10.3 复杂工程问题解决的方案设计案例

具体的复杂工程问题：现在某企业欲研制一种可用于航天飞机的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，然而按照上述工艺和报道的环氧树脂配方制备得到的复合材料，其力学强度仅为要求值的3/4左右。

复杂工程问题解决要求：1）设计一个技术方案，采用3种以上你所学过的现代分析手段，对企业生产过程中，可能出问题的环节进行检测分析，为该企业诊断出导致复合材料强度低的可能原因，并提出改善方案。2）重点说明采用什么方法、分析测试什么内容、要确定什么信息、如何改进。

课程思政4：知行合一，学以致用，综合所学知识为行业企业解决问题。

背景资料与信息：复合材料的力学强度主与三个方面相关：基体树脂的强度、增强材料的强度和界面结合效果。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料是一种高强度、耐高温的先进复合材料，其制备过程如下：将芳胺类固化剂与环氧树脂混合均匀后，在一定条件下形成可流动的液态树脂，然后将玻璃纤维毡布浸入到液态树脂中，经过压挤预成型后，最后经过加热加压，使环氧树脂充分固化，最终形成高强度的层状复合材料。

解决思考：

  1）了解问题背景；（调研获取各种相关资料信息）如上。

  2）明确问题核心；（综合各方面因素进行分析与诊断）

      （1）基体(环氧树脂)强度；

      （2）增强材料(玻璃纤维)强度；

      （3）界面结合效果；

  3）分析关键问题的关联因素；（综合各学科知识和专业知识，主要依据聚合物组成-结构-性能关系）

      （1）基体(环氧树脂)强度：交联密度、分子结构、分子量、结晶度等相关。

      （2）增强材料(玻璃纤维)强度：种类、组成、纤维直径、长径比、形态等因素相关。

      （3）界面结合效果：环氧树脂润湿性、纤维的表面张力、表面形貌、表面基团种类与数量、成型压力、成型方法等相关。

  4）设计问题解决的方案；（针对各关键因素，根据组成-结构-性能关系以及问题产生原理，建模并提出解决目标、方法及技术路线），以环氧树脂交联密度导致的初步诊断为例。

1）假如是固化剂种类引发问题。

         表征方法：FTIR、NMR、DMA；以正常树脂为参比。

         改进措施：更换合适的固化剂种类。

2）假如是固化剂用量引发问题。

         表征方法：FTIR、NMR、DSC、DMA。

         改进措施：调整使用适宜的固化剂用量。

3）假如是固化条件(温度/时间)引发问题。

         表征方法：FTIR、NMR、DSC、DMA。

          改进措施：调整使用适宜的固化温度/固化时间。