玻璃纤维增强尼龙66复合材料的制备与性能研究_孙红玲

新技术与产品开发增强增韧尼龙66汽车专用料的性能研究　Ξ崔　欣1,王静江2(11中国石油辽阳石化分公司研究院,辽宁辽阳111003;21中国石油辽阳石油化纤公司技术中心,辽宁辽阳111003) 摘要:采用双螺杆挤出加工工艺,对增强增韧尼龙66材料综合性能进行了研究;比较了尼龙品种、增韧剂、玻璃纤维及助剂对内饰件材料的改性效果;并分析了生产工艺对材料性能的影响。

确定了材料的最佳工艺参数和配方,并成功应用在出口汽车座椅滑块制品上。

关键词:尼龙;玻璃纤维;增韧剂;结构;性能;应用 中图分类号:T Q32316 文献标识码:B 文章编号:1005-5770(2007)04-0062-04Study of Property of R einforced and Toughened N ylon 66Special Compound for Auto I ndustryC UI X in 1,W ANGJing 2jiang 2(11Research Institute of Liaoyang Petrochemical Branch ,PetroChina ,Liaoyang 111003,China ;21T echnical Center of Liaoyang Petrochemical Fiber C o.,PetroChina ,Liaoyang 111003,China) Abstract :The overall property of rein forced and toughened nylon 66com pound was studied by means of extru 2sion technology on twin 2screw extruder 1The effect of the variety of nylon and the effects of toughener ,glass fiber and additive on the m odification of the decorative com pounds were com pared ,the effect of processing technology on the property of the com pound was analyzed 1The optimum processing parameter and formulation for the com pound were determined and applied to the production of the slide bar of the saddle of car for export success fully 1 K eyw ords :Nylon ;G lass Fiber ;T oughener ;Structure ;Property ;Application 汽车上零部件要求能耐高低温、耐油、耐化学药品、耐候和一定的机械性能,达到节能降耗、提高车速、改进外观和舒适性、降低成本等众多目标。

