新材料與新工藝

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新材料與新工藝

日本開發出高品質單晶硅低成本制造技術

日本東北大學、FTB研究所、產業技術綜合研究所聯合開發出了高品質單晶硅的低成本制造技術，基本無需進行新投資即可生產出高品質的單晶硅，有助于降低高效率太陽能電池的生產成本。

在單晶硅制造方法中，常用的“CZ法”由于坩堝中會發生熱對流，導致石英坩堝壁熔融，因此，生產的硅晶體中通常含有氧及重金屬等雜質。“MCZ法”雖能夠制造出高品質單晶硅，但需要使用超導磁鐵設備，成本較高。此次開發的“LCZ法”通過對坩堝內壁表層（潑液層）進行特殊處理，使坩堝排斥熔體，無需使用磁場，采用普通的CZ法即可抑制坩堝的熔融，能夠以更低的成本制造高品質單晶硅。測試結果顯示，采用“LCZ法”制造的200mm直徑單晶硅擁有與“MCZ法”制造的產品同等甚至更高的品質。此外，研究人員還利用“LCZ法”制造的單晶硅制作出了硅基板，并試制出了標準太陽能電池，與使用傳統晶硅制造的太陽能電池相比，其光電轉換效率最多提高1.03倍。

未來，研究人員將進一步降低新型坩堝的制造成本，并改進潑液坩堝及晶體生長技術，以滿足更高品質晶硅的量產需求。

(日 經)

中科院寧波材料所電場輔助連接技術研究獲進展

中國科學院寧波材料技術與工程研究所特種纖維與核能材料工程實驗室成功將電場輔助燒結技術（FAST）應用于碳化硅陶瓷連接領域，以60μm厚的鈦硅碳（Ti3SiC2，TSC）流延膜為焊接層，在1300℃的低溫下成功實現了SiC陶瓷的連接，四點彎曲強度可達80.4MPa，整個連接過程僅需15min。

研究表明，焊接溫度和保溫時間對連接界面相組成和斷裂機制有重要影響。在高功率電流密度及高溫作用下，碳纖維增強碳復合材料（Cf/C）基體中的C向連接層Ti3SiC2中擴散，同時促進連接層Ti3SiC2中的Si（g）向界面遷移，在連接層Ti3SiC2與Cf/C基體界面處富集，并原位反應生成1μm～2μm厚的致密SiC層。該SiC過渡層阻止了Cf/C復合材料中的C原子進一步向Ti3SiC2焊接層擴散，抑制了連接層Ti3SiC2的進一步分解。同時，SiC的熱膨脹系數介于石墨和鈦硅碳之間，緩解了連接層與基體之間的熱失配問題。基于連接界面的微觀結構與斷裂模式研究，研究人員提出，電場輔助技術連接碳/碳復合材料主要經歷了界面致密化階段、界面反應階段，以及界面退化等階段。通過控制電場輔助連接的溫度與作用時間，可控制連接層與Cf/C的界面反應，以及界面相組成，從而實現Cf/C的低溫快速連接。

該項研究成果將為航空、航天及核用陶瓷基復合材料的連接提供實驗和理論支撐。

(中科院)

中科院福建物構所研發成功超快3D打印機

中國科學院福建物質結構研究所的研究人員在國內首次突破了可連續打印的三維物體快速成型關鍵技術，開發出了一款超快、可連續打印的數字投影3D打印機，比傳統3D打印速度可提高約100倍。

傳統的立體光固化成型工藝采用逐層固化、層層累積的方式來構造三維物體，這種方式系統復雜且工作耗時。2015年，美國Carbon3D公司在世界上率先提出了“連續液面生長技術”，通過透氧材料特氟龍引入氧氣作為固化抑制劑，使固化過程保持連續性，打印速度達到500mm/h。而中科院福建物構所的研究人員提出了一種特殊的半滲透性透明元件，對氧氣的透過率比一般高分子聚合物高5～10倍，因此，氧氣或空氣均可作為固化抑制劑使用，能夠實現全程固化的高速連續性打印。據稱，這款3D打印機的最快打印速度達到600mm/h，可在短短6min內，從樹脂槽中“拉”出一個高度為60mm的三維物體，而同樣的物體采用傳統的立體光固化成型工藝來打印則需要約10h。

