新材料與新工藝

新材料與新工藝

航天熱防護(hù)材料為飛機(jī)“黑匣子”穿上“防護(hù)服”

中國航天科技集團(tuán)公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所研制的熱防護(hù)材料成功應(yīng)用于某型飛機(jī)的“黑匣子”，并已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，完成了首批400件產(chǎn)品的交付，為該型飛機(jī)維修和飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄保存提供了保障。

“黑匣子”即飛行參數(shù)記錄儀，是航空器事故調(diào)查的重要依據(jù)。為了提高安全系數(shù)，“黑匣子”通常安裝在飛機(jī)尾部最安全的部位。但在飛機(jī)發(fā)生事故時(shí)，“黑匣子”需在1100℃的火焰中經(jīng)受30min的燒蝕，才能保證飛行數(shù)據(jù)的安全。因而，必須對“黑匣子”進(jìn)行熱防護(hù)處理。

航天材料及工藝研究所通過絕熱方案設(shè)計(jì)和仿真分析，進(jìn)行了涂層材料、納米超級隔熱材料、相變材料類型的選擇和厚度優(yōu)化，使經(jīng)過該熱防護(hù)材料處理的“黑匣子”在經(jīng)歷60min 1100℃的高溫?zé)g后，其內(nèi)嵌式芯片溫度仍低于260℃，性能指標(biāo)超過用戶要求，達(dá)到國際先進(jìn)水平。此外，該熱防護(hù)材料還具有輕質(zhì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，無需像傳統(tǒng)“黑匣子”那樣通過增加金屬殼體厚度來滿足性能指標(biāo)要求，使金屬殼體厚度由原來的12mm減薄至8mm，從而實(shí)現(xiàn)了“黑匣子”結(jié)構(gòu)減重40%以上。

目前，航天材料及工藝研究所通過工藝優(yōu)化，大幅縮短了相關(guān)產(chǎn)品的研制周期，具備了月產(chǎn)300件產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力。預(yù)計(jì)未來2年內(nèi)，該研究所將完成2000件產(chǎn)品的交付工作。 (HT.1124)

可高度導(dǎo)電和儲(chǔ)能的粘土材料研制成功

美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種高度導(dǎo)電且能夠模壓成各種形狀和尺寸的粘土材料，未來或?qū)⒃趦?chǔ)能電池和超級電容器等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

據(jù)介紹，該新型粘土材料基于一類名為MXene的材料制備而成。MXene是一類與石墨烯類似的二維材料，具有親水性、可塑性，以及比容量高（達(dá)900F/cm3）等特點(diǎn)。德雷賽爾大學(xué)的研究人員通過插層方法，在MXene的各個(gè)層之間插入了多種液態(tài)化學(xué)物質(zhì)（如聚乙烯醇、聚二烯丙基二甲基氯化銨等），使其表面布滿了各種官能團(tuán)，進(jìn)而改變了其化學(xué)及物理性質(zhì)。在表面羥基的作用下，MXene可與聚合物分子形成緊密耦合，可使其具有與金屬相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電率。

該新型粘土材料制備速度較快，較安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，由于其具有親水性，除應(yīng)用于鋰離子電池和超級電容器外，還可用于水處理系統(tǒng)，如水凈化或脫鹽膜等。當(dāng)其卷成管狀時(shí)，力學(xué)性能也可進(jìn)一步增強(qiáng)，亦可用于制造盔甲、航空部件等。 (科 技)

我國首臺(tái)航天3D打印機(jī)研制成功

中國航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院成功研制出我國首臺(tái)航天多激光金屬3D打印機(jī)。

這臺(tái)3D打印機(jī)形如一個(gè)銀灰色柜子，柜子左上側(cè)設(shè)置了一個(gè)小小的玻璃窗，右上側(cè)設(shè)置了電腦及鍵盤，制作人員在電腦上輸入需要打印的模型，放入粉末狀的打印材料，按下打印鍵，就可以從玻璃窗里看到，打印材料被一層層地送入打印區(qū)域，從底部向上打印，機(jī)器不斷循環(huán)“送粉—鋪粉—激光熔化”過程，粉末每鋪一層，激光束便會(huì)選擇熔化相應(yīng)的零件截面圖形，然后以每層0.02mm的厚度逐層添加粉末，最終完成金屬激光熔化的生產(chǎn)過程。

據(jù)介紹，該3D打印機(jī)采用雙激光器，即長波的光纖激光器和短波的二氧化碳激光器，可打印長、寬、高不超過250mm的物品，每小時(shí)可打印8cm3，打印材料為不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等。這種雙激光金屬選區(qū)熔化3D打印機(jī)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)已申請多項(xiàng)國家專利。

根據(jù)應(yīng)用需求，該3D打印機(jī)已成功低成本地打印出了衛(wèi)星星載設(shè)備的光學(xué)鏡片支架、核電檢測設(shè)備的精密復(fù)雜零件、飛機(jī)研制過程中用到的葉輪、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的異形齒輪等零件。

