科创中国

#电子产品的制作材料又往前迈了一大步# DTU 和 Graphene Flagship 研究人员将纳米材料的图案化艺术提升到了一个新的水平，他们用一种新方法设计的纳米材料为更快、更节能的电子产品铺平道路。因为，它的精度低于 10 纳米。2D 材料的精确图案化是使用 2D 材料进行计算和存储的一种途径，与当今的技术相比，它可以提供更好的性能和更低的功耗。可以蚀刻六方氮化硼材料的晶体，以便您在顶部绘制的图案在底部转变为更小、更锋利的版本。这些穿孔可用作阴影掩模，以在石墨烯中绘制组件和电路。这个过程实现了即使是当今最好的光刻技术也无法达到的精度。右边是用电子显微镜拍摄的三角形和方形孔的图像。最近物理学和材料技术领域最重要的发现之一是二维材料，如石墨烯。石墨烯比任何其他已知材料更坚固、更光滑、更轻，并且在导热和导电方面更好。它们最独特的功能可能是它们的可编程性。通过在这些材料中创造精致的图案，我们可以显着改变它们的特性，并可能准确地制造出我们需要的东西。

#碳纤维建造的展示碳纤维的博物馆# 国际设计和创新办公室和建筑师公布了 MAE 博物馆的设计，这是一个专门展示碳纤维的展览空间，碳纤维是未来制造业的核心材料。博物馆本身将主要由碳纤维建造，包括新的和回收的，追求循环设计。展览路径将采用机器人技术引导参观者浏览世界上最大的丙烯酸纤维技术档案，记录碳纤维发展的科学进步，以及社会和时尚的平行变化。新博物馆为领先的机械制造公司 MAE 开发，位于意大利皮亚琴察。碳纤维是一种轻质、高度耐用的材料，用于从航空航天到汽车工业再到自行车制造的各个领域。它是由丙烯酸纤维制成，类似于通常用于服装的纤维，然后通过复杂的化学过程转化为碳纤维，MAE 的机器是世界领先的。同样，MAE 博物馆的展览路径被设想为从过去到未来的双重旅程：从战后欧洲服装中合成纤维的鼎盛时期，到化学和工程研究的最新突破。虽然博物馆位于经过翻修的仓库内，但大部分内部组件都是用丙烯酸和碳纤维建造的，包括像窗帘一样打开的入口门。

#推出用于汽车应用的新树脂# 全球化工行业的领导者SABIC推出了Noryl GTX 9500树脂，它是未填充Noryl GTX树脂系列的新产品，在高温和潮湿的条件下具有出色的尺寸稳定性。与聚酰胺（PA）树脂（PA66和PA6）相比，SABIC的Noryl GTX 9500树脂在暴露于汽车引擎盖下的典型高温和潮湿环境中，能保持更好的机械性能平衡，并具有可比的高流动性和高温性能。在更广泛的温度和湿度条件下，它的尺寸稳定性和机械性能保持性--加上高流动性能--可以为减轻重量的薄壁设计提供机会。Noryl GTX 9500树脂的目标应用包括汽车接线盒、连接器和其他需要尺寸稳定性的应用。这些材料还展示了他们作为碳纤维增强热塑性复合材料的基础树脂的潜力。碳纤维增强热塑性复合材料可用于结构和车身部件，以及工业、航空航天和船舶市场的应用。相关人员说：“我们的全球开发团队擅长配制具有目标特性的热塑性塑料，以解决长期以来客户面临的挑战，如尼龙在暴露于湿气下的软化倾向。”

