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  • 二氧化碳可用于手机电池回收

    一项新技术使用被捕获的二氧化碳从智能手机电池中提取有用金属,这使其变得更经济。快速预览

    二氧化碳可用于手机电池回收

    法国里昂大学二氧化碳智能手机电池

    中国科学报 | 1天前

    

    手机回收对环境有利。图片来源:BEHROUZ MEHRI/Getty


    一项新技术使用被捕获的二氧化碳从智能手机电池中提取有用金属,这使其变得更经济。


    法国里昂大学的Julien Leclaire说,在注入二氧化碳的同时提取有用金属,是为一个成本密集型的过程增加价值。


    二氧化碳排放是气候变化的主因,因此许多人尝试用技术来捕获它,并将其储存在地下。但问题是,这样的碳捕获和碳储存太昂贵了。“没有人想为此买单。” Leclaire说。


    为使碳捕获和碳储存更具吸引力,Leclaire及其团队发现了二氧化碳的新用途。


    Leclaire及同事使从汽车尾气中收集的二氧化碳冷却,随后将其注入一种叫做多胺的化学混合物中。二氧化碳和多胺结合,形成了许多不同形状和大小的分子。


    研究小组发现,这个过程可以区分金属混合物。在一系列实验中,他们成功分离出镧、钴和镍——这些金属都被用于电池、智能手机、电脑和磁铁。


    如果这一工艺能够扩大规模,将是一种更环保的电池和其他电气设备回收方法。电池等的回收通常使用酸这样的高活性化学物质,会造成潜在污染。Leclaire说,用二氧化碳来替代,将大大减少回收过程的环境足迹。


    其他研究人员和公司正试图将捕获的二氧化碳转化为有用的材料,比如通常由石油原料生产的塑料,但这在化学上是困难的。 Leclaire认为,他的方法更符合二氧化碳的自然属性。“与其模拟利用石油原料做更好、更便宜的事,不如寻找一些只能用二氧化碳做成的事。”(文乐乐)

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  • 美开发快速溶解植物纤维新工艺

    美国一研究团队开发出一种基于氨:铵盐溶剂的预处理工艺,可以更快速地溶解植物纤维,从而大大降低利用植物生产生物燃料的成本。相关研究论...快速预览

    美开发快速溶解植物纤维新工艺

    美国预处理工艺植物纤维生物燃料生物质能源

    科技日报 | 1天前

    美国一研究团队开发出一种基于氨:铵盐溶剂的预处理工艺,可以更快速地溶解植物纤维,从而大大降低利用植物生产生物燃料的成本。相关研究论文发表在最新一期的《绿色化学》杂志上。


    秸秆、柳枝、树叶等植物废料中,具有紧密堆积的结晶纤维素,这种纤维素很难被酶或微生物分解,让植物性物质转化为生物燃料或生化物质变得更困难。在过去的100多年里,科学家研究出了几种可以分解纤维素结晶的溶剂,但这些溶剂要么十分昂贵,要么需要在极端压力或温度下才有效。


    此次,由罗格斯大学、密歇根州立大学、橡树岭国家实验室等机构研究人员组成的研究小组开发出基于氨:铵盐溶剂的新工艺,可以将纤维素结晶快速溶解,并最终在接近正常环境条件下生产出无定形的纤维素。这种再生无定形纤维素经水解可转化为可溶性糖,所需的纤维素分解酶用量要比天然纤维素结晶变体I少约50倍。这意味着可以大大降低生物燃料的生产成本,因为在利用生物质生产乙醇等生物燃料的总成本中,分解酶占了15%—20%的份额。


    此外,概念验证结果表明,新型氨:铵盐溶剂在预处理和分馏像玉米秸秆这样的木质纤维素生物质的同时,可选择性地提取约80%—85%的木质素。木质素是一种广泛存在于植物体中的芳香性高聚物,可用于生产高价值的酚类化合物。


    新型预处理工艺可在接近正常环境条件下运行,大大降低了对木质纤维素进行有效预处理所需的压力/温度要求。研究人员指出,与传统工艺相比,新工艺更具优势,对工作环境要求不高,能在超低酶负荷下快速生产可溶性糖,有效降低乙醇等生物燃料的生产成本。(记者刘海英)

