高性能結構材料的案例
塑膠材料篇：高分子的結構，影響著材料的諸多性能
塑膠材料的種類繁多，性能各異，雖然常用的材料還不算太多，但是有些材料性能差異很大，有些則比較相似，如果我們光靠記憶各材料的性能來熟悉材料，顯然是比較低效的，特別是一些你不常使用的材料，即使當時你能記住它具體性能用途，但是估計也會很快忘記。所以，這個時候，理論、原理性的知識就顯得尤為重要，以下內容實際上在上學時我們都學過，只是當時很難去理解，現在回過頭來看，其實還是有些收獲的。
高分子鏈的結構，其實影響著高分子塑膠材料很多性能，如強度、剛度、沖擊強度等物理性能，有些材料分子結構式非常相似，但性能卻各異，比如這三種材料：PE、PS、PVC。
本文為啥把它們三放在一起舉例介紹呢，主要是他們名字太相似了，咋一看，一字之差，實際上它們的性能差別很大，它們都為五大通用塑膠之一，產量大，價格便宜，廣泛應用于日常產品上。
PE，學名稱為“聚乙烯”，是指由乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PS，學名稱為“聚苯乙烯”，是指由苯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PVC，學名稱為“聚氯乙烯”，是指由氯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PE、PS和PVC的單體化學結構式如下，可以看出，結構式的主要區別是，PS中苯環取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子，而PVC中氯原子取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子。
所以也統稱聚乙烯類塑膠，其中把苯環、CI等稱為取代基（R），它們的聚合反應如下：
由于分子結構的不同，所表現出來的性能也會不同，從上面的結構式可以看出，PE的分子結構具有對稱性，而PS和PVC分子結構不對稱。
那么對稱或不對稱的分子鏈結構對聚合物的性能有什么影響呢？
展開 中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
°，（e）是高角度：30°，彎曲變形的模型投影在y-z平面，其對應的原子位移沿著y軸
【小結】
在該研究中，作者開發了一種制備高性能柔性熱電材料的策略，即以SWCNT網作為支架來引導層狀結構的熱電半導體納米晶的沉積和生長以形成具有高度有序微結構的雜化材料。
寧波材料所在國產高強高模碳纖維結構性能關聯性研究領域取得進展
高強高模碳纖維具有高比模量、熱膨脹系數小、尺寸穩定等系列優點，是衛星和航天器的主體結構、功能結構和防護結構等不可替代的關鍵材料。中國科學院寧波材料所特種纖維事業部長期致力于國產高性能碳纖維技術研發，于2016年2月、2018年3月相繼實現國產M55J、M60J高強高模碳纖維制備技術突破。
圖1 國產M55J高模碳纖維與東麗M55J纖維截面形貌對比
在國產高強高模碳纖維系列化制備技術基礎上，特種纖維事業部針對國產M55J級高強高模碳纖維微觀結構-宏觀性能關聯性等領域基礎科學問題開展了深入研究，通過纖維截面形貌研究發現，國產M55J高模碳纖維截面呈規則圓形，而東麗M55J碳纖維呈腰形（圖1），進一步通過高溫石墨化過程中纖維石墨特征結構演變機理研究發現，高模碳纖維拉伸模量與Raman光譜中無序結構D峰、石墨特征結構G峰的半高寬存在一定函數關系，D峰、G峰半高寬值越小，纖維拉伸模量越高；同時，國產M55J碳纖維拉伸強度高達4.86GPa，顯著高于東麗M55J碳纖維的4.02GPa，結合該性能差異針對其微觀結構研究發現，石墨微晶層間距和微晶取向是影響高模碳纖維拉伸強度關鍵因素，國產M55J高模碳纖維與東麗M55J碳纖維石墨微晶層間距相同，但國產M55J高模碳纖維具有更高石墨微晶取向（圖2），說明高取向石墨微晶結構有利于高模碳纖維拉伸強度的提高。