核壳结构复合材料在消防领域的新应用——基于科学知识图谱的文献计量分析

张桂云，张天巍，赵宸豫，王 勇

中国人民警察大学 a.研究生院； b.救援指挥学院，河北 廊坊 065000

0 引言

随着对核壳结构、微胶囊结构复合材料研究的不断深入，其应用领域不断拓宽，但目前在消防材料方面的应用还较少。具有核壳结构的复合材料是一种包覆型复合材料，由外壳和内核材料通过化学键或其他作用力有序组装而成，通过外壳材料包覆内核材料协同发挥作用。两亲性核壳结构能达到单一材料无法达到的性能，因而其在诸多领域得到广泛关注与研究。广义上的核壳结构也包括微胶囊、空球等结构。本文以“核壳结构、微胶囊”为主题，基于科学知识图谱进行文献计量分析，以实现研究主题的可视化，从而明确核壳结构研究热点、研究进展、发展趋势、应用领域等信息，进而为该领域研究提供参考。

1 数据和方法

1.1 数据

从Web of Science(WOS)核心合集的科学引文索引扩展版(SCI-EXDEED)中检索核壳结构研究相关文献数据。SCI-EXDEED是一个全球知名的科学论文引文数据库，拥有严格的筛选指标，从而保证高质量的文献数据。输入检索式(microcapsules OR “core shell”) AND (nanoscale OR “sub micron”)进行主题检索，文档类型限制为article和review，检索时间设置为“2000年1月—2020年10月”，最终检索得到2 496篇相关文献，分别隶属于1 937个机构，涉及10 329位作者，发表于525个期刊，总引文次数为107 09次。

1.2 方法

采用科学知识图谱软件VOSviewer对收集到的2 496篇核壳结构研究相关文献进行分析。分析结果包括研究产出分析和研究热点分析两个方面，研究流程如图1所示。

图1 文献数据分析流程图

2 结果与讨论

2.1 研究产出分析

2.1.1 出版年分布

相关文献的年出版数量是评价一个研究领域发展趋势的重要指标。图2为2 496篇文献的年出版分布及累计出版数量曲线，可以看出两条曲线在宏观上呈现增长趋势。早期核壳结构相关文献数量较少，2000年仅为6篇，但不乏高质量文献样本，如Wooley[1]提出“一种生产具有两亲性核—壳形态的纳米结构材料的有效方法”。但从2003年开始，每年文献产出呈现快速增长趋势，至2019年达到峰值282篇，反映出核壳结构相关领域的研究近些年关注度不断上升。

图2 2000—2020年文献年出版数量及累计出版数量

2.1.2 国家/地区产出分布

基于WOS文献信息，每篇文献都会被分配到一个国家或地区，机构的分配规则也是如此。经统计，核壳结构相关文献来源于74个国家或地区，表1为发文数量前十的国家或地区，其中篇均引文数量可以反映出国家在该领域的影响力。如表1所示，美国是最多产国家，其文献数量达到698篇，中国位列第二名，为670篇，以上两个国家的总发文量占文献集合的54.8%，在核壳结构相关研究领域中占主导地位。图3为采用VOSviewer绘制的基于平均发表年份的国家或地区合作网络。网络中节点大小表示发文数量的多少，线宽表示相关节点间合作关系的强度。从图3可以看出，美国与德国、英国、韩国、中国等国家拥有较强的合作关系，并以其为中心节点，形成巨大的国际合作网络，反映出国际间“以美国为中心的广泛的”核壳结构研究的合作模式，其中，美国和中国拥有最为密切的合作关系。

表1 文献发表数量位于前十的国家或地区

从平均发表年份来看，相对于美国，中国在核壳结构领域的研究起步较晚，但其发文数量和美国较为接近，反映出中国在近期对核壳结构领域关注度极高。但结合“篇均引文数量”指标，美国依旧是目前核壳结构研究领域最具影响力的国家，但中国在该领域的影响力正在逐渐提高，在未来将逐渐向网络中心靠近。

2.1.3 机构产出分布

基于WOS文献数据，2 496篇文献隶属于74个国家的525个机构。表2给出排名前十的高产出机构，其中，中国科学院是最高产出机构，文献发表量和引文数量最高，但从篇均引文数量上看，在国内其影响力低于复旦大学。

