新型材料

發布時間:2021-02-03 10:18瀏覽次數:

新型材料的發展對于未來必不可少 

        對我們大多數人來說,“文明”這個詞與啟蒙,文化或精煉是同義詞;它讓人想起大型公共建筑的畫面,或者讓人聯想到先進的社會系統。但在我看來,文明只不過是對材料科學進步狀況的一種衡量標準,因為從石器時代到青銅器到鐵器時代,人類文明的每一次重大進步都是由材料的根本發展驅動的。這種聯系是如此強大,以至于我們甚至以當時占主導地位的材料來命名我們的時代。


        在今天的“硅時代”,硅晶體管構成了許多微電子的核心,使我們的現代生活方式成為可能。在過去的幾十年中,我們已經將硅器件的性能提升到驚人的程度,使笨重的舊臺式計算機能夠轉變為時尚的智能手機,根據摩爾定律我們理所當然地能將性能的指數增加--并相應減小尺寸和成本。



        但是,隨著我們開始遇到由構成硅材料的單個原子的大小所設定的基本物理極限,這種硅革命很快就會被迫結束。這意味著,在我們現有的框架內,不斷向更快,更小,更輕的產品邁進的能力越來越強。

        雖然看起來我們的電子設備已經足夠輕巧,功能強大,但這個障礙實際上是社會的一個深刻問題。微電子在全球范圍內地使用正在迅速增加,許多人預測,上超過一半的能源將在幾十年內被信息技術消耗。而這種消費是不可持續的。為了維持和提高我們的全球生活水平,我們需要超越硅時代,因此,我們需要一種新材料。



新型材料能為制造業帶來什么

        我們總是不斷努力想要把自己的夢想變為現實,人類的本性就是如此。汽車工業就是一個很好的例子。當福特發布未來車輛的材料愿望清單時,福特研究和高級工程部門的執行技術負責人Allen教授列出了一些可能挽救生命的材料,其中包括:一種新型鋼材。比目前的鋼強三倍;塑料泡沫,可在事故中穩定結構;和納米填料復合材料,從根本上減輕重量,同時增加強度。

        在現代,航空航天工業也在展望更堅韌,更輕,更耐熱的材料,這將減少排放,降低燃料成本,并提高速度。到目前為止,在航空工業中,復合材料一直是最重要的材料。根據復合材料研究專家埃莉諾?梅森博士的說法,“三十年前,百分之五到六的飛機是由復合材料制成的;現在,商用飛機,如夢想飛機,由約50%的復合材料制成。”

        雖然只有鋼的重量的五分之一,碳纖維復合材料更強。例如,夢想飛機的機翼,尾翼,車門,機身和內飾都采用了碳纖維復合材料,這使它成為一個更輕的平面。說到飛機,每磅都很重要。專家估計,將商用飛機的重量減輕2.2磅(1千克)可以使其運營成本每年降低2,200至3,300美元。



        復合材料越來越多地被用于汽車,風力渦輪機葉片和其他產品中。例如,寶馬的電動i3主要由復合材料制成。寶馬表示,較輕的重量可以幫助車輛一次充電多行駛100英里。蘭博基尼悍然的Veneno Roadster配備了減重復合材料部件,可在2.9秒內加速0至62英里/小時。復合材料現在生產成本更低,更多公司正在生產,但精細級復合材料的生產仍然需要高溫,極其清潔的環境和勞動密集型工藝。加工這些精細級復合材料更是一項挑戰。

        “復合材料的切割,尤其是鉆孔是一項重大挑戰,”為山特維克可樂滿研究復合材料的Merson說。“一架飛機上有數萬個洞,材料非常容易磨損;碳纖維很快磨損了鉆頭。

        在未來,復合材料很可能會通過在納米級別開發的纖維進一步加強。預計科學家們將能夠在原子水平上創造近乎完美的解決方案。德國化學公司Alt ana AG的專家表示,微小的碳納米管可以比鋼或鋁強400倍,比傳統碳纖維強20倍。



    像石墨烯和準晶體這樣的材料,他們的發現者都獲得了諾貝爾獎,它們成為堅韌的材料很有潛力,并可能徹底改變工業設計。然而,大規模的工業應用可能還有很長的路要走。

    去年,一家中國公司在其手機中加入了石墨烯顆粒以提高導電性。準晶片已被模塑成煎鍋和金屬手術器械,以增加其耐用性。雖然目前還沒有重大的工業突破,但目前正在對石墨烯研究進行大量投資。石墨烯是鋼的200倍,是地球上最薄的材料(比人類頭發薄100萬倍)。與此同時,公司和大學的研究人員正致力于改進已知的材料和技術。

    輕質鋁合金現在已經取代了保險杠系統,碰撞環部件和入侵梁中的高強度鋼。在飛機發動機中,耐極端溫度的超硬合金可以幫助改善能量轉換并降低燃料成本。



原子級別的新型材料

        我們為什么要選擇已經存在的材料進行生產或設計?人類正在開發創造具有特定屬性的全新材料的能力。

        “在現代顯微鏡和計算機計算的幫助下,我們在原子水平上設計新材料的技術已經日趨成熟” Hultin Stigenberg說。

        自鐵器時代于公元前550年左右結束以來,沒有具體材料確定人類歷史上的一段時期。 許多學者說我們生活在塑料時代,但在未來,我們的時代可能被稱為新材料時代,它對人類發展的影響可能遠遠超出我們的想象。



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