新材料與新工藝

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新材料與新工藝

中科院金屬所制備ADS系統(tǒng)用5噸級(jí)SIMP鋼

在中國(guó)科學(xué)院核能先導(dǎo)專項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”項(xiàng)目的資助下，中科院金屬研究所的研究人員完成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的散裂靶用結(jié)構(gòu)材料——新型耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕馬氏體耐熱鋼SIMP鋼的成分、組織設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及其各項(xiàng)性能的評(píng)價(jià)與研究等多個(gè)方面的工作，申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

5噸級(jí)SIMP鋼的成功制備，標(biāo)志著金屬所研制的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界（ADS）系統(tǒng)用散裂靶結(jié)構(gòu)材料已達(dá)到工業(yè)化成熟應(yīng)用階段，意味著我國(guó)已擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐高溫、抗輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕新型結(jié)構(gòu)材料，使我國(guó)在核用結(jié)構(gòu)鋼研究開(kāi)發(fā)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。研究人員采用“真空感應(yīng)+真空自耗”的工藝方法，成功完成了5噸級(jí)SIMP鋼的首輪冶煉。分析表明，5噸級(jí)鑄錠的主元素均為最佳成分點(diǎn)，雜質(zhì)元素含量均控制在極低水平，各類活化元素的含量也均控制在極低水平。目前，研究人員已完成了5噸級(jí)SIMP鋼的第二輪冶煉，進(jìn)一步完善和固化了SIMP鋼的大規(guī)模冶煉工藝。

據(jù)了解，ADS系統(tǒng)由加速器、散裂靶、反應(yīng)堆等3個(gè)部分組成，其中，散裂靶用結(jié)構(gòu)材料需要同時(shí)具有耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕等性能，目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有可供參比的同類材料。

(KX.0302)

我國(guó)在納米能源材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

西南科技大學(xué)與南京大學(xué)的研究人員合作，通過(guò)材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備出了三維微/納米陣列結(jié)構(gòu)的碳基四氧化三鈷（CWs-Co3O4）復(fù)合電極材料，大幅改善了電極反應(yīng)過(guò)程中離子的動(dòng)力學(xué)行為，能夠有效解決超級(jí)電容器離子擴(kuò)散效率低的問(wèn)題。

與普通的電極材料相比，該材料具有連續(xù)的離子通道，即微/納米陣列之間的大通道及其內(nèi)部的小通道。當(dāng)材料的內(nèi)部管道被電解液浸潤(rùn)之后，離子可同時(shí)從材料外表面和管道內(nèi)表面向管壁擴(kuò)散，從而顯著減小了離子的擴(kuò)散距離和擴(kuò)散阻力，提高了材料的孔隙利用率。此外，該材料還具有大孔-介孔-微孔的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)。其中，大孔能夠儲(chǔ)存離子源和電解液，介孔可提供有效的離子擴(kuò)散通道，微孔可提供足夠的反應(yīng)接觸面積，也使得離子的擴(kuò)散距離大幅縮短，材料電化學(xué)性能得到有效提升。在未使用粘結(jié)劑的情況下，以CWs-Co3O4為超級(jí)電容器電極，在電流密度為0.5A/g時(shí)，其容量可達(dá)987.9Fg-1，在2000次循環(huán)之后容量保持率高達(dá)94.5%。

該項(xiàng)研究所構(gòu)筑的連續(xù)離子通道和多級(jí)孔結(jié)構(gòu)為改善超級(jí)電容器器件的整體動(dòng)力學(xué)行為提供了新的思路，對(duì)于制備高性能能量存儲(chǔ)器件具有重要意義。

(納能)

德國(guó)制造出世界上最小的納米晶格結(jié)構(gòu)

德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的研究人員制造出了“世界上最小”的納米晶格結(jié)構(gòu)，其支柱和支撐的長(zhǎng)度小于10μm，直徑小于200nm （0.2μm），但強(qiáng)度卻遠(yuǎn)高于大多數(shù)固體材料。

