《新材料周刊》第42期:2019年增材制造在军工和

2020-02-14 04:59 社会

  原标题:《新材料周刊》第42期:2019年增材制造在军工和航空航天领域的重大突破

  增材制造技术正成为发达国家实现制造业回流、提升产业竞争力的重要载体。可以说,新一轮的全球制造业竞争,极有可能是增材制造与机器人等高端装备的竞争。以增材制造为代表的数字化、智能化制造以及新型材料的应用将重塑制造业和服务业的关系,永利ag注册重塑国家和地区比较优势,重塑经济发展格局,加快第三次工业革命的进程。欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划,增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注,在各行业取得的成果不胜枚举,现将2019年增材制造在军工和航空航天领域取得的重大突破总结如下:

  美利用3D打印制造聚合物防弹立方体2019年11月,莱斯大学开发了由交链式碳纳米管复杂结构制成的3D打印聚合物立方体,这种材料几乎与钻石一样坚硬,高速子弹射击只能留下些许凹痕,比实心材料更能阻止子弹,且该聚合物还高度可压缩而不破裂,在吸收冲击方面的效率比普通立方体高出10倍。

  NASA 3D打印火箭发动机燃烧室燃烧室是火箭发动机的关键部件,也是最难开发的部件。制造、测试和交付传统燃烧室需要数月时间。2019年5月,NASA和卫星发射公司Virgin Orbit采用铜合金GRCop-84为火箭发动机3D打印了燃烧室。该组件旨在推动商业空间领域内3D打印的采用,并降低未来NASA任务的成本和时间。经高压液氧/煤油推进剂测试,该燃烧室在一系列60秒的点火试验中产生超过2,000磅的推力。

  GE为美军战车3D打印金属部件2019年5月,通用动力陆地系统公司与通用增材制造公司合作,在其匹兹堡生产基地为美国陆军3D打印钛合金电缆护罩。这种一体式钛部件由通用动力设计,以取代18片焊接钢部件,与现有部件相比,重量减轻了85%。3D打印金属部件首次用于美国地面战车,为类似应用铺平了道路。

  NASA使用3D打印制造火箭绝热部件 深空火箭“太空发射系统”必须能够承受极端环境和温度。为防止火箭在极端的发射温度下变得过热,隔热材料必不可少,但要把它装进航天器狭窄的机械装置内并不容易。2019年4月,NASA通过3D打印技术,将热保护系统应用到火箭更小、更复杂的部件上,以减少复杂和繁琐的后处理步骤,并降低整体处理时间。此外,研究团队还开发出一种精细工艺,减少认证单个3D打印模具所需的时间。

  Orbex制造出全球最大的增材制造整体成形金属火箭发动机2019年2月,英国Orbex公司使用镍合金作为原材料,用SLM Solutions公司的激光选区熔化(SLM)设备3D打印出小型火箭用发动机。这是全球最大的3D打印整体成形金属火箭发动机。由于没有焊缝和接头,结构重量减轻了30%,可承受极端的温度和压力波动变化。与传统的数控加工相比,制造时间缩短90%,成本节省50%以上。

  美陆军3D打印坦克发动机叶轮风扇2019年2月,美国陆军研究实验室将最初由空军开发的用于碉堡克星炸弹的AF96合金钢改制成粉末形式,利用激光选区熔化(SLM)工艺成功打印出艾布拉姆斯M1主战坦克涡轮发动机的叶轮风扇,并已交付使用。(国外各大新闻网站2019年综合消息)

  超声波提升3D打印金属强度3D打印合金的微观结构通常由细长的大晶体组成,因而机械性能较低,在打印过程中容易出现裂纹,难以用于工程应用。近日,澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究人员在3D打印过程中利用超声振动使金属合金晶粒的微观结构变得更紧密均匀,并用此方法打印了用于飞机零件和生物机械植入物的钛合金Ti-6Al-4V,以及用于海洋和石油工业的镍基高温合金Inconel 625。测试表明,与常规3D打印合金相比,这些零件的抗拉强度和屈服应力提高了12%。这种超声增强3D打印技术未来或可被用于提升其它金属的强度,如不锈钢、铝合金和钴合金等。(墨尔本理工大学网站1月9日消息)

  美开发首个半导体中子探测器原型中子探测器可检测铀等放射性元素发出的中子辐射,可用于核原料走私检查、辐射安全检测等应用,对国家安全至关重要。但现有的两类探测器本质上是闪烁器,其工作原理是感测喷射的中子,然后发光以警告用户;而且体积十分庞大,不便携带。为此,美国西北大学和阿贡国家实验室开发了一种由锂、铟、磷、硒元素组合而成的化合物,具有良好的热中子俘获截面、合适的带隙和有效传输电荷的能带结构,能够直接检测热中子。研究人员采用此材料开发出首个半导体中子探测器原型,该原型设备体积较小,可在纳秒内完成探测,且灵敏度极高,还可区分中子和其他类型的核信号,如伽马射线,以防止误报。除安全应用外,中子探测器还可用于辐射安全、天文学、等离子物理学、材料科学和晶体学。(阿贡国家实验室网站1月15日消息)

