为压铸之美,奋楫笃行守初心--访中国机械工程学会铸造分会副理事长、清华大学熊守美教授

随着我国经济的飞速发展,压铸市场的空间不断扩展,在汽车、机械、电子、通讯、数码影视、军工等行业的需求逐年增加,各类压铸件产品的出口量也在大幅增加,极大地激发了压铸市场的迅速扩展,使压铸生产的规模和产业结构发生了变化。

生成式人工智能与未来材料科学

人工智能是推动数据驱动科学飞速发展的强大动力。文章以深度学习在材料科学中的应用为例,介绍了生成式模型的概念,及其在新材料发现和自动化实验室等领域的应用。生成式人工智能不仅极大地加速了材料的研发进程,同时提高了整个研发过程的透明度和可信度,开启了材料科学研究的新纪元。

医用级可降解聚乳酸材料的合成与应用

聚乳酸(PLA)因具有良好的生物相容性和生物降解性,广泛应用于包装材料、医用缝合线、组织工程支架和药物控制释放体系等医学领域。丙交酯开环聚合是制备聚乳酸的理想之选,其催化体系目前以金属催化剂为主,但金属离子在聚合物中的痕量残留和细胞毒性限制了聚乳酸在生物医学的应用。本文利用改进两步法合成了分子量可控的医用级可降解聚乳酸材料,采用^(1)H NMR、IR、GPC和HPLC确证了其结构,研究了十二醇加入量、聚合时间对合成聚乳酸分子量和性能的影响规律。利用3D打印技术设计成型了PLA骨钉,并研究了其降解行为、溶血率和细胞毒性。结果表明:聚合温度为130℃,反应时间为24 h,加入辛酸亚锡0.05%(质量分数,下同)、十二醇0.03%时,聚乳酸重均分子量在35万以上,纯度可达99.0%以上,分布指数为2.031;骨钉在PBS缓冲液中降解10周(w),残余量为23.4%,降解性能良好;溶血率小于5%,100%试验液的细胞存活率为75%,大于国标参考值70%,未发现潜在细胞毒性。

高压渗流法制备中高体积分数SiCp/Al复合材料的研究现状

高压渗流法制备SiCp/Al复合材料因其适应性广、操作简单、易于实现中高体积分数SiCp/Al复合材料的生产等特点而受到广大科研工作者的关注与广泛应用。本文详细阐述了中高体积分数SiCp/Al复合材料的高压渗流工艺,包括预制体的制备和高压渗流过程两方面,并对预制体制备过程中颗粒粒径、添加剂等因素以及高压渗流过程中压力、温度等工艺参数对复合材料性能的影响进行了分析;简述了SiCp/Al界面润湿性的改善策略及其对复合材料性能的影响,以及热处理对复合材料组织与性能的影响;最后介绍了中高体积分数SiCp/Al复合材料的应用,并展望了高压渗流法制备中高体积分数SiCp/Al复合材料的发展前景。

芒硝基相变储能材料的研究进展

芒硝(Na_(2)SO_(4)·10H_(2)O)作为一种原料易得、储能密度大的无机水合盐类相变储能材料(Phase Change Materials,PCMs),拥有相变温度适中、储能高等优点,然而,过冷度大、相分层严重、易泄露和导热率低等问题限制了芒硝基PCMs的大规模应用。通过总结关于过冷和相分离问题的改性方法,归纳比较了各类封装的原理及效果,并概述了通过导热强化来提高芒硝基PCMs储放热效率的研究进展。最后,对该材料的实际应用现状进行阐述,并展望了其发展方向,为开发高稳定性、高效封装、高导热率芒硝基PCMs提供参考依据。

磁声耦合:物理、材料与器件

固体中的声波有两种传播方式:一种是声体波,以纵波或横波的形式在固体内部传播;另一种是声表面波,在固体表面产生并沿着表面传播.声波射频技术利用这些声波来截取和处理信号,尤其体现在快速发展的射频滤波器技术中.声学滤波器因其体积小、成本低和性能稳定等多方面的优势,在移动通信等领域得到了广泛应用.受益于成熟的制造工艺和确定的共振频率,声波已逐渐成为操控磁性和自旋的有力手段,这一领域正朝着小型化、超快和节能的自旋电子学器件应用迈进.将磁性材料集成到声学射频器件,也开辟了对声学器件调控方法和性能提升的新思路.本综述首先梳理了各种磁声耦合的物理机制,并在此基础上系统介绍了声控磁化动力学、磁化翻转、磁畴和磁性斯格明子产生及运动、自旋流产生等一系列磁性和自旋现象.同时也讨论了声控磁的逆过程——磁控声波的研究进展,包括声波参数的磁调控和声波的非互易传播,以及基于此开发的新型磁声器件,如磁传感器、磁电天线、可调谐滤波器等.最后展望了磁声耦合未来可能的研究方向和潜在的应用前景.

