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從零基礎(chǔ)到6篇SCI，211高校本科生科研團隊的“硬核科研”
發(fā)布時間：2025-04-21 閱讀： 一鍵復(fù)制網(wǎng)址
環(huán)氧樹脂（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、汽車及航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)不可替代的應(yīng)用價值。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)推動現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)迭代升級。
然而，EP的易燃性和脆性問題嚴重制約其應(yīng)用和發(fā)展，成為威脅公共安全和產(chǎn)業(yè)升級的“隱形炸彈”。其燃燒時釋放的劇烈熱量和有毒氣體對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)生微裂紋擴展，引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。這些問題不僅威脅生命財產(chǎn)安全，還對高端制造業(yè)的技術(shù)突破形成“卡脖子”難題。
為攻克這一難題，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院本科生科研團隊聚焦安全材料與安全工程領(lǐng)域的研究方向，設(shè)計合成多種新型金屬卟啉有機框架衍生物，作為高效阻燃增韌劑添加進環(huán)氧樹脂基體，實現(xiàn)環(huán)氧樹脂阻燃增韌雙性能提升。這一創(chuàng)新成果為環(huán)氧樹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)。
突破性進展：阻燃增韌協(xié)同創(chuàng)新，助力環(huán)氧樹脂性能升級
2023年10月，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院2021級本科生張佳樂在第十一屆環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂材料的易燃易脆問題極大限制了其應(yīng)用與發(fā)展。通過調(diào)研和文獻查閱，他意識到目前環(huán)氧樹脂改性研究中存在一個關(guān)鍵難題：如何在提升阻燃性能的同時兼顧增韌效果。
在導(dǎo)師周克清教授的指導(dǎo)下，張佳樂決定以卟啉為框架材料進行改性研究，并組建了金屬卟啉研究團隊。經(jīng)過一年半的不懈努力，團隊通過上百次的理論討論和數(shù)千次的實驗探索，成功設(shè)計合成了三種金屬卟啉有機框架衍生物：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)氧樹脂的阻燃增韌效果，為環(huán)氧樹脂的改性研究提供了全新思路。
創(chuàng)新機制：多元素協(xié)同，實現(xiàn)高效阻燃增韌
本研究以金屬卟啉有機框架為研究對象，通過巧妙設(shè)計，實現(xiàn)了在其表面原位生長二氧化硅、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。該體系通過過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)以及不可燃氣體的稀釋作用，實現(xiàn)了在極低添加量（2 wt%）下賦予環(huán)氧樹脂復(fù)合材料優(yōu)異的阻燃抑煙性能和增韌性能。
實驗數(shù)據(jù)顯示，添加2 wt%的改性材料后，環(huán)氧樹脂復(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，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)合材料的拉伸強度提升34.5%，彎曲模量提升66.1%，斷裂伸長率提升38.4%。這一突破性成果為解決環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的易燃易脆問題提供了全新思路，并為環(huán)氧樹脂的進一步應(yīng)用拓展奠定了堅實基礎(chǔ)。
安全價值：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。通過提升環(huán)氧樹脂的阻燃性和韌性，這項技術(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、汽車及航空航天等領(lǐng)域的安全應(yīng)用提供了有力支持。
團隊成員表示，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，為我國在高性能材料領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力提升貢獻力量，為社會創(chuàng)造更大的安全價值。
“科研一直在路上。”張佳樂說道。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11.2，同時申請國家發(fā)明專利5項，主持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目6項。他們用亮眼的成績，打破了人們對本科生科研能力的固有認知，詮釋了青春與科研的深度碰撞。
然而，EP的易燃性和脆性問題嚴重制約其應(yīng)用和發(fā)展，成為威脅公共安全和產(chǎn)業(yè)升級的“隱形炸彈”。其燃燒時釋放的劇烈熱量和有毒氣體對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)生微裂紋擴展，引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。這些問題不僅威脅生命財產(chǎn)安全，還對高端制造業(yè)的技術(shù)突破形成“卡脖子”難題。
為攻克這一難題，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院本科生科研團隊聚焦安全材料與安全工程領(lǐng)域的研究方向，設(shè)計合成多種新型金屬卟啉有機框架衍生物，作為高效阻燃增韌劑添加進環(huán)氧樹脂基體，實現(xiàn)環(huán)氧樹脂阻燃增韌雙性能提升。這一創(chuàng)新成果為環(huán)氧樹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)。
突破性進展：阻燃增韌協(xié)同創(chuàng)新，助力環(huán)氧樹脂性能升級
2023年10月，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院2021級本科生張佳樂在第十一屆環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂材料的易燃易脆問題極大限制了其應(yīng)用與發(fā)展。通過調(diào)研和文獻查閱，他意識到目前環(huán)氧樹脂改性研究中存在一個關(guān)鍵難題：如何在提升阻燃性能的同時兼顧增韌效果。
在導(dǎo)師周克清教授的指導(dǎo)下，張佳樂決定以卟啉為框架材料進行改性研究，并組建了金屬卟啉研究團隊。經(jīng)過一年半的不懈努力，團隊通過上百次的理論討論和數(shù)千次的實驗探索，成功設(shè)計合成了三種金屬卟啉有機框架衍生物：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)氧樹脂的阻燃增韌效果，為環(huán)氧樹脂的改性研究提供了全新思路。
創(chuàng)新機制：多元素協(xié)同，實現(xiàn)高效阻燃增韌
本研究以金屬卟啉有機框架為研究對象，通過巧妙設(shè)計，實現(xiàn)了在其表面原位生長二氧化硅、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。該體系通過過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)以及不可燃氣體的稀釋作用，實現(xiàn)了在極低添加量（2 wt%）下賦予環(huán)氧樹脂復(fù)合材料優(yōu)異的阻燃抑煙性能和增韌性能。
實驗數(shù)據(jù)顯示，添加2 wt%的改性材料后，環(huán)氧樹脂復(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，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)合材料的拉伸強度提升34.5%，彎曲模量提升66.1%，斷裂伸長率提升38.4%。這一突破性成果為解決環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的易燃易脆問題提供了全新思路，并為環(huán)氧樹脂的進一步應(yīng)用拓展奠定了堅實基礎(chǔ)。
安全價值：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。通過提升環(huán)氧樹脂的阻燃性和韌性，這項技術(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、汽車及航空航天等領(lǐng)域的安全應(yīng)用提供了有力支持。
團隊成員表示，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，為我國在高性能材料領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力提升貢獻力量，為社會創(chuàng)造更大的安全價值。
“科研一直在路上。”張佳樂說道。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11.2，同時申請國家發(fā)明專利5項，主持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目6項。他們用亮眼的成績，打破了人們對本科生科研能力的固有認知，詮釋了青春與科研的深度碰撞。
作者：劉宜之 來源：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院
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