这些将引发未来的科技革命的新材料,你知道哪些?

2016-07-20 10:03:21 cjx 34

科技革命的巨潮不可阻挡,机器人与人工智能、无人驾驶、虚拟现实、3D打印等高新技术已经成为引发产业革命的重要引擎。然而,任何一种高新技术的突破都必须以该领域的新材料技术突破为前提,未来的科技竞争是新材料新技术的竞争,未来的科技革命是以材料为基础的革命。

那么未来哪些材料可能引发产业革命呢?这些材料目前的研究现状如何?未来最有可能突破的领域是哪些领域?

石墨烯

特性:

它是目前自然界最薄(一个碳原子厚)、强度最高的材料、电流密度是铜的100万倍,导热率是铜的10倍,具有高达97%的光透过率,能够拉伸20%而不断裂,面电阻仅仅为几十欧姆。

上榜理由:

1、作为一种技术含量极高的碳材料,石墨烯在触控屏、半导体、光伏、锂电池、光器件、航天、军工、LED、激光等领域都将带来一次材料革命。

2、石墨烯如果取代硅,有望让计算机处理器的运行速度快数百倍。

3、石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命,制造出可折叠、伸缩的显示器件。

4、石墨烯可以推动超级电容器发展,使得同等体积的电容扩充5倍以上的容量。

5、石墨烯因超强的光转换能力,可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出钢铁数十倍的强度,也有望被用于制造纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯”的缆线,在这些领域将引发革命性的突破。

碳纤维

特性:

具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀(耐有机溶剂、酸、碱,不溶胀)、热膨胀系数小,强度高等特性。与其他加固材料对比:

1、抗拉强度:碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。

2、弹性模量:碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材,但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。

3、抗疲劳强度:金属材料在交变应力作用下,疲劳极限仅为静荷强度的30%~40%。碳纤维及合材料的静荷强度的70%~80%,并在破坏前有变形显著的征兆。

4、重量:约为钢材的五分之一。

5、碰撞吸能能力是钢的6倍-7倍、铝的3倍-4倍。

上榜理由:

1、碳纤维复合材料若应用于汽车领域,可使汽车车身、底盘减轻重量40~60%。汽车车重每减小10%,油耗可降低6%-8%,排放量可降低5%-6%,0km/h-100km/h加速性可提升8%-10%,制动距离缩短2m-7m;车身轻量化后整车重心可实现下移,提升了汽车操纵稳定性。

碳纤维复合材料若用于战斗机、直升机等军工领域,可起到明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀性能。采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。

2、波音787机体结构的50%都用更轻、更坚固的碳纤维复合材料代替铝合金。波音公司宣称787能够节省燃油20%、机身维修成本降低30%、运营成本降低10%、排放降低10%。

3、导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件采用碳纤维复合材料。

4、人造卫星上的展开式太阳能电池板和太空站关键部件采用碳纤维复合材料。

气凝胶

特性:

1.最轻的固体:99%由气体组成,密度为3.55Kg/m3,仅为空气密度的2.75倍。

2.绝热性能最好的材料:孔隙率高达80~99.8%,室温导热系数可低达0.013w/(m?k)。

3.超级防火功能:可承受-270℃的超低温到800度的高温。

4.绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料,俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行绝缘。

5.超级防水性能:疏水角度可达150°以上,完全再现荷叶效应。

6.抗拉伸机械强度,并具有一定程度上的弹性,这是常规隔热材料所不具有的。有效避免隔热工程中常见的破碎、撕裂等现象,确保高效节能。

7.使用寿命长:使用寿命是常规材料的8~10倍。

上榜理由:

气凝胶在航空航天、石油化工、电力冶金、船舶车辆、精密仪器、冰箱冷库、服装帐篷、建筑节能等领域的有广阔的应用前景,是传统隔热材料革命性替代产品。

1.用气凝胶制成的防寒外套,仅3mm厚的防寒外套具有和40mm鸭绒外套相同的保温效果。在约零下196摄氏度的液氮测试中,这件外套内部还能保持约31.6摄氏度的温度,足以证明其有效的恒温性能。