从国际上看，最具影响力的机构是美国麻省理工学院(篇均引文数量为118.42)。由表2可知，在排名前十的高产出机构中，除高丽大学，其余研究机构都隶属于中国和美国，并且数量相近，反映出核壳结构领域的研究力量主要分布于中国和美国，这也与国家或地区产出分布中的结论相对应。采用VOSviewer，基于机构合作关系进行可视化分析，得到机构合作关系网络，如图4所示。在我国，以中国科学院为中心，与北京大学、清华大学、浙江大学、山东大学、同济大学等构成机构合作网络，各高等院校不同颜色代表研究方向不同，但相互之间存在合作关系。整体上看，我国在核壳结构研究领域已经形成了较为全面的合作关系网络，其中以中国科学院和中国科学院大学合作关系最为密切。

表2 文献发表数量位于前十的机构

图4 机构合作网络

2.1.4 作者产出及合作关系

从文献数据中提取作者信息并对所有作者出现的频次进行统计。表3列出文献发表数量排名前十的高产出作者，其中，最高产出的作者是Zhang Weixian(21篇)，最具影响力的作者是Zhang Yu，平均引文数量达276.18次。

表3 核壳结构研究中排名前十的高产出作者

采用VOSviewer，基于作者合作关系进行可视化分析，得到作者合作关系网络，如图5所示。在图5中，颜色相同的节点间构成聚类集群，集群内部节点具有较为显著的关联关系，通过作者聚类集群可以判断作者间的团队关系。其中，合作关系网络最大的是Zhang Weixian，与网络中Wang Yong、Wang Wei等有明显团队关系，且与其他作者团队(Zhou Xuefei团队、Liu Jing团队)存在合作关系。可以看出，大部分高产出作者均有比较明显的团队，如Lieber Charles M.(橘色)、Zhou Xuefei(浅蓝色)、Bando Yoshio(浅粉色)等。

图5 作者合作网络

2.2 研究热点分析

2.2.1 主题聚类分析

为进一步分析核壳结构研究领域分布、研究热点及未来发展趋势，对检索到的核壳结构相关文献集合进行文本挖掘，采用VOSviewer“主题聚类”功能进行可视化分析。对软件所提取的主题词进行预处理，合并同义标签，删除无意义词语，最终构建核壳结构研究领域主题词聚类网络，如图6所示。其中，主题词聚类网络的节点大小反映主题词出现的频次，节点越大，说明主题词出现频次越多，对该主题的研究热度越高；节点之间的线宽反映主题词之间的关联强度，与主题词在文献标题和摘要中共现次数相关，VOSviewer通过内置函数对节点主题词进行聚类划分，形成具有相似属性的关联聚类。如图6所示，从核壳结构相关研究文献集合中提取的主题词被分为4个聚类，同一聚类显示相同颜色。各聚类主题为：聚类1(红色)核壳结构纳米复合材料，聚类2(绿色)核壳结构在药物载体方面的应用，聚类3(蓝色)核壳结构复合材料表征，聚类4(黄色)核壳结构在催化氧化、电化学方面的应用。表4列出4个聚类中词频最高的15个主题词。

表4 各聚类高频主题词

如图6所示，聚类1(红色)在聚类网络中占比最大，说明核壳结构纳米复合材料是核壳结构研究的主要热点领域，体现在核、壳材料种类的变化，组合模式的多样，外观形貌的差异，核材料和壳材料的多样性，组分间协同效应都会对核壳结构复合材料的属性产生影响，进而关联到相应领域。聚类2(绿色)体现出核壳结构复合材料的两大特点，一是核壳结构的两亲性，二是复合材料能够在到达任务点后由外壳结构分解从而释放出内核材料或者内核材料经外壳孔状结构释放作用于任务点。聚类3(蓝色)与聚类1不同，主题为核壳结构复合材料表征，包括宏观、微观物化性质的表征。核壳结构复合材料作为一种包覆型复合材料，其包覆效果是一个重要指标。表4聚类3列举的主题词，可以反映出对材料表征的经典仪器，包括扫描电子显微镜、高分辨率透射显微镜、红外光谱仪、X射线光谱仪、能谱仪等。此外，该聚类中热重分析是用来表征核壳结构复合材料热行为的典型方法。聚类4(黄色)主要体现在电化学储能、电池的结构、电极材料的选取、表面催化剂、经过包覆的材料比原材料具有更好的物理性能等方面。

图6 核壳结构研究领域主题聚类网络

通过主题聚类分析可以得到核壳结构研究的应用领域分布及核壳结构复合材料的主要特征。其应用领域有生物医药方面的药物运输、电化学储能、催化作用等。其中，在药物运输方面的应用体现在壳结构可以保护核结构在一定环境中不受外界影响，在特定条件下分解或缓释出内部核物质，该特点也是核壳结构复合材料被广泛应用在诸多领域的原因之一。

