研究成果一：力化学回收策略实现高交联热固性材料的高效回收
近日，西安交通大学王铁军团队的施前在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项关于高交联热固性树脂材料力化学回收策略的重要研究成果。该研究提出了一种经济环保、无污染的力化学回收方法，成功实现了高交联热固性树脂材料的高效回收，并保持了材料的力学性能和热稳定性。
热固性树脂材料因其优异的力学性能在航空航天、风力发电、印刷电路板等领域得到广泛应用。然而，由于其高度交联的网络结构，传统的回收方法难以有效处理这些材料，导致大量废弃热固性树脂材料被填埋或焚烧，引发严重的环境和资源浪费问题。施前团队提出的力化学回收策略通过力学与化学的协同作用，成功解决了这一难题。
研究团队采用多种金属配合物催化剂，在特定压力、温度和时间条件下，成功回收了含有动态共价键的高交联环氧树脂。实验结果表明，回收后的材料在杨氏模量、极限强度、峰值应变、冲击强度、弯曲模量和强度等力学性能方面与原始材料几乎一致，且热稳定性也得到了保持。此外，研究还揭示了不同催化剂对回收效率的影响，发现催化剂的效率与中心金属的价态密切相关，顺序为：Zr4+ > Mn3+ > Co3+ > Fe3+ > Co2+ > Zn2+ > OTi4+ >Ni2+。
该研究不仅为高交联热固性树脂材料的回收提供了一种新的解决方案，还为未来大规模工业应用奠定了基础。施前表示，这一策略具有广泛的应用前景，未来有望在热固性树脂材料的可持续利用中发挥重要作用。
此项研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。相关成果已发表在《Advanced Functional Materials》，2024年，2404848期，DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202404848 (期刊影响因子IF=18.5、中科院一区TOP期刊、自然指数期刊Nature Index)，并得到了同行的高度评价。
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研究成果二：力学理论与有限元模拟揭示花粉与孢子萌发的独特机制
施前等人通过界面断裂力学理论和非线性有限元模拟（FEM）深入研究了花粉和孢子的萌发机制，相关成果分别发表于《Applied Materials Today》（DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101471）和《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-020-15294-w）。
在《Applied Materials Today》的研究中，团队通过形态学分析和有限元模拟，揭示了基于孢粉素的花粉和孢子在萌发过程中的力学行为差异。研究发现，Camellia花粉在化学处理后外壁（exine）发生显著软化，而Lycopodium孢子的外壁力学性能则保持稳定。通过有限元模拟，团队成功预测了花粉和孢子在膨胀过程中的应力分布和变形机制，特别是Lycopodium孢子在萌发过程中孔径的软化与破裂行为。
在《Nature Communications》的研究中，团队提出了一种将坚硬花粉转化为软质微凝胶的新方法。通过化学处理，花粉的内壁（intine）发生去酯化反应，使其具备环境刺激响应性。研究结合多物理场模型和有限元模拟，揭示了花粉微凝胶膨胀和收缩的力学机制。模拟结果表明，花粉外壁和内壁的力学性能比在0.5到2之间时，花粉微凝胶表现出显著的膨胀行为。
施前表示这两项研究不仅为理解花粉和孢子的萌发机制提供了新的视角，还为设计新型仿生材料奠定了基础。通过力学理论和有限元模拟的结合，研究团队成功揭示了花粉和孢子在萌发过程中的复杂力学行为，为未来开发智能传感器和执行器提供了理论支持。
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研究成果三：3D打印技术的创新突破——从可回收热固性材料到多功能花粉微凝胶
施前等人分别发表于《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/c7mh00043j）和《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202106276）的研究论文展示了3D打印在可持续材料和多功能应用方面的创新突破。
在《Materials Horizons》的研究中，施前等人首次提出了一种基于Vitrimer环氧树脂的可回收3D打印策略，其被引430余次。传统热固性树脂材料由于永久交联网络而难以回收，而Vitrimer环氧树脂通过高温下的键交换反应实现了网络的可重构性。研究团队通过调整墨水成分和固化工艺，成功实现了复杂三维结构的打印，并展示了材料的多轮回收再打印。该技术不仅解决了3D打印热固性材料的回收难题，还为绿色制造提供了新思路。
另一项发表在《Advanced Functional Materials》的研究中，施前等人利用天然花粉开发了多功能3D打印材料。通过将花粉颗粒转化为刺激响应性微凝胶，研究团队成功制备了可用于复合水凝胶墨水的功能性增强材料，并开发了适用于自由形式3D打印的支持基质。花粉微凝胶不仅提高了水凝胶支架的力学和生理稳定性，还赋予了材料刺激响应性药物释放功能。此外，花粉微凝胶支持基质在自由形式3D打印中表现出优异的流变性能，适用于多种软材料的打印。
施前表示这两项研究展示了3D打印技术在材料可持续性和多功能性方面的巨大潜力，为未来的绿色制造和生物医学应用提供了新的可能性。
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研究成果四：热固性复合材料的绿色闭环回收再利用技术
施前等人发表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》和《Advanced Functional Materials》上的研究论文，为热固性环氧树脂基碳纤维增强复合材料的回收再利用带来了新的希望。这些研究不仅解决了热固性复合材料难以回收的难题，还为实现材料的闭环回收再制造提供了创新的解决方案。