該系列研究成果發表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018, 112:111-118；Journal of Raman Spectroscopy，2019，doi.org/10.1002/jrs.5569等期刊上。
展開 青島大學《JMST》封面：復合材料設計實現高性能電磁波吸收性能！
并以其為研究對象，通過調整制備工藝而調節復合材料中Ni/NiO的比例，進而探究材料中各組分之間的含量對復合材料電磁波吸收性能的影響。這項工作為探究復合材料的組分與電磁波吸收性能的關聯性提供了一個可行的參考。
課題組介紹
周新峰：碩士研究生。分別于2018年和2021年獲得青島大學學士和碩士學位，指導教師吳廣磊教授。同年2021年9月將去北京化工大學材料科學與工程學院攻讀博士學位，導師張好斌教授。主要研究方向為多孔碳基復合材料的微觀結構設計及電磁波吸收性能的研究。研究生階段以第一作者發表高水平科研論文8篇（其中中科院大類一區4篇），總影響因子大于70，他引次數約340余次，授權國家發明專利1項。
賈梓睿：博士，青島大學第四層次特聘教授。本科和碩士畢業于西安交通大學，指導教師成永紅教授。博士畢業于西北工業大學化學與化工學院，指導教師寇開昌教授。2020年12月加入青島大學化學化工學院威海創新研究院。主要的研究方向包括新型電磁屏蔽復合材料、高導熱絕緣及電磁相關材料的設計及開發。以第一作者或通訊作者發表高水平科研論文30余篇，總影響因子大于200，他引次數約1800余次，授權國家發明專利2項。
課題組首頁網站：
http://hxhg.qdu.edu.cn/info/1240/2233.htm。
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材料 | Alfa Chemistry推出高性能OLED和PLED材料
CINNO Research產業資訊，阿爾法化學(Alfa Chemistry)一直在開發適用于共軛聚合物基半導體和電子產品的有機材料。最近，該公司宣布了一項令人振奮的消息，即推出一系列高性能OLED和PLED材料，且這些材料目前都已面向市場。
Alfa Chemistry新推出的OLED和PLED材料具體包括電荷傳輸層和光敏材料、電子傳輸層和空穴阻擋層材料、空穴注入層材料、空穴傳輸層材料、主體材料、發光材料和摻雜劑、發光聚合物、熱激活延遲熒光摻雜和發光材料等。
“聚合物發光器件因其在下一代顯示器和光源方面的應用潛力而引起了市場廣泛的興趣，” Alfa Chemistry的營銷主管說道，“我們目前推出的OLED和PLED材料具有更高的發光效率和更長的器件壽命，有助于加速高分辨率噴墨打印技術的大規模生產。”
不過需要注意的是，這些材料的最終性能表現還和實際的產品結構方案有著根本關系。因此，Alfa Chemistry從未停止升級和完善其材料開發周期。目前，以下類型的OLED和PLED材料可從Alfa Chemistry購買到：
發光聚合物
Alfa Chemistry目前提供的各種發光聚合物材料，包括：含氮聚合物、聚(芴亞乙基)聚合物、聚(亞苯基亞乙基)聚合物、聚芴聚合物和共聚物、聚芴-亞乙烯基共聚物、聚亞苯基亞乙烯基聚合物和共聚物、聚噻吩聚合物和共聚物，以及水溶性LEP。
展開 一種高性能超低溫材料：高熵合金
