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新材料微晶格!最轻金属比羽毛轻 硬度超过钢铁

POST TIME:2018/11/20 15:53 READ:
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       密度仅为0.9毫克/毫升,只有塑料的1/100——这就是目前世界上最轻的金属。从发布的有关图像资料来看,该金属经放大数倍后看起来就像一个钢丝床垫,和骨头内部的多孔结构十分类似。

  而从其实验数据中得到的结论是,不同构形的微观结构对材料力学及其他物理特性有显著影响。

  由此,此种超轻多孔材料的作用除了承载,还可进行对流换热满足温度控制要求,以及吸收降低噪音、屏蔽电磁辐射、冲击能量吸收、阻尼减振等。因此,超轻多孔材料的应用在多个领域,如航空航天、反恐、国防等领域均被寄予厚望。

  一块蜂窝状的金属物质,稳稳地搁在一朵蒲公英白色绒球上,很容易随风而散的蒲公英种子,竟安然维持原状。这是飞机制造巨头波音公司近日发布的一个视频画面,向观众解释“什么样的金属堪称世界上最轻的金属”。 

                                             蒲公英       

  这种号称最轻的金属,整个结构中99.9%是空气,但又十分的强韧,它裹护的鸡蛋从25米高空坠落可安然无恙。在材料科学家看来,如果将这种超轻多孔材料应用到航空航天器、高速列车、汽车等高耗能交通装备上,将大大降低这些装备的自重,提高燃油的经济性。长远来看,超轻多孔材料将在国防、建筑、微电子领域大有可为。

  目前,美国、日本、英国等设立了国家实验室,致力于新型超轻材料的研究。通用、大众、波音、空客等知名企业也设立了相应的实验室,期盼更轻、性能更强大的材料能早日应用于自家的产品。

  根据权威咨询机构预测,新材料中的轻量化材料和高性能合金市场规模到2019年分别可达到1331亿美元和90.9亿美元。

  来自大自然的启示

  躺在蒲公英上而令其不塌的金属,究竟有多轻?

  来自美国加州大学欧文分校、加州理工学校和HRL实验室公司的研究人员们给出的答案是:密度仅为0.9毫克/毫升,只有塑料的1/100,厚度更是只有头发的1/1000,低于所有的已知材料,所以堪称世界上最轻的金属。

  依我们的常识,金属绝非自然界密度较小的物质。那么,最轻金属又是如何成为密度最低的固体?

  这种超轻金属的研发成功,又是大自然的启示。在波音公司的视频中,研究者之一的Sophia Yang博士介绍说,人的骨头外部坚硬,但里面基本是中空的蜂窝状结构。虽然骨头质量不大,却能承受极大的重量。

  事实上,我们的自然界还存在大量类似人骨的超轻多孔结构物质,例如植物的茎截面、鸟类翅膀截面、犀鸟嘴部横截面,它们都稳定地支持相关动植物的各种活动。

  如果令金属结构类似于骨头内部结构,那么就能做到既轻且坚固。从波音发布的有限图像资料来看,“最轻的金属”经放大数倍后看起来就像一个钢丝床垫,和骨头内部的多孔结构十分类似。

  研究人员将这种三维开放蜂窝聚合物结构命名为微晶格。

  根据研究人员在《自然》上发表的论文,这种微晶格金属,首先利用光固化聚合物作为模板做出基本的结构,然后使用紫外光将聚合物固化,创造出由支柱和支架组成的3D结构。接着,以电镀的方式在其表面镀上一层超薄的镍;最后,将之前作为支撑的热聚合物以蚀刻的方式去除,就得到了最终的金属部分。这种由连通中空管构成的3D多孔聚合物材料,管壁厚度仅为100纳米。

  除了超轻,微晶格金属还具备极佳的抗压弹性和冲击吸收力。被研究人员的手指使劲挤压后,微晶格金属迅速恢复了原状。据介绍,特殊的结构给了这种超轻材料不同于其他金属的独特性质,它可以从超过50%的压缩量中恢复。

  超强冲击吸收力,则是通过小学生熟知的高空扔鸡蛋实验来体现的。规则是从25米高的地方扔下一个鸡蛋并设法保护鸡蛋不破碎。通常情况下,学生会选择使用大量泡沫纸及其他减震材料,将鸡蛋层层包裹,但这并不能保证鸡蛋一定完好。然而假如使用少量轻盈的微晶格金属(大约0.9米的材料)包裹鸡蛋再扔,鸡蛋就能平安着陆。由此可以看出,微晶格金属神奇的冲击吸收力。这对于未来的应用十分关键。

  Sophia Yang博士称,这种微晶格金属材料未来或许能够用于飞机机舱的内部装饰。“在未来,这种材料可帮助波音公司节约大量的重量,使飞机更省油。”Yang博士补充道。

  60余年研究硕果累累

  此次,微晶格金属通过立体媒介传播而走入大众视野。事实上,关于超轻多孔材料的研究已经持续了60余年。截至目前,已历经三代,可谓成果频出。

  第一代孔结构无序,力学性能相对较低,但能量吸收或磁屏蔽性能较好。第二代在第一代的基础上,实现了三维联通结构,且具有高韧度、耐撞击、高散热、高隔热和噪声管理等多种功能,易于复合泡沫、陶瓷等。性能提高,成本更低。目前,第一、第二代的研究成果已经在工业领域成熟应用多年,在隔热、减振、减重方面发挥了良好的效用。

