基于CDIO模式的复合材料实验教学方法

郭智兴， 鲜 广， 熊 计

(四川大学 制造科学与工程学院， 成都 610065)

0 引 言

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合而成的新型材料[1]，广泛应用于航空航天、汽车、机械、船舶、建筑、电子、医疗和体育等行业[2-3]。复合材料由能承受载荷的增强体与连接增强体并传递力作用的基体构成。增强体主要包括颗粒和纤维，基体可分为金属、陶瓷和聚合物3类。对于材料类和制造类专业，掌握复合材料的成分、工艺、组织、性能之间的关系非常重要[4]。实验教学是理论教学的重要补充，也是培养实践和创新能力的必需环节。但是，目前复合材料实验教学中存在着实验内容陈旧，脱离工程实际，实验模式单一，以教师为中心等问题[5-6]。为培养学生的实践能力和创新精神，引入新的工程教育理念和模式，进行实验教学环节改革非常必要[7-8]。

CDIO模式是由麻省理工学院等4所大学进行联合研究形成国际工程教育改革的新成果，CDIO 代表构思( Conceive) 、设计( Design) 、实现( Implement) 和运作( Operate) ，它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术与经验[9-10]。CDIO理念强调“做中学”，是尽可能采用接近工程实际的综合性设计项目进行教学，培养学生学生的学习热情，联系课程知识并运用于工程实践[11]。本文提出将“项目制”思路融入实验教学中，提出基于CDIO模式的实验教学方法。结合工程实际构建出一个复合材料领域的项目库；每个项目的实现都采用CDIO模式，即经过构思、设计、实施、运行等环节来完成。

1 适用于CDIO模式的实验项目构建

CDIO模式下的实验项目与传统实验项目不同，构建时应确保项目具有工程性、先进性、课程性、综合性等特点。“工程性”是项目应来源于工程实际，具有较强的应用背景；“先进性”是项目内容和设计理念符合工程技术发展趋势；“课程性”是项目应与课程教学大纲相符合；“综合性”是项目的设计和解决需联系多门课程，符合解决复杂工程问题能力的要求。基于复合材料课程中应掌握的成分-工艺-组织-性能关系的“三棱锥”型核心知识，针对航空航天、汽车工程、机械制造、电子信息等领域提出了9个CDIO实验项目(见表1)，这些项目只有设计要求和目标，没有给定实验方案。要求学生通过协作，将理论知识用于项目实现过程中，达到培养学生解决复杂工程问题能力的目的[12]。

表1 基于CDIO模式的复合材料实验项目

表1中的9个项目在实验教学中都通过构思、设计、实施和运行等4个教学活动环节来完成。本文以项目8——电子封装用高热导率填充型环氧树脂复合材料设计与制造为例，介绍基于CDIO模式的实验教学方法。

2 基于CDIO模式的实验教学流程

2.1 项目构思

环氧树脂具有优异的黏结性能、热稳定性，是目前最常用的电子封装材料。但是，环氧树脂的导热系数较低，仅为0.18 W/m·K[13]。随着电子元器件的微型化，其散热能力成为影响手机、平板电脑寿命和稳定性的重要因素。基于复合材料的思想，向环氧树脂中加入导热性第二相，可改善其导热性能[14]。加入异种颗粒后聚合物基复合材料的导热模式如图1所示。填料的体积分数较小，复合材料呈现“海-岛” 结构，填料孤立地分散在聚合物基体中，导热效果不佳；随着填料体积分数增加，“岛”之间形成导热通路，复合材料导热性提高；填料体积分数继续增加后导热通路相互交织，导热性能显著提高并趋于稳定[15]。热传递的载体包括电子、声子和光子，因此，构思出添加金属、陶瓷和碳系材料等3种类型导热颗粒提高环氧树脂热导率的项目思路。

图1 填充型导热聚合物基复合材料的导热模式示意图

2.2 项目设计

基于上述构思，本项目的复合材料的设计主要包括3方面。① 成分设计，采用Cu、AlN、石墨3种类型填料。② 添加量的设计，复合材料的导热系数与导热填料添加量相关，但过大添加量会导致黏度增大下降，无法进行混合和后续封装操作，控制填料添加量为0%～60%(重量分数)的范围。③ 粒度设计，根据:

式中:λc、λm和λf分别是复合材料、聚合物基体和填料的热导率,Φ是填料的体积分数，Ki是填料与基体的等效界面系数。粒度不同导致界面数量的变化，项目选用1～74 μm的不同粒度填料。3组导热环氧树脂复合材料的设计见表2。

表2 填充型导热聚合物基复合材料设计

2.3 项目实施

根据项目设计方案制备出导热复合材料，项目实施流程如下。① 称取计算量的环氧树脂和固化剂(按1∶1的质量比)，并慢速混合，可根据黏度调节需要加入0%～30%的丙酮稀释。② 按设计方案中的填料种类、质量分数、粒度等变量称取导热填料并加入上述混合的树脂和固化剂中, 进行搅拌混合, 得到导热环氧树脂浆体。③ 将导热环氧树脂浆体浇注到直径大于45 mm、厚度大于15 mm的塑料模具中并自然固化成型。④ 采用瞬态平面热源法(Hotdisk法)测导热系数，检测装置和导热复合材料试样如图2所示。

图2 导热复合材料试样与热学性能检测装置示意图

图3是添加不同粒度铜粉填料环氧树脂复合材料的导热系数。可见，在0%～60%的添加范围内，导热系数随添加量增大而增加，但低于20%的添加量对导热系数改善作用不显著；添加量相同时，细颗粒填料填充的复合材料导热系数比粗颗粒填料填充的更低，这是由于细颗粒比粗颗粒填料填充的复合材料中热传导时遇到更多的二相界面，声子的散射将更严重。

图3 不同粒度的Cu填料环氧树脂复合材料的导热系数

2.4 项目运行

项目的运行阶段，学生应将制备出的导热环氧树脂复合材料用于电子元件封装。复合材料固化后检测其服役性能，包括按硬度和抗压强度等力学性能，确保固化后内应力低，黏结强度高，无开裂和脱层；在-55～155 ℃的温度区间循环10次，检测其服役过程中的耐热性；在25 ℃，湿度55%的环境中服役24 h，检测其吸水率；根据实际运行的情况对导热复合材料制备技术进行持续改进。

另外，项目运行时学生应小组讨论构思，撰写设计报告，团队合作实施项目，最后进行项目答辩。项目的考核不以实验报告为唯一依据，而是通过汇报、答辩、提交报告等形式对4个环节进行综合评定；另一方面对学生进行团队+个体相结合，自评+互评+教师评价相结合的综合考核方式。

3 结 语

针对复合材料实验教学中存在的问题，提出了“项目制”实验教学和CDIO模式相融合的实验教学方法。构建了面向航空航天、汽车工程、机械制造、电子信息等领域的项目库供学生选择，学生按构思、设计、实施、运行的工程链流程完成项目工作。基于CDIO模式的实验教学，可培养学生的学习热情、实践能力、创新思维和综合运用知识解决复杂工程的能力。