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Microstructure Controllable Materials: Make the Paper Ball Falls First!

2016-09-28

      “同样体积的铅球和纸球,同时从楼顶自由落下,哪个先落地?”这是一道经典的物理学问题。但如果使用全球最前沿的微纳米架构材料技术之后,通过改变材料结构来提升性能,可使金属材料在拥有原本高强度、高硬度的同时,大幅减轻重量,未来,这个题目的答案可能变成纸球先落地。

      美国政府历来高度重视新材料发展,早在20世纪60年代末,就创建了全球首个跨学科材料实验室,并帮助建立了现代材料科学与工程学科,研究成果广泛应用于集成电路、太空望远镜、喷气发动机等领域。近年来,“微结构可控材料”项目(MCMA)成为备受关注的重点项目。
      结构工程设计方法的革命性进步,使建造埃菲尔铁塔这样的建筑成为可能,并引领了摩天大楼时代的到来。埃菲尔铁塔采用的桁架结构可以像实心结构一样支撑相同的负重,但结构重量只有实心结构的十分之一。由此,科学家也想将这种大型工程的结构设计原理应用到材料微结构(晶粒级别)的构建技术中,以期显著提升材料性能,并为此启动了“微结构可控材料”项目。在该项目支持下,2011年,波音公司下属的HRL实验室开发出一种轻质金属镍气凝胶材料。其具有独特的纳米级多孔及三维网格结构,密度仅为0.9毫克/立方厘米,一张该材料置于蒲公英上的图片曾入选《自然》杂志年度十大图片。MCMA项目的最终目标是,能够通过对微结构的控制定制材料,以满足特定任务需求(如高强度材料、吸能材料等)。
      在过去10余年里,麻省理工学院(MIT)机械工程系终身教授方绚莱博士一直从事该领域的深入研究。他研究的微型晶格纳米架构材料,在全球知名的《麻省理工学院技术评论》评选的2015年十项可能改变世界的技术中,排名第二;其科研团队是目前全球在该领域的4支前沿国际团队之一。如今,基于这项颠覆性技术而成立的深圳摩方材料科技有限公司,在众多资本的推动下,产业化正在高速进行中,力争弥补我国在功能性复合材料领域的空白。
      日前,方绚莱接受《经济日报》记者专访时,解释了这项颠覆性技术。他表示,该技术所用的材料都是以往所熟悉的塑料、金属和陶瓷等材料,新技术通过改变材料结构来提升性能,可使材料在拥有原本高强度、高硬度的同时,大幅减轻重量。
      目前,该材料结构的生产主要采用先进的微纳米打印技术层层构建起来,但规模化生产仍面临难题。方绚莱表示,希望在不断加大研发的基础上,解决产能瓶颈,达到规模效应。预计,在3至5年内,将可以见到这项新材料的规模化应用。“可以想象,这项技术在汽车、高铁、医疗等领域都将拥有非常广阔的应用前景,并会颠覆复合材料的生态体系。”方绚莱说。
      据方绚莱透露,该技术由于前景巨大,已引来很多公司和资本的追逐。在初创阶段,公司即得到了包括松禾资本在内的国内顶级风险投资企业的大力支持。华域汽车、中车集团等大型制造型企业也表现出浓厚兴趣,已与企业展开合作。
      数据显示,全球轻量化材料市场规模将从2014年的885亿美元增长到2019年的1331亿美元。业内人士认为,国内新材料产业与国际先进水平仍存在较大差距,颠覆性技术的研发与投资将有助于提升国内新材料及先进制造业技术水平。(经济日报记者 王轶辰)

      文章来源:经济日报20160914

 

 

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