(W.XH)

哈佛大學研制新材料可改變大小體積和硬度

美國哈佛大學的研究人員采用snapology現代折紙技術，研發出一種輕質、可任意變形、折疊、伸展和加固的材料，其折平后可以承受大象的重量而不被損壞，并隨即恢復原狀。

snapology技術也被稱為“模塊化折紙”技術，可利用相同的模塊構造多樣化的模型。研究人員從該技術中獲得靈感，設計出了新型中間材料。該新型材料的每個模塊由6個立方體沿著邊緣結合而成，最終形成一個三維交叉結構。這種材料的外形、體積和硬度可通過編程改變和控制。研究人員利用64個方塊，制成了4×4×4的組裝體，其能夠伸長、收縮、變形，也可完全折疊成平面結構，而隨著變形，其硬度也會發生變化。

該新材料可用來制作流動避難中心等新型輕便建筑結構，便于拆卸和組裝，還可用于制作“一按即開”的窗戶等。

(騰 訊)

美國西北大學研發出金屬3D打印新方法

美國西北大學的研究人員設計出一種用于金屬及其合金3D打印的兩步法技術。這種新方法不使用傳統的大型粉末床和電子束，而是使用液態油墨與熔爐，制造速度更快、成本更低、材料更均勻。

研究人員開發出一種由金屬粉末、溶劑和粘結劑（一種生物醫學領域常用的聚合物）組成的液相油墨材料，能夠通過注射或擠壓工藝打印出來。打印出的坯體雖然大部分由粉末組成，僅含少量的粘結劑，但也非常強韌。坯體打印完成后，置于熔爐中燒結，從而使得結構更均勻。

據稱，該工藝適用于多種金屬，以及金屬混合物、合金、金屬氧化物等的3D打印，能夠打印出很多此前金屬打印難以實現的復雜架構，如蓄電池、固體氧化物燃料電池、金屬植入物，以及飛機、火箭用機械部件等。

此外，研究人員還使用鐵氧化物進行了打印，當坯體打印完成后，用氫氣將氧化物還原成了金屬鐵。這種工藝使用便宜的金屬氧化物替代昂貴的金屬粉末進行打印，再進行還原處理，為降低金屬3D打印成本提供了一種新的思路。

(船 信)

我國企業自主研制出高性能碳纖維

哈爾濱天順化工科技開發有限公司承擔的黑龍江省科技攻關重大項目——“T700級碳纖維碳化中試生產線及工藝研究”通過了黑龍江省科學技術廳組織的專家鑒定。專家表示，天順化工公司研發的高性能碳纖維生產工藝及裝備技術擁有完全自主知識產權，達到國際先進水平，其產品可替代進口，打破了國外企業的壟斷。

目前，該公司生產的產品質量穩定，生產成本低，環境污染小，生產中廢水排放少，生產成本可控制在每千克200元以內，接近國際先進企業的生產成本，僅約為目前國內同等產品價格的1/10。

(快科技)

中美合作利用3D打印技術制備出世界最輕材料

哈爾濱工業大學，以及美國部分大學的研究人員合作，利用3D打印技術制備出了世界上最輕的材料——超輕石墨烯氣凝膠。該材料具有復雜的微觀結構，密度低至0.5kg/m3，不到空氣密度（約1.2kg/m3）的1/2。

研究人員經反復試驗，在國際上首次實現了具有懸空復雜拓撲純三維石墨烯結構的可剪裁設計。具體來講，就是以石墨烯氧化物與水的混合物作為“墨水”，通過滴落的方式，在-25℃的溫度下將其3D打印到一個表面上。這樣，每打印出來的一層都會被冰凍住，然后在冰的支持下再打印下一層，從而構建出以冰作為懸空空間“支架”的三維氣凝膠結構。

據稱，采用該方法制備出的石墨烯材料在柔性電子器件、儲能電池、傳感器件、生物化學催化載體、超級電容器等領域具有廣闊的應用前景。

(科技部)