#采用盐芯简化碳纤维部件生产# 来自拜罗伊特大学和弗劳恩霍夫生产自动化技术研究所的科学家们利用3D打印技术，从盐中生产出形芯，并利用盐芯来制造碳纤维增强塑料件。在高压釜中，并借助形芯，可以成形复杂的纤维复合材料部件。德国拜罗伊特大学的环境兼容生产技术主席和德国弗劳恩霍夫生产自动化技术研究所的工艺创新项目组已经开发出一种工艺，简化了采用添加剂制造盐芯的程序，并保护了环境。为了在高压釜中生产具有复杂内部结构的纤维增强塑料件，预浸料被包裹在形芯上，在部件中形成内部结构，如凹槽。预浸料在高压和高温下固化数小时，然后，形芯被破坏，并从成品部件中取出。对于传统的金属铸件来说，由石英砂制成的形芯可以在铸件中敲碎并取出。然而，对于纤维复合材料来说，这种机械去除芯子的方法几乎是不可能的，因为可能会损坏纤维增强塑料件本身。因此，可以融化或溶解的形芯更适合用于纤维增强塑料件。德国拜罗伊特大学和弗劳恩霍夫生产自动化技术研究所已经开发出一种用于碳纤维增强塑料件的新型盐基形芯，盐芯既是水溶性的，又易于制造。盐芯可以在5小时内承受高达120℃的温度和高达6巴的压力。

#改变几何形状可以改变材料属性# 科学家们找到了一种增强材料性能的方法，可以设计下一代电子产品。就像池塘里的涟漪，电子像波浪一样穿过材料，当它们碰撞和相互作用时，它们会产生新的有趣的图案。美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家们已经看到，当其形状受到限制时，称为二氧化钛的金属氧化物薄膜中会出现一种新型波形。限制是将材料限制在边界内的行为，可以改变材料的特性以及分子通过它的运动。在这个独特的长度尺度上进行研究，能够看到非常有趣的建设性干涉现象，表明量子干涉，同时获得关于电子和离子如何相互作用的新信息。在二氧化钛的情况下，它导致电子以一种独特的模式相互干扰，从而增加了氧化物的导电性或导电程度。这一切都发生在中尺度上，在这个尺度上科学家可以看到量子效应以及电子和分子的运动。总而言之，这项工作为科学家们提供了关于原子、电子和其他粒子在量子水平上的行为方式的更多见解。这些信息可以帮助设计可以处理信息并在其他电子应用中有用的新材料。

#科学家改造石墨烯增强钠电池性能# 瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出用一种新型石墨烯作为更广泛的材料来生产高性能的钠电池电极。在一篇论文中，科学家解释称，改造后的石墨烯不仅仅能够储存钠离子，也能够使钠电池性能与现在的锂离子电池相媲美。研究团队在论文中称，与锂不同，钠很丰富且价廉，因为在海水中和厨房里都能见到。但即使钠随手可得使得钠离子电池可能成为一种有益的和可持续的选择从而减少对关键原材料的依赖，但在其容量仍存在挑战。容量问题意味着钠离子电池无法与锂离子电池竞争。到目前为止石墨是一个瓶颈因素，这种矿物由石墨烯层堆叠而成，用作锂离子电池的阳极材料。离子嵌入到石墨中，意味着它们可以在石墨烯层中进入而用来储能。但是，钠离子比离子大，作用方式不同。因此，它们不能有效地储存在石墨结构中。研究人员对这个问题的解决方案是在石墨烯层的一侧增添分子间隔器。“当石墨烯层堆叠在一起，分子在石墨烯片之间创造了更大的空间，提供了反应点，能够使容量大幅增加”。

#纳米绝缘材料，竟比钢铁坚硬！# 科学家们已经确定了一种创新的绝缘纳米材料的化学途径，它可以导致大规模的工业生产，用于各种用途--包括宇航服和军用车辆。这种纳米材料比人的头发还要细几千倍，比钢铁还要坚固，而且不可燃，可以阻挡宇航员的辐射，并有助于加固军用车辆的装甲。 美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的合作研究人员提出了一种逐步获得这种纳米材料前体的化学途径，称为氮化硼纳米管（BNNT），这可能导致其大规模生产。这一突破将等离子体物理学和量子化学结合起来，是PPPL研究扩展的一部分。PPPL物理学家说：\"这是一项开创性的工作，将实验室带入了新的方向。\"主要作者说，合作者将关键的化学途径步骤确定为分子氮和硼的小团块的形成，随着等离子体喷射产生的温度冷却，它们可以一起发生化学反应。