CIENCE CHINA Materials 近期在線發表的一篇論文深入研究了CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，發現液氦環境下孿晶主導的變形機制引發了鋸齒流變行為，變形孿晶和相變行為的共同作用導致了其優異的力學性能。
超低溫材料在深空探測、應用超導和氣體工業領域有諸多應用。隨著聚變反應堆領域和空間技術的進步，針對高性能低溫材料的需求越來越迫切。高熵合金作為多主元合金（多種合金元素等比例或近似等比例組成）的代名詞，近些年引起研究人員的廣泛關注。由于其合金設計理念的不同，高熵合金被認為具有突破傳統材料諸多性能極限的潛力。
美國國家航空航天局發射的好奇號、洞察號火星探測器和洞察號傳回地球的第一張圖片。（來自pixabay和百度圖片）
聚變反應堆裝置示意圖
該文詳細研究了具有面心立方結構的CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，結果顯示該合金在極低溫環境下，能夠保持高強度和極優異的韌性。
CoCrFeNi高熵合金的拉伸應力應變曲線
歸根結底，這些優異的綜合性能源于多組元合金極低的層錯能，使變形孿晶在超低溫環境下大量出現，進而導致材料在極限溫度下保持高強高韌的特點。另外，研究還發現該合金在超低溫環境準靜態拉伸時表現出FCC-HCP相變行為，說明在極低溫且高應力狀態下，HCP結構的CoCrFeNi合金比FCC結構更穩定，加深了我們對高熵合金相穩定性的認識。除此之外，高熵合金在液氦溫區拉伸時出現了鋸齒流變行為，作者認為這種特異性的現象是由孿晶主導的變形機制引起的，且相變行為的出現導致了該鋸齒行為不穩定。
不同金屬材料在4.2 K時的拉伸強度-延伸率圖
以上結果及上圖顯示，與傳統的金屬材料相比，高熵合金在極低溫環境結構材料領域具有很大的工業應用潛力。
展開 貴州大學謝蘭教授團隊：高導熱的高性能電磁屏蔽材料
因此在有效利用電磁波的同時，研究電磁屏蔽材料對解決電磁污染具有重要意義。另外，隨著電子設備的小型化和高頻化發展，在電子設備的使用過程中，熱量的積累正成為另一個嚴重的難題。因此，迫切需要開發具有高導熱率的高性能電磁屏蔽材料。
謝蘭教授團隊長期從事生物質基新材料的研究工作，圍繞“構建結構與功能化一體的高性能生物質基新材料”關鍵問題，從“多層次結構調控-表面/界面作用機制分析-高性能/功能化實現-指導實際生產應用”幾個方面開展了系統性研究工作，并取得一系列研究成果（Chemical Engineering Journal, 2020, 397, 125297；Composites Part B: Engineering, 2020, 203, 108467; Macromolecules, 2015, 48, 2127; Materials Horizons, 2014, 1, 546; ACS Sustainable Chemistry & Engineering,2017, 5, 3279; Biomacromolecules, 2016, 17, 985;CS Sustainable Chemistry & Engineering, 2016, 4, 334; Applied Surface Science, 2020, 502, 144098. Applied Surface Science, 2020, 517, 146135;…….）
圖1. 基于填料多尺度設計實現生物質基高分子的高性能與多功能化。
展開 哥廷根大學張凱教授課題組《Small》：兼具可調結構色和力學性能的三維中空結構材料
