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美国研发出纳米复合材料设计模型   
来源:科技日报 时间:2009-07-03点击:4478

上图:金属铜受辐射后,金属晶格出现缺陷(上半部图);在铜和铌的纳米复合材料中,辐射带来的破坏限制在铜和铌层的界面内(下半部图)。

 

  复合材料是两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料。虽然复合材料从问世至今只有短短数10年的历史,但由于它可以发挥各种组成物质的优点,克服了单一材料的缺陷,因此得到了广泛应用。最近,美国麻省理工学院的研究人员锦上添花,成功地研发出复合材料纳米化的设计模型。通过该模型,人们有望获得纳米复合材料具有其组成物质所没有的、全新的材料特性。

 

  按性能设计纳米复合材料

 

  纳米复合材料设计模型的发明人为麻省理工学院材料科学和工程系助理教授迈克尔·德姆库维茨,他期望用自己的模型研制出的纳米复合材料能够耐高温、抗辐射,并承受超强的机械负载,最终目标是将这些纳米复合材料用于包括核电站、燃料电池、太阳能和碳存储等能源应用领域。   

 

  德姆库维茨表示,能源生产的各个环节均需要能够承受极端条件的材料。他研发的设计模型提供了根据所需的材料性能设计纳米复合材料的新方法。他认为,虽然目前社会上有不少设计模型能够构建材料的结构并预测材料的特性,但是这类仍需要经过反复制造和测试循环的新材料开发方法存在着耗资庞大且花费时间长的缺点。   

 

  在材料学领域,详细设定所需的材料特性,然后预测何种结构能够具有这些特性被科学家称为“逆问题”。德姆库维茨开发的纳米复合材料设计模型解决了材料科学家面对的“逆问题”,有望极大地加快材料设计过程。

 

  纳米复合材料具有很强的抗辐射能力

 

  德姆库维茨利用自己的模型进行纳米复合材料设计的首选目标是抗辐射材料,让它帮助核电厂提高效率和安全。   

 

  通常,当金属材料暴露在辐射环境中时,中子等高能粒子与金属中独立的原子会发生碰撞,结果是将原子从晶格中击出,被击出的原子又会与其他的原子相撞,导致后者失去自己的原位……如此这般的结果是金属中有的区域出现大量失去原子的“空穴”,有的区域出现多出原子的“缺陷”,这种缺少和多出原子的缺陷群致使金属材料易碎和弱化。

 

  据德姆库维茨介绍,确保纳米复合材料具有抗辐射能力的关键在于组成复合材料的不同物质层与层之间的界面。当不同的物质层越来越薄时,不同物质间的界面就决定了复合材料的特性,也就是说,不同物质的界面使得复合材料表现出了原组成物质所不具备的新奇特性。    

 

  德姆库维茨表示,在某些纳米复合材料中,“空穴”和“缺陷”受到了界面的限制,它们紧紧相贴,因此被高能粒子击出的原子最终又填充到“空穴”中,金属的晶体结构恢复至常态。在某些条件下,复合材料表现得如同没有受过辐射影响一般。   

 

  抗辐射复合材料最终可能用来取代不锈钢用于核反应堆内,有望延长核反应堆的寿命,同时允许核反应堆在更强的辐射剂量下工作。目前反应堆仅仅使用了1%的核燃料,抗辐射复合材料的利用有望让反应堆使用更高比例的核燃料,减少核废料量。   

 

  德姆库维茨在利用模型设计的具有多层界面的抗辐射纳米复合材料过程中,发现铜和铌组成的复合材料具有抗辐射的能力。2008年,他曾在《物理评论快报》上发表文章,认为该纳米复合材料能吸收中子并转为辐射性材料,因而不能用于核反应堆。此外,德姆库维茨的设计模型还可以用于了解其他复合材料是否也拥有这样的性能。   

 

  尽管拥有了纳米复合材料设计模型,但德姆库维茨表示,在未来确定具有抗辐射的候选纳米复合材料后,在新材料被批准用于核反应堆之前,研究人员仍需要数年的时间对其进行测试。因此,任何具有潜力的新材料大约还需要至少10年的时间才能被启用。

 

相关标签:   美国   纳米   复合材料   模型