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  • 环保、经济,不是二选一

    新冠肺炎疫情给国家经济社会发展造成了重大冲击,兜住民生底线、稳住经济基本盘,是眼下最为迫切的任务。但同时,我们又该如何把握好特殊时期生...快速预览

    环保、经济,不是二选一

    新冠肺炎疫情经济冲击生态环境保护

    中国科学报 | 1天前

    “不能因为遇到困难、遇到挑战,就放松对生态环境保护的工作要求,就放松对环境监管和环境准入的要求。”


    新冠肺炎疫情给国家经济社会发展造成了重大冲击,兜住民生底线、稳住经济基本盘,是眼下最为迫切的任务。但同时,我们又该如何把握好特殊时期生态环境保护工作的节奏和力度?


    刚上任不久的生态环境部部长黄润秋,在首次亮相全国两会“部长通道”时给出了明确答案——生态环境保护工作将做到方向不变、力度不减、标准不降!


    这一强有力的信号再次表明,在中国,经济增长和环境保护之间已经不是二选一的选择题了。


    这并不意味着,在经济发展相对落后的地区,生态环境保护与区域谋求发展的矛盾已经彻底解决。正如青海代表团所提到的,那里的生态保护区域范围大,农牧民增产增收依然很困难。


    但是,解决矛盾的路径和方法是可以转变的。无论是大力发展生态环保效益型经济、循环经济,还是设立生态保护和高质量发展转移支付、建立健全生态补偿机制,只要坚持“改善生态环境就是发展生产力的理念”不动摇,我们的措施、办法就一定比困难多。


    建设生态文明,是一场生产方式、思维方式和价值观念的革命性变革,一旦起步就没有回头路。我们眼前面临的挑战越是艰巨,就越是考验政府的智慧和决心,也越能推动国家生态环境治理体系和治理能力现代化。


    从这个角度出发,我们也应该对黄润秋部长所说的“‘十四五’期间继续打好‘升级版’的污染防治攻坚战,大力推动生态保护与修复,努力扩大生态空间和生态容量”抱有信心。

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  • 北京大学制备高密度半导体阵列碳纳米管材料

    北京大学信息科学技术学院教授张志勇、彭练矛课题组发展全新的提纯和自组装方法,制备出高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首...快速预览

    北京大学制备高密度半导体阵列碳纳米管材料

    北京大学张志勇彭练矛碳纳米管新材料

    中国科学报 | 2天前

    北京大学信息科学技术学院教授张志勇、彭练矛课题组发展全新的提纯和自组装方法,制备出高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次开发了性能优异的晶体管和电路。5月22日,相关研究成果在线发表于《科学》。


    在诸多新型半导体材料中,半导体碳纳米管是构建高性能互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的理想沟道材料。已公开的理论计算和实验结果均表明,碳管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5纳米栅长,且较同等栅长的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能—功耗综合优势。碳纳米管集成电路批量化制备的前提是超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。长期以来,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级。


    该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120/微米、半导体纯度达99.99995%、直径分布在1.45±0.23纳米的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。基于这种材料,他们批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路。


    该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验中显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。(记者温才妃)

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  • 我国碳基半导体制备材料取得关键性突破

    记者从今天在北京元芯碳基集成电路研究院举办的媒体发布会上了解到:由该院中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过...快速预览

    我国碳基半导体制备材料取得关键性突破

    碳基半导体材料彭练矛张志勇北京大学新材料

    千龙网 | 3天前

    记者从今天在北京元芯碳基集成电路研究院举办的媒体发布会上了解到:由该院中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过多年研究与实践,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题。他们的这项研究成果已经被收录在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中。


    目前,大到航空航天、金融保险、卫生医疗等领域,小到智能手机、家用电器等数码家电所使用芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,该项技术被国外厂家长期垄断,国内电子产品所需要的芯片则大多依赖进口。据统计,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元,甚至超过了进口石油的花费。