然而，這些技術通常僅限于制備1D/2D結構（纖維或薄膜）。雖然已經證明了3D/4D打印可以獲得兼具復雜結構和有序CNC的潛力，但這種具有復雜結構的三維結構通常具有非連續表面，尤其是在垂直方向上。此外，這些技術中的許多參數會影響CNC在三維成型結構中的排列，例如ink的固有流變性/粘度、剪切速率、噴嘴幾何形狀和凝固劑的選擇。另一個關鍵問題是結構體的力學性能，在含有CNC的三維復合材料中，有序排列的CNC如何發揮作用？是否還有其他影響因素？
圖1 含有CNC的類雙曲面3D結構的制備過程。
近日，德國哥廷根大學張凱教授課題組通過“拉伸-松弛-干燥”動態共價水凝膠的方式制備了具有類似雙曲面的中空三維復雜結構（圖1）。這種方法的特點是CNC在里面是有取向的，且曲面具有連續性：基于機械拉伸和空氣干燥過程，動態水凝膠中的CNC可以單軸排列；除了力學增強之外，還提供額外的光學雙折射現象（圖2）；所獲得的類雙曲面結構參數可由原始水凝膠的形態和機械拉伸的條件控制；類雙曲面結構的表面可以通過空氣干燥過程進一步優化，從而獲得光滑、連續和彎曲的表面。更為重要的是，研究發現這種3D形狀結構的機械性能不僅依賴于CNC的有序排列，而且與結構固有的幾何形狀有很大關系（圖3）。這些結果將為設計和制造具有固定形態、力學性能和功能的先進材料提供新的視角。
圖2 類雙曲面3D結構的光學性質。
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！
PPN材料作為一類有序的多孔有機聚合物，在氣體吸附[10]、催化[11]、傳感[12]等領域具有廣泛的應用價值，由于其具有比表面積高、低成本、重量輕等優點，有望在天然氣酸性氣體脫除應用中發揮重要作用。
然而，由于PPN材料種類繁多，通過傳統試錯型實驗手段難以快速識別出高性能的天然氣脫硫脫碳吸附劑。分子模擬結合機器學習是目前快速篩選天然氣脫硫脫碳目標吸附材料的有效方法，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權教授合作，提出基于巨正則蒙特卡洛（GCMC）模擬結合神經網絡訓練的算法，從17846個虛擬PPN材料中篩選出了能夠同時脫除濕天然氣中CO2和H2S兩種酸性氣體的390種最佳吸附劑，并基于決策樹、隨機森林、梯度提升回歸樹和人工神經網絡等機器學習算法建立了PPN材料脫硫脫碳應用的結構-效能關系與設計原則，提出一種快速識別高性能天然氣脫硫脫碳PPN吸附劑的方法，為進一步實現工業化濕天然氣高效脫硫脫碳奠定了堅實的理論基礎。
展開 鋼結構材料性能（復習）
一、 鋼結構一次拉伸應力-應變曲線
鋼材的主要強度指標和變形性能都是根據標準試件一次拉伸試驗確定的。
1、低碳鋼、低合金鋼的一次拉伸應力-應變曲線
低碳鋼、低合金鋼的鋼材單向拉伸試驗曲線是標準試件在常溫、靜載條件下一次拉伸所表現的性能曲線。
鋼材性能曲線分為以下階段：
1）彈性階段
該階段的力學指標為比例極限σp。應力不超過該值時，應力σ與應變ε的關系符合虎克定律，呈線性關系，卸荷后變形完全恢復。
直線的斜率E為鋼材的彈性模量，在鋼結構設計中，對所有鋼材統一取E=2.06x105N/mm2。
2）彈塑性階段（非線彈性階段）
當超過比例極限σp后，應力σ與應變ε呈非線性關系，一直到屈服點fy。此階段，切線模量Et=dσ/dε，Et隨應力增大而減小。當σ=fy時，Et=0。
3）塑性階段（屈服階段）
σ=fy后，材料到達彈性段頂端，鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產生很大的變形。從曲線上看，材料屈服后，有一段水平段，表示荷載或應力不再增加，但材料的變形或應變還會增加。水平段有微小抖動，包括上屈服點、下屈服點，通常用下屈服點作為屈服強度。
