以交通為特色的生物質復合材料學科方向的若干思考

鄧健超 何凌仙子 章家立 王少會 趙火平

摘要：為充分發揮天然生物質材料的性能特點及環保優勢，體現我校交通運輸的辦學特色，開拓交通運輸應用領域，構建以交通為特色的生物質復合材料學科方向具有必要性，它是我校復合材料專業發展的一個重要分支。

關鍵詞：交通運輸；生物質復合材料；學科建設

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”泛指以二氧化碳通過光合作用產生的可再生資源為原料，生產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。它們的主要化學組成與木材相同，是由纖維素、半纖維素和木質素組成的天然有機復合體，是具有眾多細胞組成的生物結構。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原料，通過物理、化學和生物學等技術手段，可獲得一系列高性能、多功能和高附加值的新型復合材料—“生物質復合材料”，應用于人民生活和國民經濟各部門[1]。

生物質復合材料具有良好的生物降解性、可循環利用、環境友好、來源廣泛、可再生等優點，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，專業設置必須具有交通的特點。我校十三五發展規劃中提出了“以交通為特色，以軌道為核心”的發展理念，明確強調各個專業建設必須緊緊圍繞著這個目標，包括學科發展方向、課程設置、人才培養與人才引進。基于學校的發展定位，結合低碳、節能、環保的時代背景，學院團隊在復合材料與工程專業思考并探索了以交通為特色的生物質復合材料學科方向。

一、生物質復合材料學科方向的思考

房屋的設計與建造，不僅涉及到外部的承重抗震，還包括內部裝潢的舒適、環保、隔音等功能性考慮。若將交通運輸載體看作是“移動的房屋”，那么生物質復合材料用于交通運輸領域，將關注輕量化、減震吸能、環保舒適、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、性能和造價不變甚至優化的前提下，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濟性、車輛控制穩定性、碰撞安全性都大有裨益。交通運輸中常用的材料包括：碳纖維增強復合材料、生物質復合材料、玻璃纖維增強復合材料、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，生物質復合材料在“輕量化”方面具有較大優勢，可用于車廂底板、側板、門內襯等領域。部分高檔轎車內襯采用模壓成型的木纖維增強復合材料，強度高，尺寸穩定性和韌性好，然而其基本完全依賴進口[4]。作為竹子大國，竹纖維增強復合材料的研發及其在交通運輸領域的“輕量化”利用也是重要發展方向之一。

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

3.環保舒適。隨著鐵道車輛制造業的發展，車輛木材消耗嚴重，火車系統進行了以鋁代木、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、價格和環保舒適度進行綜合分析，人造板逐漸脫穎而出，成為火車內飾的首選用材。發展至今，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、微薄木作為內飾材料，高值化利用生物質復合材料，提升車內環保舒適性。環保舒適的理念勢必帶來生物質復合材料的高值化利用，值得關注與延伸。

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

5.耐候性。在船舶領域，船面板或船艙裝飾裝修等需使用大量的生物質復合材料，包括膠合板、貼面刨花板、竹/木塑復合材料，其具有一定的耐候性。然而，生物質復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揮其性能優勢，又能免于光、氧、濕、熱、海水（酸堿）侵蝕等各種多變環境的困擾，延長生物質復合材料的服役時間，是極其重要的研究發展方向。

二、生物質復合材料學科方向的教學實踐改革

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

2.以科學研究強化學科建設內涵。學科建設主要包括課程設置、教材選取和師資隊伍建設。課程體系是實現培養目標最直接的體現，是形成人才知識結構和提高能力的主要來源，是提高人才培養素質的核心，也是教學改革的重點。基于復合材料專業的培養目標以及生物質復合材料學科方向的發展需求，合理地設置專業方向模塊課程，突出交通特色，讓學生有選擇性進入不同方向的導師團隊，團隊的導師必須具有行業經歷，尤其在專業方向上進行過專業生產實踐，承擔過或正在承擔企業項目，能夠做到課程內容與形式不重復。在豐富教學內容的同時，又加強了師資隊伍的建設。

3.以教學實踐促進學科建設。復合材料與工程專業重視科學實驗及工程實踐，運用物理、化學、生物學理論及數學建模等科學分析方法探索其內在的作用機理，并在理論指導下，將科學研究應用于生產實踐，使理論體系進一步得以檢驗并逐步完善，即該專業的形成是一個從實踐回歸理論再指導實踐的動態發展過程。對于生物質復合材料學科方向的建設與發展，從原料獲取、工藝優化到性能完善等各方面，均需要反復經歷“實踐-理論-實踐”的道路。針對這一特點，我們在復合材料學、復合材料力學與結構設計、復合材料聚合物基體、復合材料工藝與設備、軌道交通材料等課程的設置中有意加入交通特色的生物質復合材料實踐教學內容，培養學生在交通領域的創新意識和實踐能力。

三、結語

基于學校的發展定位，結合低碳環保的時代背景，關注復合材料專業的發展動態，思考以交通為特色的生物質復合材料學科方向，探索輕量化、減震吸能、環保舒適、隔音減噪、耐候性等重點問題，使之有望替代一部分現有的交通運輸材料，在交通運輸領域占據一席之地。

參考文獻：

[1]李堅.生物質復合材料學[M].北京：科學出版社，2008.

[2]徐淑艷，謝元仲，孟令馨.生物質基復合材料在食品包裝中的應用[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用前景分析[J].新材料產業，2017，（2）：17-21.