    “采用硅以外的材料做集成电路,包括锗、砷化钾、石墨烯和碳,一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势,更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛院士说。


    以企业应用为例:与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。由于碳基材质的特殊性,它能让电路做到像创可贴一样柔软,这样的柔性器械,如果应用于医疗领域将使患者拥有更加舒适的检查体验;因碳基材质特点,在一些高辐射、高温度的极端环境里,采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务;谈到个人应用:碳基技术若应用到智能手机上,因其拥有更低的功耗,将使待机时间更加延长。“现在我们用手机看电影3个小时的可能就没电了。若将手机植入碳基技术的芯片,至少可以看上9个小时的电影都不会断电,且手机开多少个程序都不会出现卡顿。”北京元芯碳基集成电路研究院研发部负责人许海涛说。


    据了解,碳基技术也是西方发达国家一直研发预替代硅基的新技术。由于我国碳基技术起步较早,目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基COMS技术发展而来,近年来取得了一系列突破性的进展,极大地提升了我国在世界半导体行业的话语权。(记者 刘美君)


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  • 上海硅酸盐所在新型铁电陶瓷研究方面取得进展

    近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员董显林和王根水带领的研究团队发现了一种新型、高性能、无铅铁电材料(Ag0.935K0.065)N...快速预览

    上海硅酸盐所在新型铁电陶瓷研究方面取得进展

    上海硅酸盐研究所铁电陶瓷无铅铁电材料新材料

    上海硅酸盐研究所 | 3天前

    铁电陶瓷具有储能密度高、放电速度快、贮存性能稳定等特点,在近代科学和高新技术领域中具有重要应用。传统铁电材料中钙钛矿结构的锆钛酸铅(简称PZT)系列是应用面最广的铁电材料,也是目前国际上公认的、实现能量存储和爆电换能的理想材料。但是,随着新技术对高性能铁电材料需求的增加和环境友好型社会的发展,探索新型无铅铁电材料体系变得越来越迫切。


    近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员董显林和王根水带领的研究团队发现了一种新型、高性能、无铅铁电材料(Ag0.935K0.065)NbO3(AKN),该材料比目前所用的含铅铁电陶瓷具有更高的能量存储密度和更好的温度稳定性,可用于能量存储和爆电换能。该项工作提供了一种环境友好的铁电陶瓷材料,相关研究成果发表在Science Advances上,论文第一作者为中科院上海硅酸盐所与澳大利亚国立大学联合培养博士生刘振,王根水和刘芸为文章共同通讯作者,上海硅酸盐所为论文第一单位。


    新材料的设计采用AgNbO3(AN)作为反铁电相,KNbO3(KN)作为铁电相构筑铁电——反铁电相界,通过改变铁电相KN的含量实现AKN铁电陶瓷性能和相变压力的调控。与传统PZT系列铁电陶瓷相比,AKN铁电陶瓷具有更优异的储能密度和温度稳定性,使其在能量存储和爆电换能应用中具有更优异的综合性能。通过与澳大利亚国立大学教授刘芸团队和美国宾夕法尼亚州立大学教授陈龙庆团队合作,结合透射电镜分析、压力条件下原位中子衍射分析和唯象理论计算,揭示了AKN铁电陶瓷爆电换能行为的物理机制为压力诱导的氧八面体旋转从a-a-c+型转变为a-a-c-/a-a-c+型,这与压力诱导的、不可逆的铁电-反铁电相变有关。


    以上研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院仪器研制项目、中科院青促会和上海市扬帆计划等的资助。


    AKN铁电陶瓷的宏观性能:(A)AKN压力下的P-E曲线,(B)等静压下原位去极化曲线,(C和D)等静压下介电常数和介电损耗,(E)在6.9GPa冲击压力下的动态放电曲线,(F)与其他铁电材料的储能密度比较。