#复合材料的车身加强件# 一种混合材料的结构加强技术，可以在不过度增加质量的前提下提高车身刚性，改善NVH性能，降低通过车辆的冲击能量。随着其可选范围的增加，应用也日益广泛。 在汽车白车身结构应用领域，虽然复合材料已取得了一些进展，但长期以来，这一汽车应用领域却一直由钢材主导，近年来又转向了铝材，这使汽车制造商们过度依赖于焊接和机械紧固件如螺栓和螺钉来实现对金属结构的连接。虽然这些焊接接头和紧固件通常很结实，但也可能会失效，此外，在不过度增加质量的前提下提高刚性、改善NVH性能或降低通过车辆的冲击能量方面，它们几乎不起作用。而应对这些挑战的一种方法，是通过整合复合材料和结构粘合剂，来对白车身的连接接头和空腔结构进行增强。这种解决方案的一个例子是一种名为“composite body solutions（简称CBS）” 的材料/技术，它包括：用于加强汽车主结构的三维结构嵌件，该嵌件整合了白车身元素或其他的车辆子结构；采用连续或不连续纤维增强材料注射成型的热塑性复合材料的载体；可热激活的膨胀结构粘合剂。CBS的这些要素，是在车辆制造的早期，在电泳涂装之前在车身车间中被安装到位。

#基于溶液的数字化复合材料制造# 大自然创造的结构非常坚固、灵活且适应性强，能根据环境的变化而生长和运作——如树、骨骼和甲壳素。甲壳素会形成坚硬的外壳和甲壳类动物的柔韧关节。自然界的结构几乎不产生废物，且所需能量很少，在正常生命周期结束时还可以循环利用。相比之下，人造结构通常是约定俗成的，会消耗大量的能源，产生有毒的废物，而且大多数都不能回收利用。来自美国环境保护署2018年的数据显示，塑料的回收率只有9%，且自2010年以来没有变化；玻璃的回收率为25%，金属的回收率为33%，且这两个数据自2010年以来有所下降。虽然数字化的设计和制造正在迅猛发展，能够生产出复杂、多功能的结构和部件, 但这些技术尚未能在可持续性方面取得同样的进展。这就为美国麻省理工学院媒体实验室介导物质研究小组于2013年开始的水基数字化制造项目带来了灵感和目标。

#“万能”的碳纳米管或改变未来# 作为最重要的生命元素，“碳”一直在生命演化和能源提供方面扮演着举足轻重的角色。1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。1991年，日本物理学家在电弧法制备的碳材料中观察到了碳纳米管，从此开启了碳纳米管研究的热潮。 从结构上来说，碳纳米管可以形象地看做是由单层或者多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构。碳纳米管就像一根细长的头发丝，它的长度可以达到米级，而直径却可以小到纳米尺度。首次发现的碳纳米管是通过电弧放电法制得的。现在，碳纳米管已经发展出激光烧蚀法、化学气相沉积法(CVD)、固相热解法等多种制备方法。其中，CVD法因成本低廉、可控性好、易于规模化制备而被广泛采用。用CVD制备碳纳米管时，碳原子在催化剂表面吸附、扩散、溶解并达到饱和后析出形成碳纳米管。催化剂作为碳纳米管成核生长的位点，对于碳纳米管的直径、壁数、手性起着决定性作用。催化剂结构设计以及生长条件调控是实现碳纳米管可控生长的重要途径。

#全球首个可回收风力涡轮机叶片# 西门子Gamesa可再生能源公司推出了世界上第一个可回收商业涡轮机叶片——可回收叶片，朝着2040年前实现风力涡轮机完全可回收的目标迈出了一大步。 相关人员解释说:“我们的愿望是生产能够产生20-30年可再生电力的风力涡轮机。当它们的使用寿命结束时，我们可以将这些材料进行分离，并将它们用于新的相关应用。可回收刀片是朝着这个方向迈出的一大步，远远超过了我们2040年的目标。” 可回收叶片的创新之处在于，它的设计允许一种更简单、更清洁的方法来回收风叶片中使用的复合材料。分离复合材料是很困难的，而用于制造可回收刀片的新型树脂类型的化学结构允许在刀片寿命结束时从复合材料和刀片中的其他部件中有效分离树脂。在此过程中保护了叶片中材料的性能，并可在新的应用中重复使用。

