新材料與新工藝

新材料與新工藝

基于石墨烯的光電探測器推進石墨烯實用化進程

在石墨烯旗艦計劃的支持下，英國劍橋大學、錫伯杜大學和約翰霍普金斯大學的研究人員合作，將石墨烯集成到硅光電子電路中，為硅基光電子探測提供了簡單的解決方案，標志著石墨烯在硅光電子學中的實用化進程邁出了重要一步。

研究人員將石墨烯用于硅芯片上，以獲得具有高響應特性的肖特基光電探測器。這些基于石墨烯的光電探測器使用雪崩增益時，在1.55μm的響應率達到0.37A/W，與目前硅光子中使用的硅鍺探測器相當。這表明，石墨烯可用于制備工藝更簡單、成本更低、能夠在不同波長下工作、性能更高的光電探測器，為石墨烯集成到硅光電子元器件中鋪平了道路，解決了當前硅光子技術在能耗方面存在的問題。

目前，研究人員正在開展基于石墨烯的圓片規(guī)模集成研究，計劃2018年建成具備4×28Gbps傳輸能力的“通信庫”。

（KX.0707）

中科院液態(tài)熔鹽堆核石墨研究獲進展

中國科學院山西煤炭化學研究所承擔的中科院戰(zhàn)略性先導科技專項子課題“新型核級石墨研制”項目通過了工藝評審。該項目研發(fā)的核石墨熱物理性能參數(shù)滿足液態(tài)熔鹽堆用慢化劑石墨的服役要求，且其微細孔徑結構可高效阻隔液態(tài)熔鹽對核石墨的浸滲，實現(xiàn)了大規(guī)格核石墨的穩(wěn)定化和批量化生產(chǎn)，填補了國內(nèi)核石墨制造的空白。

該項目在核石墨材料大規(guī)格工業(yè)化生產(chǎn)方面取得了突破性進展，形成了大規(guī)格熔鹽堆核石墨制備工藝，于2016年實現(xiàn)了液態(tài)熔鹽反應堆用核石墨材料的中試放大，其性能參數(shù)全部達到項目技術指標要求。該項研究將顯著促進我國商用熔鹽核反應堆的發(fā)展。

（煤化所）

美國首次實現(xiàn)石墨烯表面潤濕和粘附特性可調(diào)控

美國伊利諾伊大學香檳分校的研究人員成功通過摻雜實現(xiàn)了石墨烯材料表面潤濕與粘附特性的可調(diào)控，為先進涂層材料和傳感器的研制提供了技術支撐。

研究人員首次通過加入荷電聚合物和金屬（即摻雜），改變了石墨烯表面電子密度，進而使石墨烯表現(xiàn)出了可調(diào)控的潤濕特性，實現(xiàn)了親水-疏水可調(diào)控轉(zhuǎn)變。該項發(fā)現(xiàn)首次揭示了量子級電荷轉(zhuǎn)移和石墨烯宏觀表面潤濕性之間的聯(lián)系，開辟了無需施加持續(xù)外部電流即可調(diào)控表面涂層和電潤濕顯示性能的新途徑，可顯著節(jié)約能源。此外，研究表明，石墨烯的電子密度會導致表面粘附力的變化，從而決定石墨烯與親水和疏水分子的相互作用。該項研究對構建基于石墨烯的化學和生物傳感器具有重要的作用，將進一步拓寬石墨烯材料的應用范圍。

（KX.0707）

浙江大學高性能石墨烯纖維研究獲突破

浙江大學的研究人員在石墨烯纖維的規(guī)模化制備及高性能化研究等方面取得新突破。

研究人員首次提出了“全尺度協(xié)同缺陷工程”策略，實現(xiàn)了高性能石墨烯纖維的規(guī)模化制備，制得的石墨烯纖維直徑最細可達1.6μm，力學強度最高可達2.2GPa，導電率達8×105S/m，為目前石墨烯纖維性能的最高水平。基于此，研究人員進一步采用“化學摻雜”方法，將氯化鐵、溴、鉀等物質(zhì)引入到石墨烯纖維內(nèi)部，獲得了摻雜的石墨烯纖維，進一步提高了其載流子濃度，使其導電率有了數(shù)量級的提升（高達2.2×107S/m，高于鎳、接近鋁），比導電率（導電率與密度的比值）約為鎳的8倍、銅的2倍，與鋁相當。這些特性使得該石墨烯纖維在輕質(zhì)導線、電動馬達、信號傳輸、能源儲存與轉(zhuǎn)化、電熱器、電磁屏蔽、場發(fā)射等領域具有較高的潛在應用價值。

