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九種新材料改變未來制造業

發布時間:2018-12-29

       研究人員正在致力于開發先進的泡沫、涂料、金屬和其他物質使我們的房屋,汽車和電子產品更節能和環保。制造業的未來取決于一系列技術突破,如機器人,傳感器和高性能計算,等等。但是材料制造商使用什么性能的材料和如何來制備這些設備將具有非常的影響。新材料改變生產過程和最終使用結果。
  《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、建筑工程中的高韌性混凝土布料和可代替有毒塑料的復雜天然高分子材料。
  超薄鉑
  將來,氫燃料電池汽車可作為清潔的交通工具,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,產生電能。快速而低成本的一種新方法沉積超薄層鉑,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——原子層沉積,低效而復雜。根據美國國家標準與技術研究院準則,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沉積。通過重復可快速且輕松地構建任意原子層厚度。
  大型磁鐵
  稀土材料因為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產生非常強大的磁場,這使制造商能夠制備更小和更輕的汽車成為可能。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釹磁鐵,是世界上使用最廣泛的一種稀土磁鐵之一。
  仿生學塑料
  在家蠅和蚱蜢堅硬的外骨骼中發現了一種自然昆蟲表皮,它有足夠輕的重量保證飛行,足夠薄以保障彈性和足夠的強度以保護它的身軀。這種表皮能夠在不增加重量或體積的情況下給軀體提供保護。哈佛大學生物工程研究所工程研究員發現了一種稱之為Shrilk 的新材料以復制昆蟲表皮的強度、耐用性和多功能性。Shrilk,之所以這樣命名是因為這種材料包含了從廢棄的蝦殼(shrimp shells)和蠶絲(silk)蛋白的蛋白質中提取出的殼質,能夠用來制備可以迅速降解的垃圾袋,包裝袋和尿布。
  作為一種異常堅硬,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,重量輕的碳纖維復合材料結構來提高汽車效率和運行里程,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產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產能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為“原子設計師”的新型材料,它有巨大的潛能和能廣泛地應用。這些設計原子為納米晶體——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。
  堅固體涂料
  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鉆頭,鉆孔和刀具的耐極端情況,鐵基的玻璃合金涂層,從而增強這些裝置在高載荷情況下的斷裂強度。納米盾涂料——納米尺寸非常堅硬價格并不敖貴的激光沉積涂料的簡稱,它需要用激光融化刀具和其它隧道鉆孔工具表面的合金粉末。這種涂層遠比傳統的像碳化鎢鈷材料便宜,而且它們的運行壽命更長,進而提高了隧道鉆頭打孔的效率。
  廢物轉化為能源熱電技術
  西北大學和密歇根州立大學的科學家們展示了一種熱電材料能高效轉化廢熱為電能。這是好消息如果你考慮到將近三分之二的能源輸入丟失作為廢熱。現有熱電材料的低效率限制了他們的商業用途。創紀錄性、環保穩定的方法預計將15 - 20%的廢熱轉化成有用的電能,讓更大的工業采用熱電技術。廢熱回收系統可以連接,例如,車輛排放或從玻璃制磚工廠,煉油廠,化石燃料發電廠以及大型運輸和油輪處理的排放。
  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。材料大部分區域作為絕緣體,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跡。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產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,儀表盤和座位里面使用的以石油為原料的塑料泡沫。另外一個潛在的應用包括桌面,沖浪板和衣服的降解。

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