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一大波新材料横空出世,改变世界超出你想象

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用于航空航天金属玻璃材料

研究人员开发出一种新的非晶态金属钛硫合金,这种合金也称为金属玻璃,其性能与常规钛合金完全不同,特别适合用作航空航天的轻质部件。

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材料研究类似于数以千计的拼图游戏,如果没有找到合适的开始部分,要想获得完整的图片就非常困难。研究人员经过多年实验,终于研制出一种强度非常高而又非常轻的合金。


与目前的无定形金属材料相比,该合金具有许多优点:原料来源丰富,主要由钛和硫组成,与其他基于锆、钯或铂非晶态金属不同,钛相对廉价,而且钛硫合金不会像通常使用的铍磷合金那样有高毒性。


以往没有人尝试用硫磺来做合金,本研究率先选择了硫作为不同金属的混合物。研究人员介绍说,他们首先发现了一种具有良好性能的含钯和镍的硫合金,然后又拿质量更轻、更便宜的钛做试验。经过约250次实验,终于找到了钛、硫和其他元素相互结合的最佳配比。寻找配方的过程非常复杂,一种元素用量1%的差异,对于一种合金是否具有所需特性起决定性作用。在相同重量下,新开发出的钛硫合金强度大约是普通相同密度的钛基金属的两倍。因此,它是生产更轻、更小部件的理想材料。


这种所谓金属玻璃的生产工艺也相当关键,因为材料熔体要在1100℃以上的高温下被急速冷却,这样不会形成规则晶格的合金。熔体在不到一秒钟内冷却,凝固的熔体呈现无序原子结构,这种结构状态也被视为玻璃。混乱无序的结构使得金属玻璃的性能与传统的相同原材料合金相当不同,像钢一样坚固,但同时像塑料一样具有弹性。


提高充电电池容量寿命新负极材料

日本的一个研究小组成功合成了氧化锰纳米片和石墨烯交替重叠的材料。该复合材料作为锂及钠离子充电电池的负极材料,可将电池充放电容量提高两倍以上,且能延长重复使用寿命,解决了容量和寿命不可兼得的问题。


高容量化是二次电池的目标之一,目前其负极使用的是碳材料,理论上过渡金属氧化物具有高容量,有望成为碳材料的替代物。特别是具有分层结构的氧化锰,将其剥离制成单分子厚的纳米片,作为负极使用,表面全部呈活性,可大幅提高容量。但氧化锰的难点在于反复充放电容易破坏结构,纳米片也易于凝聚成团状。


研究小组在溶液中分散氧化锰纳米片并与石墨烯混合,合成了交互多层的层压复合材料。氧化锰与石墨烯都带负电,通常情况下会互相排斥。研究小组早在2015年通过化学修饰石墨烯使其带正电,解决了排斥问题,并实现了当时金属氧化物负极材料中最高容量和最长寿命。


此次通过把两种物质从分子水平复合,得到了单独材料难以实现的高特性。复合材料除用于充电电池之外,还可大幅提高超级电容器、电极催化剂等能量储存及转换系统的效能。


陶瓷多功能化新材料“白色石墨烯”

科学家研究发现,在陶瓷中加入很少量的氮化硼会使材料得到更加优异的性能。

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在碳酸钙层之间渗入一层超薄六方氮化硼(hBN),这可能会形成一种有趣的具有多功能特性的双层晶体。这种新材料可适用于核工业、耐火材料、石油、天然气、航空航天和其他需要高性能复合材料的领域。


这种新的结合材料使陶瓷不仅坚韧耐用,而且耐高温和辐射。通过Shahsavari的计算,插层二维hBN的碳酸钙足够坚固,可以用在核电站中起屏蔽作用。


这项研究发表在美国化学学会期刊《应用材料和界面》上。


二维hBN材料又叫白色石墨烯,它看起来像在石墨烯上面与六边形形成超薄平面。但与石墨烯不同的是,它是由交替的硼和氮组成,而不是碳原子。


棉花废弃物可制成多功能气凝胶

新加坡国立大学的研究人员已经研究出一种低成本、快速环保地利用棉制织物废料的方法。例如研究人员可以将废弃的服装变成高度可压缩和超轻型棉花气凝胶,使其具有多种应用性。

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气凝胶是世界上最轻的材料之一,它具有非常多的孔,因此有很大的吸收能力和低导热性。这些特性使其在漏油清理,个人护理产品(如尿布)以及热量和声音方面具有很好的应用。最近国大研究人员还表示,它们能够有效控制大出血并保持军用水瓶的冷却。


