耐高溫樹脂由于輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在航天航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，雖然如碳纖維等增強(qiáng)材料的制備取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是配套樹脂的發(fā)展仍相對(duì)滯后，成為了限制復(fù)合材料性能提升的瓶頸。自1909年酚醛樹脂商品化至今，耐高溫樹脂已經(jīng)發(fā)展了100多年，從中誕生了不少優(yōu)秀的樹脂體系，使用溫度也從當(dāng)初的100 ℃提升到了目前主流的400 ℃。當(dāng)前的問(wèn)題是：樹脂的使用溫度能不能再提高一截，樹脂更替的速度能不能再加快一點(diǎn)，以滿足航天航空領(lǐng)域的進(jìn)一步需求？此外，從加工的角度而言，應(yīng)盡可能地降低樹脂的固化溫度，以提升加工性能。但是，熱固性樹脂設(shè)計(jì)中普遍存在著提高耐熱性能與降低固化溫度相矛盾的現(xiàn)象，就像魚和熊掌不可兼得，為耐高溫樹脂的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的困難。
最近，華東理工大學(xué)林嘉平教授團(tuán)隊(duì)在耐高溫樹脂的設(shè)計(jì)方法上取得了突破，建立了適用于高性能聚合物設(shè)計(jì)的材料基因組方法，大大加快了樹脂的研發(fā)速率，有望改變以試錯(cuò)為主的傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)方法。該工作以“Rational Design of Heat-Resistant Polymers with LowCuring Energies by a Materials Genome Approach”為題發(fā)表在材料化學(xué)領(lǐng)域重要刊物Chem.Mater. (DOI:/10.1021/acs.chemmater.0c00238)。發(fā)展的材料基因工程方法包含基因定義、收集與組合、性能預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)篩選、性能驗(yàn)證等步驟。
1.基因定義、收集與組合。
原則上，任何原子或化學(xué)基團(tuán)都可以作為基因進(jìn)行組合，但是這樣得到的聚合物往往很難合成。為增強(qiáng)合成的可行性，定義合成用化學(xué)單體為基因，并進(jìn)行組合篩選。
2.性能預(yù)測(cè)。
性能預(yù)測(cè)是快速篩選的基礎(chǔ)，但是目前尚沒(méi)有預(yù)測(cè)熱穩(wěn)定性和固化溫度的代理模型。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，找到了能夠代理熱穩(wěn)定性和固化溫度的物理量，為快速篩選熱穩(wěn)定性好、固化溫度低的樹脂奠定了理論基礎(chǔ)。
3.結(jié)構(gòu)篩選。
由于候選基因及樹脂的數(shù)量龐大，如何快速篩選出優(yōu)選樹脂是需要解決的重要問(wèn)題。提出了“先粗篩、再精選”的兩步策略，即先計(jì)算低代價(jià)的代理量，通過(guò)第一步的篩選，減少候選樹脂的數(shù)量，然后通過(guò)高代價(jià)代理量的計(jì)算，從中找出優(yōu)選樹脂，提高了篩選效率。
4.性能驗(yàn)證。
通過(guò)以上步驟，成功設(shè)計(jì)獲得了一種新型耐高溫樹脂，其5 %熱分解溫度大于650℃、固化溫度小于250 ℃, 有望在600 ℃下短期使用并滿足航天航空領(lǐng)域?qū)δ透邷貥渲男枨蟆?/p>
該工作由華東理工大學(xué)博士生朱峻立、碩士生楚明在王立權(quán)副教授的指導(dǎo)下完成。研究工作得到了林嘉平教授和耐高溫樹脂領(lǐng)域著名專家杜磊教授的全程指導(dǎo)，以“頂天立地”為目標(biāo)，既發(fā)展理論設(shè)計(jì)方法，又面向?qū)嶋H應(yīng)用需求，推進(jìn)高分子材料基因工程的高質(zhì)量發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
Junli Zhu#, Ming Chu#, Zuowei Chen, Liquan Wang*, Jiaping Lin*, Lei Du. Rational Design of Heat-Resistant Polymers with Low Curing Energies by a MaterialsGenome Approach. Chem. Mater. 2020,DOI: /10.1021/acs.chemmater.0c00238
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