课程思政示范课展示月 | 《陶瓷基复合材料》教学案例
编者按
为贯彻落实《高等学校课程思政建设指导纲要》，深入推进学校课程思政建设，有效辐射课程思政教学改革成效，天津大学将通过课程思政示范课展示月，陆续推出优秀课程思政教学案例，供广大教师学习、借鉴，以期营造课程思政建设的良好氛围，推动实现全员全过程全方位育人。
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· 课程名称：陶瓷基复合材料
· 课程性质：专业选修
· 教学对象：大四，材料科学与工程
· 总学时：24学时
· 主讲人：苏冬
· 所在学院：材料科学与工程学院
（一）教学设计：
目前陶瓷基复合材料在航空航天、军事武器、核工业等高技术领域，以及化工、机械、交通等民用和工业领域占据重要地位。本课程主要介绍陶瓷基复合材料的原理、工艺、性能与设计，从陶瓷基复合材料概述出发，讲解所涉及的主要增强体材料和基体材料，进而针对强韧化和界面两个重要问题讲述陶瓷基复合材料的复合原理和结构设计，最后采用案例教学的方式讲述典型几类陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料的制备工艺、面临的主要问题及解决方法等。通过课程学习，学生不仅能够学习陶瓷基复合材料的增韧机制、制备方法和性能评判准则，而且能够使学生根据复合材料的强韧化机理，选择基体和增强体，通过界面设计等解决陶瓷基复合材料的设计、制备以及工程问题。
在课程思政改革方面，本课程从陶瓷基复合材料领域的卓越成就、大师魅力和工匠精神三个方面，采用两次主题讲座和一次课堂讨论的形式，在专业教学中穿插课程思政教学内容，使学生了解和掌握中国选择中国特色社会主义现代化发展道路的历史必然性，并充分领略陶瓷基复合材料在高技术领域的重要性和先进性，从而增强大学生立志投身于先进陶瓷材料的学习，将个人的成才梦有机融入实现中华民族伟大复兴的中国梦的思想认识；通过分析国家发展方向和目前复合材料的瓶颈，让学生明白将来从事的工作要承担怎样的责任，引导学生树立严谨求实的态度和理念。课程将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，在丰富学识，增长见识的同时，帮助学生树立正确的人生观、世界观和价值观，见下图。
《陶瓷基复合材料》中课堂教学与课程思政
教学的有机结合
（一）案例名称
《陶瓷基复合材料》第二章增强材料部分“高性能碳纤维增强材料”
（二）案例教学目标
1、课堂教学目标
能够掌握碳纤维的结构、性能优势、制备方法，尤其是关键制备步骤的作用与控制；深入了解全球碳纤维产业及其发展现状，以及我国碳纤维产业发展所面临的挑战和机遇。
2. 思政育人目标
（1）引导学生对科学技术现代化、综合国力、基本国情的正确认识，并展现我国日益增强的国家实力，增强学生们的国家认同感，树立行业自信，加深学生将个人的成才梦有机融入实现中华民族伟大复兴的中国梦的思想认识。
（2）领略中国材料之父、两院院士师昌绪先生、中国工程院院士杜善义等材料大师的人格魅力和思想素养，引领学生树立正确工科伦理价值的榜样，培养其吃苦耐劳、坚持不懈、无私与博大的情怀。
（三）案例教学实施过程
1.明确课程目标，并提出问题 5 min
从做团队和做材料谈起，引出本节课的教学内容和教学目标，认识碳纤维——一类重要的CMC用纤维增强材料，解决三个问题：什么是碳纤维？碳纤维的价值何在？碳纤维如何制备？
复合材料中的“材与材的复合”与团队中
“人与人的协作”
2.理解高性能碳纤维的自主研发对我国经济发展和国防实力的重要性 15 min（以思政育人为主）
引子：两院院士师昌绪先生在2001年人民代表大会上向中央递交了一封信，指出“中国要想强盛，碳纤维必须要过关”、“碳纤维是发展先进歼击机和导弹所必需的复合材料的重要组成部分，特别是战略导弹急需高性能碳纤维。但是工业先进国家长期对我实行封锁，既不出售产品，也不转让技术。因此高性能碳纤维的生产必须立足国内。”
碳纤维的发展现状和趋势。碳纤维具有优异的综合力学性能，强度是钢的7-10倍，密度是钢的1/4，还有抗疲劳、强度高等性能，被称为21世纪的“黑黄金”，又被称作“21世纪新材料之王”。以杜善义院士做客大国之材的一个采访视频——“贵族材料”碳纤维走下神坛为基础，让同学们更深入了解我国碳纤维研发与国际相比情况如何，以及目前碳纤维复合材料还存在哪些问题。
两院院士师昌绪先生在2001年人民代表大会上