深度渗透伤口或枪击等行为会使血液迅速流失,这可能会危及生命。目前使用注射器里充满了用壳聚糖(一种衍生自促进血液凝固的甲壳类动物壳的天然剂)包裹的纤维素海绵胶囊用于控制大出血。注射器放置在伤口内部,胶囊在扩张的位置被排出,并对伤口施加内部压力以阻止血液流动。


研究人员开发了一种可压缩的混合棉花气凝胶颗粒,该颗粒对深度出血伤口更有效,而且能解决颗粒缓慢扩张与控制出血相关的吸收率问题。


这种颗粒由棉和气凝胶的最佳混合物组成,并覆盖在壳聚糖上。它们制造起来简单且成本低廉,当纳入临床注射器时可以容易地用作出血控制装置,而且由于颗粒具有生物相容性,因此它们可以安全地用于治疗。


在保持其结构完整性的同时,每个棉花气凝胶颗粒可在4.5秒内膨胀至原尺寸的16倍,它膨胀的是比现有纤维素基海绵快3倍以上。棉花气凝胶的独特形态使其具有更大的吸收能力,而可压缩性使材料能够更快地膨胀从而对伤口施加压力。


棉花气凝胶也被应用于军队中水壶的轻质保暖套。水壶是士兵生存装备的关键,它携带液体用于补充水分和抵抗热伤害。水壶可以保持一公升水的凉爽时间通常约30分钟,但是这个保暖套能允许一个冰浆,碎冰和水,保持在0.1到1°C超过四个小时。


该水壶套嵌入了常用织物中的棉气凝胶层,约重200克,与商用绝缘水瓶相比,它具有更好的隔热性能。


新型棉花气凝胶的隔热性能也可应用于各种消费品,如冷藏袋,可以保持食品新鲜。我们也预见到其他巨大潜力的高价值应用,如管道绝热和液化天然气的在低温下的储存运输。


该研究团队还发现,棉花气凝胶可以很容易地被压缩,并且在放入水中时可以快速恢复97%的原始尺寸。


研发的这种新型环保棉花气凝胶是在以前使用废纸研发的气凝胶基础上的一项重大改进。它具有高度的可压缩性,因此可以大大降低储存和运输成本。此外,这些棉花气凝胶可以在八小时内完成生产,这比我们早期的发明快九倍,比现有商业制造工艺约快20倍。它们也更强大,更适合大规模生产。虽然已经通过研究发现棉花气凝胶可以有效控制出血和隔热,但我们将继续探索这种先进材料的其他新功能!


能吸收超高频辐射新材料

科研人员研究出一种获取磁铁矿空心细颗粒(铁的氧化物变种)粉末的快速经济方法,用以制造吸收超高频辐射的材料。利用这种材料,可以生产军事装备的外壳,使其对雷达隐身,并保护它不受电磁辐射;也可用来保护光缆和其他IT设备,在高速传输数据时不受高频干扰。


研究人员介绍说:“磁铁矿微粒子拥有独特的电磁特性,使上述材料在被用作超高频辐射吸收剂方面具有前景。”


研究人员利用一种独特的等离子体加速器装置,可在一毫秒内获得不同的铁氧化物粉末,而其他化学技术需要一个昼夜到3个星期。这种方法还能节约资源,生产过程仅耗电费5卢布左右。


此外,有证据显示,涂抹含有该粉末的药膏还能改善凝血,未来可能成为白血病患者的福音。


含碳纤维的高温3D打印复合聚合物材料

研究人员开发高温3D打印复合聚合物材料,成功地3D打印出耐300°C高温的增强聚合物复合材料部件。测试所用的材料是含有碳纤维线材的高温热固性树脂,具有高强度、耐久性和轻量级等特点。


研究人员表示,这是复合材料增材制造领域的一个非常有影响力的突破。这些3D打印部件可承受高于300摄氏度的温度,可用于涡轮发动机更换部件或发动机排气周围的高温区域。

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碳纤维增强聚合物的强度与某些金属的强度相似,且重量较金属材料轻。对于空军而言,轻型替代品是非常吸引人。复合材料可以打造出更轻的飞机,有助于增加飞机航程,优化燃料消耗并最终削减成本。


据研究人员介绍,激光烧结工艺中使用中聚合物粉末遇到了许多挑战。如使用非增强的聚合物粉末,打印出来的部件在后处理测试中会很容易融化掉。但在聚合物中添加碳纤维填料时,结果会有明显改善。这种技术能够3D打印高温聚合物复合材料部件,甚至可能制造出有史以来“最高温度”聚合物复合材料部件。

研究人员表示高温材料的加工非常困难且费用昂贵。事实上,高温3D打印材料对空军有很大的用处,不仅具有成本效益且耐用,更为重要的是其重量轻。但由于这类材料通常用于军事特定应用,因此供应商并不多。这类材料将有望成为整个行业“革命性”的突破。 


2018年11月9日 14:20
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