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行業新聞|一大波新材料橫空出世，改變未來就是現在

2021-12-14 14:53:22 作者：銹所201 來源：銹所201 分享至：

每一次新材料的發現和應用都會給人類文明帶來巨大進步。從石器時代、青銅時代、鐵器時代到硅時代、碳時代，新材料對我們生活的改變越來越大。

而現在，一大波新材料的橫空出世，將為我們的生活構筑起更美好的未來。

01 科學家研制出新型航天器外層防護材料

根據12月1日中國科學報消息，中國科學技術大學俞書宏院士團隊研制出一種新型航天器外層防護材料——聚酰亞胺-納米云母復合膜。這種新材料由于采用了獨特的仿生設計，其力學性能和空間極端環境耐受性均得到顯著提升，有望取代現有的聚酰亞胺基復合膜材料。該成果日前發表于《先進材料》。

圖片來源：中國科學報

聚酰亞胺薄膜因其優異的力學性能、絕佳的熱穩定性和突出的耐化學性，成為太空探測器“防護服”的絕佳材料。然而，與其他碳氫聚合物一樣，該材料在太空環境中極易受到原子氧攻擊，導致其物理和力學性能急劇下降，目前還沒有很好的解決手段。此外，宇宙射線輻射和空間碎片撞擊等也給其穩定性帶來嚴峻考驗。

俞書宏院士團隊受天然珍珠母的“磚-泥”層狀結構啟發，利用云母的優越本征特性來彌補聚酰亞胺的不足。這種設計策略不僅實現了材料力學性能的有效提升，而且使其上表面對原子氧、紫外輻射和空間碎片等具有更高的抵抗性能。

研究表明，這種新型仿生復合膜的拉伸強度、楊氏模量和表面硬度分別為125兆帕、2.2吉帕和0.37吉帕，比純聚酰亞胺膜分別高出45%、100%和68%。由于獨特的雙層類珍珠母結構以及云母納米片的固有性能優勢，雙層聚酰亞胺-納米云母復合膜表現出更優越的原子氧耐受性，明顯優于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結構的聚酰亞胺-云母復合膜和以往報道的聚酰亞胺基復合材料。此外，其抗紫外線老化性和高溫穩定性也得到明顯提升。

業內人士認為，這項研究提出的獨特雙層仿珍珠母結構設計策略，為設計構筑其他高性能納米復合材料提供了新思路。

02 MIT團隊找到新型“半固態”液流電池材料

為了構建一套可負擔得起的電網儲能解決方案，液流電池裝置也于近年再次引起了研究人員的普遍關注。

麻省理工學院研究團隊開發出了一種類似于軟冰淇淋的新型電極材料，認為可將之集成到“半固態”電池中，從而以更廉價的方式來存儲可再生能源。

圖片來源：Thaneer Narayanan/MIT News

在可再生能源的儲存方面，液流電池是一個相當吸引人的研究方向。與鋰離子電池相比，它們具有靈活、可擴展、以及低成本等優點。更棒的是，液流電池可將能量儲存數月之久，以填補太陽能、風能的峰谷缺口。而MIT研究團隊的新方案，又將成本發揮到更加極致的狀態。

研究作者Thaneer MalaiNarayanan表示：“我們開展了全面且自上而下的分析、并考慮了各種權衡，以了解電池的成分到底對性能和成本有多大影響。結果證明，我們的系統較其它對照組都更便宜，且能夠靈活擴大規模”。

03 新聚合物將硅砂結合成復合材料

由橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員設計了一種新型聚合物，以粘結并增強硅砂，用于粘合劑噴射式增材制造。這是一種3D打印方法，在工業中用于原型設計和生產部件。

ORNL團隊創造了一種聚乙烯亞胺（PEI）粘合劑，與傳統粘合劑相比，它可將砂件的強度提高一倍。

圖片來源：ORNL

通過粘合劑噴射打印的部件，最初從打印床移出時是多孔的。通過滲透設計，額外加入一種名為氰基丙烯酸鹽的強膠材料，可以填補縫隙并提高強度。在第一步的基礎上，第二步的強度增加了8倍，使聚合物砂復合材料比其他任何已知的建筑材料（包括磚石）都更堅固。

該項目的首席研究員Tomonori Saito表示：“很少有聚合物適合用作此類應用的粘合劑。研究人員一直在尋找能實現最佳效果的特殊性質，比如溶解性。關鍵發現是，PEI粘合劑具有獨特的分子結構，可以與氰基丙烯酸鹽發生反應，以實現卓越的強度。”

超高強度砂的潛在應用之一是先進的復合材料制造模具。硅砂是一種容易獲得的低成本材料，在汽車和航空航天領域日益受到歡迎，可用于制造復合材料部件。例如，利用3D打印的砂芯或“模具”，包裹碳纖維或玻璃纖維等輕質材料，然后加熱固化。硅砂比較適合用作模具，因其在加熱時不會改變尺寸，而且在可清洗模具中具有獨特的優勢。在復合材料應用中，使用水溶性粘合劑來構建砂模，具有重要意義，因為可通過自來水進行簡單的沖刷去除砂粒，留下中空的復合材料形式。主要研究人員Dustin Gilmer表示：“為了確保模具部件的精確度，需要一種在加工過程中不會改變形狀的材料，因此硅砂很被看好。挑戰在于克服砂件的結構弱點。”

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