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  • 青海光伏产业实现新技术突破

    由国网青海电科院主导实施的科技项目《基于液电效应的太阳能电池板资源化回收利用技术研究》项目近日通过青海省科学技术厅项目评价,标志着...快速预览

    青海光伏产业实现新技术突破

    青海光伏产业太阳能电池板可再生能源

    中国环境报 | 1天前

    由国网青海电科院主导实施的科技项目《基于液电效应的太阳能电池板资源化回收利用技术研究》项目近日通过青海省科学技术厅项目评价,标志着青海省电力公司在废弃太阳能电池规模化、低能耗、低成本的资源化处理和回收利用技术研究领域取得重大突破,对促进青海乃至我国新能源发电产业的健康可持续发展具有重要意义。


    据项目组介绍,废弃的太阳能电池板也是资源宝库,光伏组件的绝大部分可用作循环再造的材料,具有可观的回收价值,亟须环保、高效的光伏组件处理技术和装备。这一项目围绕新能源发电产业发展的重大战略需求,针对退役太阳能电池板资源化处理回收的难题,研发了基于液电效应的太阳能电池板资源化回收装置,提出了新型环保的电池板资源化回收工艺。项目已申请国家发明专利3项、实用新型专利1项。


    据了解,这一项目利用液电效应,回收太阳能电池板的关键解离过程发生在自来水中,回收过程中既不采用化学试剂,也不产生废水、废液,同时还避免了粉尘污染,减少了对从业人员的健康危害,降低了对土壤、大气及水源的污染,达到回收处理过程无害化,环境效益十分明显。


    “利用本项目研究的粒径分布特征,经过选择性筛分、过滤、干燥等工序,可实现太阳能电池板解离后的玻璃、金属、硅粉等各种不同类型材料的回收再利用。”相关技术人员介绍说,相比传统的机械拆分,新技术将避免材料浪费,并具有更好的破碎效果,液电效应处理能耗只有机械处理能耗的一半,在处理成本方面具有显著优势,可为我国废弃太阳能电池板环保回收提供新的解决思路。(见习记者 夏连琪)

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  • 日本用金属碳纳米管研制热电装置 将汽车发动机废热转化成电能

    据外媒报道,东京首都大学(Tokyo Metropolitan University,将于2020年4月起将学校名称变更为东京都立...快速预览

    日本碳纳米管热电装置纳米

    浏览量 9 盖世汽车 | 1天前

    日本用金属碳纳米管研制热电装置 将汽车发动机废热转化成电能

    日本碳纳米管热电装置纳米

    盖世汽车 | 1天前

    据外媒报道,东京首都大学(Tokyo Metropolitan University,将于2020年4月起将学校名称变更为东京都立大学)的科学家们采用排列整齐的“金属”碳纳米管制成了一种装置(热电装置),能够将热能转化成电能,而且输出功率比随机网络中采用纯半导体碳纳米管(CNT)制成的装置要高。此种新设备无需再平衡半导体的电导率和电压,大大优于同类产品,而且高功率的热电装置能够为更有效地利用废热铺平道路。


    (图片来源:首都大学东京)


    热电装置可以直接将热能转化成电能,在日常生活中,空调的废气、汽车发动机甚至是身体的热量通常都被浪费了,如果能够回收此类能量并加以利用,则具有革命性意义,也在一定程度上推动了可穿戴电子设备和光电子设备的发展,此类设备戴在皮肤上,由体温提供能量,如身体热能灯和智能手表等。


    当温度形成梯度(有温差)时,热电装置输出的功率会受到该装置的电导率和塞贝克系数(Seebeck coefficient,表示在一定温差下产生的电压)的影响。问题是,塞贝克系数与电导率之间存在一种此消彼长的关系,当装置的导电性增强时,塞贝克系数就会下降。为了产生更多的能量,需要改善这两个方面。


    半导体材料通常被认为是高性能热电装置的最佳选择,不过,首都大学东京Kazuhiro Yanagi教授领导的一支团队选择了“金属”CNT。与纯半导体CNT不同,金属CNT的电导率和塞贝克系数可以同时得到增强,从而打破了两者之间此消彼长的关系。该团队进一步证明,此种独特的特性源于该材料的一维金属电子结构。此外,研究人员能够调整该金属CNT的方向,输出的功率是随机定向纯半导体CNT的5倍。


    高性能的热电元件不仅能够让人们用体温为智能手机提供动力,还可以用于生物医学,并在未来的日常生活中发挥重要作用。(作者: 余秋云)

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  • 全球首套规模化太阳燃料合成示范项目试车成功

    中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)17日对外披露,全球首套千吨级规模化太阳燃料合成示范项目当日在甘肃兰州新区绿色化...快速预览