第４７卷第１２期２０１９年１２月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ连续纤维增强不同黏度的尼龙６６复合材料性能的研究袁㊀理ꎬ李㊀谦ꎬ李旭清ꎬ郭㊀岳(中蓝晨光化工研究设计院有限公司ꎬ四川成都６１００４１)㊀㊀摘要:通过熔融浸渍工艺制备连续玻璃纤维增强不同黏度的ＰＡ６６复合材料ꎬ并利用力学测试㊁扫描电子显微镜(ＳＥＭ)㊁热变形温度以及热失重等测试方式多方面探究不同黏度的ＰＡ６６对长玻纤增强复合材料性能的影响ꎮ结果表明ꎬ低黏度的ＰＡ６６能提高基体与玻璃纤维间的浸渍能力和复合材料的力学性能ꎬ并且对其耐热变形能力和热稳定性影响不大ꎮ关键词:尼龙６６ꎻ黏度ꎻ力学性能ꎻ浸渍程度中图分类号:ＴＱ３２７ １㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０１９)１２－００７５－０４ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００５－５７７０ ２０１９ １２ ０１８开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):ＳｔｕｄｙｏｎＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＡ６６ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔＶｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓＹＵＡＮＬｉꎬＬＩＱｉａｎꎬＬＩＸｕ￣ｑｉｎｇꎬＧＵＯＹｕｅ(ＣｈｉｎａＢｌｕｅｓｔａｒＣｈｅｎｇｒａｎｄＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００４１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙａｍｉｄｅ６６(ＰＡ６６)ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｅｌｔｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓｏｆＰＡ６６ｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｎｇｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇꎬｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ(ＳＥＭ)ꎬｈｅａｔｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ(ＨＤＴ)ａｎｄｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ(ＴＧ)ꎬｅｔａｌ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌｏｗｖｉｓｃｏｓｉｔｙｏｆＰＡ６６ｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍａｔｒｉｘａｎｄｔｈｅｇｌａｓｓｆｉｂｅｒａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅꎬａｎｄｉｔｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｈｅａｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｐｏｌｙａｍｉｄｅ６６ꎻＶｉｓｃｏｓｉｔｙꎻＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻＤｅｇｒｅｅｏｆＩｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ尼龙６６(ＰＡ６６)是聚酰胺或尼龙的一种ꎬ由己二酸和己二胺缩聚而成ꎬ是一种半结晶型热塑性树脂[１]ꎬ具有优异的力学性能㊁耐化学性㊁耐磨性等ꎬ但其在干态和低温条件下冲击强度低ꎬ对温度敏感性和较高吸湿性导致尺寸稳定性较差ꎬ限制了其应用范围[２]ꎮ玻璃纤维是一种无机非金属材料ꎬ也是迄今为止历史最久远㊁且在非航空领域中替代较重金属部件的最常见的增强材料[３