瞄準(zhǔn)國(guó)家戰(zhàn)略需求|6篇SCI論文背后，見(jiàn)證本科生的硬核成長(zhǎng)之路
作者：劉宜之 來(lái)源：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院
環(huán)氧樹(shù)脂（EP）作為高性能熱固性材料的代表，憑借其三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在建筑、電子、汽車(chē)及航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)不可替代的應(yīng)用價(jià)值。從摩天大樓的結(jié)構(gòu)粘接、5G芯片的高密度封裝，到新能源汽車(chē)輕量化碳纖維部件的成型，乃至航天器耐極端環(huán)境組件的制造，EP以超強(qiáng)粘結(jié)力（25-50 MPa）、低熱膨脹系數(shù)（50-80 ppm/℃）及耐化學(xué)腐蝕性，持續(xù)推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)迭代升級(jí)。
然而，EP的易燃性和脆性問(wèn)題嚴(yán)重制約其應(yīng)用和發(fā)展，成為威脅公共安全和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“隱形炸彈”。其燃燒時(shí)釋放的劇烈熱量和有毒氣體對(duì)人員逃生和消防救援構(gòu)成雙重威脅，而其固有脆性則導(dǎo)致在極端應(yīng)力條件下易發(fā)生微裂紋擴(kuò)展，引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。這些問(wèn)題不僅威脅生命財(cái)產(chǎn)安全，還對(duì)高端制造業(yè)的技術(shù)突破形成“卡脖子”難題。
為攻克這一難題，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院本科生科研團(tuán)隊(duì)聚焦安全材料與安全工程領(lǐng)域的研究方向，設(shè)計(jì)合成多種新型金屬卟啉有機(jī)框架衍生物，作為高效阻燃增韌劑添加進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂基體，實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂阻燃增韌雙性能提升。這一創(chuàng)新成果為環(huán)氧樹(shù)脂的改性研究提供了全新思路，也為安全材料領(lǐng)域的技術(shù)突破奠定了重要基礎(chǔ)。
突破性進(jìn)展：阻燃增韌協(xié)同創(chuàng)新，助力環(huán)氧樹(shù)脂性能升級(jí)
2023年10月，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院2021級(jí)本科生張佳樂(lè)在第十一屆環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂材料的易燃易脆問(wèn)題極大限制了其應(yīng)用與發(fā)展。通過(guò)調(diào)研和文獻(xiàn)查閱，他意識(shí)到目前環(huán)氧樹(shù)脂改性研究中存在一個(gè)關(guān)鍵難題：如何在提升阻燃性能的同時(shí)兼顧增韌效果。
在導(dǎo)師周克清教授的指導(dǎo)下，張佳樂(lè)決定以卟啉為框架材料進(jìn)行改性研究，并組建了金屬卟啉研究團(tuán)隊(duì)。經(jīng)過(guò)一年半的不懈努力，團(tuán)隊(duì)通過(guò)上百次的理論討論和數(shù)千次的實(shí)驗(yàn)探索，成功設(shè)計(jì)合成了三種金屬卟啉有機(jī)框架衍生物：MTPD-Fe@SiO2、MTPD-Fe@PZS和MTPD-FeMg@PANI納米雜化物。這些材料顯著提升了環(huán)氧樹(shù)脂的阻燃增韌效果，為環(huán)氧樹(shù)脂的改性研究提供了全新思路。
創(chuàng)新機(jī)制：多元素協(xié)同，實(shí)現(xiàn)高效阻燃增韌
本研究以金屬卟啉有機(jī)框架為研究對(duì)象，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在其表面原位生長(zhǎng)二氧化硅、聚膦腈和聚苯胺等納米粒子，構(gòu)建了P-N-Fe多元素協(xié)同阻燃體系。該體系通過(guò)過(guò)渡金屬的催化炭化作用、致密炭層的物理屏障作用、含磷自由基的捕獲效應(yīng)以及不可燃?xì)怏w的稀釋作用，實(shí)現(xiàn)了在極低添加量（2 wt%）下賦予環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料優(yōu)異的阻燃抑煙性能和增韌性能。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，添加2 wt%的改性材料后，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的熱釋放率峰值降低44.5%，總煙釋放量降低28.1%，CO釋放率峰值降低73.6%。同時(shí)，得益于分子間π-π堆疊相互作用形成的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提升34.5%，彎曲模量提升66.1%，斷裂伸長(zhǎng)率提升38.4%。這一突破性成果為解決環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的易燃易脆問(wèn)題提供了全新思路，并為環(huán)氧樹(shù)脂的進(jìn)一步應(yīng)用拓展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
安全價(jià)值：為安全材料與安全工程提供新方向
這一創(chuàng)新成果不僅解決了環(huán)氧樹(shù)脂材料在安全性能上的“短板”，還為安全材料與安全工程領(lǐng)域的技術(shù)突破提供了重要參考。通過(guò)提升環(huán)氧樹(shù)脂的阻燃性和韌性，這項(xiàng)技術(shù)顯著降低了材料在極端環(huán)境下的安全隱患，為建筑、電子、汽車(chē)及航空航天等領(lǐng)域的安全應(yīng)用提供了有力支持。
團(tuán)隊(duì)成員表示，將繼續(xù)深入探索卟啉高分子材料的潛在應(yīng)用，拓展其在其他功能材料領(lǐng)域的可能性，為我國(guó)在高性能材料領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力提升貢獻(xiàn)力量，為社會(huì)創(chuàng)造更大的安全價(jià)值。
“科研一直在路上。”張佳樂(lè)說(shuō)道。在兩年期間，金屬卟啉研究小組的6位本科生以第一作者身份發(fā)表3篇SCI論文，以第二作者發(fā)表3篇SCI論文，另有1篇文章正處于審稿階段，其中最高影響因子高達(dá)11.2，同時(shí)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)，主持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目6項(xiàng)。他們用亮眼的成績(jī)，打破了人們對(duì)本科生科研能力的固有認(rèn)知，詮釋了青春與科研的深度碰撞。
發(fā)布時(shí)間：2025-04-21 閱讀：
