九種新材料改變未來制造業

2018-12-29    企业公告  
       研究人员正在致力于开发先进的泡沫、涂料、金属和其他物质使我们的房屋,汽车和电子产品更节能和环保。制造业的未来取决于一系列技术突破,如机器人,传感器和高性能计算,等等。但是材料制造商使用什么性能的材料和如何来制备这些设备将具有非常的影响。新材料改变生产过程和最终使用结果。
  《科學美國人》曾在特別報道“如何制造下一個大突破”中,展示了幾個正在研發的新材料幫助發明家和工程師開發下一代技術。這些成分包括超絕緣氣凝膠宇航服、建築工程中的高韌性混凝土布料和可代替有毒塑料的複雜天然高分子材料。
  超薄鉑
  將來,氫燃料電池汽車可作爲清潔的交通工具,但他們仍然昂貴的部分原因是他們使用貴金屬鉑,促進電池內的化學反應,産生電能。快速而低成本的一種新方法沈積超薄層鉑,可減少燃料電池中使用的金屬催化劑,從而大大降低成本。當前應用石墨烯鉑的主要方法——原子層沈積,低效而複雜。根據美國國家標准與技術研究院准則,新方法則廉價且容易實現。從本質上講,鉑在溶液中溶解,是通過交替正負電壓在單原子層中沈積。通過重複可快速且輕松地構建任意原子層厚度。
  大型磁鐵
  稀土材料因爲具備非常好的磁特性,對于制備風力渦輪機,電動汽車和混合動力汽車以及家用電子器件至關重要。但是同時他們也具有價格敖貴和來源單一(只有中國有)的特點。然而,根據美國電子能源公司的消息,電動機使用磁鐵將電能轉換成機械能,一個很小尺寸的燒結的稀土磁體便能夠産生非常強大的磁場,這使制造商能夠制備更小和更輕的汽車成爲可能。這家公司已經與美國特拉華大學研究人員合作以尋找一種能夠將稀土磁鐵的電阻率提高至少30%的制備工藝。他們的目標是利用電阻率增加的磁鐵即使在汽車高速運轉時也能降低發動機的效率損失。上圖便是塊狀的鍍鎳的钕磁鐵,是世界上使用最廣泛的一種稀土磁鐵之一。
  仿生學塑料
  在家蝇和蚱蜢坚硬的外骨骼中发现了一种自然昆虫表皮,它有足够轻的重量保证飞行,足够薄以保障弹性和足够的强度以保护它的身躯。这种表皮能够在不增加重量或体积的情况下给躯体提供保护。哈佛大学生物工程研究所工程研究员发现了一种称之为Shrilk 的新材料以复制昆虫表皮的强度、耐用性和多功能性。Shrilk,之所以这样命名是因为这种材料包含了从废弃的虾壳(shrimp shells)和蚕丝(silk)蛋白的蛋白质中提取出的壳质,能够用来制备可以迅速降解的垃圾袋,包装袋和尿布。
  作爲一種異常堅硬,具有生物相容性的材料,它也能夠被用于需要承受高載荷的傷口縫合,比如在疝修補或者用作組織再生的支架。
  更便宜的或更輕的碳纖維
  未來的汽車需要高強度,重量輕的碳纖維複合材料結構來提高汽車效率和運行裏程,但是低成本也是取得市場成功的充分條件。一個由國家實驗室,和在橡樹嶺國家實驗室的碳纖維技術中心工作的産業界和學術界工作人員共同組成的團隊正在致力于克服降低碳纖維成本的挑戰。美國能源局撥給了橡樹嶺國家實驗室3500萬美元的經費來建立和運行這個碳纖維技術中心。這其中包括了一個年産能25噸新碳纖維材料的小規模試驗場。
  納米晶體設計師
  三位芝加哥大學的化學家已經發現了一個新方法裝配他們稱之爲“原子設計師”的新型材料,它有巨大的潛能和能廣泛地應用。這些設計原子爲納米晶體——微小晶體陣列足夠小以致新的量子現象開始出現,但尺寸也足以實現新功能材料和性能,這可用于收集太陽能和實現量子計算。
  堅固體塗料
  來自橡樹嶺和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的工程師,科羅拉多礦業學院的和其他地方的工程師已經設計出一種用于工業鑽頭,鑽孔和刀具的耐極端情況,鐵基的玻璃合金塗層,從而增強這些裝置在高載荷情況下的斷裂強度。納米盾塗料——納米尺寸非常堅硬價格並不敖貴的激光沈積塗料的簡稱,它需要用激光融化刀具和其它隧道鑽孔工具表面的合金粉末。這種塗層遠比傳統的像碳化鎢钴材料便宜,而且它們的運行壽命更長,進而提高了隧道鑽頭打孔的效率。
  廢物轉化爲能源熱電技術
  西北大学和密歇根州立大学的科学家们展示了一种热电材料能高效转化废热为电能。这是好消息如果你考虑到将近三分之二的能源输入丢失作为废热。现有热电材料的低效率限制了他们的商业用途。创纪录性、环保稳定的方法预计将15 - 20%的废热转化成有用的电能,让更大的工业采用热电技术。废热回收系统可以连接,例如,车辆排放或从玻璃制砖工厂,炼油厂,化石燃料发电厂以及大型运输和油轮处理的排放。
  導電油墨
  量子-電子法可制作奇特但有用的內部絕緣、表面導電的半導體。材料大部分區域作爲絕緣體,阻礙電子運動,然而表面是非常好、像金屬的導體,能讓電子以近光速自由運動,不受通常材料中阻礙電子運動的雜質的影響。不含金屬的導電油墨在印刷電子材料發揮重要作用,應用于顯示屏、傳感器和電池。例如,伊利諾斯州大學的研究人員創造了一個銀基電動油墨在蒸發時留下導電材料痕迹。新配方比傳統的電子墨水更易使用,與許多材料粘附性好,在較低溫度下使用一個簡單的桌面設備就可打印。
  真菌泡沫
  從最初構想得到一種廉價的、綠色的以及泡沫聚苯乙烯的高效替代品,Ecovative設計公司通過農作物廢料、植物的莖及大米和小麥殼以及緊連在一起的木須(菌絲)來制備蘑菇包裝材料。公司目前正利用這些蘑菇材料來生産能夠用于生物降解的替代者,使之能夠降解汽車保險杠,門,屋頂,引擎室,行李箱襯墊,儀表盤和座位裏面使用的以石油爲原料的塑料泡沫。另外一個潛在的應用包括桌面,沖浪板和衣服的降解。