經(jīng)過測試，這些3D打印的零件性能能夠滿足工程化應(yīng)用要求。 (新 華)

室溫下陶瓷超導(dǎo)體首次研制成功

借助短波紅外激光脈沖照射釔鋇銅氧化物（YBCO），德國馬克斯普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所參與的一個(gè)國際研究小組首次成功制成了室溫下的陶瓷超導(dǎo)體，盡管其維持時(shí)間僅數(shù)百萬分之幾微秒。

據(jù)介紹，YBCO晶體由雙層氧化銅分子層與1層稍厚的鋇、銅、氧原子中間層交互疊加構(gòu)成。在臨界溫度下，電子可以在雙層氧化銅分子層結(jié)合形成“庫珀對”，在不同的層之間穿越，顯示出超導(dǎo)性。2013年，研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用紅外激光脈沖照射YBCO材料時(shí)，其會(huì)在室溫下短暫地顯示出超導(dǎo)性。而借助于美國斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源，研究人員研究并揭示了該現(xiàn)象的原理：激光脈沖會(huì)導(dǎo)致晶體晶格中的單個(gè)原子發(fā)生短暫變動(dòng)，從而導(dǎo)致超導(dǎo)性的產(chǎn)生。

該項(xiàng)成果將有望幫助現(xiàn)有低溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)在溫度高很多的條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。 (W.XL)

我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)40K高溫超導(dǎo)材料

中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在世界上首次利用水熱反應(yīng)方法，發(fā)現(xiàn)了一種新的鐵基超導(dǎo)材料——鋰鐵氫氧鐵硒化合物（（Li0.8Fe0.2）OHFeSe），并與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)合作，結(jié)合X射線衍射、中子散射和核磁共振等3種技術(shù)手段，精確地確定了其結(jié)構(gòu)。

測量表明，該化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)40K以上，由鐵硒層和鋰鐵氫氧層交替堆垛而成，鐵硒層和鋰鐵氫氧層之間由極其微弱的氫鍵相連。研究人員還發(fā)現(xiàn)，其在低溫約8.5K時(shí)存在反鐵磁序，并與超導(dǎo)電性共存。

該化合物具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高、空氣中穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，為相關(guān)體系新超導(dǎo)體的研究提供了思路，也為探索鐵基高溫超導(dǎo)的內(nèi)在物理機(jī)制提供了新的材料體系。(KX.1222)

石墨烯或可用于制作防彈材料

石墨烯作為一種具有巨大應(yīng)用潛力的新興材料，現(xiàn)已成為世界科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。近期，美國馬薩諸塞大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有良好的抗沖擊性能，或可用于制作防彈材料。

馬薩諸塞大學(xué)的研究人員首次采用一種微小的二氧化硅球體來射擊單層石墨烯，利用電子顯微鏡拍攝二氧化硅球體撞擊石墨烯的瞬間，以檢驗(yàn)其承受沖擊的能力。測試結(jié)果表明，石墨烯吸收撞擊能量的能力高于鋼材。當(dāng)二氧化硅球體撞擊厚度為10～100層的石墨烯時(shí)，石墨烯層能在破碎前迅速分散沖擊力，中斷通過材料的外展波，其承受子彈沖擊的性能可達(dá)凱芙拉纖維的2倍，鋼材的8～10倍。

未來，以石墨烯層為基礎(chǔ)的復(fù)合材料及其它輕質(zhì)高強(qiáng)材料有望替代鋼鐵或芳綸纖維，成為一種“很有前景的盔甲系統(tǒng)”。 (KJ.1214)

在特殊光照下能降解成分子并可再生產(chǎn)的塑料問世

美國北達(dá)科他州立大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型塑料。在特殊光照下，其能降解還原成分子，而這些分子還可用于再次生產(chǎn)新塑料。

研究人員首先采用水果中的果糖制作了一種分子溶液，然后將其聚合為塑料。把該塑料曝露在350nm的紫外線下3h，就能完全分解為最初的可溶性分子。研究人員還采用農(nóng)作物中的油料種子、纖維素、木質(zhì)素和蔗糖生產(chǎn)新型塑料的基本分子，再將基本分子合成高聚物分子，最終形成塑料。該新型塑料及其生產(chǎn)方式可減少產(chǎn)品生產(chǎn)對化石燃料的依賴，減少原材料消耗，減輕環(huán)境中有害化學(xué)物質(zhì)的總量。

研究人員指出，在把該新型塑料制作成產(chǎn)品，推向商業(yè)化之前，還需進(jìn)一步研究并評估其耐用性和強(qiáng)度。未來，研究人員計(jì)劃將該新型塑料用于汽車、電子器材等其它設(shè)備上，以檢驗(yàn)其應(yīng)用性能。 (KJ.1201)

歐盟納米壓印光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)薄膜低成本量產(chǎn)