    AKN铁电陶瓷中子衍射:(A)不同状态的AKN铁电陶瓷,(B)不同等静压下极化AKN铁电陶瓷的原位中子衍射,(C)不同等静压下极化AKN铁电陶瓷中子衍射谱中1/2(321)和1/2(341)的积分面积,(D)不同等静压下未极化AKN铁电陶瓷原位中子衍射。


    AKN铁电陶瓷FE和AFE相的唯象模拟:(A)AKN组成-压力相图,(B)能量等值线,(C)AKN铁电陶瓷的能量分布,(D)AKN-0.08在不同等静压下的P-E曲线。

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  • 兰州化物所耐气蚀涂层材料研究获进展

    金属表面耐气蚀性能的显著改善已成为在流体介质中服役装备长寿命、高可靠性能提升的必然要求,借助各类表面涂层技术,优化和改善材料表面耐气蚀...快速预览


    金属表面耐气蚀性能的显著改善已成为在流体介质中服役装备长寿命、高可靠性能提升的必然要求,借助各类表面涂层技术,优化和改善材料表面耐气蚀性能是材料表面工程领域的研究热点。气蚀作为一种特殊的材料损伤现象,尤其是材料在海水介质中引发的气蚀孕育、发生、直至严重损伤过程因受到“腐蚀-气蚀”的耦合交互作用而更为复杂。


    中国科学院兰州化学物理研究所磨损与表面工程和聚合物摩擦学课题组利用热喷涂技术,采用具有优异耐高温耐腐蚀性能的Ni基合金粉末,制备了相关耐气蚀涂层材料。揭示了涂层晶体结构演变、物相、组织改善对涂层在人工海水中耐气蚀能力提高的机理;研究了涂层表面形成的腐蚀膜与涂层气蚀性能的交互作用并进行了深入剖析;通过对涂层气蚀斑区域进行电化学测试,分析了气蚀损伤的电化学腐蚀作用机制。


    研究表明,在海水介质中,涂层材料本身的力学性能、涂层中微缺陷的改善均可提升涂层的耐气蚀性能;耐腐蚀性能的提升会缓和气蚀的损伤过程,针对腐蚀-气蚀耦合作用,腐蚀会加剧气蚀损伤,但是所造成的最终材料失效,仍是以气蚀损伤为主。


    上述研究成果近期分别发表在Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology 和Applied Surface Science。


    以上工作得到中科院“青年创新促进会”优秀会员和国家自然科学基金的经费支持。

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  • 中国学者研发出基于自愈合大孔微球的新型肿瘤疫苗

    针对肿瘤免疫疗法中难以激发有效的免疫应答这个难题,过程工程所生化工程国家重点实验室生物剂型与生物材料团队马光辉研究员和魏炜研究员进行了...快速预览

    中国学者研发出基于自愈合大孔微球的新型肿瘤疫苗

    肿瘤免疫疗法过程工程所马光辉生物医药

    中科院过程所 | 4天前

    利用已批准的安全性好的简单材料,通过巧妙的设计使其发挥更高的性能,是剂型基础研究快速进入临床应用转化的重要策略。近日,过程工程所基于食品药品监督管理局(FDA)批准的聚乳酸简单材料开发出新型肿瘤疫苗,其独特的“抗原后包埋”、“多样化装载”、“免疫环境协同调控”等特性极大地提高了抗原利用率及细胞免疫应答水平,显著抑制了肿瘤进展。该工作发表于Science Advances(DOI:http://doi.org/10.1126/sciadv.aay7735


    肿瘤免疫疗法在2013年被Science评为十大科学突破榜首。在众多免疫疗法中,肿瘤疫苗能够调动机体自身的免疫细胞杀伤肿瘤,极具临床应用潜力。然而单独肿瘤抗原进入体内后免疫原性非常弱,难以激发有效的免疫应答。


