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計量論壇

標題: 復合材料走向納米化 [打印本頁]

作者: 兌水 時間: 2009-7-9 08:07
標題: 復合材料走向納米化
復合材料是兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料。雖然復合材料從問世至今只有短短數10年的歷史，但由于它可以發揮各種組成物質的優點，克服了單一材料的缺陷，因此得到了廣泛應用。最近，美國麻省理工學院的研究人員錦上添花，成功地研發出復合材料納米化的設計模型。通過該模型，人們有望獲得納米復合材料具有其組成物質所沒有的、全新的材料特性。　　按性能設計納米復合材料
　　納米復合材料設計模型的發明人為麻省理工學院材料科學和工程系助理教授邁克爾·德姆庫維茨，他期望用自己的模型研制出的納米復合材料能夠耐高溫、抗輻射，并承受超強的機械負載，最終目標是將這些納米復合材料用于包括核電站、燃料電池、太陽能和碳存儲等能源應用領域。
　　德姆庫維茨表示，能源生產的各個環節均需要能夠承受極端條件的材料。他研發的設計模型提供了根據所需的材料性能設計納米復合材料的新方法。他認為，雖然目前社會上有不少設計模型能夠構建材料的結構并預測材料的特性，但是這類仍需要經過反復制造和測試循環的新材料開發方法存在著耗資龐大且花費時間長的缺點。
　　在材料學領域，詳細設定所需的材料特性，然后預測何種結構能夠具有這些特性被科學家稱為“逆問題”。德姆庫維茨開發的納米復合材料設計模型解決了材料科學家面對的“逆問題”，有望極大地加快材料設計過程。
　　納米復合材料具有很強的抗輻射能力
　　德姆庫維茨利用自己的模型進行納米復合材料設計的首選目標是抗輻射材料，讓它幫助核電廠提高效率和安全。
　　通常，當金屬材料暴露在輻射環境中時，中子等高能粒子與金屬中獨立的原子會發生碰撞，結果是將原子從晶格中擊出，被擊出的原子又會與其他的原子相撞，導致后者失去自己的原位……如此這般的結果是金屬中有的區域出現大量失去原子的“空穴”，有的區域出現多出原子的“缺陷”，這種缺少和多出原子的缺陷群致使金屬材料易碎和弱化。
　　據德姆庫維茨介紹，確保納米復合材料具有抗輻射能力的關鍵在于組成復合材料的不同物質層與層之間的界面。當不同的物質層越來越薄時，不同物質間的界面就決定了復合材料的特性，也就是說，不同物質的界面使得復合材料表現出了原組成物質所不具備的新奇特性。
　　德姆庫維茨表示，在某些納米復合材料中，“空穴”和“缺陷”受到了界面的限制，它們緊緊相貼，因此被高能粒子擊出的原子最終又填充到“空穴”中，金屬的晶體結構恢復至常態。在某些條件下，復合材料表現得如同沒有受過輻射影響一般。
　　抗輻射復合材料最終可能用來取代不銹鋼用于核反應堆內，有望延長核反應堆的壽命，同時允許核反應堆在更強的輻射劑量下工作。目前反應堆僅僅使用了1%的核燃料，抗輻射復合材料的利用有望讓反應堆使用更高比例的核燃料，減少核廢料量。
　　德姆庫維茨在利用模型設計的具有多層界面的抗輻射納米復合材料過程中，發現銅和鈮組成的復合材料具有抗輻射的能力。2008年，他曾在《物理評論快報》上發表文章，認為該納米復合材料能吸收中子并轉為輻射性材料，因而不能用于核反應堆。此外，德姆庫維茨的設計模型還可以用于了解其他復合材料是否也擁有這樣的性能。
　　盡管擁有了納米復合材料設計模型，但德姆庫維茨表示，在未來確定具有抗輻射的候選納米復合材料后，在新材料被批準用于核反應堆之前，研究人員仍需要數年的時間對其進行測試。因此，任何具有潛力的新材料大約還需要至少10年的時間才能被啟用。

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