好莱坞电影《终结者》中具有变换莫测的不死之身的未来战士给观众留下了深刻的印象,见图1。他们无坚不摧,而且破碎后能够像液体一样自然流动然后自动修复成原来的样子。科幻电影中的神奇现象在现实生活中有他对应的材料。 这就是金属玻璃(metallic glass),也称为液态金属(liquid metal)或 非晶态合金(amorphous alloy)。那什么是金属玻璃?这类材料又有什么样的优异性能呢?
金属玻璃透明吗?一般金属玻璃是不透明的(块体、普通条带),但是当厚度降到纳米级别后就变得透明了。是否透明(透射可见光)是由材料的电子结构决定的,很多晶态的绝缘体(如NaCl,氧化物、聚合物)也都是透明的。所以透明不是玻璃的本质;原子无序排列是玻璃的本质。
金属玻璃是金属吗?大部分金属玻璃体系都是由100%金属组成的合金,比如Fe,Co,Cu,Zr,Al, Ni,Mg,Zn,Ca,Yb,Ce等。但是也有好多体系包含非金属(或类金属)元素,比如Si,C,P,B等,含量可能达到20 at.%以上。但是金属玻璃都是导电的,电阻率比普通金属高1~2个数量级,具体和成分和制备条件相关。但是与普通金属的区别是金属玻璃拥有无序的原子堆积结构,这和普通金属中的原子晶格结构完全不同。这个可以通过高分辨透射电子显微镜观察到,如图二。
这种无序的原子结构决定了金属玻璃拥有很多晶态金属无法企及的优越性质,比如高强度、高弹性、高硬度、耐腐蚀、耐摩擦等等。那么金属玻璃的强度有多高呢?金属玻璃家族的屈服强度分布于从0.5GPa到6GPa的范围,而已知的铁基或钴基金属玻璃强度一般为3~6GPa。 这个数字是什么概念呢? 假如拿一个重约1.5吨的小汽车来说,如果用普通钢材支撑它,大概需要7~10根直径2毫米的钢筋,而改用铁基金属玻璃我们只需要1根就够了(如图三所示)。
那为什么“未来战士”具有自修复功能呢? 一般来说,物质有三种状态:固态、液态、气态。 固态物质形状比较稳定,而液态和气态可以自修复,正所谓“抽刀断水水更流”。 加热可以从固态转化到液态,对于一般晶态金属来说,这个转化过程称为熔化;而玻璃作为固体的一种,加热也可以转化为液态,但是这个过程称为玻璃化转变。对于同一物质的玻璃态和晶态来说(比如硅),其玻璃转变温度大约是熔化温度的0.5~0.6倍(如图四所示)。因此,和晶态相比,玻璃态更容易转化成液态从而发生自愈合。
除了这两方面性质,金属玻璃还有很多优异的性能,比如优异的软磁性能,抗腐蚀能力,高弹性等等。虽然越来越多的表观性质被大家所认识,但是仍然有很多性质还没有得到开发利用。与这些性能相关的很多基本物理问题依然不清楚。需要继续深入研究。
石油有着“黑色黄金”、“现代工业的血液”的美誉,在现代工业及能源中扮演着重要的角色。然而,近些年随着海洋资源开采与运输的日趋频繁,海洋石油泄漏等突发事件发生频率越来越高,由此带来的海洋环境污染与经济损失也越来越严重,如“埃克森•瓦尔迪兹号”油轮泄漏、美国墨西哥湾原油泄漏、蓬莱油田溢油等事故不仅造成了巨大的经济损失而且对海洋生态环境也造成严重的破坏。
海洋溢油应急处理方法
图1 海洋溢油应急处理方法及主要问题
溢油事件发生后,一般采取先围控,限制溢油的扩散,然后通过物理、化学、生物等方法进行处理(图1)。
物理方法中利用吸附材料对溢油进行吸附、回收与再利用,是溢油处置的有效方法。溢油吸附材料一般为多孔亲油材料,通过毛细作用力可将溢油吸附并存储在材料的孔洞中,经过离心、挤压等外力可回收孔洞中吸附的溢油。
常用的吸附材料主要有:无机多孔吸附材料,如珍珠岩、黏土、沸石;天然有机材料,如木纤维、秸秆、木屑;合成吸附材料,聚丙烯纤维毡、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯纤维等。由于溢油容易扩散、挥发,且在海浪作用下容易乳化,因此,用于溢油处置的吸附材料必须具备吸油速率快、吸油倍率高、吸水率低等特征。
但是,这些传统的吸附材料油水选择性差,吸油的过程中吸水;对高粘度油吸油速率慢,效率低,制约了吸附材料在溢油应急中的应用。
如何提高吸附材料油水选择性
图2 固体表面接触角示意图
理想的溢油吸附材料应该只吸油不吸水,如何实现吸附材料只吸油不吸水,还要从固体表面润湿性谈起。
我们利用接触角θ来评价液体能否在固体表面铺展。在空气中,将一液滴置于理想固体表面(固体表面绝对光滑、性质均一),接触角θ(图2)是固-气-液这个系统能量最低时,固-气界面与液-气界面之间所形成的夹角,1805年由英国物理学家T.Young 提出。可以根据液体接触角判断液体在固体表面的润湿性,通常以90°为界,θ>90°为疏液(液体不能在固体表面自发铺展),θ<90°为亲液(液体能够在固体表面自发铺展)。
所以吸附材料不吸水只吸油需要尽可能大的提高材料对水的接触角而降低对油的接触角,即提高材料的疏水性与亲油性。如何设计这种高选择性的吸附材料呢?
