以交通为特色的生物质复合材料学科方向的若干思考

邓健超 何凌仙子 章家立 王少会 赵火平

摘要：為充分发挥天然生物质材料的性能特点及环保优势，体现我校交通运输的办学特色，开拓交通运输应用领域，构建以交通为特色的生物质复合材料学科方向具有必要性，它是我校复合材料专业发展的一个重要分支。

关键词：交通运输；生物质复合材料；学科建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）08-0066-02

“生物质”泛指以二氧化碳通过光合作用产生的可再生资源为原料，生产并使用后能够在自然界中被微生物或光降解为水和二氧化碳或通过堆肥作为肥料再利用的天然聚合物。它们的主要化学组成与木材相同，是由纤维素、半纤维素和木质素组成的天然有机复合体，是具有众多细胞组成的生物结构。以木本植物、禾本植物和藤本植物及其加工剩余物和废弃物等作为生物质原料，通过物理、化学和生物学等技术手段，可获得一系列高性能、多功能和高附加值的新型复合材料—“生物质复合材料”，应用于人民生活和国民经济各部门[1]。

生物质复合材料具有良好的生物降解性、可循环利用、环境友好、来源广泛、可再生等优点，是替代石油基等不可再生资源的理想材料[2]。作为一所以交通为特色的大学，专业设置必须具有交通的特点。我校十三五发展规划中提出了“以交通为特色，以轨道为核心”的发展理念，明确强调各个专业建设必须紧紧围绕着这个目标，包括学科发展方向、课程设置、人才培养与人才引进。基于学校的发展定位，结合低碳、节能、环保的时代背景，学院团队在复合材料与工程专业思考并探索了以交通为特色的生物质复合材料学科方向。

一、生物质复合材料学科方向的思考

房屋的设计与建造，不仅涉及到外部的承重抗震，还包括内部装潢的舒适、环保、隔音等功能性考虑。若将交通运输载体看作是“移动的房屋”，那么生物质复合材料用于交通运输领域，将关注轻量化、减震吸能、环保舒适、隔音减噪、耐候性等问题。

1.轻量化。“轻量化”即在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量，它可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。交通运输中常用的材料包括：碳纤维增强复合材料、生物质复合材料、玻璃纤维增强复合材料、钢合金、铝合金等。钢、铝、玻璃纤维、碳纤维、竹木纤维的密度分别为7.8、2.7、2.5、1.8、0.4～0.6 g·cm-3[3]，在保证车辆性能的前提下，生物质复合材料在“轻量化”方面具有较大优势，可用于车厢底板、侧板、门内衬等领域。部分高档轿车内衬采用模压成型的木纤维增强复合材料，强度高，尺寸稳定性和韧性好，然而其基本完全依赖进口[4]。作为竹子大国，竹纤维增强复合材料的研发及其在交通运输领域的“轻量化”利用也是重要发展方向之一。

2.减震吸能。实践表明，在经历地震的区域，竹木房屋建筑的稳定性甚至优于砖混结构和钢筋水泥结构。竹木结构是一种柔性结构，在房屋承受地震引起的晃动时，竹木结构能够更好地减震吸能，房屋更不容易散开和松动。在救灾期间，临时搭建的房屋也基本是竹木结构，防止再次遇到余震，如四川都江堰抗震竹预制房屋。作为“移动的房屋”，交通运输（汽车、轨道交通、航天飞机等）过程中需要经历复杂的道路震动、铁轨震动及气流扰动等。如何利用闲置的天然可再生资源，充分发挥生物质材料的减震吸能优势，优化复合组坯结构，制备高性能生物质复合材料以用于交通运输领域，仍需要进一步研究。

3.环保舒适。随着铁道车辆制造业的发展，车辆木材消耗严重，火车系统进行了以铝代木、以钢代木、以塑代木、以竹代木及以人造板代木等多种代木方案。从来源、性能、价格和环保舒适度进行综合分析，人造板逐渐脱颖而出，成为火车内饰的首选用材。发展至今，普通客用列车和货用列车主要采用木胶合板、竹胶合板等作为车厢底板、铺板、桌板、侧板等。此外，一些高档轿车使用旋切或刨切得到的微薄竹、微薄木作为内饰材料，高值化利用生物质复合材料，提升车内环保舒适性。环保舒适的理念势必带来生物质复合材料的高值化利用，值得关注与延伸。