#在阳光下一周内可100%分解的塑料# 近日，据报道，研究人员已经找到了一种方法，可以确保塑料垃圾不会在我们的星球上长期滞留，而且在暴露于阳光和氧气的情况下，仅在一周内就会分解和降解。这种新型塑料材料是由中国华中科技大学的研究人员开发的，它是在研究一种先进的化学传感器时问世的，研究人员正在开发一种聚合物薄膜，它会根据 pH 值改变颜色。这是由于材料独特的分子结构造成的，单体链为薄膜提供了深红色，一旦键断裂就消失了。然而，该团队还注意到，在阳光下几天后，随着材料破裂，薄膜的深红色迅速褪色。在研究工作中，为了更好地回收利用，这种结合被破坏的情况并不少见，但在此过程中，该团队无意中最终开发出一种在不影响环境的情况下降解塑料的方法。当暴露在阳光和氧气中时，塑料会在一周内完全分解，不会留下任何对环境有害的塑料痕迹。在这个过程中，它还释放出一种副产品——天然存在的琥珀酸。然而，研究人员相信这可以在药物或食品中进行商业重复使用。由于这种塑料的独特分子结构，它并不是真正适合汽水瓶或购物袋，因为它只能在没有氧气的黑暗中保持稳定。

#石墨烯为可持续钠离子电池打开了大门# 在寻找可持续能源存储的过程中，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种新概念来制造用于钠电池的高性能电极材料。它基于一种新型石墨烯来储存世界上最常见和最便宜的金属离子之一:钠。结果表明，容量可以与当今的锂离子电池相匹配。尽管锂离子在储能方面效果很好，但锂是一种昂贵的金属，其长期供应和环境问题令人担忧。另一方面，钠是一种丰富的低成本金属，是海水（和厨房盐）的主要成分。这使得钠离子电池成为一种有趣且可持续的替代方案，可减少我们对关键原材料的需求。然而，一项主要挑战是增加容量。在目前的性能水平上，钠离子电池无法与锂离子电池竞争。一个限制因素是石墨，它由石墨烯的堆叠层组成，用作当今锂离子电池的阳极。离子嵌入石墨中，这意味着它们可以进出石墨烯层并被储存起来以供能源使用。钠离子比锂离子大并且相互作用不同。因此，它们不能有效地储存在石墨结构中。但是查尔姆斯的研究人员想出了一种新的方法来解决这个问题。

#30秒内固化、可室温储存碳纤维预浸料# 日本新能源产业技术综合开发机构NEDO宣布已开发出一种可快速固化的碳纤维增强预浸料片材，可在30秒内固化，是目前世界上最短时间，并可在室温下储存。碳纤维增强复合材料（CFRP）作为汽车车身材料的使用越来越多，但与现有金属材料相比，CFRP的材料成本较高，成型速度较慢，因此成本较高。开发快速固化碳纤维增强预浸料片材的目的是通过解决这些问题来促进CFRP在汽车领域的应用和量产。作为NEDO“战略性节能技术创新计划/实践发展阶段”主题项目之一，日本3家企事业机构自2018年7月起，就“车用碳纤维复合材料高速固化预浸料的实践开发”这一项目进行了为期3年的研究工作。 在项目研发过程中，一家利用其高分子设计技术开发了“高速固化树脂”，一家利用树脂成膜和涂层技术开发了“高精度浸渍技术”，一家开发了快速展薄纤维束的“空气展纤技术”。

