新材料與新工藝

新材料與新工藝

英國奎奈蒂克公司首推基于復合材料的形狀記憶合金

英國奎奈蒂克（QinetiQ）公司在2016年英國范堡羅國際航展上推出了其最新研發(fā)的基于復合材料的形狀記憶合金。

據(jù)悉，該形狀記憶合金由高能量吸收鈦合金絲繞織在碳纖維復合材料上組合而成，現(xiàn)已完成試驗檢測?？蔚倏斯灸M了該形狀記憶合金與飛行器前端銳利部位（如機頭和機翼等）相撞的效果。模擬結(jié)果顯示，與同等質(zhì)量的傳統(tǒng)碳纖維材料相比，該形狀記憶合金的強度提升了約3倍。此外，測試還表明，該形狀記憶合金在防止飛機輪胎爆裂及機身底部殘骸脫落等方面具有很大潛力。將該形狀記憶合金材料應用于飛機中，可在不增加飛機重量的同時達到較高的強度，有利于節(jié)省燃料，減少碳排放，降低航空公司的運營成本。（陳濟桁）

俄羅斯研制新材料為衛(wèi)星散熱器減重

俄羅斯聯(lián)邦羅馬申國家科學中心研制出一種新型碳纖維復合材料，可以減輕運載火箭的負擔，還有助于延長衛(wèi)星在軌壽命。

據(jù)悉，這種新型碳纖維復合材料具有良好的導熱性且重量更輕，可以替代人造衛(wèi)星散熱器中的鋁合金材料。測試結(jié)果顯示，采用該新型碳纖維復合材料制作的衛(wèi)星散熱器，可確保衛(wèi)星攜帶的各種設備穩(wěn)定地處于正常溫度范圍內(nèi)，并使散熱器的總重量減輕約25%，可增加衛(wèi)星上的燃料儲備，延長衛(wèi)星在軌工作壽命，同時還能讓衛(wèi)星攜帶更多的探測裝備等有效載荷，有助于完成更多的科研任務。

目前，羅馬申國家科學中心采用這種新型碳纖維復合材料制作的4臺散熱器已經(jīng)通過了俄羅斯拉沃奇金科學生產(chǎn)公司的驗收測試，將安裝在該公司正在研制的“北極”氣象衛(wèi)星上。（KX.0802）

中科院手性等離子體納米結(jié)構(gòu)組裝研究獲突破

中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的研究人員在各向異性手性等離子體納米結(jié)構(gòu)組裝研究方面取得突破性進展。

研究人員針對手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的可控組裝研究現(xiàn)狀，對各向同性和各向異性基元的手性等離子體納米結(jié)構(gòu)，以及手性分子與金屬復合結(jié)構(gòu)的組裝原理與方法進行了系統(tǒng)的研究，并對自下而上自組裝原理在手性等離子光學中的未來前景進行了深入分析與展望。

研究人員以金納米棒作為各向異性基元，利用DNA納米技術(shù)組裝金納米棒，充分發(fā)揮DNA模板的可編程性和精確可尋址性，解決了各向異性納米材料在三維空間的精確定位和取向問題，在國際上首次制得了具有不同空間構(gòu)型的金納米棒三維離散手性結(jié)構(gòu)及螺旋超結(jié)構(gòu)。研究人員還通過實驗測量和理論分析，揭示了等離子體手性光學活性與金納米棒離散結(jié)構(gòu)及超結(jié)構(gòu)空間構(gòu)型之間的內(nèi)在關系。（科苑）

中外合作成功制備出超薄壓電材料

新加坡南洋理工大學、中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、南京大學、新加坡科技局先進制造研究所，以及美國杜克大學等機構(gòu)合作，采用化學氣相沉積法，成功制備出了高質(zhì)量的壓電材料——硫化鎘（CdS）超薄納米片薄膜（厚度僅為2nm～3nm）。

壓電材料可通過外加電壓獲得細微形變，進而實現(xiàn)高精度驅(qū)動，也可應用于制作高精度的應變、位移與定位傳感器。研究人員通過掃描探針顯微鏡等原位表征技術(shù)，對超薄CdS納米片材料垂直方向的壓電性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)超薄CdS納米片在垂直方向具有3倍于體相材料的壓電常數(shù)（～33pm/V），并且理論模擬很好地驗證了這一發(fā)現(xiàn)。

該項研究成果填補了原子尺度超薄材料（或二維材料）垂直方向壓電性能研究的空白，為構(gòu)筑超高精度驅(qū)動器，以及新型高靈敏度壓力、位移和應變傳感器和致動器奠定了重要的理論與實驗基礎。（KJ.0808）