－４]ꎬ具有极其优异的力学性能㊁电性能和抗老化性能[５]ꎮ连续纤维增强热塑性树脂基复合材料(ＣＦＲＴＰ)是指将连续长纤维和热塑性树脂进行结合得到的一种复合材料ꎬ它综合各组分材料的特点ꎬ具备纤维和树脂的相关特性ꎬ使得综合性能更为优异[６]ꎮ因此ꎬ玻璃纤维加入ＰＡ６６能明显提升尼龙材料的力学强度ꎬ耐高温㊁耐腐蚀性等ꎬ同时降低成本ꎬ从而扩大尼龙材料的使用领域[７]ꎮＣＦＲＴＰ是将熔融的热塑性树脂浸渍到连续的分散纤维中后冷却成型制备ꎬ主要包括溶液浸渍㊁粉末浸渍㊁原位聚合浸渍以及熔融浸渍等工艺[８－９]ꎮ其中由于熔融浸渍工艺设备简单ꎬ生产周期短ꎬ可实现连续化生产ꎬ树脂含量可控ꎬ目前己成为ＣＦＲＴＰ复合材料的主流技术[１０]ꎮ为进一步研究熔体黏度对浸渍过程中树脂与纤维间的浸渍程度ꎬ本工作利用熔融浸渍工艺制备连续长玻璃纤维增强不同黏度的ＰＡ６６复合材料粒料ꎬ再采用注塑成型技术制备成型试样ꎬ并利用力学测试㊁扫描电子显微镜(ＳＥＭ)㊁热变形温度以及热稳定性能等测试方式多方面探究不同黏度的ＰＡ６６对长玻纤增强复合材料性能的影响ꎮ１㊀实验部分１ １㊀主要原料高黏度ＰＡ６６:１０１Ｌꎬ美国杜邦公司ꎻ低黏度ＰＡ６６:ＥＰＲ２４ꎬ中蓝晨光化工研究设计院有限公司ꎻ５７ 作者简介:袁理ꎬ女ꎬ１９９５年生ꎬ硕士ꎬ主要从事工程塑料方向的研究ꎮｙｕａｎｌｉ９３７４＠１６３ ｃｏｍ塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀抗氧剂１０９８㊁辅助抗氧剂１６８:瑞士汽巴精化公司ꎮ１ ２㊀主要设备及仪器同向双螺杆挤出造粒机:ＴＳＳ￣４０ꎬ南京创博机械设备有限公司ꎻ注塑机:ＨＴＦ９０Ｗ１ꎬ宁波海天集团股份有限公司ꎻ万能材料试验机:Ｚ１００ꎬ德国ＺＷＩＣＫ公司ꎻ落锤冲击试验机:ＦＷＭＡＧＮＵＳ１０００ꎬ德国ＣＯＥＳＦＥＬＤ公司ꎻ负荷热变形＆温度维卡软化点测试仪:ＨＶ３ꎬ美国英斯特朗公司ꎻ扫描电子显微镜:ＶＥＧＡ３ꎬ泰思肯(中国)有限公司ꎻ热重分析仪:Ｑ５０ꎬ美国ＴＡ公司ꎮ１ ３㊀样品制备实验前将ＰＡ６６放置在温度为６０ħ的烘箱中干燥３ｈꎮ将不同黏度的ＰＡ６６根据表１不同配方(低黏度ＰＡ６６质量分数分别为０％㊁２５％㊁５０％㊁７５％㊁１００％)ꎬ通过双螺杆挤出机使树脂熔融ꎮ固定长玻璃纤维含量为５０％ꎬ并将连续纤维经预分散后通过装有熔体树脂的浸渍模具ꎬ纤维在浸渍模具中完成分散ꎬ从而使树脂熔体能均匀渗透到纤维束中ꎬ浸渍完成的纤维束经牵引设备从浸渍模具中牵出ꎬ冷却后即可得到纤维增强树脂复合材料的预浸料ꎬ再通过切粒设备切割即可得到长纤维增强树脂粒料ꎮ材料性能测试样条用注塑机制备ꎮ表１㊀不同黏度的ＰＡ６６配方表(质量分数ꎬ％)Ｔａｂ１㊀ＰＡ６６ｆｏｒｍｕｌａｔａｂｌｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓ试样编号高黏度ＰＡ６６低黏度ＰＡ６６１＃１０００２＃７５２５３＃５０５０４＃２５７５５＃０１００１ ４㊀测试与表征１ ４ １㊀力学性能测试进行力学性能测试前ꎬ先将制得的样条静置２４ｈꎬ目的是消除样条内应力ꎮ拉伸性能和弯曲性能的测试在万能试验机上测试ꎬ测试标准分别为ＧＢ/Ｔ１０４０ １９９２和ＧＢ/Ｔ９３４１ ２０００ꎬ每组试验取５个样ꎬ取其平均值ꎮ冲击性能的测试在冲击试验机上进行ꎬ按照ＧＢ/Ｔ１０４３ １９９３标准进行ꎬ每组试验取１０个样ꎬ取其平均值ꎮ１ ４ ２㊀热重(ＴＧ)测试在Ｎ２气氛下ꎬ每组样品取３~５ｍｇꎬ以２０ħ/ｍｉｎ的升温速率从２０ħ加热到８００ħꎮ１ ４ ３㊀热变形温度测试按ＧＢ/Ｔ１６３４ ２００４进行测试ꎬ试样尺寸８０ｍｍˑ１０ｍｍˑ４ｍｍꎬ进行热变形温度测试ꎮ升温速率为１２０ħ/ｈꎮ１ ４ ４㊀扫描电子显微镜测试通过ＳＥＭ观察复合材料的冲击断面形貌特征ꎮ扫描前ꎬ将需分析的样品喷金处理ꎮ２㊀结果与讨论２ １㊀力学性能ａ－拉伸强度ｂ－弯曲强度ｃ－冲击强度图１㊀复合材料的力学性能Ｆｉｇ１㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ图１为连续玻璃纤维增强不同黏度的ＰＡ６６复合材料力学性能ꎮ从图１中可以看出ꎬ随着低黏度ＰＡ６６含量的提高ꎬ样品的拉伸强度㊁弯曲强度以及冲击强度均呈一定程度的提高ꎮ在图１ａ中ꎬ当样品配方１＃中ꎬ高黏度ＰＡ６６含量为１００％ꎬ不含低黏度ＰＡ６６时ꎬ复合材料拉伸强度为２４３ＭＰａꎻ随着低黏度ＰＡ６６含量的不断提高ꎬ到５０％时ꎬ复合材料拉伸６７第４７卷第１２期袁㊀理ꎬ等:连续纤维增强不同黏度的尼龙６６复合材料性能的研究强度为２４４ ２ＭＰａꎻ当低黏度ＰＡ６６含量为１００％时ꎬ复合材料拉伸强度为２５０ ８ＭＰａꎬ与高黏度ＰＡ６６复合材料相比ꎬ提高了３ ２％ꎮ从图１ｂ中可以看出ꎬ随着低黏度ＰＡ６６含量的不断提高ꎬ复合材料的弯曲强度从３４８ １４ＭＰａ提高到了３６８ ６８ＭＰａꎬ低黏度和高黏度复合材料相比提高了５ ９％ꎮ同时ꎬ从图１ｃ也可以明显看出ꎬ随着低黏度树脂基体含量的不断提高ꎬ复合材料的冲击强度先增后降ꎮ这主要是由于玻纤增强热塑性复合材料拉伸过程中ꎬ由于在纤维的弹性模量远高于树脂基体ꎬ纤维趋于发生脆性断裂ꎬ而树脂基体则趋于发生塑性破坏ꎬ且纤维断裂伸长率要远低于树脂基体ꎬ所以在拉伸过程中ꎬ应力通过界面由树脂传到纤维上ꎬ树脂基体断裂前纤维先承受主要载荷ꎬ发生断裂和脱黏ꎬ进而被破坏ꎮ而复合材料在弯曲和冲击测试中ꎬ测试样条伴随着基体裂纹㊁纤维断裂㊁脱黏及拔出消耗大量的能量ꎬ其中纤维束起主要承载作用ꎮ而随着低黏度ＰＡ６６含量的不断增加ꎬ熔体黏度不断降低ꎬ更好的流动性使树脂熔体更有利于浸入纤维单丝间的空隙ꎬ排除细小空气ꎬ提高浸渍程度ꎬ使玻璃纤维和树脂基体间相容性更高ꎬ粘连更加紧密ꎬ能有效提高连续纤维增强复合材料的力学性能ꎮ２ ２㊀表面形貌图２为连续纤维增强不同黏度的ＰＡ６６复合材料冲击断面ＳＥＭ图ꎮ从图２可以看出ꎬ不同树脂含量配方的复合材料制品冲击断面均显示出纤维断裂现象ꎬ样品配方为１＃时ꎬ树脂基体为质量分数为１００％的高黏度ＰＡ６６ꎬ由于其熔体黏度较低ꎬ浸渍程度较低ꎬ材料受到冲击后断裂ꎬ出现少量纤维拔出现象ꎬ并且有少量纤维附有残留树脂ꎬ而随着低黏度ＰＡ６６含量的不断提高ꎬ复合材料受到冲击断裂后纤维拔出现象减少ꎬ树脂伴随着纤维发生塑性变形ꎬ说明随着低黏度熔体树脂含量的增加ꎬ树脂流动性的提高更利于进入纤维微米级的单丝间空隙ꎬ提高浸渍程度ꎬ使基体与纤维间能更加良好结合ꎮａ－试样１＃ｂ－试样２＃ｃ－试样３＃ｄ－试样４＃ｅ－试样５＃图２㊀复合材料冲击断面的ＳＥＭ图Ｆｉｇ２㊀ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｉｍｐａｃｔｓｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ２ ３㊀热变形温度表２㊀复合材料的热变形温度Ｔａｂ２㊀Ｈｅａｔｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ试样编号１＃２＃３＃４＃５＃热变形温度/ħ２５５２５５２５３２５５２５３热变形温度是一种用来衡量聚合物或高分子材料耐热性优劣的量度ꎮ从表２可以看出ꎬ随着低黏度ＰＡ６６含量的增加ꎬ复合材料的热变形温度基本不发生变化ꎮ这是由于不同黏度的ＰＡ６６熔点差别不大ꎬ复合材料在负载下受热时ꎬ不会有其中树脂先后发生熔融的情况ꎬ使部分玻璃纤维与基体分离ꎬ耐热变形能力下降ꎮ因此ꎬ低黏度的ＰＡ６６流动性更强ꎬ能提高树脂与玻纤间的浸渍程度的同时不降低复合材料的耐热变形能力ꎮ２ ４㊀热重分析图３㊀复合材料的ＴＧ曲线Ｆｉｇ３㊀ＴＧｃｕｒｖｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ７７塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀图３为不同黏度的ＰＡ６６复合材料热失重曲线图ꎮ从图３中可以看出ꎬ随着低黏度ＰＡ６６含量的不断提高ꎬ复合材料的分解温度和分解速率均变化不大ꎬ说明低黏度ＰＡ６６在提高熔体树脂的流动性ꎬ提高其与玻璃纤维间浸渍程度的同时不会降低其热稳定性能ꎮ３㊀结论１)随着低黏度ＰＡ６６含量的提高ꎬ样品的拉伸强度㊁弯曲强度以及冲击强度均呈一定程度的提高ꎮ２)随着低黏度熔体树脂含量的增加ꎬ高流动性的树脂更利于进入纤维微米级的单丝间空隙ꎬ提高玻璃纤维与树脂间的浸渍程度ꎬ两者间更加良好的结合ꎮ３)低黏度的ＰＡ６６在提高树脂与玻纤间的浸渍程度和力学性能的同时不影响复合材料的耐热变形能力和热稳定能力ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]徐超峰ꎬ徐超峰ꎬ楼坚聪ꎬ等.尼龙６６在工业上的应用及发展前景[Ｊ].化工管理ꎬ２０１７(１５):２２２. 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关于尼龙隔热条专用料-玻纤增强尼龙66复合料的制备影响因素摘要：本文从玻纤长度及分布和润滑分散剂的影响两方面出发，研究了如何制备适合于尼龙隔热条生产工艺的玻纤增强尼龙66复合材料。