2.正面经受1000多摄氏度的火焰喷射,背面依然可以用手摸……

3.在1000多摄氏度的高温喷枪加热下,传统有机类保温材料几秒内迅速燃烧殆尽,同样厚度的传统无机保温材料也在不到1分钟的时间内被烧穿,但该公司的气凝胶板材则在40分钟后才被击穿。

4.气凝胶在350℃环境下使用20年,收缩率小于1%。用于建筑领域可与建筑同寿命。

5.用于防弹住宅和军用车辆装甲。一个涂有6毫米气凝胶的金属板在炸药爆炸中几乎好发无损。

6.电动汽车的安全隐患主要来自锂电池内电解液的燃烧甚至爆炸,如果让电池穿上气凝胶衣服,安全系数会极大提高。

7.氧化钛气凝胶可以隔绝红外线、紫外线,分解甲醛,可用于制造可重复使用的口罩、空气净化滤芯等。

8.“气凝胶手套”可以轻轻消减高速运动的彗星星尘,让科学家轻松找到这些粒子。

新型传感器材料

特点:

1、传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。

2、高分子聚合物薄膜制成温度传感器,光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器,用陶瓷制成压力传感器。

3、光纤传感器与传统传感器相比有许多特点:灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。

4、陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术,厚膜电子技术,其技术性能稳定,年漂移量的满量程误差不超过0.1%,温漂小,抗过载更可达量程的数百倍。

上榜理由:

1、指纹识别,光线感应,测量步数、脉搏、体温,如今有越来越多的功能被应用于手机,平板,笔记本等移动终端上面,这些功能能实现的基础是传感器。

2、不论是未来的VR革命、人工智能和机器人革命、物联网革命、生物医疗革命,其实现的基础是传感器。

3、传感器材料是传感器技术的重要基础,是传感器技术升级的重要支撑。

超导材料

特性:

1、零电阻性:超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。

2、完全抗磁性:超导材料处于超导态时,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透入,超导材料内的磁场恒为零。

3、约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。

上榜理由:

利用超导体的这些特性可以传输大电流、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等,因此超导体在电力能源、超导磁体、生物、医疗科技、通信和微电子等领域有广泛的应用。

1、利用超导材料可制作无摩擦陀螺仪和轴承,轴承转速可提高到每分钟10万转以上。

2、利用超导材料作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快10~20倍,功耗只有四分之一。

3、目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%,我国每年的输电损耗就达一千亿度左右,如果采用超导输电线就可以节省相当于数十个发电厂的电力,每年可节约400亿元。采用超导输电还可以简化变压器、电动机和发电机等热绝缘并保证输电的稳定性,提高输电的安全性。

4、采用超导磁悬浮技术的磁悬浮列车在产生磁悬浮效应的同时,还能磁约束住悬浮着的磁体不远离超导体,磁悬浮物体运动过程是十分稳定。

5、如果能将MgB2材料为基础的超导磁体商业化,核磁共振成像仪中的超导磁体体积将大大减小,价格也更为低廉。届时医学核磁共振检查将如同现在X射线胸透一样方便快捷,开一个普通的体检车即可以到农村做核磁共振体检。

超材料

特性:

1、具有常规材料不具有的物理特性,如负介电常数、负磁导率、负折射率及超低介电常数、超低磁导率、以及超低折射率等超常的宏观物理现象。

2、典型的超材料还包括左手材料、光子晶体和非正定介质等。

上榜理由:

1、电磁超材料实现,使我们继利用半导体自由调控电子传输之后,首次具备了自由调控电磁波的能力。任何一种电磁频谱都能被超材料所控制,这对未来的新一代通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。