據(jù)悉，該“最小晶格”在顯微鏡下可見(jiàn)，材質(zhì)為玻璃碳，屬于純碳的一種形式，且同時(shí)擁有玻璃、陶瓷和石墨烯的性質(zhì)。該“最小晶格”的制造方法源于3D光刻，即在計(jì)算機(jī)控制的激光照射下，使光刻膠的結(jié)構(gòu)硬化。但這種工藝僅限于生產(chǎn)長(zhǎng)度5μm～10μm、直徑1μm的材料。而研究人員創(chuàng)造性地將熱解技術(shù)用于生產(chǎn)微觀結(jié)構(gòu)晶格，將材料暴露在缺氧的高溫環(huán)境中（真空爐中、溫度約為900℃），從而使化學(xué)鍵重新定位，除碳以外的元素都被從晶格中剔除，而無(wú)序碳以玻璃碳的形式被留了下來(lái)，形成了縮小的晶格結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，這種晶格在壓力下具有卓越的穩(wěn)定性，其承載力接近于理論極限，且遠(yuǎn)高于非結(jié)構(gòu)化的玻璃碳，強(qiáng)度僅次于金剛石。

據(jù)悉，這種材料在電極、過(guò)濾等化工領(lǐng)域，以及通訊領(lǐng)域的光學(xué)部件制造方面都具有應(yīng)用潛力。

(W.CB)

國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)新特性

包括加拿大滑鐵盧大學(xué)研究人員在內(nèi)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了超導(dǎo)態(tài)的新特性——向列性。這一新發(fā)現(xiàn)有助于磁懸浮列車和超級(jí)計(jì)算機(jī)等技術(shù)的研發(fā)。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)材料中的電子云可以對(duì)齊并按照某個(gè)方向有序排列，即呈現(xiàn)向列性。銅酸鹽被認(rèn)為是最好的高溫超導(dǎo)體之一，其所呈現(xiàn)的奇特狀態(tài)難于預(yù)測(cè)，更難以解釋。研究團(tuán)隊(duì)采用軟X射線散射技術(shù)觀察了分散在銅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)特定分層中的電子。當(dāng)電子軌道排列成一系列棒狀時(shí)，電子云就會(huì)有序排列，并從晶體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)中分離出來(lái)形成單向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度降到臨界點(diǎn)以下時(shí)，電子軌道就會(huì)進(jìn)入向列相。研究顯示，電子向列性也可能發(fā)生在低度摻雜的銅氧化物中，而對(duì)摻雜材料的選擇也會(huì)影響材料向向列狀態(tài)的過(guò)渡。鍶、鑭、銪等滲染劑在加入銅酸鹽晶體后，會(huì)導(dǎo)致晶體變形并加強(qiáng)或減弱晶體分層的向列性。

理解超導(dǎo)體電子的向列性對(duì)認(rèn)識(shí)超導(dǎo)態(tài)的原因及贗能隙十分重要，或?qū)槭覝爻瑢?dǎo)體的誕生提供新的契機(jī)。

(科日)

中科院研究實(shí)現(xiàn)AB堆垛雙層石墨烯快速生長(zhǎng)

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所的研究人員采用銅蒸氣輔助，在Cu-Ni合金襯底上實(shí)現(xiàn)了AB堆垛雙層石墨烯（ABBG）的快速生長(zhǎng)，所獲得的典型單晶疇尺寸約為300μm，生長(zhǎng)時(shí)間僅約10min，速度比此前技術(shù)提高約1個(gè)數(shù)量級(jí)。