    针对该难题,过程工程所生化工程国家重点实验室生物剂型与生物材料团队马光辉研究员和魏炜研究员进行了系统研究,发现和创制了一系列疫苗递送新剂型,在动物模型上已成功用于乳腺癌、黑色素瘤、淋巴癌等恶性肿瘤的预防和治疗,并且部分剂型已通过伦理批准进入临床前和临床研究。相关工作相继发表于Nat Mater 2018, 17, 187、Nat Commun 2017, 8, 14537、Adv Sci 2017, 4, 1700083、ACS Nano 2015, 9, 4925、ACS Cent Sci 2019, 5, 796、Small 2018, 14, 1704272、Biomaterials 2013, 34, 8291等期刊上。


    图1. 新型肿瘤疫苗剂型的制备及其免疫机制:基于独特的“后包埋”策略,高效装载肿瘤抗原(上);通过注射部位免疫微环境的协同调控,显著增强疫苗的免疫应答水平(下)


    针对抗原装载方法复杂、需要多次注射免疫、体内有效利用率低、交叉提呈较弱的问题,同时确保疫苗剂型安全性和成药性,该团队提出了基于聚乳酸(FDA批准材料)自愈合大孔微球的肿瘤新策略。利用聚乳酸较低的玻璃态转化温度,可以在温和条件下将溶液中的抗原有效封装在大孔球内部,这种简单独特的“后包埋”的方法不仅保护了抗原的生物活性,并且利于医院剂型的现场配置。


    同时,通过对微球尺寸和降解速率的合理设计,可以在注射部位分别实现对抗原提呈细胞募集和抗原释放的精准调控,最大化提升抗原的摄取效率。另外,聚乳酸降解后产生的乳酸分子可在注射部位产生微酸环境,以此促进Th1型细胞因子的分泌和抗原在细胞内的交叉提呈,进而强化后续的细胞免疫应答。


    据研究人员介绍,大孔微球可以作为疫苗的底盘,内部适合装载多肽、蛋白、核酸等多种亲水性抗原,而骨架还可以同时负载单磷酰脂质A(MPLA)、咪喹莫特等疏水性佐剂,以满足不同疫苗剂型的需求。


    基于上述优势,该肿瘤疫苗剂型单次注射后即可诱导高效且长期的特异性免疫应答,在乳腺癌、淋巴瘤、黑色素瘤等多种肿瘤模型和蛋白抗原、多肽抗原、新抗原上取得了优于商品化剂型(AS04)的疗效,并且展示出了非常好的安全性。该剂型目前正在与医院合作申请临床伦理,用于肿瘤新抗原的个体化免疫治疗。


    图2.自愈合大孔微球用于肿瘤新抗原的个体化免疫治疗:(A)新生抗原疫苗构建及接种策略;(B)脾多能CD8 T细胞百分比;C)瘤内效应CD8 T细胞切片染色及亚型分析;(D)瘤内T reg细胞切片染色及统计分析;(E)抑瘤曲线及抑瘤率


    中国科学院过程工程所习晓博博士及叶通博士生为该论文共同第一作者,魏炜研究员及马光辉研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、中科院战略先导科技专项和国家自然科学基金群体项目的支持。

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  • 中国学者热解废弃生物质取得重要进展

    中国科学技术大学20日消息,该校科研人员在热解生物质废弃物资源化利用研究方面取得重要进展。快速预览

    中国学者热解废弃生物质取得重要进展

    中国科学技术大学热解生物质废弃物资源化利用

    中新网 | 8天前

    中国科学技术大学20日消息,该校科研人员在热解生物质废弃物资源化利用研究方面取得重要进展。


    废弃生物质既是环境污染物,同时也是可再生原料。热解是废弃生物质资源化利用的重要技术之一。通过缺氧条件下的生物质热解,可以得到可再生的生物油、生物炭和一部分热解气。然而,目前存在两个严重阻碍热解技术商业化应用的关键问题,一是热解生物油不稳定易老化变质、且成分复杂难以分离提质,二是热解过程产物价值较低,产品缺乏市场竞争力。


