一大波新材料横空出世,改变世界超出你想象(第174期)

高强度纳米纤维材料:耐热性是凯夫拉的20倍
据外媒报道,凯夫拉(Kevlar)和特瓦伦(Twaron)是著名的坚韧材料,但在强度、耐热性和重量之间需要做出一点权衡。现在,哈佛大学的研究人员已经创造了一种新的纳米纤维版本的材料,它具有同样的强度,但更加隔热。
Kevlar和Twaron的保护性能来自于它们的分子结构,而改变这种结构就会改变它们的有效作用。对于机械打击,如防弹背心,材料会呈现出高度有序的结构,从而使其能够重新分配力量。保温材料具有更多的多孔结构,可以最大限度地减少通过的热量。
通常情况下,由于材料的基本特性,设计用于保护肢体免受极端温度和伴随爆炸的致命弹丸的设备一直很困难。强度足以抵御弹道威胁的材料无法抵御极端温度,反之亦然。结果,当今的大部分防护装备是由多层不同的材料组成的,从而导致笨重而沉重的装备,如果戴在手臂和腿上,将严重限制士兵的行动能力。现在研究人员开始将两种类型的材料合二为一。
“我们的目标是设计一种多功能材料,能够保护在极端环境中工作的人,如宇航员、消防员或士兵,免受他们面临的许多不同威胁,”该研究的第一作者Grant Gonzalez说。为此,研究人员需要将这两种类型的分子结构–高度有序而又多孔–结合到一种材料中。它是用一种叫做浸泡式旋转喷射纺丝(iRJS)的工艺制成的。基本上,一个装置旋转并迫使液态聚合物溶液通过一个小孔流出,形成长长的聚合物链。它撞上了钉在离心机壁上的液浴,并凝固。然后,这些固体线聚集在基地周围。
研究人员能够调整起始聚合物液体的粘度,使最终的线程具有所需的特性。最后,他们能够生产出长长的、排列整齐的纳米纤维片,它们之间有很多孔隙。下一步,他们必须测试纳米纤维片是否真的对弹道和热量都有保护作用。在向堆叠的片材发射类似BB弹的弹丸的测试中,研究小组发现,新材料和普通的Twaron编织材料一样耐用。
在热测试中,研究人员发现新材料的隔热性能比商用Twaron和Kevlar好20倍左右。使用目前的设置,该团队可以在10分钟左右的时间内纺出尺寸约为10×30厘米(3.9×11.8英寸)的薄片,但如果扩大生产规模,这可能会得到改善。
“虽然还有改进的余地,但我们已经突破了可能的界限,并开始向这种多功能材料领域发展,”Gonzalez说。
该研究发表在《Matter》杂志上。
喷涂新式触控技术:兼容几乎任何物体表面
结合3D打印和可喷涂电子技术,布里斯托大学的一支研究团队,已经开发出了一套几乎适用于任何形状的物体表面的Proto Spray触控方案。由演示视频可知,其能够在立方体、半球形、甚至弯曲的条形管上使用,展现了极其丰富的灵活性。投入商用后,显然可推动各种形状和大小的交互创新。
结合3D打印基板、预设计的互连电极、以及均匀分布的电致发光(EL)墨水层,这套方案可以提供用户需要的各种配置。
施加电荷之后,成品会被部分点亮、并响应简单的触摸输入,比如打开办公室的房门、或者在博物馆中提供参观指引。
该校研究员Ollie Hanton表示,Proto Spray支持任何形状的对象交互,将屏幕从二维的矩形外壳中解放了出来。
下一步,他们可能想要打造一款能够生产基板和喷射墨水的机器,以加速ProtoSpray的商业化应用。
在近日的ACM人机系统会议(CHI)上,该校团队已经介绍过他们的研究进展。
氧化石墨烯涂层:改善植入材料亲水性
俄罗斯托木斯克理工大学研究人员提出一种新方法,向等离子体处理表面覆盖一层薄薄的氧化石墨烯镀层,可以改善用来恢复受损器官的植入片性能。相关研究发表在《表面与涂层技术》杂志上。
当今生物医学研究的一个重要方向是提高聚合构架材料(如植入片)的性能,在这些植入构架中“注入”所需的细胞或药品后,将其植入受损器官区域,尔后逐渐溶解,以自身机体组织代替。
托木斯克理工大学化学和生物医学技术研究所科研人员安娜·利波夫卡说,尽管当代聚合构架拥有良好的机械性能,但其使用仍受到一个严重问题的限制:聚合构架的生产材料在与水分子作用时会“湿透”。而疏水性会使细胞的结合及其压力恶化,并增加机体聚合构架的分解期限。在现有提高疏水性的方法中,最有效的是进行等离子体处理,但几天后,等离子体处理的效果就会变弱,几周后就完全消失,从而使成活率变差。
为了改善其性能,研究人员决定向等离子体处理表面覆盖一层薄薄的氧化石墨烯镀层。氧化石墨烯镀层这种纳米材料亲水性高,而且亲水性不随时间流逝而退化。