4.隔音减噪。生物质材料由于其自身可降解的环保优势以及具有多级孔隙结构的材性特点，能有效达到封闭空间的隔音吸音减噪效果，国内外有不少图书馆、报告厅、音乐厅已采用竹/木质工程材料，如无锡大剧院。随着轨道交通的发展及列车的不断提速，轮轨产生的噪音污染已成为急需解决的重大问题。生物质材料能够利用其多级孔隙结构对声音产生阻尼效果，从而降低车内噪音。

5.耐候性。在船舶领域，船面板或船舱装饰装修等需使用大量的生物质复合材料，包括胶合板、贴面刨花板、竹/木塑复合材料，其具有一定的耐候性。然而，生物质复合材料由天然纤维原料制成，如果天然纤维直接暴露于外界，其性能会受到湿热等因素的较大影响。因此，如何改善制备工艺使得天然纤维既能发挥其性能优势，又能免于光、氧、湿、热、海水（酸碱）侵蚀等各种多变环境的困扰，延长生物质复合材料的服役时间，是极其重要的研究发展方向。

二、生物质复合材料学科方向的教学实践改革

1.明确交通特色的培养目标。在科技发展的今天，材料已成为三大支柱产业（材料、能源、信息）之一，材料的发展水平已作为评价一个国家综合实力的重要标志。复合材料学是材料科学与工程的分支，生物质复合材料学是复合材料学的重要发展方向之一。天然生物质材料结合两种或多种材料，充分发挥各组分的优势，获得新功能性，这就使得生物质复合材料的应用进一步拓展。

2.以科学研究强化学科建设内涵。学科建设主要包括课程设置、教材选取和师资队伍建设。课程体系是实现培养目标最直接的体现，是形成人才知识结构和提高能力的主要来源，是提高人才培养素质的核心，也是教学改革的重点。基于复合材料专业的培养目标以及生物质复合材料学科方向的发展需求，合理地设置专业方向模块课程，突出交通特色，让学生有选择性进入不同方向的导师团队，团队的导师必须具有行业经历，尤其在专业方向上进行过专业生产实践，承担过或正在承担企业项目，能够做到课程内容与形式不重复。在丰富教学内容的同时，又加强了师资队伍的建设。

3.以教学实践促进学科建设。复合材料与工程专业重视科学实验及工程实践，运用物理、化学、生物学理论及数学建模等科学分析方法探索其内在的作用机理，并在理论指导下，将科学研究应用于生产实践，使理论体系进一步得以检验并逐步完善，即该专业的形成是一个从实践回归理论再指导实践的动态发展过程。对于生物质复合材料学科方向的建设与发展，从原料获取、工艺优化到性能完善等各方面，均需要反复经历“实践-理论-实践”的道路。针对这一特点，我们在复合材料学、复合材料力学与结构设计、复合材料聚合物基体、复合材料工艺与设备、轨道交通材料等课程的设置中有意加入交通特色的生物质复合材料实践教学内容，培养学生在交通领域的创新意识和实践能力。

三、结语

基于学校的发展定位，结合低碳环保的时代背景，关注复合材料专业的发展动态，思考以交通为特色的生物质复合材料学科方向，探索轻量化、减震吸能、环保舒适、隔音减噪、耐候性等重点问题，使之有望替代一部分现有的交通运输材料，在交通运输领域占据一席之地。

参考文献：

[1]李坚.生物质复合材料学[M].北京：科学出版社，2008.

[2]徐淑艳，谢元仲，孟令馨.生物质基复合材料在食品包装中的应用[J].森林工程，2016，32（3）：85-89.

[3]王德鹏，余黎明.轨道交通车辆新材料应用前景分析[J].新材料产业，2017，（2）：17-21.