高通量材料發(fā)現(xiàn)的案例
熱電—從高通量材料發(fā)現(xiàn)到先進器件的發(fā)展歷史
來源 | Small
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背景介紹
自19世紀塞貝克、珀爾蒂埃和湯姆森效應發(fā)現(xiàn)以來，熱電材料因其在建設節(jié)能世界方面的巨大價值而引起了科學家和工程師的興趣。TE材料可以通過溫度產生電能梯度，反之亦然。雖然全球三分之二的能源消耗被浪費為熱量，但通過收集廢熱，TE設備(TEDs)可以成為提高能源效率的潛在解決方案。TEDs不需要活動部件或對環(huán)境有害的工作流體，這可以提供可擴展且環(huán)保的發(fā)電和冷卻解決方案。對這一領域日益增長的興趣和研究投資使ted在空間和其他偏遠地區(qū)的發(fā)電，汽車和工業(yè)廢熱回收以及固態(tài)溫度控制器(如汽車氣候控制，小型便攜式冷卻器，微電子熱管理等)中的廣泛應用成為可能，旨在取代基于蒸汽壓縮的機械冰箱。TED需要將n型和p型半導體材料電串聯(lián)、熱并聯(lián)連接。根據(jù)應用的不同，TED可以分為兩種主要類型——發(fā)電(TEG)設備和冷卻(TEC)設備。
02
成果掠影
近日，美國諾特丹大學Yanliang Zhang綜述了熱電材料和器件的新進展。熱電材料可以將廢熱轉化為電能或充當固態(tài)珀耳帖冷卻器，正在成為解決全球能源短缺和環(huán)境可持續(xù)性的關鍵技術。然而，發(fā)現(xiàn)具有高熱電轉換效率的材料是一個復雜而緩慢的過程。高通量材料發(fā)現(xiàn)這一新興領域顯示出其加速開發(fā)高效率和低成本新型熱電材料的潛力。高通量材料加工和表征技術與機器學習算法的協(xié)同集成可以形成一個有效的閉環(huán)過程，以生成和分析廣泛的數(shù)據(jù)集，以發(fā)現(xiàn)具有前所未有性能的新型熱電材料。同時，先進制造方法的最新發(fā)展為實現(xiàn)可擴展、低成本和節(jié)能的熱電器件制造提供了令人興奮的機會。本文綜述了利用高通量方法發(fā)現(xiàn)熱電材料的最新進展，包括加工、表征和篩選。
展開 材料“金手指”，金屬材料高通量制備技術及案例分享
金屬材料高通量制備技術介紹
材料高通量制備技術可以在短時間內制備大量不同成分的新型材料，可以加速新型材料的研發(fā)與應用，被列為材料基因組技術的三大技術要素之一。其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統(tǒng)的金屬材料高通量制備方法制備周期長，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。
隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，采用增材制造技術開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發(fā)展，且增材制造高通量制備相較于傳統(tǒng)高通量制備技術呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢：
1. 可以快速成型多種材料試樣；
2. 可以制備毫米級以上的塊狀樣品；
3. 研究過程中原材料消耗較少，更經濟。
圖1 金屬材料高通量制備方法總覽
安世亞太科技股份有限公司攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區(qū)熔化技術開發(fā)了具有國際領先水平的DLM-120HT金屬材料高通量增材制備設備。
圖2 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺
DLM-120HT是基于異質粉末3D打印的新金屬材料開發(fā)高通量制備平臺。直接利用元素粉末或合金粉末進行激光選區(qū)熔化成型，一次打印過程可實現(xiàn)4種粉末、160種材料成分配比的力學性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
圖3 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺技術路線
在最近結束的2021第四屆增材制造全球創(chuàng)新應用大賽中，DLM-120HT高通量增材制備平臺獲得了特別貢獻獎。
展開 武漢理工&廣州大學：高通量計算快速篩選出高性能吸附材料！
，近期，武漢理工大學化學化工與生命科學學院吳選軍副教授與廣州大學化學化工學院蔡衛(wèi)權教授合作，對基于神經網(wǎng)絡的天然氣脫硫多孔聚合物網(wǎng)絡進行高通量計算篩選，提出了一種快速識別高性能天然氣脫硫脫碳多孔聚合物網(wǎng)絡（PPN）吸附劑的方法；相關研究成果以“High-throughput Computational Screening ofPorous Polymer Networks for Natural Gas Sweetening Based on A Neural Network”為題，在線發(fā)表于國際化工領域的著名期刊《美國化學工程師協(xié)會志》（AIChE Journal）上。