但是，仅通过主题聚类分析难以挖掘到近期研究热点及其发展趋势，所以采用VOSviewer生成基于平均出版年份的主题词聚类图谱(如图7所示)，节点颜色变化反映其平均出版年份(对应图中标尺)，黄色部分主要聚集在聚类4和聚类2。由此可知，核壳结构近期研究热点集中在催化、电化学方面，对于聚类2药物运输方面的应用，研究热点主要体现在肿瘤治疗方面。从2000年发表的6篇文献来看，Desai等[2]研究了核壳结构在药物运输方面的应用，Schneider等[3]研究了核壳结构在催化方面的应用，其余4篇则集中于材料基础表征和核壳改进优化方面的研究。可以看出，当前研究热点其实在核壳结构研究初期就已被提出。

图7 基于平均出版年份的主题词聚类网络

2.2.2 高引用参考文献分析

文献的被引频次与文献的影响力、权威性、学术水平相关，亦能代表该主题研究发展方向。如表5所示，通过对文献集合中引用频次最多的10篇参考文献进行分析，可以看出对核壳结构研究的主题主要体现在核壳结构的构建、合成和应用等方面。引用次数最多的文献是核壳结构在催化领域应用的研究，结合上文主题聚类分析可以得出核壳结构在催化方面的研究颇多[4]。第3篇文献体现了核壳结构在医疗领域对癌症治疗的应用，研究了通过操控纳米壳、介电核的纳米核壳结构粒子，达到光热诱导细胞死亡或肿瘤缓解的目的[5]。第8篇文献研究了核壳结构复合材料在电催化方面的应用，分析了不同结构的核壳材料对催化性能方面的影响[6]。

表5 前十高引用参考文献

2.3 讨论

核壳结构复合材料应用领域不断拓宽，但其在消防领域的应用还相对较少。考虑到灭火剂可以两相或三相协同作用，在检索结果中筛选核壳结构复合材料在灭火剂方面的应用，得到文献数据较少，但基于现有文献材料分析，发现核壳材料应用于消防领域的可行性较强。Ni等[14]制备出一种新型的具有核壳结构的灭火剂，该灭火剂是一种复合粉体颗粒，相比单纯的干粉灭火剂具有较高灭火效率且灭火剂用量少；Ni等[15]通过改变核材料和壳材料得到一种由固体和液体组成的新复合材料，相比于单纯的粉体或水雾大大提高了灭火性能；Chen等[16]研究了内核液体凝胶化处理，相对于普通干水灭火剂、凝胶型干水灭火剂具有更好的稳定性，同时不会降低灭火性能；Ni等[17]提出针对特殊物质的火灾，可以通过选择不同的核、壳材料来进行灭火；Zhang等[18]对固液组合灭火剂进行了研究，从可行性分析、制备、表征到性能测试，系统说明了核壳结构复合材料可以作为一种新型灭火剂应用在消防领域。核材料和壳材料的多样性，可以针对不同火灾类型进行不同组合的研究，因此核壳结构复合材料在消防领域作为灭火剂进行研究前景广阔，这也是本课题组下一步所要深入研究的课题。

3 结论

采用文献计量和科学知识图谱，对收集到的2 496篇核壳结构相关文献进行了分析，得到如下结论：(1)通过产出分布分析和合作关系(包含地区合作、机构合作、作者合作)分析可以看出：近年来对核壳结构相关领域研究关注度呈现不断上升趋势；在世界范围内形成了“以美国为中心的广泛的”核壳结构研究合作网络，美国和中国是研究的主要力量，拥有最为密切的合作关系；美国是目前核壳结构研究领域中最具影响力的国家，中国在该领域的影响力正在逐渐提高，未来将逐渐向网络中心靠近；高产出作者往往拥有良好的团队网络关系。(2)通过主题聚类分析，文献聚类为4个子集，包括核壳结构复合材料的特点、应用到两个领域(催化和电催化、药物运输)以及表征方法，基于平均出版年份分析可以得到核壳结构的研究热点主要集中在催化电催化、药物运输等方面；通过高引用参考文献分析得到的结论与主题聚类分析得到的研究热点结论相佐。(3)受到核壳结构复合材料液—固、固—固等多样组合形式、灭火剂两相或三相协同作用的启发，基于现有文献资料分析，发现核壳材料应用于消防领域的可行性较强，将其作为灭火剂进行研究的前景广阔。