    针对这一难题,中国科学技术大学江鸿教授课题组与俞汉青教授课题组合作,通过耦合快速热解、常压蒸馏及化学蒸汽沉积技术,分别成功制备了高热值且稳定的固相生物煤和高性能的碳纳米材料(少层石墨烯和碳纳米管),为实现废弃生物质热解技术商业化应用提供了重要的技术支撑。


    生物质原料(农林废弃物和有机固体废物等)通过热解得到的生物油是一种可再生资源,国内外研究者一直致力于生物油的催化提质和分离,期望获得高附加值的化学品或优质燃料。然而,生物油的成分复杂且不稳定等,使催化提质过程难以持续。


    课题组研究发现,通过常压蒸馏过程参数控制,实现生物油快速结焦可以得到一种新的固体燃料。分析显示不同生物质原料(稻壳、锯末、麦秸秆、甘蔗渣、大豆秸秆等)得到的生物煤热值与商用煤热值相当。且生物煤具有性能稳定、低含硫量、不含重金属等环境友好性。模型研究还表明我国生物煤生产潜力可达402百万吨标准煤。相关研究成果发表于Science Advances上。


    除了生物油以外,分析结果显示热解气中包含小分子碳有机物,是制备碳纳米材料的潜在前体。研究人员通过优化热解条件,不仅可以直接使用废弃生物质(锯末和麦秸秆)热解气通过化学蒸汽沉积方法制备3D石墨烯,还可以通过改变热解沉积条件得到碳纳米线。相关研究结果发表在Nature Sustainability上。(记者 吴兰)

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  • 石墨烯能让碳纤维变得更硬更坚固且更便宜

    目前,碳纤维每磅成本约为15美元,而这项新突破背后的研究人员希望有朝一日能将这一价格降至5美元。由来自宾夕法亚州立大学、弗吉尼亚大学和...快速预览

    碳纤维石墨烯聚合物新材料

    浏览量 7 cnBeta.COM | 9天前

    石墨烯能让碳纤维变得更硬更坚固且更便宜

    碳纤维石墨烯聚合物新材料

    cnBeta.COM | 9天前

    据外媒报道,碳纤维具有超强的强度和硬度,而且重量相对较轻,是工程师们喜欢用在各种对象上的材料,而不仅仅局限于顶级自行车、汽车和飞机。不过这种材料却有着一个非常明显的劣势,那就是成本高昂从而限制了它的使用,不过现在,一组科学家发现,通过向生产混合物中添加少量的石墨烯可能会成为不仅让碳纤维变得更能负担得起同时还能变得更坚固、更硬。



    目前,碳纤维每磅成本约为15美元,而这项新突破背后的研究人员希望有朝一日能将这一价格降至5美元。由来自宾夕法亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的科学家组成的研究小组希望通过调整昂贵的生产过程来逐步实现这一目标,进而最终能达到让碳纤维成为大规模汽车制造商的可行选择的目标。


    宾夕法尼亚州立大学机械和化学工程教授Adri van Duin指出:“尽管碳纤维有很好的特性,但按照现在制造碳纤维的方式,它们会让汽车变得更加昂贵。如果你能让这些特性更容易被制造出来,那么你就能让汽车明显变轻、成本得到明显降低,同时还能让它们变得更安全。”


    据了解,制造碳纤维高昂的一个关键原因是其由一种昂贵的聚合物聚丙烯腈(PAN)制成。这种材料的生产成本占总成本的50%左右,并且在生产过程中需要大量的能量,这主要是由于将聚合物转变成长而坚固的碳基原子链所需的极端温度条件。


    首先需要将PAN纤维加热到200- 300°C进行氧化,然后将汞加热到1200 - 1600°C使原子转化为碳。之后,将它们进一步加热到2100°C从而将材料中的分子排列起来并由此形成以坚硬和坚固著称的碳纤维。