展開 DfAM專欄 | DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺助力新材料研究
其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統(tǒng)的金屬材料高通量制備方法制備周期長，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，采用增材制造技術開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發(fā)展，且增材制造高通量制備相較于傳統(tǒng)高通量制備技術呈現(xiàn)出了
明顯的優(yōu)勢：
可以快速成型多種材料試樣；
可以制備毫米級以上的塊狀樣品；
研究過程中原材料消耗較少，更經濟。
圖3 金屬材料高通量制備方法總覽
基于此，安世亞太科技股份有限公司攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區(qū)熔化技術開發(fā)了具有國際領先水平的DLM-120HT金屬材料高通量增材制備設備。
圖4 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺
DLM-120HT是基于異質粉末3D打印的新金屬材料開發(fā)高通量制備平臺。直接利用元素粉末或合金粉末進行激光選區(qū)熔化成型，一次打印過程可實現(xiàn)
4種
粉末、
160種
材料成分配比的力學性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
圖5 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺技術路線
DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺具有以下特色：
1、混構打印
能實現(xiàn)不同金屬粉末的混構打印，可自由設計成分過渡，加速新材料研發(fā)過程且可制備對不同部位有不同要求的梯度材料金屬構件，提高構件性能、延長使用壽命。
展開 
Sci.》用離心法對軟材料中的粘附進行高通量篩選試驗
總結
開發(fā)了一種高通量、快速且具有成本效益的離心粘附力學測試管道，可以使用易于訪問的實驗室設備和耗材來制備和表征粘附材料。獨特的離心沉積方法克服了滴注法的缺點，可以在多孔板的所有孔中沉積表面光滑、厚度均勻的薄膜。此外，離心粘附測試方法提供了一種定量測量，其結果由更標準的粘附測試驗證。團隊設想擴展我們基于離心力的方法以高通量測量其他機械性能，擴展先進材料表征的能力。該工作使粘合劑的高通量發(fā)現(xiàn)成為可能，并為材料界帶來了一種新穎的工具。此外，團隊希望將機械特性轉換為光信號的想法可以激發(fā)高通量機械測試的其他新過程。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acscentsci.1c00414
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展開 哈佛大學鎖志剛教授、西安交大盧同慶教授、斯坦福大學Blanchet教授《Matter》: 高通量實驗設計用于預測材料小概率斷裂
預測材料的斷裂對工程應用十分重要。對于給定的材料，斷裂的條件例如斷裂應力、斷裂應變，通常在不同試樣間分布很廣，其中小概率斷裂的條件與斷裂的平均值往往偏離很大。然而小概率斷裂的條件對工程師進行結構設計意義重大。為了觀測小概率斷裂，工程師必須在相同條件下測試大量的試樣，非常耗時。一個可能的解決方案是進行高通量實驗。高通量實驗已較為廣泛的應用于化學、熱、電和生物性能的測量，但目前很少用于材料力學性能的測量。因此，西安交通大學盧同慶教授與哈佛大學鎖志剛教授、斯坦福大學Jose Blanchet教授合作，共同開發(fā)了一種用于預測材料小概率斷裂的高通量實驗。在設計的高通量實驗中，研究者在相同環(huán)境下打印制備了1000個試樣，將他們拉伸到相同的拉伸比，通過處理實驗錄像自動識別每個試樣的斷裂。高通量實驗產生的大量斷裂數(shù)據(jù)使得運用數(shù)學中的極值概率理論分析成為可能。
1. 高通量實驗設計及圖像處理識別斷裂
他們開發(fā)了一個高通量實驗來研究小概率材料斷裂與疲勞(圖1)。他們在相同的條件下打印了1000個啞鈴型試樣。設計了一種單自由度的運動機構，使所有的試樣在同一時間發(fā)生相同的變形。對于數(shù)量如此之多的試樣，用人眼來識別單個試樣的斷裂是不現(xiàn)實的。他們記錄了每次實驗的視頻，并編寫了處理視頻的軟件，以識別每個試樣的斷裂。
實驗裝置包括一個運動機構、一個帶控制盒的電動位移臺、一個攝像機和一臺計算機(圖1b)。運動機構由連接六塊鋁板的菱形支架組成。通過氰基丙烯酸酯膠水，每塊鋁板與一個打印的矩形連接部分粘接。
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