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九項可能改變制造業的重大發現

九項可能改變制造業的重大發現

科學家們在不斷發明具有高度特殊性的先進材料,其性能優于現有材料,并使產品設計更具創新性。  生產制造企業更傾向于使用可靠的材料來生產產品——這些材料已經過驗證,其化學和機械性能也經過了充分的研究。然而,產品性能和功能往往可以通過新材料得到改善,這些新材料一旦經過測試和批準,就可以提供非常特定的工程特性,從而增強產品性能,并創造出以前沒有的產品設計選項。以下是一些可能在不久的將來改變制造業的創新材料。
  1. 氟化鈦磷酸鹽
  莫斯科Skoltech能源科技中心的研究人員創造了一種新型正極材料——氟化鈦磷酸鹽材料。其強大的電化學電位和在高充放電電流下的穩定性優于價格昂貴且供應不足的鋰、鈷等標準正極材料。
  2. 纖維素納米纖維



纖維截面的SEM圖像,顯示了排列的納米纖維。圖片提供:KTH

  瑞典皇家理工學院利用木材中的纖維素納米纖維開發出了一種超高強度、可生物降解的材料。該材料獨特的納米結構提供了86吉帕的抗拉剛度和1.57吉帕的抗拉強度——比蜘蛛絲硬8倍,被認為是最強的生物材料,按同樣單位重量計算,其強度比鋼還要大。這種輕質材料可以作為塑料的環保替代品。
  3. 自愈凝膠
  是一種由**丙基**丙烯酰胺(APMA)聚合物、葡萄糖、葡萄糖氧化酶和葉綠體制成的凝膠材料,不斷地與空氣中的二氧化碳發生反應,膨脹并隨時間變得更強。它是第一個存在于生物體之外的固碳材料。麻省理工學院化學工程學教授、首席研究員Michael Strano表示:“制造一種能夠獲取我們周圍豐富碳元素的材料,是材料科學的一個重大機遇。”
  4. 鉑金合金
  桑迪亞國家實驗室的研究人員創造了一種金鉑合金,其耐磨性是高強度鋼的100倍,即使在高溫下也是如此。材料優異的熱穩定性是通過改變晶界能來實現的。在應力作用下,合金會產生自己的類金剛石碳,可以起到潤滑劑的作用。
  5. 復合金屬泡沫
  復合金屬泡沫(CMF)由中空的金屬球組成,金屬球由鋼或鈦材料制成,并嵌入金屬基質中,金屬基質通常由鋼或鋁制成。測試表明,所謂的“鋼-鋼”CMF,因為球體和基體都是由鋼制成的,所以比實心鋼板耐火得多。此外,鋼-鋼CMF面板的重量僅為實心鋼板的三分之一。因此,在運輸和儲存過程中保護熱敏材料(如爆炸物)方面,CMFs被認為是的一種很有前途的材料。
  6.蜘蛛絲




桑迪亞國家實驗室的研究人員Michael Chandross(左)和Nic Argibay展示了用于預測其鉑金合金前所未有的耐磨性的計算機模擬,以及用于演示的環境摩擦計。圖片提供:蘭迪蒙托亞,SNL

  據羿戓設計所了解,蜘蛛絲已是公認的世界上最堅固的材料之一。現在科學家又發現了另一個獨特的力學特征:空氣中的濕度達到一定程度后,蜘蛛絲纖維會突然收縮扭曲。這個過程——被稱為超收縮——施加足夠的扭轉力,從而可能與其他材料競爭用作致動器或其他類型的控制裝置。
  7.蝦殼絲
  受昆蟲外骨骼的啟發,哈佛大學韋斯生物啟發工程研究所的研究人員發明了蝦殼絲(shrilk)材料,一種可生物降解的“塑料”,由殼聚糖(蝦殼中的一種成分)和一種名為絲素蛋白的絲蛋白組成。蝦殼絲像鋁一樣結實,重量卻比鋁輕50%。它的生物相容性、柔韌性和強度使其成為植入性醫療設備和組織工程的上佳材料。
  8.碳素混凝土
  研究人員正在研究如何用碳纖維加固混凝土,以增強強度和耐久性。碳的一大優點是不可氧化。與鋼骨混凝土會生銹并降低結構強度不同,這一方法不需要厚混凝土層來保護碳。在混凝土中加入碳,其承載能力比傳統的鋼骨混凝土提高了五到六倍,重量也比傳統的鋼骨混凝土輕四倍,使用壽命也明顯延長。
  9.氣凝膠
  這種合成多孔超輕材料99.8%都是空的。超臨界干燥液體凝膠的最終產物,如氧化鋁,氧化鉻,氧化錫或碳,這種材料的強度足以承受其自身重量的20000倍。氣凝膠是開孔的(氣凝膠中的氣體不會被困在固體口袋中),并且孔隙的直徑范圍小于1-100納米。極低的導熱系數也使其成為一種高效的保溫材料。
  未來材料


蝦殼絲(Shrilk)是由殼聚糖和絲素蛋白衍生而來的,殼聚糖存在于蝦殼中,絲素蛋白也稱為絲蛋白,其模仿昆蟲外骨骼的微結構,可迅速生物降解為富含氮的肥料。圖片提供:哈佛大學韋斯生物啟發工程研究所

  據eCC(eaoogle Certified Corpration)所了解,科學家們繼續致力于制造出比傳統材料更堅固、更輕、功能更多更好的材料。隨著納米技術的進步,新材料和材料組合似乎層出不窮。目前的研發包括研究具有獨特性質的稀土元素。例如,釹磁鐵可以儲存大量的、超乎想象的磁能,使其成為風力渦輪機轉動轉子的理想材料。另一種稀土元素,鈰,當其與鋁結合時,其化合物的耐高溫性能提升了。與大多數鋁合金相比,鈰鋁合金具有更好的腐蝕性能。
  隨著工業4.0、物聯網和納米技術占據中心地位,工程師、科學家和其他研究人員將繼續挑戰材料科學的極限。材料研究領域的進步不僅會改善我們能夠制造的產品類型,還會為我們帶來更多機會,以創造一個更健康、更可持續發展的世界的機會。


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