熔融沉积技术增材制造先进陶瓷材料研究现状和发展趋势

熔融沉积技术增材制造先进陶瓷材料具有高效、低成本和粉体适应性广等突出优势。通过分析先进陶瓷材料增材制造代表性技术的适用范围及其局限性,然后基于线材和螺杆挤出两种熔融沉积技术的原理和特点,综述了熔融沉积方法在结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷和陶瓷基复合材料领域的研究进展。从机械臂辅助3D打印、打印过程的监控与缺陷控制和增材制造过程的计算模拟三个方面对熔融沉积技术的发展趋势和研究重点进行了展望。

集成计算材料工程及其在镁合金铸造和热处理方向上的应用探索

集成计算材料工程(ICME)是材料开发与应用的革新模式,其定义为计算工具中获取的材料信息与工程产品性能分析和制造过程模拟的集成。自ICME概念提出以来,航空航天、汽车和船舶工业在应用ICME方面取得了显著进展。本文对上述进展进行了比较全面的综述,在此基础上介绍了作者课题组在构建镁合金铸造和热处理ICME框架方面的研究进展,包括镁合金凝固枝晶生长的元胞自动机(CA)和相场(PF)建模、共晶和第二相的X射线断层扫描表征、时效过程析出相的相场建模,以及可用于预测铸态组织晶粒尺寸和第二相体积分数、时效组织中析出相的数量密度、尺寸、体积分数和屈服强度的解析模型。最后对ICME的应用前景进行了展望并提出了建议。

“新工科”背景下材料科学基础教学改革

介绍了在材料科学基础课程教学中的探索:重走发现之路,加深学生对知识的理解,培养批判性思维、创新能力和科学精神。启发式教学引导学生独立思考,培养多元化思维。理论与实践结合,增强学生灵活运用知识能力,树立学以致用、科学报国理念。

浅议工程材料课程教学与大学生自主学习

在初步分析工程材料课程特点、教师教学现状和学生学习阶段特点的基础上,结合自身的教学经历,粗浅地探讨了引导、激励学生自主学习的必要性和可行性。其中,通过教师引导学生学会课堂总结、恰当利用多媒体资讯、结合教师自身科研拓展学生视野、改革和完善评价机制等方式激励学生自主学习尤为重要。通过教与学的改革,有理于全面培养学生的科研素养和综合素质。

6G时代的新材料

6G是继5G之后的第六代移动通信网络,在通信速率、延时能耗及覆盖范围等方面都将面临更大的挑战。文章围绕6G的技术特征,阐述了新型频谱通信材料、第三代半导体材料、新型功能材料、智能材料、电磁防护与热管理材料在6G应用中的重要性,对6G时代新材料的发展趋势进行了展望。

氢能与新材料

氢是清洁高效的能量载体和重要的化工原料。文章从当前氢能利用过程中面临的问题和挑战入手,简述了新材料在制氢、氢气分离与提纯、储氢及氢能转换等各环节的应用,对氢能利用中新材料的发展趋势进行了展望。

水脱盐用电容去离子化炭材料研究进展

本文综述了炭材料用于水脱盐的电容去离子化(CDI)电极的研究进展。首先,基于盐吸附容量(SAC)、吸附速率(SAR)和电荷效率(CE)比较了各种类型的CDI反应池,包括流动型(FB)、膜型(M)、流经电极型(FTE)以及流动电极(FE)型反应池。进而,基于电容和电池两种类型重点讨论了炭电极材料的研究进展。研究表明,具有短路运行模式的流动电极(FE)反应池可望用于实际应用以解决未来日益增长的缺水需求。

铝−共晶镓铟锡复合材料水解制氢

提出一种利用铝和液态金属共晶镓铟锡(eGIS)持续产生氢气的新方法。以带有盲孔的圆柱体铝作为盛放液态金属的容器,通过水解释放氢气,而以eGIS作为触发反应的窗口,促进反应的进行。同时,对半固态Al−eGIS复合材料的显微组织、水解演化和产氢性能进行研究。结果表明,当eGIS沿晶界扩散到多晶铝中时,液态金属发生脆化现象,提高了水解过程中复合材料的反应活性,同时观察到In3Sn和InSn4第二相的形成,其有助于加快铝的水解。此外,Al−10wt.%eGIS和Al−20wt.%eGIS复合材料的水解转化率接近100%。样品应用于质子交换膜燃料进行性能测量,在0.54 W输出功率下稳定供电110 min。

N掺杂多孔碳海绵定形芒硝基复合相变材料的制备及其热性能

芒硝相变储能材料作为一种潜热值高、来源广泛的无机水合盐,因存在相分层、过冷度等问题,限制了其在储能领域的广泛应用。本工作以N掺杂多孔碳为载体,将芒硝相变储能材料与N掺杂多孔碳复合,解决芒硝相变储能材料在实际应用中存在的问题。基于水热反应在聚氨酯泡沫上负载N原子,随后通过高温碳化得到N掺杂的多孔碳海绵(NPCS-M),并将其作为Na_(2)SO_(4)·10H_(2)O/Na_(2)HPO_(4)·12H_(2)O共晶盐的载体,最终制备出N掺杂多孔碳海绵封装的芒硝基复合相变材料(NPCM)。结果表明:N掺杂多孔碳海绵为蜂窝状结构,N含量为4.3%,比表面积为42.52 m^(2)/g,该材料对共晶盐的吸附量达到了自重的120倍。同时研究了该材料在5~60℃温度范围内循环1000次、3000次和5000次后的固液相变性能,经5000次循环后,该复合相变材料的潜热仍在130 J/g以上,且有降低共晶盐多次循环后过冷度的作用。该N掺杂多孔碳海绵复合相变材料在储能领域具有广阔的应用前景。