结果表明：玻纤长度的平均值约为0．75mm，且长度分布均匀时有利于隔热条的挤出；RH-210润滑分散剂能够改善隔热条挤出造成的玻纤外露现象。

关键词：尼龙隔热条；改性尼龙料；尼龙66；玻璃纤维；分散润滑剂节能型铝合金门窗幕墙中的关键部件——高性能的隔热条是由玻纤增强尼龙66复合材料通过挤出生产线(图1) 加工而成的。

然而，由于在挤出工艺下，熔体剪切速率较注塑工艺低的多，非常不利于玻纤增强尼龙66隔热条(其熔体粘度对剪切速率和温度都非常敏感)的成型，不仅造成严重的玻纤外露，还使得产品的抗拉强度较低。

因此，本文通过改善玻纤长度、使用特殊的润滑分散剂两方面出发，开发的隔热条专用玻纤增强尼龙66复合材料。

1 实验部分1．1 主要原材料PA66：EPR27H，神马尼龙工程塑料有限责任公司；长玻璃纤维：988A，巨石集团有限公司；RH-210润滑分散剂：东莞健行塑胶；其它助剂：市售。

1．2 主要仪器、设备双螺杆挤出机：20otni，L／D=40，南京新时代机电工贸公司；单螺杆挤出机：SJ一45B，青岛博润特塑料机械有限公司；高速混合机：FW100型，天津市泰斯特仪器有限公司；电子拉力试验机：Instron1185型，英国Instron公司；显微镜：SMZ—T2，重庆奥特光学仪器有限公司；数码照相机：A640型，日本Canon公司。

1．3 试样制备先将PA66在120℃干燥4h、将PA66、GF与其它助剂分别按不同比例加入高速混合机内，搅拌均匀，用双螺杆挤出机挤出造粒，放人烘箱中于120℃干燥4h，然后用隔热条挤出生产线挤出试样，将试样预处理后测试其力学性能以及其它性能。

1．4 性能测试拉伸强度按GB／T23615．1～20O9测试，拉伸速率为10mm／min。

尼龙66／MWGF复合材料的力学性能研究以硅烷偶联剂（KH550）为粘合剂，将酸化后的多壁碳纳米管接枝到玻璃纤维表面，制备出玻纤/碳纳米管复合填料（MWGFs）。

将不同含量的玻纤和复合填料添加到尼龙66中，分别制备出PA66/GF和PA66/MWGF复合材料，然后对复合材料的力学性能，热性能进行了测试分析。

结果表明，GF和MWGF都能够显著增强尼龙66的力学性能。

在拉伸性能方面，PA66/MWGF复合材料要高于PA66/GF复合材料，但PA66/GF复合材料缺口冲击性能则明显好于PA66/MWGF复合材料。

在热性能研究中，我们发现GF和MWGF都能够提高尼龙66的结晶温度。

但在结晶度影响上，GF的添加能够提高尼龙66的结晶度，而MWGF则相反，它的加入略微降低了尼龙66的结晶度。

标签：尼龙66；复合材料；碳纳米管；玻纤；力学性能Abstract：With silane coupling agent （KH550）as binder，glass fiber/carbon nanotube composite fillers （MWGFs）were prepared by grafting acidified multi-walled carbon nanotubes onto glass fiber surface. PA66/GF and PA66/MWGF composite materials were prepared by adding different contents of glass fiber and composite fillers into nylon 66. The mechanical and thermal properties of PA66/GF and PA66/MWGF composites were tested and analyzed. The results showed that both GF and MWGF could significantly enhance the mechanical properties of nylon 66. The tensile strength of PA66/MWGF composite is higher than that of PA66/GF composite materials，but the notched impact strength of PA66/GF composite is better than that of PA66/MWGF composite. In the study of thermal properties，we found that both GF and MWGF could increase the crystallization temperature of nylon 66. However，the addition of GF can improve the crystallinity of nylon 66，while MWGF can decrease the crystallinity of nylon 66 slightly.Keywords：nylon 66；composite materials；carbon nanotubes；glass fiber；mechanical properties由于具有良好的力学性能及独特的电性能、热性能，碳纳米管一经发现就受到各国科研人員的广泛关注[1]。