    全球首套规模化太阳燃料合成示范项目试车成功

    大连化物所太阳燃料合成示范项目液体燃料可再生能源

    中国新闻网 | 4天前

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    图为二氧化碳加氢制甲醇装置。 大连化物所供图


    中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)17日对外披露,全球首套千吨级规模化太阳燃料合成示范项目当日在甘肃兰州新区绿色化工园区试车成功,该项目迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的第一步。


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    图为光伏发电。 大连化物所供图


    太阳燃料合成是指利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电,进而电解水制备绿氢、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料,把可再生能源存储在液体燃料中。简言之就是利用太阳能等可再生能源、二氧化碳和水,生产清洁可再生的甲醇等液体燃料,这也是将间歇分散的太阳能等可再生能源收集储存的一种储能技术。


    该项目由太阳能光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢合成甲醇三个基本单元构成。项目将二氧化碳作为碳资源,实现二氧化碳的积极减排,生产的太阳燃料甲醇为绿色甲醇,不同于传统煤、天然气所制得的甲醇,实现了零碳排放。


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    图为电解水制氢电解槽。 大连化物所供图


    据介绍,该项目基于大连化物所李灿院士团队开发的两项关键创新技术:电催化分解水制氢技术和二氧化碳加氢制甲醇催化技术。在碱性电解水制氢技术方面,李灿院士团队研发了具有中国自主知识产权的新型电解水制氢催化剂,并与苏州竞立制氢设备有限公司合作,制造规模化(1000标方/小时)电解水制氢设备,这大幅降低了电解水制氢的成本,是目前世界上规模化碱性电解水制氢的最高效率。


    而在二氧化碳加氢制甲醇技术方面,则采用李灿院士团队自主研发的固溶体双金属氧化物催化剂,该催化剂可实现二氧化碳高选择性、高稳定性加氢合成甲醇。


    大连化物所方面称,该项目对缓解中国能源安全问题乃至全球生态文明建设具有重大意义。它一方面探索中国西部地区丰富的太阳能等可再生能源的优化利用模式,为太阳能等可再生能源转化为液体燃料甲醇,提供了一条特高压输电之外的有效路径;另一方面,太阳燃料甲醇又是绿氢载体,可助于解决氢能储存和运输的安全难题。

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  • 量子传感,科技革命的新前沿

    近期提及量子技术,人们往往会立刻想到复杂的新型量子计算机。大众媒体可能仍将更多关注量子计算,但是,相对来说鲜为人知的量子传感,它的应用...快速预览

    量子技术量子传感新型量子计算机

    浏览量 18 麦姆斯咨询 | 5天前

    量子传感,科技革命的新前沿

    量子技术量子传感新型量子计算机

    麦姆斯咨询 | 5天前

    量子传感,科技革命的新前沿


    近期提及量子技术,人们往往会立刻想到复杂的新型量子计算机。大众媒体可能仍将更多关注量子计算,但是,相对来说鲜为人知的量子传感,它的应用领域更广,并正快速走向市场。


    据麦姆斯咨询介绍,量子传感覆盖了运动传感(包括加速度、旋转和重力)、电场、磁场以及成像应用。量子传感的优势包括:


    ■ 覆盖广阔频率非常精确地测量电场和磁场。

    ■ 根据原子性质测量物理量,因此不会出现漂移且无需校准。

    ■ 使用量子纠缠来提高灵敏度或精度。


    利用量子传感,可能很快就能实现完美的水下导航,感知重力变化从而揭示潜在的火山活动、气候变化以及地震,行动间监视大脑活动,甚至“观测”转角后方的区域。在我们的日常生活中,量子传感可以确保稳定而精确的导航,增强医学成像,还能告诉我们脚下的地底有什么。


    现代数字生活的核心前提之一,是时间和位置数据的持续可用性。微小的中断可能会带来巨大的经济后果,除了汽车驾驶之外,可靠的导航还是航空航天、渔业、供应链、紧急服务甚至股票市场的核心。


    不过,目前的导航系统主要依赖于GPS系统,该系统基于非常容易被干扰或误导的无线电接收机。事实上,只要具备一定的专业知识,人们就可以利用市售的硬件搭建一套伪造GPS信号的系统。

