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材料最前沿:最耐热材料、新型数据存储材料、新型刚性减震材料、新型多铁性材料、新型自愈材料……

原标题:材料最前沿:最耐热材料、新型数据存储材料、新型刚性减震材料、新型多铁性材料、新型自愈材料……

新型耐热材料创下世界纪录

研究人员已经发现碳化钽和碳化铪材料可以承受接近4000摄氏度的极热温度,NASA表示,这项新的发现为研发新型隔热板铺平了道路。

值得一提的是,来自帝国理工大学的研究团队还发现,碳化铪的熔点创下了所有材料中的最高纪录。能承受近4000摄氏度这一特性可为材料未来在极热的环境中应用铺平道路,例如为下一代超音速太空飞行器提供热防护板。

碳化钽和碳化铪是耐火陶瓷材料,这意味着它们对热具有极强的抵抗能力,其抵御极端恶劣环境的能力意味着耐火陶瓷可以用于高速飞行器的热防护系统中,此外还可以作为核反应堆中过热环境的燃料包壳。但是,目前在实验室中没有一套科学的测试手段来测试碳化钽和碳化铪的熔点,因此无法真正的判断到底在多极端的环境中它们可以发挥作用。

从事这项研究的研究人员还发明了一种新的采用激光的极端加热技术来测试碳化钽和碳化铪的耐热能力,他们用激光加热的方式去寻找碳化钽和碳化铪的各自的熔点,同时还有二者组成的混合物的熔点。

最终,研究人员发现二者组成的混合物(0.8钽和0.2铪)与此前研究的结果保持一致,熔点达到了3905摄氏度。但是这两种化合物各自的熔点均超过了此前已记录的熔点,这其中碳化钽的熔点为3768摄氏度,而碳化铪的熔点为3958摄氏度。

研究人员称,这项新发现可以为下一代的超音速飞行器的发展铺平道路,这意味着新型宇航器可能会有比以往更快的速度。

一直致力于这项研究的Cedillos-Barraza博士称,空气摩擦导致的热包括当超音速行驶超过5马赫的时候,产生非常高的温度。截止目前,碳化钽和碳化铪并不是超音速飞行器的潜在候选材料,但是我们的新发现表明这两种材料比我们预想的更加耐热,同时也远远超过人类所认知的其他任何化合物。这意味着他们对新型航空器来说是非常有价值的材料,因为这可以使飞行器在飞过大气层前,达到超音速以射入太空。这些材料可以使得航天器承受往返大气层时的极端条件下产生的热量。

碳化钽和碳化铪在飞行器机头、在飞行过程中须承受最大摩擦的外部部件边缘等方面有潜在应用能力。目前,行驶速度超过5马赫的飞行器还不能载人,不过Cedillos-Barraza博士认为这将在未来成为可能。

Cedillos-Barraza还补充道,我们的试验验证了这些材料在未来飞行器上具有真正的工程化应用可能。能够承受极端的高温意味着目前需要由超音速飞行器完成的任务,在未来某一天可以由人类操控实现完成。例如,从伦敦到悉尼的飞机,在5马赫的速度下只需要约50分钟,这可以为世界各国开放新的商业机会和市场。

(来源:国防科技信息网,作者:陈济桁 中国航空工业发展研究中心)

瑞士研制新型数据存储材料

可在室温条件下保持特殊的磁特性

瑞士保罗谢尔研究所近期在《自然通信》期刊上发表研究成果,公布其研发的磁电多铁性新型材料,在室温条件下也能保持必要的磁性,或将充当未来的数据存储媒介。

相比现有硬盘机可大量减少能源的需求量,此种材料源自磁电多铁性材料,磁性和电性相互耦合,根据这种耦合可以凭借更加节能的电场写入磁位,此种材料将为未来计算机奠定基础。

螺旋存储信息,多数电脑内存与小磁铁的右侧/左侧相关。相同的小磁铁排列形成螺旋状组织。0/1价值对应旋转感(左/右)