海洋超疏水-超亲油油水分离材料设计
图3 鹅与鸭子羽毛的结构
图4 超疏水表面示意图
近年来兴起的仿生技术为溢油处置吸附材料的发展提供了新思路。自然界中如鸭子、鹅等的羽毛遇水而不粘水但很容易粘油,因为这些动物羽毛表面具有独特的微纳米结构(图3)及低表面能分子。
一方面低表面能分子与水的相互作用力非常低,使得水滴在低表面能分子构成的表面上趋于收缩成球状;另一方面微纳米结构可以困缚表面空气形成空气层(图4),降低固体表面与水的接触面积。在微纳米结构与低表面能分子的协同作用下,水滴在这个表面接触角大于150°并且在很小的倾斜角度(小于10°)下便可以滚动,这就是所说的超疏水状态。而由于油的表面张力(γlv = 20-30 mNm-1)远小于水的表面张力(γlv = 72.1 mN m-1),因而能够自发润湿众多表面表现出超亲油状态(油接触角小于10°)。
因此,通过表面微纳结构的设计和低表面处理,可有效提高吸油材料吸油、憎水性,同时由于表面微纳结构导致的毛细作用力,使得其对油层的吸附能力大大增强。
海洋超疏水-超亲油油水分离材料研究及规模化生产
图5 超疏水-超亲油溢油吸附材料及规模化生产
日前,中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队研制了系列超疏水-超亲油材料,基于这些材料开发新型智能溢油应急装置。
通过对材料的孔径控制、结构设计及表面能调控,研制了超疏水-超亲油金属和高分子材料,分别实现对水上原油、重油、轻油、柴油、汽油、有机化学液体及水下有机化学液体等的高效吸附与回收。此外,为适应苛刻的海洋环境,研制了高耐蚀涂层。
目前,相关技术及生产线已经转移转化,在上海奉贤、山东东营建立了两个生产基地,形成日产60000平米生产规模。基于本技术开发了超疏水吸油毡材料、超疏水三维织物材料、超疏水网材料、高性能围油栏材料、水下有机物吸附材料等系列产品。
海洋超浸润油水分离智能装备系统
图6 海洋超浸润油水分离智能装备系统示意图
基于研制的吸油网和吸油多孔材料,海洋环境材料团队正在联合上海北斗产业园区相关企业开发5万平方米的智能海洋溢油应急装备系统。
该智能溢油应急系统能够利用北斗导航系统和无人机,通过溢油海域图像处理系统检测溢油事件。当发现溢油时,系统会选择相应溢油回收装置,并自动指挥无人船及溢油回收装置前往溢油事故地点,进行海域溢油事故的处理。由于亲油疏水材料的超疏水特性,其在水面中拖行时具有极低的阻力,因此该系统采用两艘无人船将吸附材料高速拖行至溢油事故地点。
吸附材料内置仿生吸油管道、网状结构体、管道泵、两级提纯系统、在线油含量检测系统。材料吸附油渍后,通过管道泵,逐级进入提纯储油囊,利用储油囊中的超疏油-超亲水材料,对油进行逐级分离与提纯,最后运至储油船,吸附材料外层采用网状柔性纤维结构,防止波浪打散或损坏材料,在线监测装置对吸油后的海水进行在线检查,检查海域水质是否达标,如果海域水质不达标,系统将再次进行清理。
该研究成果有望在溢油事件发生时实现溢油的快速、高效处理与回收。
转自中科院之声
据外媒报道,正如许多不锈钢面板冰箱的拥有者所知,不锈钢上的指纹往往非常明显。然而,新的透明涂层可以以三种方式帮助减少指纹。这实际上是一种清漆,这种“溶胶/凝胶纳米漆”由德国的FEW化学品公司开发,并由弗劳恩霍夫材料与系统微结构研究所的团队进行评估。
首先,它是超疏水和疏油的。换句话说,它是防水和防油的,限制了手指油脂最初粘在它上面的程度。此外,它含有微小颗粒,使涂层表面具有微观粗糙的纹理,由微小的“峰谷”组成。其结果是,任何脂肪并坚持只附着于“峰”,未达到下面的“谷”-所以有较少的接触面积。
