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（一）内容介绍

本虚拟仿真实验分为5个模块，模块1，连续碳纤维的制备；模块2，连续碳纤维的结构与性能研究；模块3，超大尺寸连续碳纤维复合构件的成型加工；模块4，碳纤维复合构件的结构与性能研究；模块5，超大尺寸连续碳纤维复合构件的应用。

（1）原丝的预氧化

实现原丝高纯化、高强化、致密化以及表面光洁无暇是制备高性能碳纤维的首要任务。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始，实现一条龙生产。原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件。

（2）拉曼光谱

拉曼光谱图分析碳纤维在石墨化过程中的微观结构变化

（3）缠绕与抽真空

缠绕成型可以精度的控制纤维的方向和轴体直径，此成型工艺具有高度的自动化生产能力。缠绕成型过程中主要控制的参数有缠绕线型和缠绕角度对传动轴的影响。

（4）扭转疲劳试验

疲劳试验的扭矩加载方式为非对称循环，交变扭矩的最大试验扭矩M_max为额定负荷，最小试验扭矩M_min取额定负荷的30%（最大试验扭矩M_max=900 N·m，最小试验扭矩M_min=270 N·m，则交变扭矩的幅值为315 N·m，扭转频率为3.0 Hz）扭转次数18.43万次，大于要求的扭转疲劳次数时，停止试验。

（5）能源领域

碳纤维复合材料也被用于风机叶片的制造，同样34m长的叶片，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200 kg，而采用碳纤维增强时质量只有3800 kg。2020年，风电叶片碳纤维用量高达3.06万吨，占全球碳纤维用量的29%。根据预测，“十四五”期间风电叶片对碳纤维需求依然强劲，预计到2025年可达9.3万吨以上。

（二）实验的特色和亮点

碳纤维复合材料是以碳纤维作为增强体，以树脂、陶瓷、金属等为基体形成的固态材料，具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、热稳定性和高温性能好等优势，在航空航天、风力发电、运输交通、土木建筑以及运动器材等诸多领域都得到了广泛的应用。然而，我国高端碳纤维及复合材料原创性和核心技术仍存在“短板”，攻克碳纤维复合材料核心技术和工艺，实现碳纤维复合材料高端化、产业化应用，对于推动传统制造产业的转型升级意义重大。碳纤维及其复合构件加工过程由于设备自动化程度高、涉及高温等危险源、成本高及耗时长等原因，不具备让学生开展自主实习实训的条件，为了让学生深入了解高性能碳纤维及其复合材料开发的重要价值及其生产加工工艺，本实验结合虚拟仿真技术，通过多媒体演示及虚拟操作等方式，再现了碳纤维制备及大型复合构件加工及性能检测与评价的真实场景，学生通过对虚拟仿真实验项目的学习，将达到以下的教学目的：

（1）以PAN基碳纤维的制备为例，掌握高温炭化制备碳纤维的基本原理及技术，深化对电化学及上浆剂法进行材料表面改性的机理及工艺的认识，了解材料表面改性对材料界面粘接强度等多方面性能改善的意义；

（2）学习利用拉曼光谱、XRD、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等现代分析技术及力学性能测试技术对材料进行表征的原理及方法，提升对材料结构与性能的关系进行系统化、综合性分析的能力；

（3）以碳纤维传动轴的生产为例，掌握缠绕成型制备复合构件的加工工艺，熟悉加工装备的构造及工作原理，了解高性能碳纤维复合材料相较于传统材料具备的性能优势及其应用前景。

（4）最终通过从原材料到终端产品的全产业链虚拟仿真实验教学，提升学生综合利用包括高分子化学与物理、化学工程、高分子加工原理、仪器分析与检测等在内的多学科知识分析和解决工程实际问题的能力，激发学生攻坚克难，挑战前沿技术难题，服务国家和地方经济社会发展的意识，培养具备创新精神的实践型高素质人才。