的基礎研究，是目前研究的熱點和難點。

碳纖維樹脂基復合材料是以碳纖維為增強相的高性能樹脂基復合材料，其中樹脂基體在復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性能、耐熱性和化學穩定性。

不斷突破關鍵技術

我們團隊通過本征撓性環氧樹脂的分子設計、可溶性熱塑性微粉的兩相增韌以及反應性熱塑性顆粒的層間增韌實現了環氧樹脂基體的三級增強增韌的技術，提高了復合材料整體的損傷容限，所研制的高韌性樹脂/T800碳纖維復合材料的性能指標與美國赫氏的977-2相當，部分性能指標甚至超過977-2，處于國際先進水平；基于環氧樹脂剛性主鏈結構設計和聚酰亞胺中間體原位固化的“二級增剛”的技術思路，提高了復合材料整體的剛度發揮效率，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構設計和前原位聚合法的技術思路，發明了高耐熱雙馬樹脂，其玻璃化轉變溫度達到了370℃，達到國內的最高水平，有效提高了復合材料的高溫性能保持率，突破了國產CCF-3/CCF-4碳纖維預浸料制備的關鍵技術。

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域，也是復合材料中應力傳遞、熱傳遞等的橋梁。因此，界面是復合材料中極為重要的微結構，界面性能直接影響甚至控制復合材料的宏觀力學性能。

我們對復合材料界面相開展了以下研究：為了滿足高強碳纖維復合材料承受高溫熱氧老化環境的需求，我們通過分子設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”的設計思路制備可控模量樹脂基體，提高界面相的應力傳遞效率，quqdMAjO9lTEsOjdJ0O1rlvIa6KzMn8MQaauAIwuXoU=提升復合材料界面性能。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”的構建思路，利用芳稠環分子、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，緩解了界面相應力集中，改善了復合材料的界面結合。

隨著碳纖維復合材料的持續發展，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構的工藝流程，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”

為了最大程度地發揮高強高模碳纖維的優異性能，以達到復合材料高強高模高韌的性能要求，我們設計了以剛性抑制層為主、柔性變形層為輔的剛柔平衡界面相，兼顧界面相的應力傳遞能力與能量耗散效率。此外，由于碳纖維復合材料在遭受動態或靜態過載、沖擊等作用時，容易造成纖維斷裂或界面脫粘等微觀損傷，損傷的積累會導致材料形變，甚至損壞失效。為了有效檢測復合材料界面損傷，我們將具備顯著的光化學穩定性，熒光量子產率和優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構，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。將其與猝滅劑結合后改性碳纖維并與樹脂復合，制備碳纖維復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，實現復合材料沖擊后的損傷監測，對碳纖維復合材料在航空航天領域中的安全應用具有極其重要的意義。但是如何評估與損傷相關的應力水平，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，既是對學校優勢學科及科研實力的生動展示，也是北京化工大學科技工作者數十年如一日，“寧愿青絲變白，也要化碳為纖”的科研精神的體現，目的是在2024級新生的心中厚植強國報國之志，培育科研創新之芽。

碳纖維錄取通知書，不僅展示了北京化工大學在碳纖維復合材料領域的卓越實力，也代表了國產碳纖維復合材料從“高端化”向“百姓化”成功轉型，是學?？蒲谐晒D化的生動實踐。希望每一位考上北京化工大學的學子都能夠心懷“國之大者”，勇擔民族復興重任，用實際行動助推高水平科技自立自強！

責任編輯：樸添勤