    而量子导航系统使用的信号很难伪造,因为它们基于自然的基本特性。从而可以构建更加安全的系统,防止发生意外、故障或恶意攻击。


    目前,利用磁共振成像(MRI)扫描仪可以生成大脑的3D模型,医生可以用来诊断、监测和治疗神经系统疾病以及其它身体创伤。但这类系统非常昂贵、庞大且有噪声,并且,通常需要患者保持完全静止的状态。


    采用量子传感技术,可使更小巧的便携式医疗成像系统成为可能。甚至有可能创建一种可以在患者日常生活中监控其大脑磁场的系统。这将为临床医生提供更多、更有价值的数据,同时减轻患者的压力。


    量子传感其它激动人心的应用还包括自动驾驶,因为某些量子传感器可以“看到”转角后方的区域,当然还包括国防应用,极其灵敏的量子磁传感系统可以探测潜艇等水下物体。


    石油、天然气和采矿业需要知道这些原材料的准确位置;能源和公用事业公司需要知道他们的管道在哪里;国防和执法部门则常常需要勘探隧道;考古学家也希望可以得到遗失多年建筑物的完整图片。这些需求显而易见,但并不容易实现。探地雷达等技术是很不错,但还没有达到令我们满意的程度。


    利用冷原子系统的量子传感可以通过测绘局部重力观测地下数十米的深度。科研机构现在开发的地面系统已经接近所需要的精度,最终,它们可以由无人机携带进行飞行探测,实现快速地下勘探,这对于各个行业都非常有用,还可以改善导航。


    目前,这些系统通常基于昂贵的光学组件,因而非常庞大、复杂且仍处于实验阶段。但这一切正在改变。近期的一项“创新英国”计划,创建了一款世界上最小的量子导航原型系统。随着相关组件的商品化和集成化,第二代和第三代量子导航系统预计将进一步缩小尺寸。


    英国格拉斯哥大学引力研究所的研究人员利用微米和纳米技术在硅晶圆上制造了一款微型量子重力仪

    英国格拉斯哥大学引力研究所的研究人员利用微米和纳米技术在硅晶圆上制造了一款微型量子重力仪


    这意味着量子传感器将在3~5年内开始在某些细分的医疗和国防应用中投入市场。在这个日益依赖传感器和传感技术的时代,它们有潜力提供重要的竞争优势。


    各种传感器相关的开发机构或商业组织需要把握量子传感技术的发展动态,更有前瞻性更有实力的机构,可以率先尝试利用这种新技术感知我们周围的世界。


    应用这种新颖的技术需要考量能从量子传感所获得的信息,并确定量子、经典或混合系统中最适合的技术方案。相较于对量子物理学的深刻理解,这更要求全面把握如何收集、评估和利用数据。


    量子传感具有颠覆性,而问题在于:如何利用,谁将抢占先机?

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  • 液氢:能“上天”可“落地”

    全国氢能标准化技术委员会(氢能标委会)高级顾问、中国电子工程设计院研究员陈霖新告诉《中国科学报》,由于液氢储运具有明显优势,对于200...快速预览

    液氢化学燃料氢能

    浏览量 19 中国科学报 | 7天前

    液氢:能“上天”可“落地”

    液氢化学燃料氢能

    中国科学报 | 7天前

    日前,被大家亲切地称为“胖五”的长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,成功将搭载的实践二十号卫星送入预定轨道。


    “胖五”是我国首款重型运载火箭,具备将14吨载荷送入地球同步转移轨道的运载能力。那么,何种燃料才能助推这一“大家伙”一飞冲天?“液氢—液氧”就是其中之一。


    不同于目前常规火箭使用的化学燃料,“胖五”的燃料大部分是-183℃的液氧和-253℃的液氢,因此又被称为“冰箭”。而此次“胖五”的成功发射,不仅证明液氢在我国航天领域的应用已经成熟,也为如火如荼的氢能产业吹来了一股新的东风。


    全国氢能标准化技术委员会(氢能标委会)高级顾问、中国电子工程设计院研究员陈霖新告诉《中国科学报》,由于液氢储运具有明显优势,对于200公里以上的氢运输有很好的应用前景。他认为,液氢要想规模化发展,一定要解决液氢制取的产能问题和装备技术的“卡脖子”问题。


    积极研发液氢是大势所趋


    为“胖五”减负增力,液氢—液氧推进剂功不可没。液氢能够用于航天、军事领域,依据液氢的特性和液氢储运的优越性,在氢能发展备受关注的当下,液氢在民用领域,尤其是氢能产业的应用场景十分广阔。