最后,清漆的折射率与手指油脂的折射率相同。这意味着无论光线是打击涂层表面的清洁部分还是涂有脂肪的部分,该光线都以相同的方式反射,因此指纹区域具有与清洁区域相同的外观。
Fraunhofer研究人员目前正在开发各种版本清漆的测试系统,其中将指尖状印章浸入与皮肤油成分相似的溶液中,然后压在涂层钢样品上。然后使用光谱和光学技术的组合来自动评估这些样品中剩余多少溶液,以及它的可见程度。
研究人员希望清漆能够在2020年年底之前投入大规模生产。
以上编译内容转自:CNBETA仅供参考学习。
潮湿、腐蚀、进水是造成电子产品寿命降低或损坏的重要因素,在电子产品表面涂敷防护涂层,是提高电子产品使用寿命的重要方法之一。
目前大多数电子产品采用三防漆和派瑞林涂层实现防水与防护,然而由于三防漆和派瑞林涂层相对较厚,涂敷于电子产品表面后影响产品的外观、导电性、散热性和信号传输性。因此如何利用纳米级别涂层替代三防漆和派瑞林,在保证防水、防护性能的同时,尽量减少其对产品的外观、导电性、散热性和信号传输性的影响,是电子产品防水涂层研发过程中需要解决的关键技术问题。
中国科学院宁波材料工程与技术研究所与江苏菲沃泰纳米科技有限公司于2016年6月开始合作,并签订技术开发合同,组建了以曾志翔研究员(中科院青年创新促进会会员)、王刚博士、宗坚(菲沃泰)等成员为主的研发团队,联合开展低温等离子体纳米涂层装备与关键技术研究。经过两年的合作与努力,研究团队在设备方面攻克了全自动一体化设计与在线监控技术,流场与温度场均匀性控制技术,行星台架自适应旋转技术,等离子体场、电场、化学场的优化融合技术系列关键难点,开发了FT-X系列低温等离子体纳米涂层制备设备,解决了涂层生产效率、质量、均匀性、成品率及性价比等方面存在的问题。在纳米涂层工艺上攻克了单体功能团合成与调控技术和涂层多尺度结构控制技术,构建了多尺度梯度纳米涂层体系,解决了防水、防护与散热、透波性、导通性的矛盾。根据客户要求,开发了20nm-T系列、100nm-S系列和200nm-G系列以及400nm-Z系列防水纳米涂层,分别实现了电子产品IPX3级、IPX5级、IPX7级、和客户自定义级防水,并实现量产。目前技术在华为、Vivo、小米、Oppo等高端手机及无人机、汽车、海洋工程等电子产品中广泛应用,同时在苹果、三星等国际公司进行量产可行性论证。
水泡手机演示
该研究成果突破了国外技术垄断,形成了具有自主知识产权的系列技术。相关技术综合指标领先国内外同类企业,达到国际先进水平,在电子产品防水涂层领域市场占有量稳居全国以及全球第一,为客户节约了大量生产成本和售后服务成本。
不忘初心,牢记使命。总书记曾指出:“广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上,把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中”。中科院宁波材料所始终以“推进技术进步、促进社会发展”为使命,和江苏菲沃泰纳米科技有限公司在该领域的产学研合作,正是“论文写在祖国大地上”的具体体现。(表面事业部 曾志翔)
本文转自:宁波材料所,仅供参考
■本报记者 沈春蕾
潮湿、腐蚀、进水是造成电子产品寿命降低或损坏的主要原因。在电子产品表面涂敷防护涂层,是提高电子产品使用寿命的重要方法之一。目前,大多数电子产品采用三防漆和派瑞林涂层实现防水与防护。因相对较厚,涂敷于电子产品表面后,影响产品信号传输性等。因此,电子产品如何防水防护一直是摆在科学家面前的难题。
日前,记者从中科院宁波材料所获悉,该所海洋环境材料研究团队攻克了电子产品低温等离子体防水涂层关键技术,相关产品已在华为、vivo、小米、OPPO等高端手机与无人机、汽车、海洋工程等电子产品中广泛应用。