新研制的多铁性材料可在室温下保持必要的磁特性,然而目前大多数磁电多铁性材料都需要降温至相当低的温度,通常要降到零下200摄氏度。

磁电多铁性材料十分罕见,通过电场可以控制磁性,而产生电场可以比产生磁场更加便捷和高效。在磁电多铁材料上产生电场后,会对材料的电子特性产生影响 。通过磁电耦合,可以自由地改变磁性。

储存数据和节省能源

现在的电脑硬盘存储数据时,均通过应用磁场写入磁位。与之相比,基于多铁性材料的存储媒介具备若干优点:通过应用电场可以实现磁性存储,将会大幅减少能源的消耗量,装置可以产生较少的废热,因此使用空调和电扇用于降温的需求也会得到降低。例如,云计算每年要消耗数万亿千瓦小时的电量,减少该领域的耗电量十分必要。

瑞士保罗谢尔研究所研究人员正在处理YBaCuFeO5多铁性材料的原子。首先在烤箱内加热到1000摄氏度,之后放入零下200摄氏度的低温液氮容器内

材料合成、性能优化及其科学分析

研究人员通过量身定制其化学成分和生产过程生成新材料,初次加热到高温,再接受急速的冷却过程时效果最佳。在高温之下,原子排列的方式有利于实现目标。快速冷却可以把原子排列的方式固定下来,这种快速冷却的基本方法又被称作“淬火”,与硬金属等的结构相似,被用于回火钢箭,已经有数百年的使用历史。

保罗谢尔研究所的研究人员首先将材料加热至1000摄氏度,之后立即冷却至零下200摄氏度。冷却过后,材料仍旧保持着室温或者高于室温条件下的特殊磁性性质,通过合成与性能优化程序,在瑞士散列中子源和瑞士同步辐射光源两家大规模研究中心完成生产制造。

中子的螺旋磁场,图片表明了穿越样本后偏转中子束的密度。两道黄线和绿线条是磁螺旋的标志,在2~310绝对温标条件下(零下275摄氏度到37摄氏度之间)清晰可见

来源:“国防科技要闻”(ID:CDSTIC),作者:高吉 中国国防科技信息中心

瑞士研制出新型刚性减震材料

据澳大利亚每日航天网站报道,瑞士联邦理工学院的科学家研制出一种新型三维网格结构,能够有效缓解汽车和飞机发动机产生的震动,从而降低由震动造成的颠簸、噪声和部件劳损。

原 理

由力学与材料学教授基亚拉·德莱拉领导的研究团队创建的这种新型三维网格结构,其网格间距约为3.5毫米,利用3D打印技术制造,并在网格中嵌入了比筛子还小的钢块,利用钢块和内部塑料网格杆有效缓冲震动,起到阻断震动的作用,使得震动不会贯穿整个结构。

优 势

减缓震动的材料早已存在。在汽车、机器和家用电器中,一般使用特殊的软材料进行减震。瑞士研究人员研制的减震材料是刚性的,具有创新性。这种材料可以用在机械工程中,甚至螺旋飞机和直升机的旋翼中当作承重部件。新材料结构的另一个优势是,相比现有的软性减震材料,它的减震范围更广,无论震动快慢都可以有效减缓,对于慢速震动的效果尤佳。德莱拉表示,该结构可以减缓每秒几百次到几千次的震动,包括能够产生噪声的一类震动。

应 用

目前,这种新型减震器基本已做好技术应用的准备。但是它受限于3D打印技术的生产规模和材料特性,比如其承载能力还不能和传统方法制造的部件相抗衡。一旦这项技术投入工业应用,前途不可估量。未来有望应用于风力涡轮机的转子,以减缓震动、提高效率。该技术还可以用于车辆、飞机以及火箭的建造。

来源:现代军事(ID:xiandaijunshi ),作者:张珂

美开发出新型自愈材料可研制人造肌肉 改进电池和机器人性能

新材料能制成具有自愈功能的透明人造肌肉

25日出版的《Advanced Materials》杂志在一篇论文中,介绍了加州大学河滨分校科学家汪超(音译)与同行联合开发的一种拥有自愈能力的透明、高延展性导离子材料。这种材料可赋予机器人发生机械故障后的自愈能力、延长电动汽车及锂离子电池使用寿命,以及改善医学和环境监控领域中生物传感器性能等,应用潜力广泛。