仿玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)薄膜可顯著提升太陽能電池效率

受玫瑰花瓣表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)，德國卡爾斯魯厄理工學院和巴登符騰堡州太陽能與氫能研究中心的研究人員合作，仿照玫瑰花瓣表面結(jié)構(gòu)制作出一種薄膜，可顯著提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

研究人員通過對大量植物表皮細胞光學性質(zhì)的觀察，發(fā)現(xiàn)植物外層具有吸收光的能力，且玫瑰花瓣的吸光能力最佳。玫瑰花瓣在電子顯微鏡下呈現(xiàn)一種無組織的復雜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅讓玫瑰花能夠吸收更多的光線，還能形成強烈的色彩吸引昆蟲來幫助授粉。研究人員采用硅基聚合物印下了花瓣外層的結(jié)構(gòu)，由此制作出了花瓣外層結(jié)構(gòu)的模具，然后在模具中注入透明的光學粘結(jié)劑，再利用紫外線進行固化，最終獲得了與玫瑰花瓣表面結(jié)構(gòu)相同的透明薄膜。將這種薄膜覆蓋在現(xiàn)有的太陽能電池上，研究人員發(fā)現(xiàn)，太陽能電池對垂直照射的太陽光的轉(zhuǎn)化率提升了12%。

目前，研究人員正在研究無序表面結(jié)構(gòu)的作用原理，以進一步提高太陽能電池的效率。 （志偉）

室溫下印刷柔性電子器件技術(shù)取得新突破

香港理工大學的研究人員在室溫印刷柔性電子器件研究方面取得突破性進展：設計了一種對紫外線敏感且可金屬化的聚合物油墨，并借助自主開發(fā)的聚合物輔助無電沉積技術(shù)，實現(xiàn)了柔性太陽能電池、計算器、化學傳感器，以及薄膜型晶體管等電子器件的制備。

該聚合物油墨原料廉價、制備簡單、穩(wěn)定性好且可實現(xiàn)千克級制備，同時，其化學修飾過程可控性強，可在空氣環(huán)境下進行，可廣泛應用于工業(yè)化器件制造。采用該聚合物油墨印制柔性電子器件可避免高溫處理過程對器件帶來的潛在危害，解決金屬與柔性基底間的界面相容性問題，提高器件的柔性性能并大幅降低器件制造成本，其研制成功為低溫高通量印制柔性器件提供了新的思路，具有一定的理論與現(xiàn)實意義。采用該聚合物油墨制造的柔性電子器件在保持了傳統(tǒng)熱蒸鍍器件優(yōu)良性能的同時，也具有優(yōu)良的柔性性能。

該聚合物油墨適用范圍廣，可實現(xiàn)所有以有機材料為基底的柔性金屬電極制備，且能夠用于軟光刻成型、絲網(wǎng)印刷和噴墨打印等圖案化過程，實現(xiàn)從微米級到毫米級分辨率圖案和器件的制備。（電工）

新型超材料可在納米尺度下操縱可見光

復旦大學的研究人員在可見光超材料研究方面取得了新的進展。研究人員開發(fā)了一種納米粒子組裝方法——納米固流體法，首次成功將高折射率的二氧化鈦納米粒子組裝成了可工作于可見光波段的超材料光學器件，在常規(guī)光學顯微鏡下實現(xiàn)了超高分辨率（45nm）顯微成像，突破了光學顯微鏡的分辨率極限（200nm）。

研究人員使用在可見光下具有高折射率和低吸收損耗特性的銳鈦礦二氧化鈦材料，巧妙地利用油水界面的特性，提出了一種由下而上的自組裝制備可見光超材料方法，成功將15nm的銳鈦礦二氧化鈦粒子組裝成了半球形和超半球形固體浸沒超透鏡。這些超透鏡在可見光下具有高有效折射率及高透明性，納米粒子間可產(chǎn)生局域電場增強效應。利用這一效應及二氧化鈦的低吸收損耗特性，遠場照明光可通過二氧化鈦納米粒子的間隙傳導至待觀察樣品表面，形成大面積、亞波長尺寸的近場聚焦光斑；超透鏡能夠高效地將樣品表面激發(fā)的近場消逝波轉(zhuǎn)變成遠場傳播波；通過光學顯微鏡捕捉攜帶樣品精細結(jié)構(gòu)信息的傳播波，便可實現(xiàn)超分辨率光學成像。

該項研究成果提供了一種在納米尺度操縱可見光的途徑，未來將該組裝方法與納米印跡、微納流體等技術(shù)結(jié)合，有望制備出結(jié)構(gòu)緊湊、低成本的超材料光學器件，應用于隱身、光子計算機、近場光學檢測，以及太陽能利用等領域。（科學）