（KX.0718）

我國硼酸鹽零膨脹材料研究取得進展

中國科學院理化技術研究所與北京科技大學等單位的研究人員合作，首次在單相硼酸鹽材料體系中發(fā)現(xiàn)了新型零膨脹材料。研究人員創(chuàng)新性地提出，利用電負性較強的金屬陽離子限制剛性硼氧基團之間的扭轉(zhuǎn)來實現(xiàn)零膨脹性質(zhì)，并最終在立方相硼酸鹽Zn4B6O13（ZBO）中實現(xiàn)了各向同性的本征近零膨脹性質(zhì)。

ZBO晶體具有硼酸鹽晶體中罕見的方鈉石籠結構：［BO4］基團共頂連接形成方鈉石籠，［Zn4O13］基團被束縛在方鈉石籠中，［BO4］基團之間的連接處被較強的Zn-O鍵固定住。其在13K～270K之間的平均熱膨脹系數(shù)為1.00（12）/MK，屬于近零膨脹性質(zhì)；在13K～110K之間的熱膨脹系數(shù)僅為0.28（06）/MK，屬于零膨脹性質(zhì)。研究表明，ZBO晶體的近零膨脹性質(zhì)主要來源于其特殊結構所形成的聲子振動特性。

ZBO晶體具有良好的生長習性，其透光范圍幾乎覆蓋整個紫外、可見、近紅外波段，且在所有零膨脹晶體中具有最短的紫外截止邊，以及良好的熱穩(wěn)定性、高硬度和優(yōu)異的導熱性能，在超低溫光掃描儀、空間望遠鏡和低溫光纖溫度換能器等應用于低溫復雜環(huán)境中的高精度光學儀器中具有重要的科學價值。

（科 苑）

新型“白石墨烯”納米材料可實現(xiàn)親-疏水可逆調(diào)控

瑞士蘇黎世大學的研究人員研制出一種新型材料，僅通過加電就能夠?qū)崿F(xiàn)材料親-疏水兩種狀態(tài)的自由轉(zhuǎn)換。

這種新材料由銠基體上構造出的蜂巢狀氮化硼納米網(wǎng)（又稱“白色石墨烯”，如圖所示，綠色球為氮原子、橙色球為硼原子，灰色球為銠原子）構成，單層納米網(wǎng)厚0.1nm，網(wǎng)間距約為3.2nm。通過改變單層碳化硼的原子角度，能夠在加電/不加電的情況下，實現(xiàn)從親水到疏水的轉(zhuǎn)變。具體而言，該材料可通過改變納米結構來改變原子表面的靜態(tài)阻力，從而實現(xiàn)高粘滯親水態(tài)與低粘滯疏水態(tài)的轉(zhuǎn)變。當對該材料施加電壓時，氫原子聚集在碳化硼和銠元素層之間，使納米網(wǎng)面結構趨于平緩，從而大幅改變水滴與材料的接觸角，表面張力不再能夠維持液滴的重力，水分子就會透過納米網(wǎng)。

該項研究或有助于更有效地解決“潤滑”作用中的突發(fā)問題。這種電控行為已在生物學上獲得應用，可用于細胞微觀層面的控制和處理，在新型復雜的人造多細胞排列等相關科學研究方面具有較大的推動作用。此外，該項研究也為構造微毛細血管泵提供了技術基礎，可通過電信號對納米級管道中的壓力和流量進行控制。

（志 偉）

新型材料設計技術使3D打印“超級材料”成為現(xiàn)實

阿聯(lián)酋馬斯達爾理工學院在材料定制化3D打印領域取得重要進展，或?qū)⒁鸩牧显O計與3D打印高性能材料的重大變革。

不同于以往創(chuàng)造全新材料的研究模式，研究人員通過改變已知的塑料、金屬、陶瓷、復合材料的內(nèi)部結構來獲得特定用途下的特定性能。調(diào)整材料的內(nèi)部結構可使研究人員以獨特的方式控制材料的機械性能、熱性能和電氣性能，甚至可以改變材料一些特定的性能趨勢。例如，通過構造高強度中空結構，可使材料同時獲得高強度和低密度。研究人員構建了計算機模型，可為給定材料生成上萬個幾何結構排布，對應于不同的熱、電和機械性能。針對目標應用所需的材料屬性，采用這種新型設計方法，通過優(yōu)化材料結構和內(nèi)部幾何構型，可獲得某個用途最優(yōu)性能的材料結構設計方案。結合3D打印技術，即可將計算機模型設計的材料結構制造出來，將特定性能引入新材料之中。

