“砍菜切瓜”通知书背后的“黑科技”

2024年，北京化工大学高考录取通知书采用“细如发丝，轻如鸿毛，强如钢铁，贵如黄金”的碳纤维复合材料制成，厚度仅有0.2mm，具有质量轻、高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等特性，已被广泛应用于航天航空、新能源汽车、轨道交通、3C电子等领域。用此材料制作的通知书轻薄美观、结实耐用、防水抗折，可以耐20万次折叠，可在不同环境中长途运输、永久展示与收藏。

碳纤维复合材料通知书如何制成

为实现碳纤维录取通知书的批量制作，北京化工大学先进复合材料研究中心的师生们通过对单向纤维预浸料、平纹织物预浸料、斜纹织物预浸料，以及表面镀层的织物预浸料进行反复实验，最终选用斜纹织物预浸料。将斜纹织物与环氧树脂复合制备预浸料，随后裁切预浸料，对称铺层，进入热压罐经高温高压固化成复合材料板材，并切割成A4纸大小，喷涂红色油漆，再用五色海德堡胶印机印刷教学楼图案，无板烫金录取通知书和校徽，最后做保护层；另一面先印刷白色油漆，然后UV打印考生姓名和编号等，最后做保护层。

看似简单的制备过程，实则充满挑战，即便是微小的翘曲和表面缺陷也会影响整体的印刷效果。为解决通知书制备过程中存在的问题，先进复合材料研究中心的李刚老师带领学生们集思广益，从折叠屏手机上得到灵感，开发了高韧性碳纤维复合材料以保证录取通知书的耐弯折性，应用对称铺层结构设计，来解决复合材料翘曲和后期着色的美观均衡等问题。高质量热压罐整体成型技术保证表面平整度，黑色表面红色色调变换技术、复合材料表面UV打印和无板烫金等技术，使其在阳光下变换角度，可呈现颜色变化，极具艺术与科学之美。

碳纤维研究其他应用

该通知书的研发团队北京化工大学材料科学与工程学院先进复合材料研究中心（ACC团队），是从事碳纤维复合材料、纳米复合材料、能源和生物等功能复合材料及其相关领域教学和科研的专业机构，组建于2000年，承担了学校复合材料专业的本科和研究生教学工作，建立了包括拉挤实验线、六维缠绕机和热分析仪器等在内的功能齐全的复合材料研究平台和科研设施。

同时，ACC团队依托有机无机复合材料国家重点实验室、教育部碳纤维及功能高分子材料重点实验室，以及生物医用材料北京实验室，面向国家重大需求，与国内外企业和科研机构建立了紧密的合作关系，取得了一批高水平的科研成果。

广为人知的是，在2022年北京冬奥会前，ACC团队携手中国运载火箭技术研究院下属研究所等单位，成功研制出第一台国产碳纤维雪车，实现国产碳纤维雪车技术零的突破。

能够参与到这个项目中，我们都十分自豪，将理论知识运用到实际上，对我们来说既是一次挑战，也是一种激励，开展碳纤维树脂基复合材料高性能化的基础研究，是目前研究的热点和难点。

碳纤维树脂基复合材料是以碳纤维为增强相的高性能树脂基复合材料，其中树脂基体在复合材料中起到了固定纤维、传递载荷、控制工艺以及决定性能的作用。与碳纤维复合的主要是热固性树脂基体，因为它固化前粘度低，易于浸渍纤维，便于加工成型，固化后有较高的力学性能、耐热性和化学稳定性。