在第一篇论文中，研究人员开发了一种新的回收方法，通过将环氧复合材料浸入醇类小分子溶剂中并加热，利用小分子参与的酯交换反应，有效打破环氧树脂基体中的高分子长链，实现碳纤维的有效剥离和回收。回收的碳纤维在尺寸和机械性能上与原纤维相同，保留了97%的模量和95%的拉伸强度。这种方法易于实施、无污染且完全可回收的特点，在工业领域具有广泛应用前景。
第二篇论文则提出了一种使用高效有机催化剂和溶剂混合物的回收策略，在常压和温和温度下实现工业级热固性环氧树脂及其复合材料的快速降解。通过良溶剂和醇类小分子溶剂混合策略，可以显著提高工业级环氧树脂的降解速率。这种方法不仅可以回收碳纤维芯材，还可以再利用解聚的环氧低聚物，制备出具有高模量和强度的新环氧树脂材料。
这两项研究为热固性环氧复合材料的回收利用提供了新的思路和技术支持，有望在航空航天、汽车制造、集成电路等领域得到广泛应用，推动复合材料的可持续发展。
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研究成果五：动态交联聚合物及其复合材料的抗疲劳和抗断裂设计
弹性体(橡胶)及其复合材料广泛应用于轮胎、减振器、软体机器人、柔性电子等长期承受循环载荷的构件，疲劳裂纹的萌生与扩展是决定其服役寿命与安全性的关键因素。传统橡胶依赖永久性的共价交联网络，具有较高强度与热稳定性，但固化后无法再加工、难以回收；纳米颗粒增强虽可提升静态力学性能，却难以同步改善疲劳性能。如何在分子网络层面实现强度、韧性与动态响应的协同提升，是软材料力学领域亟待解决的重要科学问题。动态交联聚合物（Dynamic crosslinked polymers or Vitrimer）通过可逆的动态共价键交换反应(Bond exchange reactions)实现网络拓扑重排，有望同时满足力学性能与可再加工性的要求，但其抗疲劳设计长期面临基体动态键、界面结合与填料分散难以协同的挑战。
针对聚合物疲劳这一共性科学问题，团队系统梳理了热固性、热塑性、弹性体与水凝胶四大类聚合物材料的疲劳损伤机理、表征方法与力学理论，以综述论文"Polymer fatigue: mechanism, mechanics and design"发表于Materials Horizons 2026。该综述从化学键、分子链、网络结构到宏观力学性能的多尺度视角，系统归纳了抗疲劳设计策略与未来发展方向，为该领域研究提供了系统性参考框架（图1）。
图1 聚合物抗疲劳设计策略跨越从皮米到厘米的多尺度（Materials Horizons 2026）
在抗疲劳材料设计方面，团队提出了多尺度耗散策略：以含二硫键的动态共价网络为基体，引入巯基改性的二氧化硅纳米颗粒，在基体网络、基体—颗粒界面与颗粒—颗粒界面三个尺度同步引入可逆键交换机制（图2）。循环加载实验表明，该橡胶纳米复合材料的疲劳门槛值达到727 J/m²，较传统材料提高341%；经10000次循环加载后应力衰减仅为6%，抗损伤能力提升42%；100 °C下网络特征应力松弛时间由42.2分钟缩短至8.6分钟，在保持力学性能的同时实现了快速网络重构（图3、图4）。该成果以"Multiscale dissipation enhances fatigue resistance of rubber nanocomposites with dynamic covalent bonds"为题发表于Materials Horizons 2026。
图2 多尺度动态耗散策略示意图：动态共价键、可逆基体—颗粒黏附与颗粒簇协同耗散（Materials Horizons 2026）
图3 纯二氧化硅与巯基改性二氧化硅橡胶纳米复合材料的疲劳裂纹扩展行为对比（Materials Horizons 2026）
图4 不同巯基改性纳米颗粒含量下复合材料的疲劳门槛值与裂纹扩展速率（Materials Horizons 2026）
在抗断裂材料设计方面，团队进一步提出多尺度增强策略，通过调控巯基改性纳米颗粒的接枝密度与含量，实现了断裂韧性与动态响应性能的同步提升（图5、图6）。实验结果表明，复合材料本征断裂韧性Gc达到1825 J/m²，较传统橡胶提升340%；带缺口试样的断裂能达到1489 J/m²，提升360%；动态性能较未改性颗粒增强体系提升391%。该成果以"Tough rubber composites with dynamic covalent bonds enhanced by multiscale reinforcement strategy"为题发表于Composites Part A 2026.
图5 多尺度增强策略抵抗裂纹扩展的设计原理（Composites Part A 2026）
图6 巯基改性二氧化硅含量对复合材料断裂能、应力—应变行为与断裂韧性的影响（Composites Part A 2026）
在理论研究方面，团队将固化动力学方程引入经典的Lake–Thomas断裂模型，构筑了全新的固化反应-断裂理论，其断裂韧性表达式为：
建立了含动态共价键杂化网络橡胶玻璃体断裂韧性的定量预测方法（图7、图8）。研究揭示了固化程度、软硬链段比例与动态键含量对材料动态性能与力学性能的调控规律：增加固化时间与二硫键比例可提升断裂韧性与断裂应变，延长固化时间可使断裂韧性最高提升60%。该成果以"The role of dynamic covalent bonds on mechanical properties of rubber vitrimer with hybrid networks"为题发表于Extreme Mechanics Letters 2025。
图7 含动态二硫键杂化网络橡胶玻璃体的分子设计（Extreme Mechanics Letters 2025）
图8 扩展Lake–Thomas模型的断裂韧性预测与参数影响分析（Extreme Mechanics Letters 2025）
该系列研究构建了动态交联聚合物"机理—设计—预测"的完整研究体系，为高耐久、可再加工、可回收橡胶材料的理性设计提供了理论依据与方法支撑，对轮胎、减振构件等大宗软材料制品的寿命延长与可持续发展具有应用价值。