海洋环境材料研究团队负责人、中科院宁波材料所研究员曾志翔告诉《中国科学报》记者:“我们团队与江苏菲沃泰纳米科技有限公司联合开发了一系列防水纳米涂层产品,现居国内电子产品防水涂层领域市场占有量的首位,并在苹果、三星等国际企业进行量产可行性论证。”
从亲油疏水材料说起
曾志翔告诉记者,海洋环境材料研究团队由薛群基院士取名,团队早前完成了高性能亲油疏水材料的研发。
随着海洋经济发展,海洋运输、开采过程中的石油泄漏等突发事件频繁发生。在货轮靠岸时,船舶压舱水、洗舱水、机舱污水的排放也会导致大量含油废水产生。这些含油污水给海洋生态环境带来了巨大危害。
传统溢油应急清理方法存在诸多不足之处。比如,传统吸附材料吸油的同时也吸水,回收油较为困难;对油污处理速度较慢,效率较低;残留的薄油层分散到水里,形成乳化油,严重影响海洋生物的生长。
为此,宁波材料所组建了海洋环境材料研究团队,团队先后研发了高性能亲油疏水材料、超疏水吸油毡材料、高性能围油栏材料等系列海洋溢油回收产品,相继在胜利油田、中石化、中船重工等相关企业储备与广泛应用。
正是有了亲油疏水材料的技术积累,团队开发防水材料也就水到渠成。曾志翔指出,这两种材料都是通过调控涂层的微结构和表面能来实现的,其中亲油疏水材料是通过液相方法,防水材料是通过真空气相方法,因为大多数电子产品是不能通过溶液液体处理的。
企业嗅商机求合作
曾志翔说:“如何运用纳米级别涂层替代传统产品,在保证防水、防护同时,尽量减少其影响产品外观、导电性、散热性和信号传输性,是需解决的技术难题。”
2016年,一家来自江苏的企业敏锐地嗅到了电子产品防水涂层市场的商机,多方打听来到宁波材料所,希望能与海洋环境材料研究团队进行合作,开发低温等离子体纳米涂层装备与关键技术。
在设备方面,海洋环境材料研究团队攻克了全自动一体化设计与在线监控技术,等离子体场、电场、化学场的优化融合技术系列等关键难点,开发了FT-X系列低温等离子体纳米涂层制备设备,破解了涂层生产效率、质量、均匀性、成品率与性价比等方面难题。
在纳米涂层工艺上,团队攻克了单体功能团合成与调控技术和涂层多尺度结构控制技术,构建了多尺度梯度纳米涂层体系,解决了防水、防护与散热、透波性、导通性间的矛盾。
经过两年努力,海洋环境材料研究团队开发了一系列防水纳米涂层,分别实现了电子产品IPX3级、IPX5级、IPX7级和客户自定义级防水,并实现量产。
技术领先于国内外同行
经过测试,电子产品穿上海洋环境材料研究团队设计的“防水衣”,在水深1米的情况下浸泡1小时,捞上来后仍能正常使用。
据悉,当前电子产品主要采用结构防水和涂层防水两种方式,通常结构防水可以达到IPX7级,但是成本较高,工艺复杂;涂层防水成本较低,但是通常防水级别相对较低,很难达到IPX7级。
曾志翔介绍道:“我们通过工艺和设备的持续创新,用涂层的方法,低成本实现电子产品的IPX7级以上防水效果。相关技术综合指标领先国内外同类企业,突破了国外技术垄断,形成了具有自主知识产权的系列技术,已为企业节约了大量生产和售后服务成本。”
团队对比国内外企业的一些同类产品后发现,生产低温等离子体纳米涂层的操作工艺简便、自动化程度高、只需要2个工人即能管理一条日产数万个产品的生产线;使用该涂层的电子产品防水性好,无须增加密封件,仅通过涂层即能实现IPX7级防水,“目前未见国内外其他科研单位和企业的量产技术达到这个水平”。曾志翔说。
另外通过密封件实现的防水技术,当产品摔落几次后,密封件难免出现缝隙,导致防水等级降低。曾志翔说:“我们的涂层防水产品,从1米高处摔落18次后仍然能保持防水性能不降低;涂层产品经过紫外老化测试100小时后,仍然能保持原有防水性能不降低。”
