先進樹脂基復(fù)合材料由于輕質(zhì)高強的優(yōu)點，在航天航空等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。相較于高性能碳纖維的發(fā)展，當(dāng)前基體樹脂的發(fā)展相對滯后，成為了制約復(fù)合材料性能提升的瓶頸。環(huán)氧樹脂作為廣泛使用的高性能復(fù)合材料的基體樹脂，存在脆性大的難題。如何使環(huán)氧樹脂兼具高強度、高模量、高韌性的性質(zhì)，長期困擾著高分子材料的科研人員。傳統(tǒng)的高分子研究范式以經(jīng)驗和實驗試錯為中心，費時費力，難以應(yīng)對各類性能間相互制約的設(shè)計難題。
最近，我校林嘉平教授團隊在高性能環(huán)氧樹脂的設(shè)計方法上取得了突破。利用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合分子描述符與分子圖表示方法捕獲環(huán)氧結(jié)構(gòu)的基因特征，基于Flory經(jīng)典凝膠理論開發(fā)了可描述聚合物交聯(lián)特性的交聯(lián)密度描述符，建立了環(huán)氧樹脂各類性能的機器學(xué)習(xí)模型。這種高分子材料的“AlphaFold”模型，可以高效、快速計算海量環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)的模量、強度和斷裂伸長率（如圖1）。基于機器學(xué)習(xí)模型，發(fā)展了材料基因組方法。經(jīng)樹脂基因定義和組合，形成了24萬種候選的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)。通過機器學(xué)習(xí)性能預(yù)估模型，對海量虛擬結(jié)構(gòu)進行了高通量預(yù)測和篩選，得到了10余種兼具高模、高強、高韌特性的新型環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)。實驗驗證表明，在保持高模、高強的同時，新型環(huán)氧樹脂斷裂伸長率可達6.7%，有效解決了環(huán)氧樹脂的脆性難題。
圖1. 面向高性能環(huán)氧樹脂設(shè)計的“AlphaFold”模型，可高效、快速計算不同分子結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂的強度、模量和斷裂伸長，性能3D圖中包涵24萬個環(huán)氧結(jié)構(gòu)的強度、模量和斷裂伸長。顏色由紫到紅表示綜合力學(xué)性能的由弱到強。
該工作由華東理工大學(xué)博士生胡雅茜、趙文林在林嘉平教授、王立權(quán)副教授和特種樹脂領(lǐng)域著名專家杜磊教授的指導(dǎo)下完成。該工作以“Machine-Learning-Assisted Design of Highly Tough Thermosetting Polymers”為題發(fā)表在材料化學(xué)領(lǐng)域重要刊物ACS Appl. Mater. Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.2c14290)。此外，團隊近期還發(fā)展了耐高溫易加工含硅芳炔樹脂的機器學(xué)習(xí)模型，通過高效、快速計算耐熱性能和加工粘度，成功設(shè)計獲得了耐熱性優(yōu)異且易于加工的新型含硅芳炔樹脂，其耐高溫性能Td5達689℃、在110℃~152℃加工窗口下粘度低于1 Pa?s（Chem. Eng. J. 2022, 448, 137643）。研究團隊以“頂天立地”為目標(biāo)，既發(fā)展理論設(shè)計方法，又面向重大實際需求，推進高分子材料基因工程的高質(zhì)量發(fā)展。
參考文獻：
Yaxi Hu#, Wenlin Zhao#, Liquan Wang*, Jiaping Lin*, and Lei Du. Machine-Learning-Assisted Design of Highly Tough Thermosetting Polymers. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c14290
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