中科大設計出具有缺陷態(tài)的氧化鎢納米結(jié)構(gòu)

中國科學技術(shù)大學的研究人員采用無機固體精準制備化學技術(shù)，基于晶體缺陷工程原理，設計出一類具有缺陷態(tài)的氧化鎢納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在廣譜光照條件下具有優(yōu)異的有氧偶聯(lián)催化性能，有望實現(xiàn)低能耗和低成本的有機化工技術(shù)。

研究人員針對金屬氧化物作為光催化材料存在的氧分子活化體系設計問題，開發(fā)出一類具有精準可控氧空位缺陷態(tài)的氧化鎢納米結(jié)構(gòu)。通常，金屬氧化物的金屬原子具有配位飽和的特點，無法通過化學吸附活化氧分子，而氧空位缺陷態(tài)的構(gòu)筑克服了這一缺點，促進了光生電子從氧化物催化劑向氧分子的高效轉(zhuǎn)移。另一方面，氧空位缺陷態(tài)的出現(xiàn)大幅擴寬了光催化劑的吸光范圍，使其能夠在可見光和近紅外光區(qū)寬譜范圍內(nèi)俘獲太陽能，實現(xiàn)了太陽能的有效俘獲及能量轉(zhuǎn)換傳遞，解決了氧化物催化劑在光催化有機合成中的瓶頸問題。（KX.0808）

日本東北大學研發(fā)超輕形狀記憶鎂鈧合金

日本東北大學的研究人員發(fā)明了一種超輕形狀記憶鎂鈧合金，密度為鎳鈦諾記憶合金的70%，適用于航天、航空等對輕量性要求較高的領域。

形狀記憶合金在加熱升溫后能夠完全消除其在較低溫度下發(fā)生的形變，恢復形變前的原始狀態(tài)，還可在特定溫度下發(fā)生“超彈性”效應，能夠承載比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可恢復應變。新的超輕鎂鈧合金除具有以往鎂合金的六方最密堆積結(jié)晶構(gòu)造外，還可形成體心立方結(jié)構(gòu)，在-150℃時展現(xiàn)出“超彈性”特征。此外，其發(fā)生“超彈性”效應的溫度還可通過改變鈧的含量來調(diào)整。也因此，這種合金具有優(yōu)異的彈性和形狀記憶特性，在高強度和高延展性方面具有很好的平衡性。

據(jù)悉，目前的形狀記憶合金以鎳鈦諾記憶合金為典型代表，該鎂鈧合金的發(fā)現(xiàn)，有望形成形狀記憶合金新體系。（W.XH）

中國航天科工飛航技術(shù)研究院航天特種材料及工藝研究所成功突破了可溶性砂芯復合材料成型技術(shù)關鍵瓶頸，研制出了首件某異型四通道多軸彎管產(chǎn)品。

航天科工集團突破可溶性砂芯復合材料成型關鍵技術(shù)

該產(chǎn)品具有多通道、多軸向、多S彎等獨特結(jié)構(gòu)，且管路內(nèi)壁光滑平整度要求極高，無法使用常規(guī)復合材料成型技術(shù)進行制備。研究人員另辟蹊徑，首次提出了以可溶性砂芯為核心的成型技術(shù)方案，并在兩個月時間內(nèi)攻克了砂芯選材、制芯組合、表面封孔、模具設計等多項關鍵技術(shù)，打通了砂芯模成型異型構(gòu)件的技術(shù)路線，研制出了首件整體結(jié)構(gòu)異型彎管。（科工局）

新型碳納米管“針”增強復合材料層間結(jié)合力

美國麻省理工學院的研究人員設計出一種新型碳納米管“針”，其可以“穿針引線”，使復合材料層間實現(xiàn)良好結(jié)合，有助于制造出質(zhì)量更輕、抗損傷性能更強的航空、航天飛行器部件。

研究人員使用碳納米管將每層復合材料“栓”在一起。研究人員在類膠狀聚合物基體中嵌入碳納米管“森林”，然后“壓緊”碳纖維復合材料層間的聚合物基體。碳納米管的直徑僅約為10nm，就像是細小的豎直排列的“針”，充當多層結(jié)構(gòu)的支架，在層間部位進行“縫合”，且不會對復合材料造成損傷。測試結(jié)果表明，與現(xiàn)有通過聚合物膠粘接的復合材料相比，經(jīng)碳納米管“縫合”的復合材料的強度可提升約30%，斷裂前能夠承受更大的作用力，既增強了復合材料的層間結(jié)合力，也克服了三維編織或Z釘扎等方法可能會損傷碳纖維性能的缺陷，可用于制造強度更高、質(zhì)量更輕的航空、航天部件。（W.XCL）