    据记者了解,一直以来,制约我国氢能产业发展的瓶颈之一就是氢的高密度储运。而液态氢是通过预冷和节流膨胀等工艺,把氢气降温到-253℃从而变成液体,液态氢的密度是气氢的780倍,使得氢可以高效地储存和运输。


    陈霖新对记者表示,液氢的体积能量密度大约是35MPa高压气氢的三倍,是70MPa高压气氢的1.8倍。虽然从气态氢液化为液态氢需在-253℃实现,能耗较多,但是对于超过200千米的运输距离,采用液氢时的运输费和能耗费之和均低于高压气氢,所以液氢在规模化发展氢能产业的储存、运输方面具有明显的优势。


    当前,氢的输送主要有三种方式:一是高压气态运输,这是目前氢能汽车发展的主流技术;二是管道输送;三是低温液氢输送。虽然我国当今尚以高压气态氢为主流,但陈霖新建议还应积极进行民用液氢的生产及应用示范。


    我国在液氢的制备、储运及应用装备技术上要想取得突破,尚需时日,但预计2030年液氢储运所占比例将会明显增大。陈霖新表示,目前在我国积极开发液氢生产技术及其装备制造是大势所趋,应采取军民融合方式加快发展进程。


    为此,陈霖新介绍,从2017年开始,全国氢能标委会组织国内涉及液氢生产运营和液氢装备研究、制造企业,高等院校编写制定了《液氢生产系统技术规范》《液氢贮存和运输安全技术要求》《氢能汽车用燃料液氢》三项国家标准,在调查研究、试验检测和总结经验的基础上完成了送审稿,已在2019年10月审查通过,可望在今年年中发布实施。


    氢源绿色 氢能才绿色


    “胖五”的成功发射,不仅推动液氢民用的步伐,也为整个氢能产业吹来一股东风。


    对于我国氢能的发展,全国氢能标委会委员、国家能源集团北京低碳清洁能源研究院氢能技术开发部经理何广利向《中国科学报》介绍了 “大氢能”的概念,即规模化、多元化地利用氢能。


    目前,欧洲、日本等国都给予了“大氢能”极大的重视,例如,日本将氢气用于家庭电联产装置,既满足供热需求也能发电,或用氢气驱动燃气轮机等;欧洲一些国家也在天然气管网中掺入氢气,另有一些工厂直接用氢炼钢、炼铁。


    反观我国,何广利表示,目前国内氢能产业主要集中于燃料电池汽车,而对别的领域关注较少。相比欧洲、日本等国,国内的氢能应用仍有待开发。


    实际上,除了储氢,制氢也是我国氢能应用的一大障碍。如何选择氢源就是一个很重要的问题。“现在对于氢能的一个误区是总是片面地强调氢能的清洁性。然而,作为一种二次能源,氢能是否清洁取决于氢源的选择。”陈霖新说。


    何广利告诉记者,制氢主要有几大来源,即化石燃料制氢、可再生能源制氢和副产氢(化工生产的某些环节作为副产物产出的氢)。面对中国富煤、贫油、少气的状况,有人提出中国氢源主要就是副产氢。


    “这句话不十分准确。”陈霖新说,“副产氢本身并不一定是绿色的,生产过程中也会排放出二氧化碳,那么这样产出的氢算蓝氢还是灰氢?以焦炉煤气为例,其生产过程产出的焦炭和大量副产品,存在碳的分摊问题。”而天然气转化制氢不仅同样存在二氧化碳排放,而且还面临中国天然气缺乏的问题。


    “制氢、氢储运”仍需技术攻坚


    陈霖新认为,副产氢在氢能发展初期可以发挥作用,但是氢能的长远发展还是应该以可再生能源电力水电解制氢为主,或者研究开发太阳能光解水制氢等。


    “中国每年因弃光、弃风、弃水弃掉1000多亿度电,如果用来制氢可以制造200多亿立方米氢。”陈霖新痛心疾首。他告诉记者,“碱性电解槽可以应付20%~110%的波动,而PEM(质子交换膜水电解制氢)电解槽可以应付0%~150%甚至200%的波动。”


    “如果能在风能、太阳能资源丰富的西北地区以及水资源丰富的西南地区建设水电解制氢和氢储能设备,并以氢管道、液氢运出,既可以解决可再生能源浪费的问题,还可以实现低成本、零碳/低碳制氢。”陈霖新说。