向中央递交的一封信
杜善义院士做客大国之材的采访视频照片
——贵族材料碳纤维走下神坛
3.掌握碳纤维结构、性能及其制备方法 20 min（重点内容，以专业知识讲授为主）
(1)、碳纤维的结构和性能
碳纤维（carbon fiber，简称CF）是一种含碳量在90%以上的高性能纤维状碳素材料，直径5～10 μm。碳纤维是有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有炭素材料的特性，如质量轻，强度高，耐热，耐腐蚀，还具有金属材料的某些特性，具有良好的导电和导热性，在各类复合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到广泛应用。
（2）聚丙烯腈基碳纤维的制备方法
发展历程：1959年日本大阪研究所近藤昭男首先发明了用聚丙烯腈纤维(PANF)制取碳纤维(CF)的方法；60年代为开发期，对PAN原丝组成及纺丝条件作了系统研究，制得了质量稳定的高性能CF；70年代高速发展，80年代由PAN原丝制取CF技术更加完善。
制备方法：分为五个阶段：①拉丝与牵伸：采用湿法、干法或干喷湿纺法得到PAN原丝。牵伸通常在100-300 oC进行，控制PAN原丝纤维的模量。②预氧化过程（热稳定化）：在400 oC加热氧化得到PAN预氧丝。在此过程中PAN原丝中线型分子环化脱氢，转化为耐热的梯形结构，使其在碳化过程中保持纤维形态，避免出现熔融及并丝。显著降低热失重，保证高度石墨和取得更好的性能。③碳化过程：惰性气氛中加热到1000-1500 oC，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。在此过程中非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应。④石墨化过程：惰性气氛2000 -3000 oC范围内进行，形成石墨纤维，弹性模量大大提高。在此过程中非碳原子进一步排除，反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化。⑤表面处理：主要用于提高碳纤维与基体的湿润性，控制不利于复合材料性能的界面反应，提高复合材料的性能（如层间剪切强度等）。
（3）沥青基基碳纤维的制备方法
发展历程：与PAN－CF相比，沥青基碳纤维发展较为缓慢。
制备方法：与PAN基碳纤维的制备过程做对比，找出不同点和相同点（与学生互动）。
课后思考题：碳纤维以含碳的有机纤维为原料通过碳化和石墨化的方法来制备，能不能用元素碳熔融法或溶液法直接纺丝？为什么？
4、能够了解国际和国内碳纤维产业化技术发展现状及面临的机遇和挑战 5 min（启发学生思考和主动学习）
结合两张图（包括全球碳纤维产能及分布图和我国碳纤维主要产能分布，见下图），简单介绍国内外碳纤维产业化技术发展现状，初步了解（1）碳纤维向高性能和低成本双向快速发展，美国、日本等仍然控制碳纤维核心技术和市场。（2）国内高性能碳纤维制备与应用技术取得了重大突破，基本掌握了高性能碳纤维研制和生产的核心技术，但是，高端产品缺乏，中低端产品成本居高不下，缺乏国际竞争力。（3）我国碳纤维技术发展重点：创新开展高性能碳纤维的研发；突破低成本碳纤维制备关键设备和工艺技术，建立千吨乃至万吨级低成本碳纤维生产线。
全球碳纤维产能及分布图
我国碳纤维主要产能分布
5、课后作业（以思政育人为目标）
题目：观看《大国之材 第三集 碳纤维》，查阅相关资料，分析我国目前碳纤维产业发展所面临的挑战和机遇，完成调研报告。要求：1000字左右，图文并茂。
目的：引导学生分析在碳纤维应用方面所面临的卡脖子技术，让学生明白将来从事的工作要承担怎样的责任，引导学生树立严谨求实的态度和理念。
（四）教学效果及反思
本案例采用启发式、讨论式等教学方法，采用视频、书信和图片等丰富的教学手段，讲授了碳纤维增强体材料的结构和制备方法，容易引起学生的学习兴趣；最重要的是，将卓越成就和大师魅力等课程思政内容有机穿插于在专业知识讲授过程中，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，在丰富学识，增长见识的同时，能够帮助学生树立正确的人生观、世界观和价值观。后期可在课程思政内容和专业知识内容的时间分配方面做出改进和优化。
图文来源：苏东
图文编辑：王敏
图文审核：刘洁、张娉婷、杨佳佳