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作品名称：新型轻质高强碳纤维聚芳醚酮航空航天连接件棒材领航者
学校名称：山东理工大学
参赛队伍：航天脊梁
队伍编号：210320
参赛学生：袁天一王雯钰
指导老师：谭洪生
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

本作品由山东理工大学“国防天材团队”研发，聚焦国家军工项目（军用飞机、商用飞机等）及航空航天、汽车制造等高端领域对高性能材料的需求，旨在突破传统复合材料加工瓶颈，开发连续碳纤维增强低熔点聚芳醚酮（CCF/LMPAEK）复合材料棒材，为结构承重部件轻量化、高性能化提供关键材料解决方案。一、核心技术与性能优势 1. 自主化成型装备：团队自行设计、组装连续纤维增强热塑性复合材料棒材成型装置，可精准控制加热温度、牵引速度及模具参数，有效减少棒材内部孔隙与缺陷。通过梯度升温调试（从335℃逐步优化至355℃）与水平牵引工艺，实现工艺参数稳定可控，解决传统装置产品质量波动问题。 2. 创新原料与工艺：选用低熔点聚芳醚酮（LMPAEK）为基体，较传统聚芳醚酮（PAEK）熔融温度降低约50℃，加工温度降至355℃，能耗减少30%以上，且铺带速度更快，适配规模化生产；采用“预浸带二次加工”工艺，先制备均匀浸润的CCF/LMPAEK预浸带，再经裁剪、穿模、加热、牵引、冷却制棒，避免碳纤与树脂直接混合不均，保证棒材性能一致性。 3. 优异产品性能：系统探究带模比（RTD）对棒材性能的影响，制备出RTD为85%、90%、95%的三种棒材。其中RTD 95%的棒材综合性能最优：弯曲强度达686.3MPa（较RTD 90%提升23%），弯曲模量45.5GPa（较RTD 90%提升21%），孔隙率仅1.82%（较RTD 85%降低94%）；动态热机械分析（DMA）显示，其储能模量（E’）12760.5MPa（较RTD 90%提升7%），玻璃化转变温度（Tg）168.5℃，长期使用温度可达300℃，兼具轻质高强（密度1.63g/cm³，仅为钛合金40%）、耐热耐腐、可回收等特性。二、研究基础与成果支撑 1. 科研积累深厚：团队围绕项目开展系统研究，已申请3项专利，发表1篇北大核心论文及1篇SCI论文；查新报告显示，除团队专利外，国内未见相同研究内容，产品性能与关键技术达国外先进、国内领先水平。 2. 实践成果丰富：团队曾获全国大学生可再生能源科技竞赛三等奖、山东省大学生复合材料科技创新竞赛一等奖等10余项省级及以上奖项，参与1项国家级大学生创新训练项目，主持的大学生训练项目已推省，科研实践能力经多维度验证。 3. 产业化初步落地：在山东中航和辉航空标准件有限公司完成棒材制备流水线产业化放大，试生产的φ2-4.5-8mm CCF/LMPAEK棒材，获国际知名企业英国威格斯公司（VICTREX CO.）好评；产品已应用于山东大学热塑复材铆接工艺研究、中国兵器工业集团军工武器零部件研制，还以此为基础撰写2024年国防科工局“新型轻质连接件用复合材料研制”项目建议书并参与竞标答辩。三、应用价值与前景 1. 领域适配广泛：在航空航天领域，可用于制造飞机机翼连接部件、起落架连接轴、卫星结构件，实现减重40%-50%，提升飞行器燃油效率与飞行性能；汽车制造领域，适配发动机零部件、底盘结构件，助力汽车轻量化与能耗降低；医疗器械领域，依托LMPAEK生物相容性，可开发人工关节、接骨板等骨科植入物；还可应用于体育用品（高端球拍、自行车车架）、电子产品（耐高温外壳）等领域。 2. 经济与社会效益显著：结合市场预测，2025-2027年产品销售额有望从0.6亿元增至2.4亿元，利润同步增长；产业化后可形成“原材料研发-生产-产品制造-销售服务”完整产业链，带动上下游协同发展，创造就业机会；同时，材料可回收特性与轻量化设计符合绿色制造理念，助力“双碳”目标实现。