業內標準抱殘守缺 納米金屬胎死腹中?

2020-11-22 南方網

  蓋世汽車訊許多車企正在尋找可供當前汽車生產線使用的先進高強度鋼材,許多合金可增強材料的強度,但也會改變金屬的成型性能,當採用衝壓技術將其加工為所需的形狀時,材料可能會開裂。因此,納米金屬逐步進入業內人士的視線。

  NanoSteel研發新納米材料

  

  

  NanoSteel公司採用全新的配方及熱化學(thermochemistry)技術生產了新款散裝鋼材,該材料含有納米級微結構(nanoscalemicrostructures),其極好地融合了材料的強度及延展性(ductility)。

  生產該款納米金屬時,該公司採用了常規的鋼合金元素,只是採用了全新的合金元素配比(novelratios),因為工藝控制及合金佔比決定了材料的特性。該合金鋼強度更高,成型性能更強,可被車企用於製造汽車零部件。

  汽車行業正在推動第三代先進高強度鋼,該材料的特性尚無準確定義,但數據展現了當前及第三代先進高強度鋼的抗拉強度及延伸率(elongationpercentages)。納米金屬有助於為車輛減重、提升其強度,通過對材料內化學元素所佔比例進行微調,進而影響最終產品的性能。

  微合金化

  

  

  若元素的配比因素如此重要,怎樣才能改變金屬特性呢?

  許多添加劑所含的特定金屬(specificalloy)不足0.5%,然而,只需0.03%的含量就足以改變該材料的特性。通過加入微量添加物,就可改變產品的微結構。通常,鋼材可提升強度,因為合金能減緩奧氏體的(austenite)的再結晶(recrystallization),該過程將導致顆粒尺寸變得更為細微。

  另一個示例是:少量的鈮(niobium)及釩(vanadium)可提升表面的硬度,進而提升耐磨損能力,即所謂的碳氨共滲(carbonitriding)。對顆粒尺寸、形狀進行精煉、提升少量合金添加物的散布來珩磨(hone)金屬,可提升其金屬特性。此外,在某些情況下,微合金化無需退火(annealing)。

  工藝控制及金屬層

  

  

  位於西雅圖的Modumetal公司證採用一項專利工業及電化學工藝,生產一種名為「納米層壓合金(nano-laminatedalloys)」。其採用電化學工藝,使金屬積聚到納米級金屬層內基材的上,可改變其成分或微結構,抑或同時改變兩者。

  金屬基體複合材料(Metal Matrix Composites,MMCs)

  

  

  金屬基體複合材料的設計要求頗為嚴格,在減輕材料質地的同時確保其生產率,該類材料目前正被用於汽車及航天等各大行業。

  MMC的優點很多,包括:承溫能力(temperaturecapability)較高、防火性能較好、橫向剛度及強度(transverse stiffness andstrength)、無吸溼性(moistureabsorption)、導電性及導熱性較好。對上述特性及輕量化的要求驅動了市場發展,尤其是鋁質MMCs,目前鋁材佔據了MMC市場最大的份額(約佔3成)。

  材料腐蝕對全球GDP的影響

  微合金化及MMC可提升機械特性,而其化學特性或將為全球省下數萬億美元。據Modumetal執行長間總裁ChristinaLomasney表示:「美國腐蝕工程師協會(National Association of CorrosionEngineers)做過一項研究,其發現由於金屬腐蝕,全球GDP損失高達4.1%。」

  電鍍法(Electroplating)自19世紀初就已被採用,如今該技術變得越發成熟。當時,該技術始於製作鋅鎳(Zn-Ni)塗層,用於防腐蝕及防磨損。塗層中,鋅與鎳的所佔的比例分別為85%及15%,在電鍍塗層後,即使經成型或彎曲,其耐腐蝕性能得以保留。此外,鋅鎳塗層可應對熱應力。

  汽車及航空行業也採用了大量納米金屬,但由於其對基礎設施造成腐蝕,每年GDP的損失額高達4.1%。電鍍鋅鎳及納米金屬可提升耐腐蝕性,將有助於幫助美國在防鏽方面走在世界前列,但相關規定卻勒令停產該材料。

  因材料腐蝕導致美國GDP受損

  

  

  如今,美國眾議院內兩黨的防腐蝕小組(Corrosion Prevention Caucus)發布了以下內容:

  「據美國聯邦公路管理局(Federal HighwayAdministration)的一份2001年報告顯示,美國經濟的腐蝕成本高達2760億美元/年,佔了美國GDP總值的3.1%。截止至2015年,腐蝕成本已近乎5000億美元/年。當進行正確安裝及維護時,在很大程度上可避免腐蝕情況。防腐技術極大的降低了對美國政府的不利影響及總體財務成本。」