    对此,研究团队开始探索如何将其他材料加入到混合物中以减少对PAM的依赖并提高生产过程的效率以及可能生产出性能更好的材料。通过实验,研究小组发现在第一阶段加入少量的石墨烯--重量浓度仅为0.075%--可以带来一些令人印象深刻的结果。


    据了解,这种添加剂使得碳纤维的强度比标准碳纤维高出225%、刚度比标准碳纤维高出184%。根据该团队的分析,这是因为扁平的石墨烯结构使PAN中的分子具有更大的一致性,同时PAN也会在石墨烯边缘凝结。


    虽然这项技术已经在一定程度上降低了生产成本,但该团队目前正在探索如何将其他更便宜的前体材料引入混合生产中。最终,他们希望这可能意味着一些生产步骤被完全取消。


    相关研究报告已发表在《Science Advances》上。

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  • 上海交通大学提出随机化共振超材料结构

    上海交通大学机械与动力工程学院教授何清波研究组提出了随机化共振超材料结构,突破了单传感器振动溯源技术难题。该成果论文近日发表于《自然—...快速预览

    上海交通大学提出随机化共振超材料结构

    上海交通大学何清波随机化共振超材料新材料

    中国科学报 | 9天前

    

    随机化共振超材料结构破解单传感器振动溯源技术难题


    上海交通大学机械与动力工程学院教授何清波研究组提出了随机化共振超材料结构,突破了单传感器振动溯源技术难题。该成果论文近日发表于《自然—通讯》。


    在自然界,蜘蛛可以灵敏感知和定位落在蛛网上的昆虫的振动。像蜘蛛一样利用传感器对远处的振动激励进行感知和定位即为振动溯源,在医疗健康监测、机器故障诊断、智能设备和物联网等领域具有重要的应用价值。传统的振源辨识技术通常依赖于多个分布式传感器或传感器网络,测试系统复杂且功耗较高。


    为了突破传统振源辨识技术受传感器数量限制的瓶颈,何清波等人利用超材料结构原理,提出了振动传递特性设计和调控的思路。超材料是一种自然界不存在的人工复合材料,具有超常的动力学特性。研究人员提出了随机耦合振子动力学理论,建立了一种融入等效负质量特性的动力学分析方法,并以此指导设计了随机耦合局域共振超材料结构模型,该模型包含多个具有随机共振频率且无序耦合的局域振子。


    研究人员发现,该超材料结构模型局域振子等效质量的随机分布与耦合产生了高度不相关的空间振动传递特性,这形成了振动传递特性编码设计的物理机制。研究人员进而利用振动传递编码特性构造了压缩感知算法的观测矩阵,仅利用一个振动传感器的测量信号,实现了对多源宽带振动激励的高精度辨识,并且证明了该方法具有噪声鲁棒性。


    该超材料结构形式具有灵活的单元可重构性,可以满足不同应用场合的需求。研究人员还创建了一种基于单传感器振动溯源的可用于指令、通信、加密和触摸传感的新型人机交互方式。(记者黄辛)

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  • 南科大机械系邓辉团队在金属材料的超精密加工领域取得新进展

    近日,南方科技大学机械与能源工程系助理教授邓辉研究团队在机械制造领域顶级期刊International Journal of Mach...快速预览

    南科大机械系邓辉团队在金属材料的超精密加工领域取得新进展

    南方科技大学邓辉金属材料抛光加工技术纳米

    南方科技大学新闻网 | 9天前

    导读:抛光加工是保证表面质量不可或缺的技术手段。本文提出了一种基于各向同性刻蚀轮廓包络原理的抛光技术,可获得纳米级超光滑表面,而且适用于多种常见金属材料,具有普适性和显著的工业应用价值。可以加工具有复杂外形和内腔结构的金属零件,加工效率高且加工后表面无残余应力。


