基于材料基因工程设计筛选耐高温易加工聚酰亚胺

聚酰亚胺(PI)树脂在航天航空工业领域具有重要应用,被要求其兼具热稳定性和良好的加工性。但是,在耐热性能提高的同时,PI的加工性能通常会变差,这种矛盾加大了树脂设计与研发的难度。文中提出了一种基于材料基因工程的两步法筛选策略,这种新方法能加速设计兼具热稳定性和加工性的PI结构。第1步,从聚合物数据库中的化学结构提取出各种化学基元,以化学键解离能和键级作为热稳定性指标,以旋转松弛时间和零切黏度作为加工指标对化学基元进行第1次筛选,获得候选基元。第2步,通过候选基元的组合获得候选PI结构,以50%热分解温度作为热稳定性指标,以LUMO-HOMO和零切黏度作为加工性指标,筛选得到主链含二甲基硅和炔基的新型耐高温易加工的PI树脂。这一策略为快速设计兼具多种性能的新型聚合物提供了一种新方法。

聚硅炔酰亚胺树脂及其复合材料的制备与性能

首先通过材料基因组方法(MGA)设计筛选得到了一种具有高耐热性的乙炔基封端聚酰亚胺(ATPI),然后以2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐、3,4'-二氨基二苯醚、3-氨基苯乙炔3种单体为原料合成了ATPI。利用傅里叶变换红外光谱、核磁共振氢谱对ATPI的化学结构进行了表征。通过ATPI与甲基乙烯基含硅芳炔(PSA)树脂共聚,得到聚硅炔酰亚胺(PSI)树脂。利用差示扫描量热仪分析了PSI树脂的热固化行为,确定了其固化工艺。采用热重分析表征了PSI固化物的耐热性,结果显示其质量损失5%的热分解温度(T_(d5))及800℃残碳率(Y_(r800))分别为573℃和85.9%。万能拉力机测试得到PSI浇注体的弯曲强度达到49.8 MPa,比PSA树脂提升了1.5倍。通过模压及热压罐成型工艺分别制备了石英纤维及T800碳纤维增强的PSI复合材料。T800碳纤维增强的复合材料弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)分别为1553 MPa和84.1 MPa,在350℃处理100 h后,ILSS基本保持不变,复合材料具有良好的耐热性及力学稳定性。石英纤维增强的复合材料弯曲强度和ILSS分别为539 MPa和37.5 MPa。用网络分析仪对石英纤维增强的复合材料的介电性能进行了表征,500℃处理后材料的介电常数与常温下的数值相近,复合材料的高温介电稳定性较好。

高分子材料基因组——高分子研发的新方法

材料基因组旨在将计算工具、数据库和实验工具有机结合,缩短研发时间,提高材料研发效率.高分子材料因其结构独特性和复杂性阻碍了材料基因组在高分子材料领域的发展.目前,国内外学者在高通量筛选高分子化学结构策略和构建性能预测方法等方面开展了尝试,并取得了一些成果.本文总结和评述了当前利用代理量方法和机器学习预测模型实现高分子材料基因组的进展,利用可计算的量代理宏观性能的代理量法和利用机器学习模型预测材料性能的方法在一定程度上克服了高分子复杂性的影响.在此基础上,系统地介绍了数据挖掘或模型构建的方法以及运用这些模型筛选不同类型高分子的思路,着重探讨了方法构建和材料筛选背后的思想以及对各类问题的解决措施.最后,探讨了当前高分子材料基因组发展中所面临的主要挑战,并展望了高分子材料基因组的未来发展方向.