  複合金屬的再利用

  目前,業內可採用冶煉工藝(smeltingprocess)分離早前的金屬。對電氣元件的回收再利用表明,有可能實現複合合金、鍍鋅鋼的循環再利用,但納米金屬就另當別論了。若採用納米金屬打造的欄杆的使用壽命是傳統鍍鋅鋼的30倍,那麼理論上,鍍鋅鋼將回收再利用所需的能量是納米金屬的1/30。

  若我們繼續因為過時或編寫不夠嚴謹的標準而限制性技術的使用,我們的經濟及技術設施可能也將成為歷史。

相關焦點

  • 【納米】金屬納米顆粒製備的新方法
    金屬納米顆粒由於具有較好的光學、催化、磁學效應而在生物、催化等領域受到廣泛關注。
  • JACS:鉑-稀土金屬納米合金的合成
    來源:納米人鉑-稀土(Pt-RE)納米合金是催化氧還原反應最活躍的催化劑之一,但其化學合成一直是一個艱巨的挑戰,這主要是由於兩種金屬的標準還原電位相差很大,且後者具有高的親氧性。近日,丹麥技術大學Qingfeng Li,Yang Hu等報告了一種通用的化學方法,以製備具有可調組成和粒徑的Pt-RE納米合金。
  • 【納米】超長金屬納米線
    近日,加州大學洛杉磯分校的李曉春教授團隊通過對金屬材料進行納米顆粒摻雜,實現了一種超長金屬納米線的製備,該工藝大大突破了以往高通量金屬微納米線製造的極限,成功實現了超1.8 × 106長寬比、170納米尺寸金屬線高通量製備。
  • 碳納米管與金屬納米導線成功連接
    美國羅斯塞拉(Rensselaer)工學院研究人員表示,他們找到了一種能將碳納米管和金屬導線相連接的新工藝,並用它研製出結合了碳納米管和金屬納米導線最佳特性的納米導線。
  • 金屬蒸汽來了又走,「蒸」出納米多孔金屬
    具有雙連續韌帶-孔隙結構的納米多孔金屬在催化、電催化、驅動、能源儲存和轉化領域具有廣闊的應用前景,是當前納米金屬材料研究的熱點之一。然而,納米多孔金屬的本徵脆性一直是制約其實際應用的「阿喀琉斯之踵」。提高納米多孔金屬材料的塑韌性一直是該領域的關鍵科學問題,對推動其實際應用也具有重要意義。
  • 我國學者發現金屬材料納米結構新特質-金屬材料,納米結構-表面處理...
    我國學者發現金屬材料納米結構新特質2009/3/16/08:41來源:科技日報作者:劉言 畢偉 羅冰    【慧聰表面處理網】近日,美國《科學》雜誌報導了我國學者在金屬材料研究領域獲得的新發現。
  • 32納米製程技術原理詳解
    32納米製成技術是基於45納米技術的改良版本,總體歸納起來組要有以下三點。1:32納米製程技術的基礎是第二代高k+金屬柵極電晶體。英特爾對第一代高k+金屬柵極電晶體進行了眾多改進。在45納米製程中,高k電介質的等效氧化層厚度為1.0納米。
  • 「納米」可重構的活性液態金屬遊動納米機器人集群
    近日,哈爾濱工業大學賀強教授課題組以超聲場致動的共晶鎵銦合金(EGaIn)液態金屬遊動納米機器人為構築基元,提出了模擬自然界中蒲公英花生長過程的可重構非平衡液態金屬納米集群的研究成果。液態金屬遊動納米機器人通過超聲輔助的物理分散方法製備,直徑為200 nm, 長度為800 nm,外層由GaOOH形成的殼層穩定,內核為未被氧化的液態金屬。在駐波超聲場的作用下,液態金屬遊動納米機器人能夠進行快速的自主運動,速度可達每秒50倍身長。通過將大量液態金屬遊動納米機器人加入體系中,在可調製頻率的駐波超聲場作用下,活性的納米機器人群體產生湧現性並產生自發的聚集運動。
  • 從液態金屬溶劑中提取合成納米金屬材料
    從液態金屬溶劑中提取合成納米金屬材料研究表明可以通過改變表面張力或在合金界面處引起可逆的氧化還原反應而發生。被排出的金屬表現出納米級和多孔的形態,根據細胞的電化學,這些金屬可以被氧化層鈍化或被完全氧化成不同的納米結構。
  • 中科院瀋陽金屬所發現 納米孿晶金屬不怕疲勞
    人民網瀋陽11月3日電(蔣山)當地時間10月30日,國際著名的科技期刊《自然》在線刊登了中國科學院金屬研究所盧磊研究員與美國布朗大學高華健教授合作發表的論文「不受歷史循環變形影響的納米孿晶金屬」。他們發現具有晶體學對稱結構的納米孿晶金屬與傳統金屬材料不同,不但具有循環穩定響應而且疲勞累計損傷非常有限。