激光制备石墨烯/镍/铜触头材料及其性能研究

为改善抗电弧烧蚀能力差导致铜合金触头电寿命不足的问题,本文采用激光法在镍镀层增强紫铜表面原位制备大面积石墨烯,形成石墨烯/镍/铜复合材料,提高Cu基触头的使用寿命.设置电沉积电流5 mA,沉积90 s后在铜表面引入平均厚度为25~27μm的Ni过渡层,改善Cu对激光的高反射、高导热问题.通过旋涂石墨碳源在镍过渡层表面,设置纳秒激光功率1.5 W,脉宽150 ns,扫描速度10 mm/s,加工3次,频率250 KHz后进行辐照,在铜镍过渡层表面成功制备了石墨烯独立涂层.对复合材料进行了理论分析和实验验证,取得了相应最优参数下的相关性能数据.结果表明,石墨烯/Ni/Cu复合触头硬度为245.45 HV,是紫铜的3.17倍;接触电阻0.096 mΩ符合国家标准;摩擦系数0.083 7是紫铜的0.73倍;500℃时复合材料导热系数为1 178 W/(m·K),是紫铜的3.43倍.同时,复合材料具有良好的抗氧化性能.本文为新型铜合金触头的制备提供了新的思路和实验基础.

牙科修复材料概述

随着近年来物质生活水平的提高和口腔保健意识的增强,人们越来越重视牙齿的功能性和美观度,推动了牙科材料的蓬勃发展。修复材料在牙科临床的使用不但能够实现牙齿结构修复和美观功能的修复,同时能够产生治疗的效果。本文概述了牙科材料的发展历史,常用的种植牙和牙体填充材料的基本性能和适用范围,包含化学稳定性、生物相容性、硬度、耐磨性和断裂韧性等。最后展望了材料学在牙科修复领域的未来研究方向。

基于生物材料的多模态组织工程策略

作为组织工程三要素之一,生物材料在组织工程和再生医学中的重要作用备受关注。生物材料不仅仅是支撑结构以及细胞和生长因子的递送载体,同时可构建适宜的“再生微环境”,调控干细胞、免疫细胞、组织特异性细胞的细胞行为并激活组织再生潜能。此外,生物材料所具备的本征理化特性、生物活性,以及传递的外源刺激等不同模态的材料学信号均可调控细胞行为,激活基因表达,进而诱导组织再生。近年来,基于仿生设计原则,解码天然细胞外基质的材料学信号并揭示它对于细胞行为的调控作用和分子机制,指导多功能生物材料设计,诱导组织再生修复,已成为组织工程和再生医学研究的共性科学问题。因此,基于组织工程和再生医学策略中生物材料的重要地位,提出了一种基于生物材料的多模态组织工程策略,即设计开发“All-in-One”的多功能生物材料递送多模态的细胞调控信号,协同调控细胞命运,诱导组织再生修复。在此基础上,综合阐述了生物材料负载的材料学信号对于细胞行为的调控作用,并以神经组织工程为例介绍基于生物材料的多模态策略内涵,最后对该策略的前景和挑战进行了展望。

纳米材料在病毒检测中的应用研究进展

病毒的快速、灵敏和特异性检测是医学领域备受关注的关键问题。自2020年以来,新型冠状病毒肺炎疫情在全球范围内的爆发对快捷灵敏的病毒检测方法提出了更高要求。随着新材料尤其是纳米材料的不断发展,很多材料显示出优异的物理、化学与力学性能,在病毒检测中展现出应用潜力。纳米材料从结构上可分为零维材料、一维材料与二维材料。本文从病毒检测基本方法入手,围绕纳米材料的分类,结合纳米材料的最新进展,综述了各类纳米材料在病毒探测领域的应用,对其未来发展趋势进行了展望。

热激励去极化电流技术在无机材料中的应用

热激励去极化电流(TSDC)测量技术可以提供存在于材料体系中的缺陷类型信息,例如空间电荷、偶极子、陷阱电荷等。通过TSDC谱分析,可研究偶极子和可动离子的性质,以及激活能、弛豫时间、荷电粒子浓度等微观参数,进而更好地理解与缺陷有关的物理本质。本文介绍了当前TSDC技术在无机材料中的应用现状,整理归纳出TSDC技术在线性介质、非线性介质、陶瓷-聚合物复合材料中的研究结果与最新进展,从本质上揭示无机材料中缺陷与性能之间的内在关联。有望拓展TSDC技术在无机材料中的应用,为无机材料微观机制研究提供新思路。