当前,低温等离子体纳米涂层产品已占国内电子产品防水涂层市场的70%,曾志翔认为这项研究本身就是以市场为导向,后续还会采纳市场反馈,进一步投入研发,解决客户提出的问题。“电子产品更新换代非常快,这要求技术不断推陈出新,希望能满足更多客户的需求。”
(原文刊登于2018年7月30日《中国科学报》第6版)
【原文链接】http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/7/337579.shtm?id=337579
隔膜在锂离子电池中主要起到导通锂离子和隔绝正负极之间电子接触的作用,是支撑电池完成充放电电化学过程的重要构件。当电池出现过充或者温度升高时,隔膜需要有足够的热稳定性(热变形温度>200 oC),以有效隔离电池正负极间的接触,防止短路、热失控甚至爆炸等事故的发生。目前广泛使用的聚烯烃隔膜,其熔点及软化温度都较低(< 165 oC),难以有效保证电池的安全性,而其较低的孔隙率及低表面能则限制了电池倍率性能的发挥。在大力发展高安全性动力锂电池的市场需求下,针对不同应用方向的锂电池研究和开发相匹配的新型耐高温隔膜已经成为一个重要方向。
宁波材料所动力锂电池工程实验室联手大连化学物理研究所储能技术研究部创新性地发展了一种新型耐高温多孔隔膜。这种多孔隔膜可通过湿法过程一次成型制备,制备成本低,易于放大。初步研究结果表明,隔膜的热变形温度远高于200℃,与商品化的无纺布隔膜的热稳定性相当,可有效保障电池安全性。同时,这种多孔膜具有高孔隙率及高曲率的孔结构,能够在保证电池容量发挥的同时有效避免电池的微短路及自放电现象 (图1),为高安全性锂电池更为理想的选择,相关研究已申请中国发明专利(201410043479.7)。该研究工作已发表在Scientific Reports 2015, DOI:10.1038/srep08255。
图1 耐热多孔隔膜及其电化学稳定性、自放电行为和锂电池循环性能
受液流电池隔膜工作原理的启发,近期,两实验室研究人员又共同探索了具有超薄离子可交换功能层的耐热复合隔膜在锰系锂离子电池中的应用。所选用的离子交换功能层为含氟材料,能够增强隔膜的热稳定性。研究发现该类隔膜可以通过降低溶解锰离子对负极造成的破坏而起到缓解锰系锂电池高温容量衰减的作用(图2)。该工作目前已被Journal of Materials Chemistry A(DOI: 10.1039/C4TA06908K)接收。
除了上述研究,动力锂电池工程实验室的研究人员还发展了基于三维耐热骨架的凝胶复合隔膜(Journal of Materials Chemistry A 2014, 2, 9134–9141;Journal of Power Sources 2014, 271, 134-142)。该隔膜通过二次复合工艺可赋予隔膜优异的耐热性、阻燃性和高安全性,更适合大倍率充放电的锂电池使用。
而通过优化陶瓷隔膜涂层所用的陶瓷材料,实验室科研人员还制备了一种新型陶瓷隔膜,与传统陶瓷隔膜对比发现这种隔膜在大倍率高电压锂电池中具有良好应用(Journal of Power Sources 2015, 273, 389-395)。此项研究已申请中国发明专利(201410284617.0, 201510042292.X)。
上述研究工作得到了国家自然科学基金(Grant No. 51403227)、中国博士后科学基金(Grant No. 2014M551781)及宁波市自然科学基金(Grant No. 2014A610048)等项目的支持。
图2 具有超薄离子可交换功能层的复合隔膜在锰系锂离子电池中的工作原理示意图
(动力锂电池工程实验室 石俊黎)