  如今的第三代超轻多孔材料,则是在纳米、微米和毫米尺度下设计,结构材料中各种孔洞孔隙变得更为可控,并通过调节其机体金属,从而实现结构材料的轻质多功能化。

  除了微晶格金属,第三代超轻多孔材料还有一批科研成果。

  2008年,多伦多大学的研究人员创建了一个电沉积纳米晶镍层上的聚合快速原型桁架。

  2012年,德国基尔大学、德国汉堡科技大学的材料科学家们研发了一种被命名为“Aerographite”网状碳管材料。它是通过把氧化锌晶体放在特殊的烤炉中,然后将其加热至900摄氏度制成。

  这种材料比以前报道的最轻金属要轻4倍,比空气轻6倍,其密度比水的密度小5000倍,直径仅为15纳米。由于它实在是太轻了,据称在实验室中出现任何微小的风,都会把它吹跑,很难在普通实验室研究。但正因为很轻以及拥有相对大的表面积,“Aerographite”被认为可以用于研制更轻的锂离子电池、计算机、防水衣服、空气净化器、净水设备以及卫星防护屏。

  2013年,中国科学家研发了一种基于碳的气凝胶,据称它的密度更低。

  2014年,来自美国麻省理工学院和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的一支研究团队,宣布打造出了一种新型的超轻量级材料。这种材料虽然轻如气凝胶,强度却胜过气凝胶10000倍。实验室的研究人员称,这些轻质材料至少可以承受自身160000倍的负荷。新材料的制备,则是通过“微立体光刻投影”(3D打印技术一种)技术来实现的,所使用的材料包括聚合物、金属和陶瓷等。

  此外,北卡罗来纳州立大学和卡塔尔大学的两个科研团队近期研发出了一种强重比更高的高熵金属合金,比现有金属材料的强重比都要高。这种纳米微晶高熵合金由锂、镁、钛、铝和钪制备而出得,具有密度低强度高的优越特性。据测算,这种纳米微晶的粒度约12纳米。

  应用前景引各国竞相研发

  从可以站在蒲公英上的微晶格金属看出,超轻多孔材料的单位体积重量仅是实体材料的1/10或更轻,不同构形的微观结构对材料力学及其他物理特性有显著影响。

  超轻多孔材料除了承载,还可进行对流换热满足温度控制要求,吸收降低噪音、屏蔽电磁辐射、冲击能量吸收、阻尼减振等。因此,超轻多孔材料的应用在多个领域被寄予厚望。

  首先渴求的便是航空航天领域。波音认为,使用轻而坚固的微晶格金属,可以大幅降低飞机的质量,从而提高燃油的经济性。如果微晶格金属能够成熟应用到深太空探索航天器上,其作用就不仅仅是节省燃料,还能降低航天器40%的质量,这对人类探索火星以及其他星球至关重要。

  我国超轻多孔金属材料权威专家认为,在实际应用中,多孔金属由于其特殊的理化性能和力学性能,特别是可承受基本恒定、低水平压应力而产生大范围的变形特征,对于许多包装、冲击缓冲系统最为理想。通过选择机体材料、孔隙结构形貌和孔隙率来控制变形特征,可使多孔金属成为理想的吸能材料。同有机泡沫材料相比,在实需要较高的破坏应力,并要求吸收同样或更多能量的实际应用中,多孔金属很有优势。除了航空航天,在汽车、铁路运输、造船、建筑、包装等行业也有着广泛应用前景。

  此外,随着多孔金属在高变形速率下的动态力学性能、破坏机理和耐撞性研究加深,未来对于反恐、国防领域也将起到关键性的作用。

  早在上世纪50年代,美国、日本已经意识到超轻多孔材料对于国民经济、国防建设的重要作用,便开始投入研究。进入上世纪90年代后,有关超轻多孔材料的研究开始增多,形成多国、多巨头竞相研发的势头。

  美国国防部高级研究计划局(DARPA)称得上是微晶格金属研制的领路人。从1995年开始,美国国防高等研究署(DARPA)和海军研究局共同资助哈佛大学、剑桥大学和麻省理工学院主持的有关超轻金属结构的大型项目,主要研究泡沫金属的制备、性能及应用。

  德国在1999年也启动了一个在政府和汽车制造商支持下由几十所大学、研究所参加的有关泡沫金属材料大型研究项目,侧重于这些材料在汽车工业中的应用。

  2000年以后,欧盟与工业界强力配合,开始研究金属泡沫在汽车工业的应用、多孔金属在精密数控机场中的应用等课题。

  英国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚在这方面也有较多的研究。而我国在超轻多孔金属的研究方面,同样受到多个国家科研计划的支持,并且有部分成果达到世界领先水平。

  随着全球对于先进材料的需求不断提高,可以预见的是,未来数年内,超轻多孔材料仍将是材料科学研究的热门方向。从目前集中研究的方向来看,高耗能交通装备有望最先得到应用,或因此减去40-60%的自重,大幅降低对常规能源的依赖,从而掀起高耗能装备减重革命。

  据国外咨询机构测算,未来5年,全球新材料需求将继续爆发式增长,到2019年预计规模达到3000亿美元。其中轻量化材料和高性能合金的需求占到一半,将分别达到1331亿美元和90.9亿美元,较2014年市场需求分别增长150%和133%。其中,北美、欧洲仍将是最大的市场,而亚太市场的需求将迅速增加。

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