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納米復(fù)合材料將廣泛應(yīng)用到新能源領(lǐng)域
發(fā)布:2017-03-07 10:46:14 瀏覽:2397次

納米技術(shù)能夠產(chǎn)生具有獨(dú)特性質(zhì)的物質(zhì),可推動可再生能源的發(fā)展和利用。

  預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi),人類將在能源,尤其是可再生能源方面,取得重大突破。人們將會利用更安全的核電站,更有效的太陽能電池;風(fēng)能、太陽能、海洋能在我們的生活中將得到更廣泛的應(yīng)用。但是,這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都離不開科學(xué),尤其是新材料方面的重大突破。

  偉大設(shè)計(jì)——

  納米復(fù)合材料模型使核電站更安全

  科學(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來越明晰了。他們以納米為單位來設(shè)計(jì)新材料(1納米等于十億分之一米)。在這樣小的尺寸上, 新材料可以擁有自己特性, 這些屬性可以提供理想的功能,特別是把新材料制成復(fù)合材料時(shí),它們的功能就更加強(qiáng)大了。一系列研究表明,納米材料在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。

  研究人員已經(jīng)很好地掌握了新納米材料工程的工作機(jī)理。麻省理工的邁克爾·蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計(jì)模型。通過該模型,人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的、全新的材料特性。

  蒂米科維茨博士正在美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室同一個研究小組進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為了加速美國在能源科技領(lǐng)域的研究,美國政府資助了一項(xiàng)歷時(shí)5年、耗資7.77億美元的項(xiàng)目。 項(xiàng)目由美國多個科研小組共同完成,洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室就是其中的一個小組。 材料學(xué)博士蒂米科維茨正在尋找抗輻射能力強(qiáng)的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應(yīng)堆做內(nèi)壁來延長核反應(yīng)堆的使用壽命,并將使核燃料得到更有效的利用來提高反應(yīng)堆的效率。蒂米科維茨博士說:“目前,反應(yīng)堆只利用了大約1%左右的燃料。所以即使燃料利用率僅略有增加,放射性廢物也會大幅減少。

  核反應(yīng)堆的內(nèi)壁之所以會劣化,是因?yàn)楫?dāng)用做內(nèi)壁的金屬暴露于射線時(shí),金屬就會變脆變?nèi)?。這個弱點(diǎn)是因?yàn)榻饘俚木w結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)又是由高能粒子造成的,如中子撞擊到單個原子,并把原子撞離原來位置。這些原子和其他原子發(fā)生碰撞,造成的損害蔓延開來。其結(jié)果就造成孔洞、裂縫等。

  蒂米科維茨博士說確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時(shí),不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性。不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。

  理想的納米復(fù)合材料不僅能抗輻射損傷,它自己也不會通過吸收中子成為放射性物質(zhì)。蒂米科維茨博士利用他的模型技術(shù)來選擇可能的材料。鐵基的裂變反應(yīng)堆和將被應(yīng)用到核聚變上的鎢基的核反應(yīng)堆都是他考慮的材料。這些材料被批準(zhǔn)使用在核反應(yīng)堆上還要假以時(shí)日,但是納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型本身就是技術(shù)上的重大突破了。

  穿越光譜——

  納米技術(shù)使太陽能電池效率更高

  在提高太陽能電池效率方面,納米技術(shù)也將發(fā)揮更加重要的作用。英國倫敦帝國學(xué)院的研究人員在一個叫做“太陽能量子”的展覽上披露了新的成果,納米復(fù)合材料用來制作“多重接面”太陽能電池。該電池的每一層能夠捕獲太陽能光譜中特定的顏色??偟膩碚f,這就比僅僅轉(zhuǎn)換部分光譜的傳統(tǒng)太陽能電池有效多了。

  “傳統(tǒng)太陽能電池只能把20%左右的太陽能轉(zhuǎn)換成電能,‘多重接面’太陽能電池的轉(zhuǎn)換率了已經(jīng)超過40%,而且根據(jù)帝國學(xué)院的研究員艾金斯·達(dá)克思預(yù)測,多重接面太陽能電池有望在十年內(nèi)把轉(zhuǎn)換率提高到50%。多節(jié)太陽能電池在應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)之前成本仍然會很高。研究人員預(yù)計(jì),如果通過反射鏡把太陽聚集在太陽能電池上,太陽能發(fā)電的成本仍會降低。

  透過玻璃——

  納米復(fù)合透明材料

  太陽能電池也可應(yīng)用到建筑物,如在窗戶上。德國弗勞恩霍夫研究所機(jī)械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計(jì)算機(jī)模型來探索原子結(jié)構(gòu)并來模擬電子運(yùn)行模式。來自德國研究所的沃爾夫?qū)た录{說,傳導(dǎo)材料和透明材料的良好結(jié)合可能會產(chǎn)生完全透視電子。

  復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)也能使較輕的材料擁有很大的機(jī)械強(qiáng)度。復(fù)合材料,例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造業(yè),用來生產(chǎn)汽車和飛機(jī)等。但是,通過控制纖維生產(chǎn)過程中的方向,可以產(chǎn)生變形復(fù)合材料,這種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。這種變化可以來自外部控制,也可以是自發(fā)產(chǎn)生的,例如,對溫度、壓力、和速度引發(fā)的變化。

  在英國的布里斯托爾大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新和研究中心進(jìn)行的研討會透露,這種變形復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)能效更高的風(fēng)電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片。一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料能夠快速改變其空氣動力狀況,這也將有助于消除刀片上不需要的壓力。這將提高其效率,延長葉片的使用壽命,并且改善發(fā)電系統(tǒng)。變形復(fù)合材料意味著潮汐發(fā)電機(jī)可以制得更小,在商業(yè)上更具競爭力。依這種方式,材料科學(xué)上的些許變化將為可再生能源創(chuàng)造遠(yuǎn)大前程。


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