2、超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射,在未来,隐身衣、智能汽车、无声潜艇,这些科学幻想随科技的发展终将成为现实。

3、“电磁黑洞”是一种能够全向捕捉电磁波的电磁超材料,能引导电磁波在壳层内螺旋式地行进,直至被有耗内核完全吸收,使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现,不仅将为太阳能利用技术增加新的途径,产生全新的光热太阳能电池,还能应用于红外热成像技术,大幅度提高红外信号探测能力,因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。

4、慢波结构是一种能使电磁波减速甚至停止的电磁超材料,不仅可应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术,还可应用于光缓存和深亚波长光波导,极大增强非线性效应,促进光电技术的发展。

5、超材料透镜是一种可实现高定向性辐射的电磁超材料,可用于制造先进的透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等。

6、为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如,常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合,可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下,使磁性材料的磁能积成倍提高,而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。

生物可降解塑料

特性:

1、可自然降解,原材料来自可再生资源,改变传统塑料对石油、天然气、煤炭等化石资源的依赖,减少环境污染。

2、目前用到的生物可降解塑料包括:聚乳酸(PLA)、脂肪族共聚聚酯(PHA)、聚ε-己内酯(PCL)、二氧化碳共聚物、水溶性PVA薄膜、聚丁二酸丁二醇酯( PBS);聚乳酸(PLA)因其优越的力学性能和易加工的特点,将是生物可降解塑料市场的主力军。

3、很多可降解塑料需要在高温条件下才能是实现降解。如果生物可降解塑料在保证使用和低成本的前提下,还能在自然界条件下快速分解,这将会给根本性解决现有环境问题中的白色污染问题。

上榜理由:

1、生物塑料可以不同程度地进行生物降解,它为世界指明了一条不再依靠石油生产塑料的道路。

2、生物可降解塑料解决了长期以来困扰人们的可降解塑料的缺点问题,在充分发挥生物塑料包装材料功用的同时,减少和消除了塑料包装材料对生态环境的污染和影响。利用部分塑料包装材料具有的可食性、水溶性等特点,减少包装废弃物的产生量,提高塑料包装的安全环保性能。

3、生物降解塑料不仅在生产过程中有节能减排效果,而且在使用过程也具有环境友好的特征。生物降解塑料原料来源是可再生的农作物,农作物在生长过程中通过光合作用可以吸收CO2放出氧气,其制品废弃物可以在掩埋堆肥条件下完全降解成水和CO2,无污染物产生。

4、生物降解塑料产业规模不断扩大的过程,其实就是CO2减排的过程,可逐渐消除困扰全世界多年的温室效应和白色污染两大难题,促进人类、经济与环境和谐发展。

3D打印材料

特性:改变传统工业的加工方法,可快速实现复杂结构的成型等。

上榜理由:革命性成型方法,在复杂结构成型和快速加工成型领域,有很大前景。

1、与常见的数控机床相比,3D打印可以加工任何复杂结构的产品,加工范围可包括金属、塑料、生物、建筑等各种材料;

2、作为一种增材制造工艺,无损耗,在材料的利用率上有着明显的优势;

3、可实现个性化、艺术化专属定制。3D打印以数字化、网络化为基础,实现直接制造、桌边制造和批量定制的新的制造方式;

4、能与生物工程结合,与艺术创造结合,满足消费者个性意愿等。

5、由于该技术本身的特点,3D打印技术将会大大缩减劳动力成本。

 2014825101253.jpg    无锡市超强磁性器件有限公司拥有强大的科研与设计力量,采用美国最先进的磁场模拟技术设计磁路,磁选机核心磁力组件采用高磁能积的钕铁硼材料,磁力强,磁场高!无锡超磁公司以提高产品质量为一贯的追求,以科技为先导,以质量为保证、以信誉求生存。以先进精良的制造设备、优良周到的售后服务竭诚为您服务!

备案图标.png

苏公网安备 32020602000387号

 苏ICP备15025536号