該技術結合了材料計算技術和實驗技術，計算模型可以預測通過3D打印獲得的納米復合材料的性能，或?qū)㈩嵏参磥淼牟牧显O計。目前，研究人員正在尋求工業(yè)合作，逐步推進該研究成果的商業(yè)化。

（W.GM）

哈工大用烤焦的面包制成碳泡沫材料

哈爾濱工業(yè)大學的研究人員以烤焦的面包為原料，低成本制造出了具有隔熱、電磁屏蔽等性能的碳泡沫材料。

研究人員首先將面包放入烤箱中烘干，將溫度設定在80℃，整個過程持續(xù)18h。隨后，面包被放入使用氬氣的特殊熔爐中煅燒成碳泡沫。利用這種方法獲得的碳泡沫材料與采用其它方法制得的碳泡沫材料具有相同的性能，且比現(xiàn)有的材料阻燃性更好，成本也更低。

這種碳泡沫材料具有輕質(zhì)、高性能等特點，在航空、航天等領域具有廣闊的應用前景。

（W.NY）

我國成功制造出世界首批3D打印鍛件

華中科技大學的研究人員開發(fā)出了“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術，在3D打印技術中引入了鍛打技術，并成功制造出了世界首批3D打印鍛件。該項技術有望開啟實驗室制造大型機械的新篇章。

為解決傳統(tǒng)機械制造“鍛鑄分離”和3D打印“有鑄無鍛”的難題，研究人員自主研制出了微鑄鍛同步復合設備，創(chuàng)造性地將金屬鑄造、鍛壓技術相結合，實現(xiàn)了微型“邊鑄邊鍛技術”，大幅提高了構件的強度和韌性，確保了構件的壽命和可靠性。采用“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術生產(chǎn)零件，其精細程度比激光3D打印提高50%，且零件的形狀尺寸和組織性能可控，可大幅縮短產(chǎn)品周期。該技術以金屬絲材為原料，材料利用率達到80%以上，原材料和加工設備成本也大幅降低。

該“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術在航空、航天、冶金等領域具有廣闊的應用前景。

（中青報）

具有多種智能特性的“可變形”材料問世

美國華盛頓州立大學的研究人員首次將形狀記憶、光致變形和自愈等多種智能特性“集合”到一種材料之中，開發(fā)出一種獨特的多功能智能材料，可在熱或光的刺激下改變形狀，自由折疊或展開。

研究人員將被稱為液晶網(wǎng)（LCNs）的一類長鏈分子在一個方向上定向排列，使其具備獨特的性能；利用該材料對熱刺激作出的形狀變化響應方式，加入可與偏振光發(fā)生作用的原子組，并使用動態(tài)化學鍵提高材料的復原能力。采用該技術制得的材料能夠?qū)庹兆鞒龇磻坝洃洝逼湔郫B或展開的形狀，并能夠在受損時自愈。例如，當該材料被刀片刮擦受損后，可以通過照射紫外光進行修復。該材料的“變形”行為可以預先設定，其特性也可定制。智能材料可以對光照、熱等外界刺激作出響應，實現(xiàn)類似折疊或展開等“變形”，具有廣泛的潛在應用價值。該項研究實現(xiàn)了智能材料的重大突破，為構建新型智能系統(tǒng)奠定了基礎。

（世 科）

俄羅斯發(fā)明熱膨脹系數(shù)近零的納米陶瓷復合材料制備技術

俄羅斯托木斯克國立大學與俄羅斯科學院西伯利亞分院強度物理和材料學研究所合作開發(fā)出一項熱膨脹系數(shù)接近于零的納米陶瓷制備技術。采用該技術制造的陶瓷復合材料具有極高的耐磨性，可用于制造石油和天然氣管道等的新型密封元件。

鎢酸鋯具有因瓦效應，在寬溫度范圍（-100℃～200℃）內(nèi)受熱和冷卻時尺寸基本不變，可在極端條件下有效工作，且結構強度高、重量輕。研究人員針對鎢酸鋯納米陶瓷復合材料制備時鎢酸鋯成分很難進入陶瓷這一問題進行了研究，開發(fā)出一種新的制備技術，確定了鎢酸鋯在陶瓷成分中的最佳含量和有效燒結方法，研發(fā)成果已獲得2項專利。使用含有鎢酸鋯的納米陶瓷復合材料制造的密封元件的磨損幾乎為零，可顯著延長陶瓷材料的使用壽命，減少石油和天然氣管道的維修頻率和工作量。

（科技部）