新材料與新工藝

新材料與新工藝

美國研發(fā)3D打印高強度合金新方法

美國休斯研究實驗室的研究人員研發(fā)出一種3D打印高強度鋁合金的新方法。采用該方法制造的鋁合金不但不會出現(xiàn)周期性裂紋，其強度還可與鍛造材料相媲美。

3D打印可以提高設(shè)計自由度和制造靈活性，但目前使用的5500多種合金中，絕大多數(shù)無法采用3D打印制造，僅有少數(shù)幾種合金能夠可靠地打印出來。這是因為在制造過程中，凝固動力學(xué)會導(dǎo)致打印出的材料出現(xiàn)周期性裂紋。研究人員引入納米粒子來控制3D打印過程中的凝固，較好地解決了這一問題。

研究人員首先選用鋁合金進行實驗，隨后利用計算機軟件分析了4500多種不同合金和納米粒子的組合，最終選定表面氫化處理的鋯作為一種合適的納米粒子材料。在實驗中，研究人員在強度較高的7075鋁合金和加工性能較好的6061鋁合金的霧化粉末中添加表面氫化鋯納米粒子涂層，再使用選擇性激光熔化技術(shù)，進行3D打印。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未添加納米粒子的7075和6061粉末制造的部件相比，添加了納米粒子的合金未出現(xiàn)裂紋痕跡，而且強度堪比鍛造材料。

中科院多材料3D打印免裝配柔性驅(qū)動器研究獲進展

該方法既突破了傳統(tǒng)制造方式的限制，又保持了合金的強度，還可應(yīng)用于其它合金，進一步充實了3D打印材料“家族”。 (KJ.0922)

日本東北大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種獨特的熱處理工藝，能夠提高銅-鋁-錳（CuAlMn）形狀記憶合金的彈性等性能。

日本開發(fā)新型熱處理工藝實現(xiàn)形狀記憶合金批量生產(chǎn)

金屬通常由大量多晶體組成，但在某些情況下，當金屬由單晶形成時，其性能將有所提升，然而，單晶金屬的生產(chǎn)成本通常較為昂貴。研究人員利用一種被稱為“異常晶粒生長”的現(xiàn)象，研發(fā)出了降低單晶合金生產(chǎn)成本的方法。該工藝在加熱條件下會導(dǎo)致金屬的多個“晶粒”或晶體不規(guī)則地生長，通過數(shù)個加熱和冷卻循環(huán)工序，可以生產(chǎn)大型單晶棒。研究人員先將合金加熱至900℃，再冷卻至500℃，循環(huán)5次；然后，將合金加熱至740℃，再冷卻至500℃，循環(huán)4次；最后，將合金加熱至900℃。若忽略低溫加熱（740℃）/冷卻（500℃）的循環(huán)過程，就無法獲得單晶合金的效果。目前，研究人員采用該工藝，可以生產(chǎn)長度為70cm、直徑為15mm的單晶金屬棒。這與目前的形狀記憶合金金屬棒相比尺寸更大，更適合建筑和土木工程領(lǐng)域應(yīng)用。

該工藝簡單方便，有利于批量生產(chǎn)單晶合金，為形狀記憶合金結(jié)構(gòu)材料的制備和應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，如建筑物和橋梁的抗震等。

(北信所)

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的研究人員利用3D打印技術(shù)在計算機輔助設(shè)計（CAD）、自由制造加工和器件成型等方面的優(yōu)勢，采用多材料3D打印技術(shù)構(gòu)筑了含有磁性和非磁性部分的分段組合的免裝配柔性驅(qū)動器，實現(xiàn)了彎曲、變形與貨物運送等功能。

研究人員在自主研發(fā)的具有磁性的柔性3D打印光敏樹脂的基礎(chǔ)上，通過改進數(shù)字化光處理（DLP）成型的3D打印機，使其能夠在垂直方向上將兩種或多種光敏樹脂進行自由切換，發(fā)展了雙（多）材料3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了含有磁性和非磁性部分的驅(qū)動器件的免裝配一次成型制造。力學(xué)測試和掃描電子顯微鏡（SEM）分析結(jié)果表明，磁性和非磁性兩種樹脂之間具有很好的結(jié)合力，并且能夠進行有效的磁場驅(qū)動。

作為概念驗證，研究人員采用該多材料3D打印技術(shù)制作了一個能夠遠程控制的抓取器，并且進行了抓取、傳送及釋放等功能驗證。這種簡單通用的多材料3D打印技術(shù)將很好地拓展3D打印在遠程控制釋放與柔性機器人等方面的應(yīng)用。

(蘭化物)