應力超過比例極限σp后，任一點的變形都將包括有彈性變形和塑性變形兩部分，其中的塑性變形在卸載后不再恢復，故稱殘余變形或永久變形。
4）強化階段
屈服階段之后，如果變形或應變持續增加，荷載或應力還會提高，這個階段叫作強化階段。試件能承受的最大拉應力fu為鋼材的抗拉強度。
在強化階段，材料的應力增量與應變增量的比值，表征了在此階段的材料性能，為切線模量。如果將這點與原點連起來，即表征材料的總應力與總應變的比值，叫作割線模量。
5）頸縮階段
到達曲線的頂點fu后，試件會出現局部橫向收縮變形，即頸縮，隨后斷裂。
展開 塑膠材料篇：聚合物的聚集態結構，對聚合物性能的影響
上篇介紹了高分子鏈結構對材料基本性能的影響，但由于聚合物是由許多高分子鏈聚集而成，有時即使相同鏈結構的同一種聚合物，在不同的加工成型條件下，也會產生不同的聚集態，所得制品的性能也會截然不同，因此聚合物的聚集態結構對聚合物材料使用性能的影響比高分子鏈結構更直接、更重要。
聚合物的聚集態指的是高分子鏈之間的排列和堆砌狀態，不同大分子鏈通過分子間的作用力聚集成為聚合物。
一、分子間的作用力類型：
其中，高分子鏈的形成主要靠主價力（化學鍵）；而高分子鏈聚集成聚合物主要靠次價力（分子間的力）。
1、范德華力：沒有方向性和飽和性。
其中，色散力存在于一切分子中，是范德華力最普遍的一種，在非極性分子中，分子間的作用力主要是色散力，如PE、PP、PS。
2、氫鍵：具有方向性和飽和性。
氫鍵的形成條件是一個電負性強、半徑小的原子X與氫原子H形成的共價鍵(X－H)，而這個氫原子又與另外一個電負性強、半徑小的原子Y以一種特殊的偶極作用結合成氫鍵(X－H···Y)。
氫鍵的形成可以是分子內，也可以是分子間。
分子間形成氫的高聚物有聚丙烯酸、聚酰胺等。
二、聚合物的聚集態結構
以上各種分子間的作用力共同其作用才使得相同或不同分子聚集成不同狀態的聚合物，此時的聚合物聚集態結構主要包括分為晶態結構、非晶態結構、液晶態結構和取向態結構。
1. 晶態結構（含晶區和非晶區）
2. 非晶態結構（長程無序，近程有序，均相，各向同性）
3. 液晶態（介于晶態和非晶態之間，物理狀態為液體，又具有晶體的有序性）
4.
展開 
材料｜默克宣布旗下高性能材料業務更名為默克電子科技！看好中國半導體產業發展
全球領先的科技公司
默克
日前宣布旗下“高性能材料(Performance Materials)”業務正式更名為“電子科技(Electronics)”。這一舉措體現了該業務板塊在過去數年戰略轉型的顯著成果。自2018年啟動“光明未來”轉型計劃以來的又一重大里程碑。
擁抱客戶，推動智慧化的本土化策略
“自去年宣布了中國已經投入1.4億人民幣，在上海金橋建設全新默克電子科技中國中心，這個電子科技中心也會進一步服務我們在半導體跟顯示領域的客戶，共同開發一些創新產品跟整個服務解決方案，給到我們中國客戶，這也是我們未來會進一步扎根中國市場，更好服務這個行業一個基礎”。 默克中國總裁兼電子科技中國區董事總經理安高博表示。
“目前做的默克電子科技業務在中國市場大概為上百家芯片制造商供應超過150種以上的半導體材料材料，這個技術中心可以對這些高純度、高精度的材料產品做質量檢測，做一些可回收容器的處理，而且可以做一些測試樣品的準備，這只是第一步，后面我們會更多應用，真正意義上的R&D接踵而來，這是默克在中國戰略的布局”。陳天牛博士(Dr. Rick Chen) 默克中國電子科技業務半導體事業部總經理補充到。
默克中國電子科技中心一期投資1.4億人名幣，計劃于2022年上半年竣工。竣工的第一期將集中有以下三種功能：
1. 涵蓋150多種的半導體材料質量檢測
2. 平坦化及薄膜材料的測試樣品的置備
3.
