7月15日，在第二十八届中国科协年会主论坛上，中国科协发布2026重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。其中，由中国机械工程学会推荐的“高端装备中关键高分子材料的寿命预测与寿命调控”入选工程技术难题。

【项目介绍】

中文题目：高端装备中关键高分子材料的寿命预测与寿命调控

问题描述：越来越多的高分子新材料在航空航天、轨道交通、电子信息、新能源等重要领域的高端装备中得到广泛应用，甚至决定了装备的关键性能。例如碳纤维复合材料在大飞机中的质量占比已超过50%，新能源汽车中高分子材料的单车用量也已超过200kg；高精度导航仪器及芯片和集成电路设备中的胶粘剂直接影响仪器精度和产品良率。业界普遍期望新材料的使用性能能够在这些领域高端装备运行工况下保持长期稳定，甚至与装备同寿命。因此，快速准确进行高分子材料的寿命预测，并在此基础上实现寿命调控，无论对于装备安全高效运行还是新材料的开发应用都具有极为重要的意义。

问题背景：高分子材料的使用寿命由其材料本质特征（内因）和使用工况（外因）共同决定。高分子材料是多相多组分复杂体系，其组成、配方、制备加工工艺都会影响其结构单元及其分布、分子量及其分布、支化交联等分子结构和相形态、结晶度等聚集态结构，从而改变其对环境工况的响应性。高分子材料中广泛存在的填料和添加剂对材料稳定性的影响也不可忽视。使用工况中温度、湿度、氧气、光照、辐射、机械载荷和化学介质等因素为材料老化的发生和发展提供了引发源和驱动力。不同的使用工况意味着不同的环境因素组合。因此，高分子材料的性能退化（老化）过程是在多种环境因素综合作用下，从分子反应（氧化、断链、交联等）到形态结构（界面脱粘、微裂纹形成等）到使用性能（强度、密封性、绝缘性等）的跨尺度变化过程，贯穿其全寿命周期。在同一服役环境下，不同的高分子材料寿命不同；同一个高分子材料在不同服役环境下的寿命也不同。对高分子材料全生命周期老化机理的充分认识，是进行准确的寿命预测、进一步制定寿命调控策略的基础。

现有的寿命预测常常通过加速老化进行，通过高温短时间的试验结果外推到服役温度，或者基于总辐照剂量通过短期高辐照模拟长期低辐照。更多地基于工程经验，缺乏机理的支撑，不仅极为耗时，而且常常由于加速条件下材料的性能退化机理发生偏离，导致预测结果不准。例如在光伏和芯片等领域，经过标准方法中多步长达几千小时的加速老化评价，甚至只能给出通过与否的定性结论，无法给出定量的结果。漫长的评价周期无法满足新材料开发和更新换代的迫切需求，不准确的寿命预测更是让装备的寿命设计无所依据。

由于缺乏对高分子材料老化机理的深刻认识，不清楚在环境因素的作用下，分子反应如何引发、怎样发展，如何改变形态结构，最终导致使用性能的退化，因此也就无法确定具体的材料对象在具体使用工况下影响老化过程和寿命的主要矛盾和关键影响因素。这就使得寿命调控只有一个笼统的方向，无法实现精准设计，更多地处于经验主导的研究水平。

综上所述，在高分子新材料迅速发展和广泛应用的今天，（尤其是在复杂极端环境下）老化机理研究的长期缺失导致寿命预测和寿命调控研究的滞后，使其成为制约材料研发和应用的瓶颈问题。而高分子材料的寿命预测与寿命调控，不仅是个重大的工程技术难题，而且同时也是个前沿的科学问题。

最新进展：国外（主要集中在美国和欧洲国家）在材料研发及应用研究方面早于国内，形成了一支稳定的研究队伍，对老化机理的研究较国内深入细致。随着国际产业重心慢慢转移到中国，国外的研究开始停滞，国内的需求大量涌现。但由于国内缺乏积累，因此研究队伍的建设和研究水平的提升仍有待时日。

寿命预测工作的进展主要在多因素耦合模型及老化评价设备开发方面，关注多种环境因素对高分子材料老化的耦合作用机制，代表研究单位包括四川大学、中国电器科学研究院、清华大学等。例如清华大学团队在国内外首创了基于痕量老化降解产物检测的多因素耦合老化评价方法和仪器，可模拟户外环境条件，将并基于此建立了寿命预测的通用数学模型。

寿命调控的前提是对老化机理的深入认识。基于高分子材料老化机理的关键控制步骤，有针对性地采取抑制或促进策略，即可实现提升稳定性或促进降解，实现寿命的调控。国外在老化机理研究的深厚积累使得他们在寿命调控方面领先于国内，这也是国外产品的质量和可靠性领先国内的根本原因。国内在高分子材料的功能开发方面的前沿研究已不逊色于国外，但由于高分子材料老化研究的复杂性，对于其老化机理的认识还多处于个例分析层面，尚未形成系统性认识，因此寿命调控研究常常是经验主导的试错式研究。清华大学团队提出并建立了光氧老化的跨尺度模拟方法，模拟和实验相结合，建立了高分子材料老化的界面效应模型，并基于此提出和验证了基于界面设计的寿命调控方法，在国内外均处于领先水平。

作者：杨睿，清华大学化学工程系教授

推荐专家：郭东明，大连理工大学，中国工程院院士；雒建斌，清华大学，中国科学院院士

编辑: 于宏丽

发布单位: 中国机械工程学会学术与期刊处

关键词：2026重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题