我國石墨烯重防腐涂料研究獲兩項重大突破

我國在石墨烯重防腐涂料研究方面取得了兩項重大突破：一是中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型石墨烯改性重防腐涂料；二是揚州大學(xué)聚合物—無機微納復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇特威機床制造有限公司、揚州大學(xué)鎮(zhèn)江高新技術(shù)研究院，以及江蘇維特金屬防腐科技有限公司等有關(guān)科研單位及企業(yè)，成功研制出了無溶劑石墨烯重防腐涂料。

石墨烯具有優(yōu)異的阻隔和屏蔽性能，能夠顯著提高涂層的抗腐蝕介質(zhì)滲透能力，在重防腐涂料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。重防腐涂料是減小腐蝕破壞、保障苛刻腐蝕環(huán)境下裝備和設(shè)施可靠性和服役壽命的關(guān)鍵材料，其發(fā)展水平是一個國家涂料科技水平的重要標志。

寧波材料技術(shù)與工程研究所成功突破了石墨烯改性防腐涂料研發(fā)及應(yīng)用的四大技術(shù)瓶頸，研發(fā)的石墨烯改性重防腐涂料已經(jīng)通過了中國腐蝕與防護學(xué)會鑒定，鹽霧壽命超過6000h，達到國際領(lǐng)先水平，并已由寧波中科銀億新材料有限公司實施了產(chǎn)業(yè)化，成功應(yīng)用于國家電網(wǎng)、石油化工、海洋工程與裝備等領(lǐng)域，將改變我國重防腐涂料被國外產(chǎn)品壟斷的市場格局，保障我國熱帶海洋地區(qū)重大工程裝備及“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，服務(wù)國家安全和海洋經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略。

揚州大學(xué)等單位的研究人員采用爆炸法制備石墨烯微片，采用原位表面修飾技術(shù)制備石墨烯微片粉末，并與環(huán)氧樹脂、聚氨酯，以及丙烯酸酯樹脂等樹脂體系復(fù)合，制備出了無溶劑石墨烯重防腐涂料。目前，該產(chǎn)品已成功投產(chǎn)并實現(xiàn)了工程示范應(yīng)用。

(刊 綜)

2017年7月，美國國家航空航天局（NASA）與軌道ATK公司合作承擔的“機器人裝配與服務(wù)商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施”（CIRAS）項目在蘭利研究中心完成了部分技術(shù)——“夾具加工與裝配機器人”（NINJAR）2.0的地面演示驗證，標志著其大型結(jié)構(gòu)在軌裝配技術(shù)研究取得了重要進展。

NASA大型結(jié)構(gòu)在軌裝配技術(shù)研究獲進展

此次試驗驗證了NINJAR 2.0對支架進行定位并將支架與接頭一起裝配成方形桁架的能力，以使機器人能夠在軌用電子束焊機精準地固定接頭。下一步，該項目還將開發(fā)NINJAR 3.0，將桁架裝配、制造、實用工具和機器人輔助技術(shù)集成到裝配過程中，并開發(fā)狀態(tài)評估系統(tǒng)，使桁架定位和角度測量可視化。

CIRAS類似于一個便攜式車間，其桁架制造功能研發(fā)成功后將再增加太陽能電池陣列安裝等功能，最終將采用NASA原來用于抓捕小行星的“鋼筋驅(qū)動輕型在軌機械臂”（TALISMAN）。全功能CIRAS機器人制造系統(tǒng)將于2018年進行地面演示驗證。

(賈 平)

新型超輕晶體鋁有望用于航空航天和汽車制造領(lǐng)域

美國猶他州立大學(xué)（USU）和俄羅斯南聯(lián)邦大學(xué)的研究人員利用計算機模型設(shè)計出了比水還輕的超輕晶體鋁。這一重大突破性成果有望用于航空、航天和汽車等領(lǐng)域制造超輕部件。

傳統(tǒng)晶體鋁密度為2.7g/cm3，大于水的密度（1g/cm3），用其制成的勺子放在充滿水的水槽中會沉到水底。而在新研究中，研究人員從分子水平上對鋁金屬進行了全新設(shè)計，通過計算機模擬獲得了比水更輕的超輕晶體鋁。研究人員以鉆石結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將其中的碳原子用鋁原子取代，得到了類似鉆石的四面體結(jié)構(gòu)晶體鋁。計算結(jié)果表明，該新型超輕晶體鋁結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，其密度僅為0.61g/cm3，能夠漂浮在水面上。

鋁具有非磁性、耐腐蝕、含量豐富、價格低廉和易于生產(chǎn)等優(yōu)點，該新型超輕鋁結(jié)構(gòu)未來可廣泛應(yīng)用于研制更輕的航天器、飛機和汽車部件等。該項研究也為新材料的設(shè)計提供了新的思路。

(W.KJ)