天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，成功研發(fā)出一種兼具耐高溫、高強(qiáng)韌性和可回收特性的新型環(huán)氧樹(shù)脂，破解了該材料長(zhǎng)期困擾行業(yè)的性能“蹺蹺板困境”。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》上。

環(huán)氧樹(shù)脂因其優(yōu)異的粘接性能、機(jī)械強(qiáng)度和耐化學(xué)腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、新能源、電子封裝等戰(zhàn)略性領(lǐng)域，是現(xiàn)代高端制造中不可或缺的關(guān)鍵材料，被稱(chēng)為現(xiàn)代工業(yè)的“隱形骨架”，全球市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)130億美元。在我國(guó)，環(huán)氧樹(shù)脂還是風(fēng)電葉片制造的重要基材。然而，隨著風(fēng)電設(shè)備逐步進(jìn)入退役期，每年約有5800噸環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料廢棄物產(chǎn)生，目前主要依賴填埋或焚燒處理，不僅造成資源浪費(fèi)，也帶來(lái)環(huán)境壓力。

環(huán)氧樹(shù)脂循環(huán)再利用難題主要在于性能“蹺蹺板困境”。傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂固化后形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如同“無(wú)法解開(kāi)的漁網(wǎng)”，高強(qiáng)度、高耐熱性與韌性、可加工性始終難以兼顧——增韌需犧牲耐熱性，而提高耐熱性則會(huì)導(dǎo)致材料變脆。這不僅限制了其在極端環(huán)境中的應(yīng)用，更成為高端環(huán)氧樹(shù)脂國(guó)產(chǎn)化與綠色化的核心瓶頸。

汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)從分子設(shè)計(jì)源頭入手，在傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂的剛性網(wǎng)絡(luò)中巧妙地植入了可逆的“酸堿離子對(duì)”。這些離子對(duì)在材料中扮演著雙重角色，既是吸收沖擊能量的“微型減震器”，又是能在高溫下啟動(dòng)鍵位重組的“智能催化劑”。這種設(shè)計(jì)使新材料在保持超高強(qiáng)度（78兆帕）和耐熱性（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于245攝氏度）的同時(shí)，斷裂韌性達(dá)到了8.2兆焦耳每立方米。相比市售高端環(huán)氧樹(shù)脂材料，新材料的耐熱性提高了約15%，而斷裂韌性則提升了近3倍。在保持這些優(yōu)異性能的同時(shí)，新材料還具備了傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂所缺乏的自修復(fù)能力和可回收性。

“我們首次在如此高性能的熱固性環(huán)氧樹(shù)脂中實(shí)現(xiàn)了形狀可編程及化學(xué)降解。”汪懷遠(yuǎn)表示，“實(shí)驗(yàn)表明，這種材料可以多次再加工和物理回收，而性能下降不超過(guò)10%。”這打破了傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂“一次固化即永久定型”的局限。

基于獨(dú)特性能，團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單熱壓印工藝，成功制備出超疏水、高導(dǎo)熱復(fù)合涂層——水接觸角接近150度，添加氮化硼填料后導(dǎo)熱系數(shù)顯著提升，可解決5G基站、高性能芯片的散熱痛點(diǎn)，為“雙碳”目標(biāo)下高端材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供支撐。

未來(lái)，在風(fēng)電領(lǐng)域，可回收特性有望破解退役葉片處理難題；在航空航天、新能源汽車(chē)領(lǐng)域，其高強(qiáng)韌、耐高溫優(yōu)勢(shì)可助力裝備輕量化升級(jí)，同時(shí)為高端環(huán)氧樹(shù)脂國(guó)產(chǎn)化替代提供廣闊空間。