  碳纳米管薄膜可简化航空复合材料生产流程现代飞机的机身通常由多片不同的复合材料制成,当这些片层堆叠成型后,将被推入仓库般大的烘箱和高压釜中融合形成有弹性的气动外壳,这种方法耗时且成本巨大。为此,麻省理工学院研究人员开发出一种无需大型烘箱和高压釜即可生产航空级复合材料的方法,将有助于加快飞机和其他大型高性能复合结构件的制造。研究人员通过使用先前开发的技术生长垂直排列的碳纳米管薄膜,然后将薄膜放置在主要飞机结构制件的材料层之间,随后将这些层包裹在又一层碳纳米管薄膜中,最后施加电流对其进行加热固化。利用这种烘箱外技术,该团队仅使用1%的能量就能生产出与传统制造一样坚固的复合材料。(麻省理工学院网站1月13日消息)

  胶体量子激光二极管有望商业化胶体量子点(CQDs)是一种半导体纳米粒子,能有效地产生生动饱和的光色,被用于许多电子设备的显示屏。近日,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员通过将精心设计的胶体量子点结合到一种新型的包含集成光学谐振器的发光二极管(LED)中,成功制备出胶体量子点激光二极管。这些新颖的双功能器件为多功能、更易制造的激光二极管开辟了道路。这项技术有望彻底改变光电子学、化学传感及医学诊断等众多领域。(洛斯阿拉莫斯国家实验室网站1月14日消息)

  新工艺极大降低生物燃料生产成本酶溶解纤维素并将其转化为糖物质需要合适的溶剂。在过去的150年中,虽然科学家已经研究了多种可以分解纤维素纤维的溶剂,但大多数溶剂价格昂贵,或者需要极端的工作压力或温度范围才能有效。近日,由罗格斯大学领导的研究团队开发出可快速溶解植物纤维的预处理工艺,使得从植物废料生产生物燃料(如乙醇)的成本大大降低,并减少了对化石燃料的依赖。该工艺采用氨胺盐基溶剂,可使酶加速将植物纤维转化为制造乙醇所需的糖。新工艺可在接近室温的温度下生产出纤维素,并且所需的纤维素分解酶用量仅为传统工艺用量的1/50,可极大地降低生物燃料的生产成本。(罗格斯大学网站1月13日消息)

  美合成具有可调节机械和导电性能的“超级金刚石”过去50多年来,科学家一直预测碳基笼形物的存在,但一直未能成功合成此类材料。近日,美国卡内基科学研究所合成了具有超级机械和电子性能的“超级金刚石”碳基材料。研究人员使用先进的结构搜索工具预测出第一个热力学稳定的碳基笼形物并合成该笼形物结构,它由在高压和高温条件下捕获锶原子的碳硼笼子组成。合成的碳基材料具有类似于钻石的3D碳基框架,不同之处在于笼子中捕获的锶原子使其具有金属性,这意味着它可以导电,并在高温下可能具有超导性。(美国卡内基科学研究所网站1月13日消息)

  用于可穿戴设备的自发电、可拉伸、自修复材料热电材料使用温度梯度来发电,具有利用人体热量为可穿戴技术提供动力的潜力,消除了对电池的需求。但当前的热电材料缺乏灵活性、强度和弹性,无法避免受到永久性损伤。阿卜杜拉国王科技大学将三种有机化合物组合在一起,开发出具有拉伸性和自愈性的原型热电薄膜材料。该材料可自发电,并且足够坚固,可承受日常生活中的压力和拉伸,适用于可穿戴电子设备。研究人员测试了这些薄膜在压力下的热电性能,发现薄膜两边温差为32℃,产生的最大输出功率为12.2纳瓦。随后,研究小组在给LED灯供电的同时将薄膜切成两半,以此测试薄膜自愈性能。结果显示,光在切割期间或切割后都没有熄灭,即使在重复切割十次后,薄膜仍在不到一秒的时间内继续自我修复,并保留85%的功率输出。此外,当薄膜拉被伸到比原尺寸长三分之一左右时,仍能提供稳定的电源。研究人员计划找到具有更好热电性能的材料,以便在不久的将来获得更大功率。(阿卜杜拉国王科技大学网站1月13日消息)来自:远望智库预见未来

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