研究人员发现,经过上述方法处理过的材料保持必要亲水性的时间相当长,从而提高了用来恢复受损器官的植入片的性能。这是在研发安全植入材料时取得一项重大成果,在治疗心血管疾病、肿瘤疾病和系列其他疾病时,植入材料是当代恢复外科所急需的。
托木斯克理工大学研究人员还计划与英国伦敦国王学院科研人员合作,用激光处理制造导电层,这有助于对机体中的聚合构架状况进行监测。
碳纤维复合材料让行李箱更有优势
中国箱包品牌发布了一款碳纤维行李箱,箱体前后壳采用热塑性复合材料制成,在提升设计和风格的同时提升了抗冲击性能。
新箱型采用了创新的多材料设计理念:中间的结构框架由铝和镁合金制成,而前后壳则采用了碳纤维的外观。此外,它还设计了先进的锁具系统,其特点是没有铆钉和螺丝,使其光滑、简约。
尽管由于疫情影响,旅游业损失严重,但随着中国和全球旅游限制的放松,旅游业将稳步反弹。相关人员表示:“人们还没有改变,他们仍然想去旅行,但我们需要适应未来的新时代,适应游客更有安全感的新需求。高品质的材料始终是我们设计理念的核心,因为我们知道我们的客户在旅行安全和保障方面依赖于它们。高品质的材料始终是我们设计理念的核心,因为我们知道客户对旅行安全和保障的依赖。Maezio复合材料使我们能够利用碳纤维的卓越强度和优质价值,为客户提供更强的保护和全新的旅行体验。”
上下飞机、进出汽车后备箱导致的自然磨损要求行李箱必须坚固。Maezio热塑性复合材料是基于聚碳酸酯基体系统。聚碳酸酯的内在韧性使其成为硬壳行李箱几十年来的主要材料。碳纤维增强聚碳酸酯复合材料的刚度和抗冲击性能达到了一个新的水平。即使与金属相比,它们也可以减少损坏和变形的风险,而且不增加重量。
从跌落和翻滚试验到落球冲击试验等严格的安全试验表明,与铝相比,复合材料壳体具有更好的抗冲击性能。这意味着这种材料可以更好地保护行李箱中的物品免受危险,特别是像照相机和高端电子产品这样的敏感设备。
一款经久耐用的行李箱也需要好看。Maezio复合材料具有天然的单向碳纤维外观,打破了碳纤维传统的编织外观,同时在外观和美学上与木材等天然材料产生共鸣。
然而,性能和设计仅仅是行李箱制造商的出发点,因为他们需要整合可以低成本地大规模生产的新材料。尽管碳纤维行李箱很受欢迎,但众所周知,碳纤维箱包的手工制作很费劲,导致成本上升,难以规模化。
另一方面,Maezio材料是热塑性复合材料,可以高效地进行热成型,产量高,周期短,是大规模生产的理想材料。然而,并非所有的碳纤维行李箱都需要热成型——箱包前后壳结构的独特设计使复合板可以直接集成到生产线中,并在适当的切割和涂层后进行组装。这种设计方法是独特的,可以加快碳纤维行李箱的规模化。
相关人员说:“我们相信,我们的热塑性复合材料解决方案将凭借其独特的性能、美学和生产优势,加速碳纤维复合材料在行李箱中的应用。同时,我们还在研究热成型的3D行李箱盖解决方案,使复合材料可用于各种行李箱,让更多的消费者享受到复合材料的性能和生活方式。”
旧电池材料:制镍氢电池性价比更好
据外媒报道,瑞典斯德哥尔摩大学(Stockholm University)研究人员最近进行的一项新研究表明,一种回收旧电池的新方法能够得到性能更好、更便宜的可充电镍氢电池(NiMH)。斯德哥尔摩大学材料与环境化学系教授Dag Noréus表示:“新方法可以升级再造回收的材料,直接用于新电池生产。”
图片来源:斯德哥尔摩大学
新回收法包括机械清洗,从旧电极中分离可重复使用的电极材料和腐蚀产物。“旧电池中95%的材料都是有用的,在制造性能更好的新电池中可以节省几个制造步骤。”回收也会更加容易,因为可以省去传统电池回收中昂贵的重熔步骤,从而降低成本。
氢化物电池即所谓的镍氢电池,具有一个镍电极和一个氢电极,其中氢气被存储在金属氢化物中。此种电池是目前市场上四种基本的可充电电池之一,其他还有锂电池、镍镉电池或铅电池。
早在20世纪90年代,NiMH电池就被研发出来,被用于丰田普锐斯(Toyota Prius)等混合动力汽车中,也被用于电动牙刷、电动剃须刀等靠近人体使用的电器,因为此类电器需要更安全的电池,不能像锂电池那样有爆炸的风险。此外,由于NiMH电池不含有毒重金属,也被认为是一种更加环保的电池。
该项研究最初专注于找到能够以固体形式存储大量氢气的金属氢化物。当成功找到后,首次用于可充电电池。与镍镉电池相比,氢含量高的电池的容量增加了一倍。研究人员表示:“我们的研究有了新发现,经过简化回收过程获得的新材料制造出来的新电池性能更好。”
2020-07-01智邦网

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