新研究首次将自愈性材料与离子导体“合二为一”。自愈材料能自动修复使用造成的损耗、延长使用寿命并降低成本;而能让离子在其内流动的离子导体,在能源储存、太阳能转换、传感器和电子设备中扮演着重要角色。汪超表示:“研发集多种优越性能于一身的材料是科学界多年未解的难题,现在我们成功做到并已着手开发其相关应用。”

论文联合作者、科罗拉多大学博尔德分校副教授克里斯托弗·开普林格之前研制的离子导体,能为人造肌肉供能并用其制成透明扬声器,但出现机械故障后不能自我治愈。不能自愈的原因在于,这些聚合物内含的共价键在电化学环境下会发生反应,降低材料的性能。汪超利用离子偶极作用,让带电离子与极性分子之间耦合,从而大大提高了离子导体的稳定性,最终研制出集多种优越性能于一身的新型自愈材料。

这种橡胶类柔软材料成本低、易生产,能延展到初始长度的50倍。当剪断后,在室温下24小时内即能重新连接起来(自愈),且自愈后仅5分钟就能再次延展两倍。

汪超团队还利用新材料开发出新型人造肌肉。这种人造肌肉由三层材料堆积而成,上下两层是能导电和自愈的新材料,中间层是透明的非导电橡胶类薄膜。他们施加电信号发现,人造肌肉能像人类二头肌一样开始活动;更重要的是,当其断裂成两段后,不依靠任何外来刺激就能恢复到与切断前相同的性能水平。

原文:A Transparent, Self-Healing, Highly Stretchable Ionic Conductor

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201605099/abstract

(来源:学术帮)

新型多铁性材料有望实现更好的存储器

【据固态电子技术网站2016年12月8日报道】传统的计算机存储器,称为DRAM,使用电场来存储信息。在DRAM中,电荷的有无由数字1或数字0表示。但这种类型的信息存储是暂时的,并且当计算机关闭时信息会丢失。新型的存储器,MRAM和FRAM,使用铁磁性和铁电性持久的存储信息。然而,迄今为止没有任何技术将这两者结合起来。

为了应对这一挑战,由东京工业大学材料与结构实验室Masaki Azuma教授,以及东京科技九州大学Hajime Hojo副教授领导,名古屋研究所Ko Mibu教授和其他五个研究人员参与的研究团队展示了铋铁氧体BiFe1-xCoxO3(BFCO)薄膜的多铁性质。多铁性材料表现出铁磁性和铁电性,有望用于多状态存储器件。此外,如果两个性质被强耦合在一起,并且通过施加外部电场反转磁化,则多铁材料可用作低功耗磁存储器。

以前科学家推测,铁电材料BFO薄膜(BFCO的近亲)也可能是铁磁性的,但其铁磁性被磁性杂质破坏。Azuma教授的团队通过使用脉冲激光在SrTiO3(STO)基板上沉积并进行外延生长,成功地合成了纯BFCO薄膜。然后他们进行了一系列测试,表明BFCO在室温下具有铁电性和铁磁性。他们通过施加电场来操纵铁电极化的方向,结果显示BFCO具有与BiFeO 3基本相同的低温环形自旋结构,在室温下变为具有铁磁性的共线自旋结构。

未来,科学家希望实现铁磁性的电气控制,以用于低功耗、非易失性存储器件中。

(来源:国防科技信息网,作者:张慧 工业和信息化部电子科学技术情报研究所)

赫氏集团投资碳纤维回收

企业领导者,扩大战略投资

【据赫氏集团官网12月5日报道】赫氏集团12月5日宣布战略投资碳转化股份有限公司(CCI)。这次投资为全球先进复合材料和碳纤维制造领导者赫氏与碳纤维回收和再利用领域的公认领导企业CCI建立了良好的伙伴关系。