ABBG可通過(guò)電場(chǎng)產(chǎn)生可調(diào)帶隙，對(duì)石墨烯在邏輯器件及光電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。研究人員采用Cu-Ni合金在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了1.5英寸石墨烯單晶的超快生長(zhǎng)，并通過(guò)引入銅蒸氣，實(shí)現(xiàn)了大晶疇ABBG的快速生長(zhǎng)。銅蒸氣的參與降低了Cu-Ni合金襯底表面第一層石墨烯的生長(zhǎng)速度，提高了融入襯底的活性碳原子濃度，而這些碳原子通過(guò)等溫析出形成了與第一層石墨烯具有嚴(yán)格取向關(guān)系的大晶疇ABBG。

(KX.0229)

新型石墨烯納米帶環(huán)氧涂層可融化飛機(jī)機(jī)翼覆冰

美國(guó)萊斯大學(xué)的研究人員創(chuàng)建出一種全新的石墨烯納米帶環(huán)氧涂層，在被施加電壓后，能夠通過(guò)產(chǎn)生的電熱使覆冰融化。

對(duì)于冬季飛行來(lái)說(shuō)，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰是影響飛行安全的重要因素。研究人員將環(huán)氧樹脂涂層與石墨烯納米帶相結(jié)合，制得了這種涂層。石墨烯納米帶是由單層碳原子組成的二維晶體，呈扁平狀，具有良好的導(dǎo)電性能。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，研究人員將溫度設(shè)置在-20℃，并在直升機(jī)旋翼槳葉邊緣涂上這種新涂層，當(dāng)對(duì)涂層施加電壓時(shí)，涂層表面產(chǎn)生了溫度高達(dá)93℃的電熱，能夠融化1cm多厚的覆冰。此外，該涂層還能為飛機(jī)提供電磁屏蔽層，幫助保護(hù)飛機(jī)免受雷擊。

(W.CB)

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究人員在高強(qiáng)高模碳纖維國(guó)產(chǎn)化制備技術(shù)領(lǐng)域獲得重大突破，制得的高性能碳纖維拉伸模量為541GPa，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品性能（540GPa）水平，拉伸強(qiáng)度為4.86GPa，優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品（4.02GPa）水平，打破了國(guó)外在該領(lǐng)域的壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。

中科院石墨纖維制備技術(shù)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白

寧波材料所先后突破了高強(qiáng)中模碳纖維中試及工程化技術(shù)，于2015年5月成功制備得到M50J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維，拉伸強(qiáng)度及拉伸模量分別高達(dá)5.12GPa、475GPa。2015年年底，研究人員又開(kāi)展了M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維研制工作，最終成功實(shí)現(xiàn)了其制備技術(shù)的突破。寧波材料所現(xiàn)已具備M40J、M46J、M50J級(jí)產(chǎn)品連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)能力，并形成了M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維制備技術(shù)。但目前，研究人員仍需解決M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維穩(wěn)定化生產(chǎn)及復(fù)合材料加工時(shí)纖維與基體的匹配性等問(wèn)題。

(W.KX)

美國(guó)在液態(tài)金屬研究領(lǐng)域獲雙重突破

美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員發(fā)明了一種液態(tài)金屬鋰電池，利用混合液態(tài)金屬制作電極，能夠大幅延長(zhǎng)電池的使用壽命。另外，美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)的研究人員在液態(tài)金屬納米抗癌機(jī)器人研究方面取得了新的突破。

據(jù)了解，采用液態(tài)銻作為電極材料，電池系統(tǒng)需保持700℃的高溫才能運(yùn)行。而在美國(guó)先進(jìn)能源研究計(jì)劃局的資助下，2015年9月，MIT的研究人員采用鋰、鉛和銻的混合金屬制作了電池電極，使電池的運(yùn)行溫度降至400℃～500℃，提升了電池的耐用性。2016年1月，研究人員通過(guò)使用鋰與鉍，以及混合氫氧化物的液態(tài)金屬，將電池的運(yùn)行溫度進(jìn)一步降至270℃。據(jù)稱，該項(xiàng)技術(shù)也適用于民用鋰電池。

