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行業(yè)新聞|一大波新材料橫空出世，改變未來就是現(xiàn)在

2021-12-14 14:53:22 作者：銹所201 來源：銹所201 分享至：

每一次新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用都會給人類文明帶來巨大進步。從石器時代、青銅時代、鐵器時代到硅時代、碳時代，新材料對我們生活的改變越來越大。

而現(xiàn)在，一大波新材料的橫空出世，將為我們的生活構(gòu)筑起更美好的未來。

01 科學(xué)家研制出新型航天器外層防護材料

根據(jù)12月1日中國科學(xué)報消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊研制出一種新型航天器外層防護材料——聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜。這種新材料由于采用了獨特的仿生設(shè)計，其力學(xué)性能和空間極端環(huán)境耐受性均得到顯著提升，有望取代現(xiàn)有的聚酰亞胺基復(fù)合膜材料。該成果日前發(fā)表于《先進材料》。

圖片來源：中國科學(xué)報

聚酰亞胺薄膜因其優(yōu)異的力學(xué)性能、絕佳的熱穩(wěn)定性和突出的耐化學(xué)性，成為太空探測器“防護服”的絕佳材料。然而，與其他碳氫聚合物一樣，該材料在太空環(huán)境中極易受到原子氧攻擊，導(dǎo)致其物理和力學(xué)性能急劇下降，目前還沒有很好的解決手段。此外，宇宙射線輻射和空間碎片撞擊等也給其穩(wěn)定性帶來嚴峻考驗。

俞書宏院士團隊受天然珍珠母的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用云母的優(yōu)越本征特性來彌補聚酰亞胺的不足。這種設(shè)計策略不僅實現(xiàn)了材料力學(xué)性能的有效提升，而且使其上表面對原子氧、紫外輻射和空間碎片等具有更高的抵抗性能。

研究表明，這種新型仿生復(fù)合膜的拉伸強度、楊氏模量和表面硬度分別為125兆帕、2.2吉帕和0.37吉帕，比純聚酰亞胺膜分別高出45%、100%和68%。由于獨特的雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)以及云母納米片的固有性能優(yōu)勢，雙層聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜表現(xiàn)出更優(yōu)越的原子氧耐受性，明顯優(yōu)于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母復(fù)合膜和以往報道的聚酰亞胺基復(fù)合材料。此外，其抗紫外線老化性和高溫穩(wěn)定性也得到明顯提升。

業(yè)內(nèi)人士認為，這項研究提出的獨特雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，為設(shè)計構(gòu)筑其他高性能納米復(fù)合材料提供了新思路。

02 MIT團隊找到新型“半固態(tài)”液流電池材料

為了構(gòu)建一套可負擔(dān)得起的電網(wǎng)儲能解決方案，液流電池裝置也于近年再次引起了研究人員的普遍關(guān)注。

麻省理工學(xué)院研究團隊開發(fā)出了一種類似于軟冰淇淋的新型電極材料，認為可將之集成到“半固態(tài)”電池中，從而以更廉價的方式來存儲可再生能源。

圖片來源：Thaneer Narayanan/MIT News

在可再生能源的儲存方面，液流電池是一個相當(dāng)吸引人的研究方向。與鋰離子電池相比，它們具有靈活、可擴展、以及低成本等優(yōu)點。更棒的是，液流電池可將能量儲存數(shù)月之久，以填補太陽能、風(fēng)能的峰谷缺口。而MIT研究團隊的新方案，又將成本發(fā)揮到更加極致的狀態(tài)。

研究作者Thaneer MalaiNarayanan表示：“我們開展了全面且自上而下的分析、并考慮了各種權(quán)衡，以了解電池的成分到底對性能和成本有多大影響。結(jié)果證明，我們的系統(tǒng)較其它對照組都更便宜，且能夠靈活擴大規(guī)模”。

03 新聚合物將硅砂結(jié)合成復(fù)合材料

由橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員設(shè)計了一種新型聚合物，以粘結(jié)并增強硅砂，用于粘合劑噴射式增材制造。這是一種3D打印方法，在工業(yè)中用于原型設(shè)計和生產(chǎn)部件。

ORNL團隊創(chuàng)造了一種聚乙烯亞胺（PEI）粘合劑，與傳統(tǒng)粘合劑相比，它可將砂件的強度提高一倍。

圖片來源：ORNL

通過粘合劑噴射打印的部件，最初從打印床移出時是多孔的。通過滲透設(shè)計，額外加入一種名為氰基丙烯酸鹽的強膠材料，可以填補縫隙并提高強度。在第一步的基礎(chǔ)上，第二步的強度增加了8倍，使聚合物砂復(fù)合材料比其他任何已知的建筑材料（包括磚石）都更堅固。