    但是,陈霖新强调,目前我国的规模化风电、水电、光伏电力制氢及其相关的氢储运装备和工程示范,尚存在严重短缺,为实现可再生能源制氢获得近零碳低成本的氢源,还应积极规划建设从制氢、氢储存到输送的示范工程,并着力解决其中的关键技术。


    延伸阅读


    氢能“热”还需“冷”思考


    1月8日,中国国际经济交流中心氢能课题组发布《中国氢能产业政策研究》一书。书中提出,当前我国氢能发展已经具备产业化条件,但也存在关键材料核心技术自主性不强、多元化应用不足、商业化推广模式尚未建立、产业过热苗头显现等问题。


    发布会上,中国国际经济交流中心常务副理事长张晓强表示,当前氢能“热”中应进行客观理性的“冷”思考,应立足我国国情和国家能源发展战略科学谋划氢能定位,把握好终端应用节奏,防范发展过程中的无序竞争和产能过剩风险。


    中国科学技术协会主席万钢指出,脱碳加氢和清洁高效是能源科技进步的大趋势,氢能和燃料电池技术正成为全球能源技术革命的一个重要方向和各国未来能源战略的重要组成部分,应积极探索中国特色氢能和燃料电池产业发展道路,坚持战略引领,坚持创新驱动,加快产业布局,坚持市场导向,坚持标准先行,扩大国际合作,推进氢能和燃料电池产业高质量发展。


    中国工业经济联合会会长李毅中表示,业界在致力燃料电池攻关的同时,也要关注氢气的来源,只有落实了氢源,氢能产业链才是有源之水、有本之木。制氢路径的选择要把握环保性、经济性、安全性、能效性。燃料电池车的研发研制进展明显,在特定的应用场景更显其优势,有良好的发展前景,需全盘考虑、缜密规划、攻坚克难、有序发展。


    书中也提出,要以氢能应用促进可再生能源发展,发挥体制优势促进关键核心技术攻关,尽快建立健全行业监管体系和标准体系,通过试点示范探索氢能多元化应用路径。

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  • 上海交通大学发表复合材料加筋壁板稳定性研究成果

    2020年1月9日,结构工程研究领域著名期刊《Thin-Walled Structures》发表了上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工...快速预览

    上海交通大学发表复合材料加筋壁板稳定性研究成果

    上海交通大学筋板Heaviside函数几何形状不连续性新材料

    上海交通大学 | 7天前

    2020年1月9日,结构工程研究领域著名期刊《Thin-Walled Structures》发表了上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系乔丕忠教授课题组的研究成果“A novel semi-analytical method for buckling analysis of stiffened laminated composite plates”。该研究独特地利用Heaviside函数来处理加筋板中的材料和几何形状不连续性问题,推导出了复合材料加筋壁板屈曲载荷的半解析解,首次创新地解决了工程实际中经典的力学问题。评审人一致认为该研究为经典问题提供了一独特的创新思路。



    图1:复合材料加筋壁板的总体和局部屈曲模态获取


    加强筋板壳结构在船舶海洋、土木水利、航空航天工程的薄壁结构中十分常见。筋条附着于薄壁结构上,可以极大地提高构件的承载能力。复合材料由于其比强度高、比模量大、可设计性强等优点在工程实际中的应用越发广泛,因此复合材料加筋壁板的稳定性问题受到了国内外诸多学者的关注。由于复杂的几何形状和材料的非线性,该问题多利用有限元进行求解。但通过有限元方法来研究其材料参数、几何参数的影响时,过程缺乏物理意义,并且十分耗时。


    现有常规的处理筋条的方法主要分为Smear方法和离散板方法,其中Smear方法对筋条数目有要求,而离散板方法计算量大,所以亟待提出一种新的方法对加强筋进行处理。研究团队通过将加强筋部分视为局部刚度增强,独特地利用Heaviside函数对加筋壁板进行连接,建立了加筋板的等效模型。并基于伽辽金方法完成了对复合材料加筋壁板在任意边界条件下的屈曲问题的研究。该方法对于加强筋的数目、形状、材料参数等均没有限制,且总体(global)和局部(local)屈曲均能获取(如图1),极大拓展了复合材料加筋壁板的稳定性研究能力。