#陶瓷能够“自我修复”了# 陶瓷对热和极端环境具有弹性，但它们易碎且容易破裂。最近，德克萨斯 A&M 大学的研究人员在一种称为 MAX 相的陶瓷中发现了一种自修复的功能。 他们已经证明，这些工程陶瓷在加载过程中会形成自然断层或扭结带，不仅可以有效阻止裂纹的生长，还可以关闭和修复裂纹，从而防止灾难性故障。“MAX 相真正令人兴奋的是，它们在负载下很容易形成扭结带，即使在室温下也能自愈裂缝，使其适用于各种高级结构应用，”研究人员说：“到目前为止，陶瓷裂纹的自修复只能在非常高的温度下通过氧化实现，这就是为什么通过扭结带形成在室温下自修复裂纹是显着的。” MAX 相的这种非凡行为可以追溯到它们的原子层状结构。 “想象一下一条普通的面包，它是同质的，所以如果我把它切成薄片，每一片看起来都一样——在理念上类似于传统的陶瓷，”该研究的通讯作者说:

#高水解稳定且激光透明的PBT材料# 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）基化合物不仅在高温和潮湿条件下具有高水解稳定性，而且在激光透射焊接中具有良好的激光透明性，这一种情况很特殊。这是因为这两种材料特性通常是相互排斥的。然而，朗盛现在提供了多种PBT化合物，它们成功地兼顾了这两种特性。 一个例子是 Pocan B3233HRLT（抗水解，激光透明），它已经用于一系列大规模的应用，可用于制造例如用于涡流控制的机电执行器的外壳。一家位于德国南部的汽车制造商正在为其多个柴油发动机系列配备这些执行器。相关人员说：“选择我们的 PBT 化合物是因为它能够承受汽车引擎盖下的高温，即使在非常潮湿的条件下也是如此。我们的材料还具有低翘曲和高尺寸稳定性的特点，这些特性使其成为这些复杂几何形状的紧凑型外壳的理想选择。即使材料被染成黑色，它仍能在通常用于塑料激光透射焊接的激光波长范围内提供高水平的透明度。这确保了外壳组件的稳定和高效焊接。”

#软体机器人能像肌肉一样弯曲？# 当拉伸或变形时，形状记忆聚合物在加热或光照后会恢复到原来的形状。这些材料在软机器人、智能生物医学设备和可展开的空间结构方面显示出巨大的潜力，但直到现在它们还不能储存足够的能量。现在，研究人员已经开发出一种形状记忆聚合物，其存储的能量几乎是以前版本的六倍。形状记忆聚合物在原始未变形状态和二次变形状态之间交替。变形状态是通过拉伸聚合物产生的，并通过分子变化保持在适当的位置，例如动态键合网络或应变诱导结晶，这些变化通过热或光逆转。然后聚合物通过释放存储的熵能恢复到其原始状态。但让这些聚合物执行能源密集型任务对科学家来说具有挑战性。包哲南及其同事想要开发一种新型形状记忆聚合物，它可以拉伸成稳定的、高度拉长的状态，使其在恢复到原始状态时释放大量能量。开发新聚合物的关键是弄清楚如何控制材料冷却或拉伸时发生的结晶。当材料变形时，聚合物链会局部拉伸，聚合物的小片段在称为微晶的小区域（或域）中沿相同方向排列，将材料固定成暂时变形的形状。随着微晶数量的增加，聚合物形状变得越来越稳定，使材料越来越难以恢复到其初始或“永久”形状。

#多功能复合材料应用于航空航天# 航空航天应用材料面临许多挑战。飞机的结构必须既轻又坚固。机翼或机身等结构部件必须能够抵抗损坏，同时在某些区域还能够承受发动机排气产生的高温。飞机的电子元件还必须屏蔽雷击或其他干扰引起的电流。 南达科他州立大学研究人员致力于开发满足这些多重需求的新材料。 研究人员表示：“工程材料通常分为单独的类别。如果我们想要坚硬的材料，我们会选择金属；如果我们想要一种为柔韧性和低密度设计的材料，我们会选择聚合物或塑料；如果我们想要高强度和耐热性，我们会选择陶瓷。然而，对于航空航天应用，还需要是多功能材料。” 多功能性内置于自然系统中，快速生长的植物必须既灵活又保持最佳生长状态，并随着结构的增长为水和热管理提供弹性路径。外壳和外骨骼是韧性和强度之间具有良好平衡同时保持特性的材料的例子，例如用于防御寄生虫。