    近日,南方科技大学机械与能源工程系助理教授邓辉研究团队在机械制造领域顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上发表最新研究成果,提出了一种基于电化学各向同性刻蚀轮廓包络原理的金属材料普适性抛光加工技术。


    论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103517



    抛光是一种常见的表面加工技术,主要目的是降低表面粗糙度、去除损伤层,最终获得光滑且无损伤的高质量表面。无论是日常生活中的消费用品还是制造技术高度集成的半导体芯片,抛光加工都是保证表面质量不可或缺的技术手段。近年来,在金属材料超精密加工领域,具有复杂外形和内腔的金属零件的抛光一直是工业界所面临的技术难题。传统的诸如化学机械抛光、激光抛光以及磁流变抛光,都存在“刀具干涉”问题。如何在不破坏金属零件的面形精度的前提下,高效率获得纳米级光滑表面,是目前亟待解决的技术难题。



    图1. 各向同性刻蚀轮廓包络抛光原理图


    受单点金刚石超精密车削加工的刀尖轨迹包络原理启发,课题组提出了一种基于各向同性刻蚀轮廓包络原理的抛光技术(图1):在抛光液的钝化作用下,金属表面生成一层钝化膜;在电场的作用下,钝化膜的薄弱位置优先发生击穿放电;通过阿伦尼乌斯公式优化相关参数,击穿位点可实现密度可控的各向同性刻蚀反应;随着各向同性刻蚀的进行,刻蚀坑不断扩展并相互融合完成包络;最终原始粗糙表面被超光滑表面取代。



    图2. 抛光过程的建模分析


    根据上述抛光原理,课题组对抛光过程中材料表面的形貌变化以及粗糙度变化进行了建模分析,其结果如图2所示。抛光开始阶段,由于刻蚀坑的形成,表面粗糙度逐渐增加;随着抛光的进行,表面刻蚀位点互相融合取代了原始粗糙表面,表面粗糙度迅速降低;最后,初始表面被完全取代,转变为超光滑表面。从该模型可知,基于提出的包络抛光原理,理论上可获得亚纳米级超光滑表面。



    图3. 钛的刻蚀轮廓包络抛光过程的轮廓与形貌演变


    以钛(TA2)的超精密抛光为例(图3),课题组通过对电解液和击穿电压等参数的优化,实现了材料表面的各向同性刻蚀。抛光所形成的刻蚀坑呈现规则的半球形,密度可控,内表面具有纳米级粗糙度(Sa=1.13nm)。研究结果表明,此方法对TA2可实现15.1m/min的高效率去除,在抛光3分钟后表面粗糙度Sa从64.1nm迅速降低到1.23nm,高效率获得了纳米级表面。


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    图4. 各种金属材料的抛光效果图


    同时,研究团队也将这一抛光技术应用到了其他典型金属材料,如镍磷合金、镍钛合金、304不锈钢、6063铝合金、Inconel718合金等。如图4所示,抛光后的样品表面都具备了镜面效果,也都获得了纳米级表面粗糙度。这一结果表明:研究团队提出的各向同性刻蚀轮廓包络抛光技术可作为一种普适性抛光加工手段应用于常见金属材料,具有显著的工业应用价值。


    邓辉介绍,此项研究所提出的刻蚀轮廓包络抛光技术避免了使用传统抛光工艺所不可或缺的刚性工具,因此该技术不存在“刀具干涉”问题,可以加工具有复杂外形和内腔结构的金属零件,加工效率高且加工后表面无残余应力。此外,由该技术的加工原理可知,这一技术适用于绝大部分的金属材料,具有较强的通用性。未来,这一技术有望在航空航天和汽车零部件等领域投入应用,也可解决3D打印金属零件的后处理难题。


    邓辉课题组2019级博士生易蓉为文章第一作者,邓辉为文章通讯作者,南方科技大学为通讯单位。该研究获得了深圳市科技创新委员会国际合作项目和深圳市海外高层次人才创新创业项目的资助。

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