    该论文的第一作者是黄思馨博士研究生,通信作者为乔丕忠教授。该项研究工作得到了国家自然科学基金和中国商飞的资助。

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  • 高纯度优质铜材应用于我国首台国产碳离子治疗系统

    近日,中国科学院召开新闻发布会,宣布由中科院近代物理研究所研制的“碳离子治疗系统”获批第三类医疗器械产品注册。这是国内首台自主知识产权...快速预览

    高纯度优质铜材应用于我国首台国产碳离子治疗系统

    中科院近代物理研究所碳离子治疗系统自主知识产权高纯度优质铜材

    中国有色金属报 | 7天前

    近日,中国科学院召开新闻发布会,宣布由中科院近代物理研究所研制的“碳离子治疗系统”获批第三类医疗器械产品注册。这是国内首台自主知识产权碳离子治疗系统,目前安装于甘肃省武威肿瘤医院,将成为精准治疗癌症的新型利刃。国产先进碳离子治疗系统的注册上市为恶性肿瘤患者带来了新的希望,特别需要强调的是,高纯度优质铜材作为系统硬件中的主角,为保障该治疗系统的束流精准形成、稳定运转发挥着关键作用。


    布拉格峰——“精确制导”的癌症杀手


    碳离子治疗系统应用的碳离子射线属于重离子射线的一种,在治疗癌症方面具备明显优势。放射线治疗简称“放疗”,在原理上属于物理手段的治疗方式,相比起需要依靠化学药剂的“化疗”,物理治疗对人体伤害更小、疗程更短、后遗症更少、预后更好,患者可免于长期、反复治疗的痛苦。此外,碳离子射线具有独特的物理和生物学特性,在减少对患者伤害的同时提高了治疗效率。在穿越人体生物组织的过程中,碳离子射线的剂量主要沉积在其射程末端,形成一个尖锐的“布拉格峰”,而射线的其他部分能量不高,对人体的伤害比较小。另外,碳离子射线可以切断DNA双键,与X光射线等光子射线只能造成DNA单链断裂相比,杀伤性更强,生物学效应约比常规放疗高三倍。


    在治疗中,医生们利用碳离子射线,以“布拉格峰”为手术刀,通过控制射线剂量,使“布拉格峰”准确落在肿瘤病灶上。这样一方面能够实现对患癌部位的“精准打击”,另一方面减少了对非治疗部位的影响。碳离子治疗仪的扫描深度可以达到人体内27厘米,配合水平、垂直和45度角的治疗终端,基本可以实现对人体内任何部位肿瘤的有效治疗。


    高纯度优质铜材与碳离子治疗系统——跨界的强强联合与物理实验不同,碳离子治疗系统的离子束能量仅是实验室加速器装置束流能量的60%,真正作用到治疗个体的能量更微小,但因其是直接将离子束作用于人体,一丝一毫的细节都关乎生命。因此,科学家们对治疗系统的精度、可靠性、稳定性和安全性的追求近乎苛刻,对材料也提出了极高的要求。铜作为系统的重要材料,在诸如离子源、磁铁及电源、高频等硬件装置中扮演重要角色。


    首台国产碳离子治疗系统选用了高纯无氧铜作为加速器铜线各类电缆、电子束流发射管、高频系统等等的用材,充分发挥了铜优良的导电性、天然的抗磁性和极佳的散热性。既保证了高载流条件下电流的稳定和束流的能级,又避免了在高电流工况下各装置及电缆等对带电离子造成的磁性干扰,还实现了长期运行条件下设备装置系统的有效散热和长期稳定性。


    医疗健康——铜的新应用领域


    碳离子治疗系统独特的优势可以在最大程度上减轻患者的痛苦,保卫患者的尊严,近年来受到了国家的高度重视。2016年,国务院出台的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确提出支持研发离子、中子等新型射线源,发展精准医疗设备。


    目前,国产碳离子治疗系统使用纯度大于99.97%的高纯无氧铜,作为其加速器等硬件装置以及各种电压等级电缆的材料,一套治疗系统的用铜量可达120~150吨。此外,每套系统必定是建在一所专业的肿瘤治疗医院,医院作为特殊的建筑体,配套有医疗建筑用铜和导线、医疗器械、医检设备、医用气体系统、真空系统等,整体的用铜量还要更高。在国家关乎医疗健康的民生保障政策的大力支持下,碳离子治疗系统(包括质子治疗系统)有望迎来进一步的推广,为高纯度优性优质的各类先进铜材开拓了新的终端应用领域。


    中科院近代物理研究所相关人士表示,接下来研发的第二代治疗系统会更小、更先进、成本更低,集优良的导电性和反磁性特性于一身的铜材料将继续为碳离子治疗系统的稳定运转保驾护航。

