5-12、特种弹性体材料基因组研究
张立群1, 2，刘军2，高洋洋2，李凡珠2，杨海波2，吴丝竹2,秦璇2
1. 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，2.北京化工大学先进弹性体材料研究中心
摘要：利用材料基因组学的理念，借助多个国家级超大规模计算平台，建立了从计算机模拟到实验验证的研究线路，分别针对军用两用超低滚动阻力(超低油耗)轮胎用超级弹性体材料、极宽温域服役硅橡胶材料、水声消声阻尼橡胶材料、防弹防扎非充气轮胎材料开展了研究；同时，针对橡胶材料分子设计到特种橡胶元件性能优化，发展跨尺度模拟技术(从分子模拟到有限元分析)，取得了一系列初步研究成果。(1) 计算机模拟预测采用纳米颗粒交联分子链末端构造的理想网络，呈现出极其优秀的动静态力学性能，进一步通过实验合成、结构表征与性能测试发现，所创制的新材料其综合性能均比现有最好商用橡胶复合材料得到大幅度提升，这就为下一代高性能节油轮胎用橡胶材料开发提供了重要方向。(2) 计算机模拟预测出了比现有硅橡胶具有更低的玻璃化转变温度和耐极寒条件的新型硅橡胶化学分子结构，且其耐高温性能也得到明显的改善，目前正指导实验进行精准的合成。(3)计算机模拟预测采用极性小分子与带极性官能团的橡胶大分子链复合，通过构建多重氢键网络结构，能极大的提升所需频率范围内的材料动态阻尼峰。 进一步实验上通过丁腈橡胶与AO80(或AO60)小分子复合，成功制备出满足重要需求的水声阻尼消声橡胶材料。(4) 有限元分析防弹防扎非充气轮胎结构，初步确定出了最佳结构设计，与分子模拟相结合，筛选出了初步的材料范围，也为更理想的新材料的制备提供了方向。(5) 从分子动力学模拟出发，获得橡胶材料复杂结构与多种性能间的本构关系，进一步输入到有限元模拟计算中，建立了从微观尺度的分子设计到宏观性能优化的跨尺度方法，初步实现了对高性能轮胎和特种橡胶元件的全链条研发模式。以上系列研究成果表明，采用材料基因组学方法能极大的缩短特种弹性体材料的研发周期与降低其研发成本，将为中国制造2025和军民融合战略对高性能新弹性体材料的需求提供有力支撑。
参考文献：
(1) Qin, Xuan, Zhang, Liqun; Liu, Jun, Wang Dong; Rational Design of Advanced Elastomer Nanocomposites towards extremely energy-saving tires based on macromolecular assembly strategy, Nano Energy, 2018, 6, 180.
(2)Liu, Jun; Zheng, Zijian; Li, Fanzhu; Zhang, Liqun; Wang, Zhong Lin, Nanoparticle chemically end-linking elastomer network with super-low hysteresis loss for fuel-saving automobile , Nano Energy, 2016.10, 28: 87~96
(3)Liu, Jun; Lu, Yong-Lai; Tian, Ming; Li, Fen; Shen, Jianxiang; Gao,Yangyang; Zhang, Liqun, The Interesting Influence of Nanosprings on the Viscoelasticity of Elastomeric Polymer Materials: Simulation and Experiment ,Advanced Functional Materials, 2013.3.6, 23(9): 1156~1163
(4) Liu, Jie; Liu, Jun; Wu, Siwu; Tang, Zhenghai; Guo, Baochun; Zhang, Liqun, An advanced elastomer with an unprecedented combination of excellent mechanical properties and high self-healing capability , Journal of Materials Chemistry A, 2017.12.28, 5(48): 25660~25671
(5) Baochun Guo, Zhenghai Tang, Liqun Zhang. Transport performance in novel elastomer nanocomposites: mechanism, design and control. Progress in Polymer Science.2016, 61, 29-66.
DOI:10.12110/secondfmge.20181014.512
男，1969年，博士。北京化工大学材料科学与工程学院，院长。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，第一届“万人计划”入选者，国家973项目首席科学家。教育部弹性体材料节能与资源化工程中心主任。中国轮胎产业技术创新联盟技术委员会主任、中国化工学会理事（橡塑产品绿色制造专业委员会主任委员）、中国材料研究学会理事(高分子材料工程专业委员会副主任委员)、中国复合材料学会荣誉理事（微纳米复合材料专业委员会副主任委员）,《高分子通报》副主编、《橡胶工业》编委会副主任委员,《Science Bulletin》、《Composites Science and Technology》、《Rubber Chemistry and Technology》、《Express Polymer Letters》编委和副主编。发表文章400余篇，作为第一作者或通讯联系人的SCI收录文章200余篇，Google学术引用15000余次，H因子54，入选Elsevier 2014-2017年中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）名单。获得中国发明专利223项。以第一获奖人获得国家技术发明二等奖2项，省部级一等奖7项。获得过全国优秀科技工作者、第九届中国青年科技奖、何梁何利基金青年创新奖、光华工程科技奖第九届青年奖、中国化工学会侯德榜化工科学技术奖等。还获得了美国化学会橡胶分会Sparks-Thomas科技奖（每届全球1名）、日本化学工学会SCEJ亚洲研究奖（每届亚洲2名）、国际聚合物加工学会Morand Lambla Award（每届全球1名）以及国际橡胶会议组织奖章IRCO Medal（每届全球1名）。