我國突破納米超晶格構筑技術 解決“咖啡圈效應”難題

中國科學院深圳先進技術研究院與香港城市大學的研究人員合作，在納米自組裝三維超晶格光學芯片領域取得了新突破，解決了“咖啡圈效應”難題。

納米超晶格是由納米顆粒周期性有序堆積而形成的新型超材料，在顯示、傳感、太陽能電池、光纖通信等領域應用潛力巨大。液滴揮發自組裝技術是構筑超晶格結構的一種簡單有效的傳統方法。但在溶劑揮發過程中，液滴內部的外向毛細流動會將懸浮的顆粒攜帶至液滴邊緣，并在邊緣沉積形成環狀，即所謂的“咖啡圈效應”，從而導致納米顆粒的不均勻沉積，嚴重影響其排列和有序自組裝。

為解決這一難題，研究人員開發了一種反“咖啡圈效應”的方法，可有效控制液滴蒸發過程中顆粒在基底表面的自組裝行為。以金納米棒為例，通過對顆粒表面化學性質和基底特性的簡單調控，即可獲得金納米棒致密、規則、垂直的超大規模自組裝排列，實現厘米尺度三維超晶格結構的構筑，并獲得優異的拉曼增強效應和光學均勻性。此外，該三維超晶格構筑方法還可推廣應用到各種納米材料中。

該項研究成果可廣泛應用于表面增強拉曼光譜、熒光增強、太陽能電池、生物芯片等領域，為突破“咖啡圈效應”的限制、實現超大規模納米自組裝提供了一種簡單有效的方法。

(KX.0218)

中科院合物院研制出多功能柔性薄膜材料

中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所的研究人員利用自組裝方法合成出了新型多功能柔性薄膜材料，并成功應用于水體中放射性離子鍶（Sr2+）、銫（Cs+）的去除與分離，同時還將對其表面改性后得到的疏水性材料成功應用于去除油性物質。

近年來，頻繁的海上石油和核泄漏事故對人類所處的生態環境造成了嚴重的污染，污染物在短時間內難以消除。研究人員通過層層自組裝技術，以鈦酸鹽納米帶和聚乙烯亞胺為原材料，構建了柔性納米多孔薄膜材料，并發現該薄膜材料對核素Sr和Cs有優異的富集與吸附性能，能夠在很短的時間內實現放射性離子Sr2+、Cs+的快速去除。此外，在該薄膜材料表面覆蓋一層揮發性有機硅后，可得到疏水性薄膜（水的接觸角>150.58°），對水體中的油性物質具有出色的選擇性和快速吸附能力，其吸附容量高達自身質量的23倍。該項研究成果為石油和核泄漏事故發生后的廢水處理和分離提供了新途徑。 (科 苑)

柔性鈦酸鹽納米帶薄膜材料的合成及表征，以及硅樹脂改性后得到疏水性材料

硅樹脂改性后的鈦酸鹽納米薄膜可以有效地進行油水分離（用羅丹明B標記的汽油），以及對其它有機溶劑去除研究

我國首條工業4.0示范生產線啟用

中國科學院沈陽自動化研究所與德國SAP公司共同舉辦智能制造解決方案戰略合作簽約儀式暨成果發布會，發布了面向工業4.0的智能工廠解決方案，而基于該方案搭建的我國首條以工業4.0為藍圖的智能工廠示范生產線同時啟用。

據悉，面向工業4.0的智能工廠解決方案以沈陽自動化所自主研發的工業物聯網技術體系和產品為基礎，涵蓋從軟件到硬件，從消費者下單到生產交付的全過程，充分體現了高度個性化定制、產線自主重構、生產裝備預測性維護等智能工廠的優勢特點。而首條工業4.0生產線以該研究所自主研發的工廠自動化工業無線網絡（WIA-FA）技術規范為支撐，構建了完整的全無線工業物聯網技術與產品體系，實現了設備狀態、生產過程等信息的全無線采集。同時，該生產線還融入了該研究所研發的可重構工業控制網絡，以及軟件定義生產系統等前沿核心技術，使生產系統的結構呈現模塊化。此外，沈陽自動化所與SAP公司還簽署了戰略合作協議，期望通過雙方合作，探索從數字化協同設計到定制化生產，再到互聯化服務的全鏈條、端到端的智能制造整體解決方案。

(KX.0201)