不断突破关键技术

我们团队通过本征挠性环氧树脂的分子设计、可溶性热塑性微粉的两相增韧以及反应性热塑性颗粒的层间增韧实现了环氧树脂基体的三级增强增韧的技术，提高了复合材料整体的损伤容限，所研制的高韧性树脂/T800碳纤维复合材料的性能指标与美国赫氏的977-2相当，部分性能指标甚至超过977-2，处于国际先进水平；基于环氧树脂刚性主链结构设计和聚酰亚胺中间体原位固化的“二级增刚”的技术思路，提高了复合材料整体的刚度发挥效率，确立了航天用M40J/55J等高模碳纤维的专用树脂牌号；以热塑性聚酰亚胺的分子结构设计和前原位聚合法的技术思路，发明了高耐热双马树脂，其玻璃化转变温度达到了370 ℃，达到国内的最高水平，有效提高了复合材料的高温性能保持率，突破了国产CCF-3/CCF-4碳纤维预浸料制备的关键技术。

此外，界面相作为连接碳纤维和树脂基体的纽带和相互作用的微观区域，也是复合材料中应力传递、热传递等的桥梁。因此，界面是复合材料中极为重要的微结构，界面性能直接影响甚至控制复合材料的宏观力学性能。

我们对复合材料界面相开展了以下研究：为了满足高强碳纤维复合材料承受高温热氧老化环境的需求，我们通过分子设计研制了水性聚酰胺酸上浆剂，在有效传递载荷的同时保持高热分解温度，可以达到界面增强和界面相耐高温的双重效果；而针对复合材料在压缩载荷下易于失效的困境，我们基于“二级增刚”的设计思路制备可控模量树脂基体，提高界面相的应力传递效率，提升复合材料界面性能。而对于高模碳纤维稀少的物理沟槽和薄弱的化学活性，以及其与树脂基体间模量的巨大差异，我们团队提出了“模量过渡层”的构建思路，利用芳稠环分子、无机纳米粒子等在碳纤维表面通过多级组装的方式构筑界面相，在碳纤维和树脂基体间形成有效的模量过渡层，增加了裂纹的扩展路径，缓解了界面相应力集中，改善了复合材料的界面结合。

随着碳纤维复合材料的持续发展，以M40X为代表的高强高模碳纤维凭借石墨化过程中严格控制纳米级石墨微晶结构的工艺流程，在维持其高模量的同时大幅提升了纤维的强度与伸长率。

“宁愿青丝变白，也要碳化为纤”

为了最大程度地发挥高强高模碳纤维的优异性能，以达到复合材料高强高模高韧的性能要求，我们设计了以刚性抑制层为主、柔性变形层为辅的刚柔平衡界面相，兼顾界面相的应力传递能力与能量耗散效率。此外，由于碳纤维复合材料在遭受动态或静态过载、冲击等作用时，容易造成纤维断裂或界面脱粘等微观损伤，损伤的积累会导致材料形变，甚至损坏失效。为了有效检测复合材料界面损伤，我们将具备显著的光化学稳定性，荧光量子产率和优良的着色强度的苝酰亚胺（PDI）及其衍生物上浆到碳纤维表面，由于其具有较大的共轭分子结构，其与碳纤维表面的π-π相互作用很强，对界面相有显著的增刚效果。将其与猝灭剂结合后改性碳纤维并与树脂复合，制备碳纤维复合材料并对其进行低速冲击，可以利用激光共聚焦显微镜观察其冲击前后荧光变化，实现复合材料冲击后的损伤监测，对碳纤维复合材料在航空航天领域中的安全应用具有极其重要的意义。但是如何评估与损伤相关的应力水平，是目前工作中的难点。

这次制作碳纤维录取通知书的新探索，既是对学校优势学科及科研实力的生动展示，也是北京化工大学科技工作者数十年如一日，“宁愿青丝变白，也要化碳为纤”的科研精神的体现，目的是在2024级新生的心中厚植强国报国之志，培育科研创新之芽。

碳纤维录取通知书，不仅展示了北京化工大学在碳纤维复合材料领域的卓越实力，也代表了国产碳纤维复合材料从“高端化”向“百姓化”成功转型，是学校科研成果转化的生动实践。希望每一位考上北京化工大学的学子都能够心怀“国之大者”，勇担民族复兴重任，用实际行动助推高水平科技自立自强！

责任编辑：朴添勤