該項目的首席研究員Tomonori Saito表示：“很少有聚合物適合用作此類應(yīng)用的粘合劑。研究人員一直在尋找能實現(xiàn)最佳效果的特殊性質(zhì)，比如溶解性。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，PEI粘合劑具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，可以與氰基丙烯酸鹽發(fā)生反應(yīng)，以實現(xiàn)卓越的強度。”

超高強度砂的潛在應(yīng)用之一是先進的復(fù)合材料制造模具。硅砂是一種容易獲得的低成本材料，在汽車和航空航天領(lǐng)域日益受到歡迎，可用于制造復(fù)合材料部件。例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纖維或玻璃纖維等輕質(zhì)材料，然后加熱固化。硅砂比較適合用作模具，因其在加熱時不會改變尺寸，而且在可清洗模具中具有獨特的優(yōu)勢。在復(fù)合材料應(yīng)用中，使用水溶性粘合劑來構(gòu)建砂模，具有重要意義，因為可通過自來水進行簡單的沖刷去除砂粒，留下中空的復(fù)合材料形式。主要研究人員Dustin Gilmer表示：“為了確保模具部件的精確度，需要一種在加工過程中不會改變形狀的材料，因此硅砂很被看好。挑戰(zhàn)在于克服砂件的結(jié)構(gòu)弱點。”

04 NTNU研究出新型蜘蛛絲彈性材料

圖片來源：前瞻網(wǎng)

受超強蛛絲的啟發(fā)，新西蘭科技大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新材料，該材料克服了在韌性和剛度之間進行權(quán)衡的問題。

新材料是一種被稱為彈性體的聚合物，具有橡膠一樣的彈性。這種新開發(fā)的極具彈性的聚合物特點是分子在一個重復(fù)單元中有八個氫鍵，正是這些氫鍵幫助均勻分配施加在材料上的應(yīng)力，使其如此耐用。

NTNU結(jié)構(gòu)工程系力學(xué)與材料教授Zhiliang Zhang說：“這八個氫鍵是這種非凡力學(xué)性能的起源。”

科學(xué)家們此前已經(jīng)注意到，蜘蛛絲——特別是提供蛛網(wǎng)輻條和外緣的拖絲——異常堅硬和堅韌。剛度和韌性在工程中是截然不同的性質(zhì)，往往對立。堅硬的材料在變形前可以承受很大的壓力，而堅硬的材料在斷裂前可以吸收大量的能量。例如，玻璃雖然堅硬，但并不堅硬。

除了機械性能，這種材料還是透明的，研究表明它甚至可以在80°C以上的溫度下實現(xiàn)自我修復(fù)。如果產(chǎn)量能夠擴大，這種新材料有一天可能會用于柔性電子產(chǎn)品，特別是易損壞和破損的可穿戴設(shè)備上。

此外，研究人員還希望擴展這種材料的性能，使其具有防冰（在低溫下防止冰粘在上面）和防污染（防止貽貝和藻類等水生生物附著在上面）的特性，這樣它就可以在極端條件下使用，比如北極。

05 木材廢料可用于可再生/可回收的熱固性塑料替代品

大多數(shù)熱固性樹脂不僅由不可再生的成分制成，而且還很難回收。瑞典科學(xué)家已經(jīng)著手解決這些問題，并開發(fā)了一種新的可以多次重復(fù)使用的木質(zhì)素基熱固性材料。

木質(zhì)素是一種有機聚合物，構(gòu)成了包括樹木在內(nèi)的植物的大部分支撐組織。它也是紙漿和造紙業(yè)的一種副產(chǎn)品，曾被提出用于更便宜的電池、廢棄的碳纖維和更強的混凝土等領(lǐng)域中。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

斯德哥爾摩大學(xué)的研究人員將木質(zhì)素與一種從乙二醇中提取的無毒交聯(lián)化學(xué)品結(jié)合起來，創(chuàng)造出了一種具有與傳統(tǒng)熱固性樹脂很相似的特性材料。該材料不需要事先對木質(zhì)素進行化學(xué)改變，只需與交聯(lián)劑一起被“煮”過，便可通過傳統(tǒng)的鑄造或注射成型技術(shù)形成多種形狀，可以說使用起來非常簡單環(huán)保。

研究人員通過改變木質(zhì)素與交聯(lián)劑的比例，可以來調(diào)整該材料的特性——它可以是軟而堅韌的，也可以是硬而脆的。此外，它還可以被熱分解并多次重復(fù)使用，仍保持良好的機械強度，這樣的特性據(jù)說能與現(xiàn)有的工程塑料相媲美。

06 新的碳纖維復(fù)合材料可利用熱能進行愈合

華盛頓大學(xué)教授Aniruddh Vashisth開發(fā)了一種新的、非常堅固的、輕型的碳纖維復(fù)合材料。對于目前的碳纖維材料來說，一旦被損壞，基本上是不可能修復(fù)或回收的。而這種新的碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)的碳纖維不同，它可以被反復(fù)修復(fù)。