CCI从干、湿和固化的结构中回收碳纤维,并将再生回收的碳纤维作为制造新的高性能部件的先进材料。经过工作合作,赫氏与CCI会进一步促进再生碳纤维在航空航天和工业领域的应用,实现高性能,再生碳纤维增强产品的广泛商业应用,并延长其生命周期。

此次投资还会继续丰富赫氏下一代先进复合材料的产品组合,从而提高应用在航空航天等工业领域的材料性能,减轻材料重量。赫氏集团的董事长,CEO兼主席Nick Stanage表示:“碳纤维增强部件的采用正在快速的增长,正因为如此,延长其使用寿命周期就变得尤其关键。在我们具有创新精神的合作伙伴的帮助下,消费者使用的产品变得更轻、更强、更持久更有效。通过这次合作,我们现在有机会去形成一套以前在工业界我们从来没有意识到的完整全寿命周期解决方案。这对那些想要将回收产品再生,形成更高性能的全新产品在航空航天工业上应用的客户来说,具有非常重要的价值。”

CCI公司的CEO和总裁Mark Mauhar表示:“我们很期待与全球碳纤维解决方案的领导者赫氏的合作,将我们在回收和再生领域的技术引入,去获取更大的市场份额。赫氏的投资对我们的材料再循环来说是大有裨益的,同时也可以帮助扩大产品的生产研发能力。此外,此次投资将支持联合技术合作和商业开发计划,特别是对赫氏在航空航天工业领域的应用帮助较大。”

(来源:国防科技信息网,作者:陈济桁 中国航空工业发展研究中心)

石墨烯新增一重要应用可分辨普通细胞与癌细胞

澎湃新闻12月27日报道,美国伊利诺伊大学芝加哥分校研究新成果,石墨烯可用于分辨普通细胞和癌细胞。石墨烯又称单原子层石墨,是碳原子的平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料。在新型纳米材料中很受追捧。

尽管石墨烯在生活中还未广泛应用,但科学家关于这项先进材料的研究探索从未止步。日前,有研究团队发现在细胞和石墨烯发生相互作用后,能够通过拉曼成像技术区分出活跃的癌细胞和普通的细胞,这使得石墨烯有望用于癌症的检测。

上述研究来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois at Chicago,UIC)化学工程系的主任、副教授Vikas Berry以及该校临床神经外科系助理教授Ankit Mehta的研究团队。该研究团队的论文已于11月中旬在国际学术期刊Applied Materials & Interfaces(《应用材料与界面》)上,该学术期刊由美国化学学会主办。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格排列,其表面所有的原子共享围绕在表面的电子云。

Berry称,石墨烯是世界上已知的最薄的二维材料,其表面上发生任何的变化都会非常敏感。大多数动物细胞的表面带有静负电荷,糖蛋白上唾液酸的羧基是其带负电荷的主要原因。因为癌细胞比较活跃,其表面所带的负电荷密度会更高。

当细胞和石墨烯发生相互作用时,使得石墨烯中分布的电荷重新排列,这样会改变原子振动的能量,而这种变化可以被拉曼光谱检测到。正常细胞和癌细胞在与石墨烯进行相互作用时,在石墨烯晶格中所产生的原子振动的能量并不同,所以在拉曼成像下会显示出不同的情况,由此可以辨别是否有癌细胞。

Berry称,该技术目前还处在癌症小鼠的试验阶段,结果显示这种技术是非常有应用前景的,日后将会进一步利用人体的切片检查法来进行试验。同时,该技术还可用于区分其他类型的正常细胞和癌细胞。比如,使用这种技术还能够区分出健康细胞及胶质母细胞瘤细胞。胶质母细胞瘤是成年人中最常见并且最具侵袭性的一种恶性脑瘤,这种疾病具有生长快速且易于扩散的特点,只有30%的患者活到两年以上。

Berry称:“一旦病人进行了脑部肿瘤手术,我们将可以使用这种技术来观察手术后,肿瘤是否复发。” 此外,这项技术也可以在细菌中使用这项技术,来快速检查菌中是革兰氏阳性还是革兰氏阴性。

(来源:澎湃新闻)

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