  • 【光明日報】中科院金屬所:納米金屬強度或可大幅度調控
    據盧柯介紹,中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家(聯合)實驗室發現通過適當合金元素的晶界偏聚可以提高晶界穩定性,從而可以大幅度調控納米金屬的強度。他們利用電解沉積方法製備出晶粒尺寸從30納米到3.4納米變化的一系列Ni-Mo合金樣品,發現當晶粒尺寸小於10納米時合金出現軟化行為。
  • 中科院金屬所發現納米孿晶金屬不怕疲勞—新聞—科學網
    本報訊 英國當地時間10月30日,國際科技期刊《自然》在線刊登了中國科學院金屬研究所研究員盧磊與美國布朗大學教授高華健合作發表的論文
  • 納米金屬穩定性研究取得重要進展
    金屬晶粒細化至納米尺寸可以大幅度提高其強度和硬度,但是由於引入了大量的晶界,納米金屬材料的結構穩定性變低,晶粒長大傾向明顯。在一些納米金屬,如純銅中,納米晶粒甚至在室溫條件下即發生長大。這種固有的不穩定性一方面給納米金屬材料的製備帶來困難,另一方面也限制了納米金屬的實際應用。
  • 金屬納米塗層的意義
    磨損是零件失效的重要形式之一,金屬表面耐磨塗層的應用具有重要的工程意義。磨損本身非常複雜,存在多種磨損類型,而且隨著工況,諸如載荷、速度、溫度等等,摩擦表面的性質等的變化,都會使磨損類型發生改變,從而影響磨損的特徵與機制。
  • 中國學者發現金屬納米催化劑尺寸效應
    我學者發現金屬納米催化劑尺寸效應科技日報合肥1月20日電 (記者吳長鋒)記者從中國科學技術大學獲悉,該校路軍嶺教授課題組與李微雪教授課題組合作,首次揭示了金屬納米催化劑中,幾何效應和電子效應各自對催化反應隨尺寸變化的調變規律
  • 金屬所發現納米金屬機械穩定性的反常晶粒尺寸效應
    金屬所發現納米金屬機械穩定性的反常晶粒尺寸效應 2019-04-02 金屬研究所 【字體:> 中 小】 語音播報   納米金屬的晶界在機械變形作用下容易發生晶界遷移並伴隨晶粒長大
  • 「人造變色龍」問世:藉助金屬納米顆粒
    納米砂磨機訊:「人造變色龍」問世:藉助金屬納米顆粒 一款機械人造變色龍能夠藉助皮膚上的金屬納米顆粒進行顏色變換,顏色範圍幾乎達可見光譜的所有色調。中山大學教授楚盛和武漢大學教授王國平團隊用近兩年時間完成了相關研究。日前,該成果發表於美國化學學會主辦的《ACS納米》雜誌。  自然界的變色龍不是靠色素細胞變色,而是靠調節皮膚表面的納米光子晶體結構,通過改變對光的反射特性而變色的。
  • 評析納米銀線與金屬網格材料技術之優劣
    納米碳管工業化量產技術尚未完善,其製成的薄膜產品導電性還不能達到普通ITO薄膜的水平。因而,從技術發展與市場應用綜合評價,金屬網格與納米銀線技術將是近期新興觸控技術的兩大主角。  金屬網格(Metal Mesh)技術利用銀,銅等金屬材料或者氧化物等易於得到且價格低廉的原料,在PET等塑膠薄膜上壓制所形成的導電金屬網格圖案。
  • 科學家開發出負載型雙金屬納米催化劑
    近日,中科院大連化學物理研究所研究員劉健團隊與中科院青島生物能源與過程研究所研究員王光輝、江河清團隊合作,開發了一種通用型的納米反應器新技術合成Pd基雙金屬催化劑。該技術將液相中的種晶生長法成功運用到固相中——通過化學配位作用將Pd納米簇種晶和第二元金屬前驅體均勻地引入到固相載體中,在還原過程中實現雙金屬的固相種晶生長,最終獲得雙金屬納米粒子尺寸及組成可控、負載均勻的雙金屬催化劑。研究成果發表於《今日材料》。
  • 【中國科學報】研究發現納米孿晶金屬不怕疲勞
    英國當地時間10月30日,國際科技期刊《自然》在線刊登了中國科學院金屬研究所研究員盧磊與美國布朗大學教授高華健合作發表的論文《不受歷史循環變形影響的納米孿晶金屬》。他們發現具有晶體學對稱結構的納米孿晶金屬與傳統金屬材料不同,不但具有循環穩定響應而且疲勞累積損傷非常有限。  疲勞通常指反覆施加循環外力而引起的一種材料性能弱化過程。