耐高溫樹脂由于輕質高強的優(yōu)點，在航天航空領域有著廣泛的應用。目前，雖然如碳纖維等增強材料的制備取得了長足進步，但是配套樹脂的發(fā)展仍相對滯后，成為了限制復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，使用溫度也從當初的100 ℃提升到了目前主流的400 ℃。當前的問題是：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，以滿足航天航空領域的進一步需求？此外，從加工的角度而言，應盡可能地降低樹脂的固化溫度，以提升加工性能。但是，熱固性樹脂設計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，為耐高溫樹脂的設計帶來了極大的困難。
最近，華東理工大學林嘉平教授團隊在耐高溫樹脂的設計方法上取得了突破，建立了適用于高性能聚合物設計的材料基因組方法，大大加快了樹脂的研發(fā)速率，有望改變以試錯為主的傳統(tǒng)材料設計方法。該工作以“Rational Design of Heat-Resistant Polymers with LowCuring Energies by a Materials Genome Approach”為題發(fā)表在材料化學領域重要刊物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、性能預測、結構篩選、性能驗證等步驟。
1.基因定義、收集與組合。
原則上，任何原子或化學基團都可以作為基因進行組合，但是這樣得到的聚合物往往很難合成。為增強合成的可行性，定義合成用化學單體為基因，并進行組合篩選。
2.性能預測。
性能預測是快速篩選的基礎，但是目前尚沒有預測熱穩(wěn)定性和固化溫度的代理模型。通過數(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。
3.結構篩選。
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題。提出了“先粗篩、再精選”的兩步策略，即先計算低代價的代理量，通過第一步的篩選，減少候選樹脂的數(shù)量，然后通過高代價代理量的計算，從中找出優(yōu)選樹脂，提高了篩選效率。
4.性能驗證。
通過以上步驟，成功設計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域對耐高溫樹脂的需求。
該工作由華東理工大學博士生朱峻立、碩士生楚明在王立權副教授的指導下完成。研究工作得到了林嘉平教授和耐高溫樹脂領域著名專家杜磊教授的全程指導，以“頂天立地”為目標，既發(fā)展理論設計方法，又面向實際應用需求，推進高分子材料基因工程的高質量發(fā)展。
參考文獻：
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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