展開 【技術干貨】一文詳解影響碳纖維及其復合材料壓縮性能的結構因素（二）碳纖維的微觀結構及壓縮破壞
摘 要
碳纖維及其復合材料因其優異的拉伸性能和輕質特性而備受關注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應用的主要障礙。
在本系列專題文章中，將會從微觀結構和宏觀角度系統地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結構及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》
碳纖維的微觀結構
為了開發提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結構是很重要的。生產碳纖維最常用的前驅體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉變過程的微觀結構規律。
碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預氧化（又叫熱穩定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩定是在空氣氣氛中進行的，通常PAN纖維在不同溫度下經受200至300°C的熱處理，并根據特定前驅體纖維的加工要求在規定的時間內施加張力。
展開 PEEK材料3D打印隱形冠軍遠鑄智能，引領高性能多材料工業FDM生產級應用潮流
南極熊發現，致力于工業FFF/FDM 3D打印技術、全球領先的高性能材料3D打印設備供應商上海遠鑄智能技術有限公司（INTAMSYS）展出了多款高性能多材料產品。
高性能材料生產級3D打印設備FUNMAT PRO 610 HT
FUNMAT PRO 610 HT作為INTAMSYS的熔融沉積成型（FFF）打印技術的創新之作重磅亮相TCT，具備先進的高溫系統管理設計，全金屬雙噴頭溫度最高可達500℃，恒溫腔室溫度可達300℃,能夠滿足工業級高性能材料打印的需求，大尺寸打印平臺可實現小批量生產,最大打印尺寸可達610×508×508mm，可打印大尺寸的PEEK/PEKK/ULTEM?(PEI)/PPSU等高性能材料，具有很好的穩定性和可靠性,能夠用于連續生產，開放材料系統可以幫助用戶節省更多打印材料成本。
智能多材料工業級3D打印設備FUNMAT PRO 410
FUNMAT PRO 410具有智能雙噴頭，可同時打印兩種材料，并且可打印水溶性支撐材料，極大地簡化了打印復雜鏤空結構的后處理過程。噴頭溫度可達500℃，平臺溫度可達160℃，腔室溫度可達90℃，先進的熱設計讓FUNMAT PRO 410 不僅可以輕松打印像PEEK/PEEK-CF/PEKK/ULTEM?(PEI)/PPSU這樣的高性能材料，還可以打印像PA/PC/ABS這樣的工程塑料。內置的線性導軌及高性能定向驅動讓FUNMAT PRO 410可實現高速度, 高精度打印。
展開 三坐標測量機結構材料對性能的影響
三坐標測量機結構材料對測量精度、性能有很大影響，隨著各種新型材料的研究、開發和應用，三坐標測量機結構材料種類越來越多。目前三坐標測量機主流結構材料為花崗巖、鋁合金，工業陶瓷基本只出現在高端三坐標測量機中。
一、材料分類
1.1鑄鐵
鑄鐵是應用較為普遍的一種材料，主要用于底座、導軌、立柱、支架、床身等。優點是變形小、耐磨性好、易于加工、成本較低、熱膨脹系數與多數被測件（鋼件）接近，是早期三坐標測量機廣泛使用的材料。
1.2花崗巖
花崗巖（俗稱大理石）密度比鋼輕,比鋁重,是目前應用較為普遍的一種材料。由于花崗巖在地下經過億萬年的時效，應力釋放充分，加工后的穩定性好、不生銹,易于作平面加工,達到比鑄鐵更高的平面度,適合制作高精度的平臺與導軌，目前多數三坐標測量機用這種材料。
目前超高精度三坐標主要采用固定橋式，固定橋三坐標測量機采用固定“封閉框架”和移動工作臺的設計，工作臺、X軸橫梁和Z軸一般也是用優質花崗巖，各軸具有相同的熱力學性能，能有效消除溫度變化對結構的影響，保證儀器長時間運行的高精度和穩定性。
1.3陶瓷
工業陶瓷是近年來發展很快的材料類型，它是將陶瓷材料壓制成形后燒結、研磨得到。三坐標X軸橫梁和Z軸采用陶瓷結構，可以充分發揮工業陶瓷重量輕、剛性與抗熱膨脹性優異、容易加工成超高精度表面的特性，在各種工業制造環境中都能夠獲取精確可靠的測量數據。
由于主軸和橫梁采用工業陶瓷，工作臺采用花崗巖，三軸熱匹配性合理，更有利于在20℃±2℃溫度范圍內保證精度。
1.4鋁合金
高強度鋁合金密度小，表面硬質陽極氧化后硬度良好，不易銹蝕，機械強度高，能夠制作大尺寸零件。
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