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  • 科学家研发出新型锂离子电池 切割撞击点燃照样能用

    近日科学家们制造出一种几乎不新型锂离子电池,经受切割、弯曲、撞击、液体浸泡甚至于被点燃后仍然可以正常供电。锂离子电池塑造了现代世界...快速预览

    浏览量 18 网易科技 | 9天前

    科学家研发出新型锂离子电池 切割撞击点燃照样能用

    网易科技 | 9天前

    近日科学家们制造出一种几乎不新型锂离子电池,经受切割、弯曲、撞击、液体浸泡甚至于被点燃后仍然可以正常供电。锂离子电池塑造了现代世界。这些电池是从手机、笔记本电脑到电动汽车等大多数可充电设备的核心。虽然锂离子电池能够反复充放电,而且能量密度很高,但也存在着自身的缺陷。



    锂离子电池有毒、而且易燃,这意味着即使是最小的破损也可能导致锂离子电池发生爆炸。


    由约翰霍普金斯应用物理实验室物理学家领导的一组研究人员坚信能够发明出更安全的电池。在过去的五年里,他们一直在开发一种不会失效的锂离子电池。2017年,他们与马里兰大学(University of Maryland)的研究人员合作,首次展示了这种坚固耐用的电池,经受切割、撞击、弯曲和浸泡后仍然可以正常供电。去年年底,约翰斯·霍普金斯大学的研究小组又前进了一部,使其具有防火性能,并将电压提高到与商业产品相当的水平。


    领导这项研究的约翰霍普金斯应用物理实验室资深科学家康斯坦第诺斯·吉拉索普洛斯(Konstantinos Gerasopoulos)指出,制造坚不可摧锂离子电池的秘密在于电解液,正是这种化学物质将电池的正极和负极分开。当你使用锂离子电池时,带电锂粒子从阳极到阴极穿过电解质中的屏障,在其中进行化学反应并产生能量。


    大多数锂离子电解质是易燃锂盐和有毒液体的混合物,这意味着“在今天的锂离子化学研究中,实际上是一个可能会导致灾难的配方。”约翰霍普金斯应用物理实验室材料科学项目经理杰夫·马兰奇(Jeff Maranchi)说。如果分隔阴极和阳极的可渗透屏障崩溃,就会造成电池短路并产生大量的热量。当所有的热量都接触到高度易燃的锂离子电解液时,锂离子电池就会发生起火爆炸。


    水性电池避免了所有这些问题,因为电解质是水基的,因此既不易燃也无毒。它们已经存在了25年,但由于能量太弱而无法发挥作用。研究小组发现,通过增加锂盐的浓度,并将电解液与一种类似于软塑料的聚合物混合,可以将电势能从1.2伏特提高到4伏特,这与目前的商用锂离子电池相当。


    当吉拉索普洛斯和他的同事们在这种新型电解质中加上商用的阴极和阳极时,得到了一个从未见过的锂离子电池。它像隐形眼镜一样透明,可弯曲、无毒且不易燃,可以在露天环境中生产和操作,更不需要外壳。最重要的是,它可以承受各种冲击和破坏。


    图示:新型电池核心的电解质是锂盐和一种不会着火或爆炸的软塑料材料聚合物。


    在测试中,研究人员将设备浸入盐水中,用剪刀剪开它,用空气炮模拟弹道对电池进行冲击,然后点燃。在每一次测试中,电池都能够不间断地发出电流。在燃烧测试后,研究人员将烧焦的电池部分切掉,电池能够继续正常工作100小时。


    马兰奇说,这种新型的水基电池不仅仅是属于实验室里的新奇东西。研究团队已经在与一些不愿透露姓名的制造商在进行谈判。他们说,这些制造商可以毫不费力地将新型化学物质和制造方法整合到现有的锂离子生产设施中。他说,这种电池可能会在两年内上市,而且会应用到以前锂离子电池没有涉足的领域


    由于其天然的柔韧性,可以被整合到可穿戴电子产品中,甚至最终直接整合到服装纤维中。这种新型电池的坚固性也能够应用于军事和科学研究领域,比如自动水下航行器、无人机和卫星。


    还有一些技术障碍需要克服,比如如何增加电池的可充电次数。一块典型的智能手机电池充放电次数可以超过1000次,但是这种新型锂离子电池在充电100次后就开始失去效率。吉拉索普洛斯说,对电解质化学配方进行微调应该可以解决这个问题。


    或许,锂离子电池会发生爆炸的时代就要结束了。

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