歐盟第七研發(fā)框架計(jì)劃提供490萬歐元資助，總研發(fā)投入690萬歐元，由芬蘭、英國、德國、荷蘭、奧地利和瑞士等6個(gè)國家的9家企業(yè)聯(lián)合科技界組成的歐洲PHOTOSENS研發(fā)團(tuán)隊(duì)，利用最先進(jìn)的納米壓印光刻技術(shù)，整合基底納米功能沖壓工藝和卷到卷生產(chǎn)制造工藝，實(shí)現(xiàn)了低成本、大批量制造大面積納米結(jié)構(gòu)傳感器陣列（NSA）的工業(yè)流程設(shè)計(jì)和設(shè)備樣機(jī)開發(fā)，奠定了NSA商業(yè)化推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

目前，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成功開發(fā)出3種不同類型的全聚合物多參數(shù)感應(yīng)裝置生產(chǎn)制造工藝及設(shè)備樣機(jī)，分別為：應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)檢測空氣質(zhì)量的甲醛光子結(jié)晶感應(yīng)裝置、應(yīng)用于制藥和食品安全行業(yè)檢測布洛芬化合物成分的感應(yīng)裝置，以及應(yīng)用于多行業(yè)的靈活嵌入式一次性多參數(shù)芯片檢測裝置。

該研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前正在圍繞基于3D打印技術(shù)的單模波導(dǎo)感應(yīng)檢測裝置的生產(chǎn)制造工藝開發(fā)，進(jìn)行工藝流程驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 (科技部)

中科院在鋁合金表面防護(hù)技術(shù)研究方面獲進(jìn)展

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究人員將化學(xué)刻蝕和化學(xué)修飾有機(jī)結(jié)合起來，在鋁合金表面成功制備出了具有優(yōu)異防護(hù)性能的薄膜。

鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良、塑性和成型性好等特點(diǎn)，但其硬度偏低，耐磨性和耐腐蝕性較差，限制了其應(yīng)用。因此，需對鋁合金表面進(jìn)行處理，以提高其抗蝕耐磨性能。

測試表明，隨著刻蝕時(shí)間的增加，具有防護(hù)膜的鋁合金樣品的表面粗糙度先增大后減小，刻蝕時(shí)間為2min時(shí)，其表面的微納二元結(jié)構(gòu)的比例達(dá)到最優(yōu)。由于薄膜疏水，可有效阻隔水及其它腐蝕介質(zhì)的滲

入，因此，經(jīng)表面防護(hù)膜修飾的鋁合金具有優(yōu)異的耐蝕性能，具有很小的腐蝕電流密度和較高的腐蝕電位。此外，由于表面防護(hù)膜中的長鏈和非極性端甲基基團(tuán)可有效分散摩擦過程中傳導(dǎo)來的機(jī)械能，經(jīng)過處理的鋁合金樣品具有較好的摩擦學(xué)性能，其摩擦系數(shù)很小，且當(dāng)刻蝕時(shí)間為2min時(shí)，磨損率亦很小。

該薄膜充分利用了鋁合金表面形貌設(shè)計(jì)與有機(jī)防護(hù)涂層構(gòu)筑協(xié)同防腐耐磨的作用，具有更好的防腐耐磨效果；其穩(wěn)定性高，且制備工藝簡單、重復(fù)性好，原料易得，成本低廉，且對基底材料的形狀無限制，適用于較大面積的鋁合金的表面處理，應(yīng)用前景廣闊。 (佳 工)

首套1000噸/年尿素間接法生產(chǎn)碳酸二甲酯全流程中試成功

由中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所與上海韋福化工技術(shù)發(fā)展有限公司聯(lián)合開發(fā)的1000噸/年尿素間接法生產(chǎn)碳酸二甲酯（DMC）中試裝置一次開車成功，生產(chǎn)出了純度為99.8%的DMC產(chǎn)品。目前，圍繞該項(xiàng)目已申請2項(xiàng)國家發(fā)明專利。

500h運(yùn)行結(jié)果顯示：在第一步尿素與1,2-丙二醇制備聚碳酸丙烯酯（PC）的反應(yīng)中，尿素轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，PC收率穩(wěn)定在95%以上；在第二步PC與甲醇酯交換制備DMC的反應(yīng)中，PC轉(zhuǎn)化率為100%，DMC選擇性大于99%，反應(yīng)塔塔頂DMC出口濃度穩(wěn)定在30%以上。第二步酯交換產(chǎn)生的1,2-丙二醇再循環(huán)用作第一步反應(yīng)的原料時(shí)，對第一步的反應(yīng)無任何不利影響。與其它生產(chǎn)工藝相比，該工藝以產(chǎn)能過剩且價(jià)格低廉的尿素和甲醇為原料，具有反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)品收率高、氨氣易回收、后續(xù)分離簡單、能耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

據(jù)介紹，DMC可用作溶劑、鋰離子電池電解液、汽柴油添加劑，可在諸多領(lǐng)域取代劇毒的光氣、硫酸二甲酯及氯甲酸甲酯等生產(chǎn)一系列重要化學(xué)品，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。 (煤化所)