在抗癌機(jī)器人方面，北卡羅萊納州立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種被譽(yù)為“癌癥終結(jié)者”的液態(tài)金屬納米機(jī)器人。其采用由鎵銦合金與兩種高分子聚合物配體混合制成的溶液，通過(guò)靜脈注射后，聚合物配體能夠活躍地定向吸附腫瘤癌變細(xì)胞，并將受體細(xì)胞綁定至其表面，高效、準(zhǔn)確地消滅癌癥細(xì)胞。該納米機(jī)器人針對(duì)鼠類的實(shí)驗(yàn)成功后，研究人員目前正在積極推動(dòng)大型哺乳動(dòng)物的抗癌實(shí)驗(yàn)，將盡快啟動(dòng)人類臨床實(shí)驗(yàn)。

(上證)

全球首條“千噸級(jí)高純氯化鋰”生產(chǎn)線順利在青海柴達(dá)木盆地西臺(tái)吉乃爾鹽湖建成。該生產(chǎn)線以鹽湖鹵水為原料，對(duì)鹽湖資源的綜合利用，特別是從鹽湖資源中提取鋰、硼等元素具有重要的戰(zhàn)略意義。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院合成多功能柔性薄膜材料

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的研究人員利用自組裝的方法合成了多功能、獨(dú)立的柔性薄膜材料，并應(yīng)用于水體中放射性離子Sr2+和Cs+的去除與分離，同時(shí)，研究人員還通過(guò)對(duì)其進(jìn)行表面改性，獲得了用于去除油性物質(zhì)的疏水性材料。

近年來(lái)，頻繁的海上石油泄漏和核事故對(duì)人類所處的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。研究人員通過(guò)層層自組裝技術(shù)，以鈦酸鹽納米帶和聚乙烯亞胺（PEI）為原材料，構(gòu)建了塑性納米多孔薄膜材料，并發(fā)現(xiàn)該鈦酸鹽納米帶薄膜材料對(duì)核素Sr和Cs有優(yōu)異的富集與吸附性能，能在很短的時(shí)間內(nèi)快速去除這兩種放射性元素。研究結(jié)果表明，對(duì)Sr2+和Cs+的去除機(jī)制主要依賴于鈦酸鹽納米帶的離子交換反應(yīng)。與此同時(shí)，研究人員在薄膜表面覆蓋一層揮發(fā)性有機(jī)硅后，獲得了疏水性薄膜（水的接觸角>150.58°）。該薄膜對(duì)水體中的油性物質(zhì)具有出色的選擇性和快速吸附能力，其吸附容量高達(dá)自身質(zhì)量的23倍。

該項(xiàng)研究工作為廢水處理和分離技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了新思路。

(合物院)

全球首條“千噸級(jí)高純氯化鋰”生產(chǎn)線建成

該生產(chǎn)線的建設(shè)屬于中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“鹽湖鹵水若干戰(zhàn)略性元素提取”的子課題之一“鹽湖鹵水提取千噸級(jí)高純氯化鋰技術(shù)及示范工程”，由中科院青海鹽湖研究所和中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所共同承擔(dān)，擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，最終目標(biāo)是建成4N級(jí)高純氯化鋰產(chǎn)品千噸級(jí)生產(chǎn)線。研究人員通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和攻關(guān)，研發(fā)出一套技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的新萃取體系，并通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，研制出了我國(guó)首臺(tái)鹽湖提鋰的離心萃取裝置，研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備在中間試驗(yàn)放大過(guò)程中各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為千噸級(jí)氯化鋰示范線的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

“鹽湖鹵水提取千噸級(jí)高純氯化鋰”產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目于2015年12 月24日正式投產(chǎn)試車，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全線貫通后，產(chǎn)出的氯化鋰產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到99.5%，成功建成了全球首條“千噸級(jí)高純氯化鋰”生產(chǎn)線。未來(lái)，該生產(chǎn)線將逐步完善工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)4N級(jí)高純氯化鋰產(chǎn)品的生產(chǎn)。

(KX.0229)