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加州笔记之三十二 未来之桥
siccashq 2009-10-15 06:58
图片来自NYT 美国最近开展了一组实验,使用玻璃碳纤维复合材料作为桥梁和铁路的骨架支撑体,而不是传统的使用钢筋骨架。公开的视频介绍了这种新型的骨架结构建设过程:先是玻璃碳纤维做成布袋状,然后充气鼓起,弯成所需要的特殊形状,表面注入树脂固化成空心的骨架管,形状颇似各地乡镇经济开发区门口的充气彩虹。这种骨架管由于是碳材料为主,所以运输装载很方便,节省了大量的重型机械作业成本。空心复合玻璃碳纤维管立住以后,便开始往管内填塞混凝土,实际使用时主要的强度还是由混凝土提供,但是这种碳复合材料使用以后能进一步延长骨架的使用寿命,断裂韧性也增强,相比于传统钢筋填充来说更重要一点是耐氧化和耐腐蚀能力大为提高,这对于建筑寿命有很大影响。在冬天路面需要利用除冰盐的情况,腐蚀是一个很大的破坏因素。工程师对于纤维管填充混凝土结构的力学测试也几乎和以往结构相当。从美国其他的新闻链接来看,在铁路铺设桥梁上也做了相同的实验。由于美国很多交通路面和桥梁都面临着更新,所以这项新技术很有可能大规模地利用到下一代地面设施中。中国是不是也在考虑这样的建设? ------------------------------- News of New York Times: http://www.nytimes.com/2009/10/13/science/13bridge.html?_r=1 October 13, 2009 Building a Bridge of (and to) the Future By HENRY FOUNTAIN PITTSFIELD, Me. The Neal Bridge is barely a bump in the road for motorists roaring down Route 100 south of this central Maine town. Its a modest bit of the nations infrastructure two lanes wide and 34 feet long, enough to span a small stream. The bridge is newer than most, as suggested by the still-black asphalt and the fresh galvanized gleam of the guardrails. But its what is underneath that really makes the bridge stand out. Rather than steel or concrete beams, the structure consists of 23 graceful arches of carbon- and glass-fiber fabric. These are 12-inch-diameter tubes that have been inflated, bent to the proper shape and stiffened with a plastic resin, then installed side by side and stuffed with concrete, like giant manicotti. Covered with composite decking and compacted soil, the arches support a standard gravel-and-asphalt roadway. The bridge is the first of what its designers, about 50 miles up the road at the University of Maine in Orono, hope will be many of its type, combining composite materials with more conventional ones like concrete. With an estimated 160,000 of the nations 600,000 road bridges in need of repair or replacement, if it or other hybrid designs catch on, they could mark a breakthrough in the use of fiber-reinforced plastics, known as F.R.P., on highways. This was an experiment for us, said Habib J. Dagher, director of the universitys Advanced Structures and Composites Center , where the design was developed over seven years. It was time to get out of the lab and see if it really works. The bridge, built last November for about $600,000, is being monitored with deflection sensors and other instruments, and so far is holding up under the daily onslaught of traffic. It went amazingly well, Dr. Dagher said. We learned a lot. It turned out to be $170,000 less expensive than a precast bridge. It worked so well, in fact, that it attracted the attention of the Obama administration; Transportation Secretary Ray LaHood toured the center in August. And a second, similar bridge was completed in late summer, farther north, in Anson. The fiber-arch design was the lowest of seven bids. Long the stuff of surfboards and pleasure boats, and more recently used in aircraft wings and other components, plastic polymers reinforced with fibers were first researched for use in bridges in the 1980s. Civil engineers were attracted to them for the same reasons other designers were their strength, light weight and corrosion resistance. But the materials have not exactly revolutionized highway infrastructure. F.R.P. strips and sheets have been used to repair concrete or steel on existing bridges, or to strengthen structures against earthquakes. Glass-fiber rods have replaced steel in some reinforced concrete work, because corrosion of steel rebar from road de-icing chemicals destroys concrete. When it comes to larger-scale structural components, however, fiber-reinforced plastics have had less of an impact. They have mostly been used in bridge decking, where corrosion resistance is critical and the lighter weight allows for a higher live load of vehicles. Only a handful of bridges have major support beams made from them. One reason F.R.P. components havent caught on, experts say, is that engineers and contractors have little experience with the materials, and full standards guiding their use in highway construction have not been developed. Engineers have to deal with life-safety issues, said John P. Busel, director of the composites growth initiative of the American Composites Manufacturers Association . They have a desire to understand how materials fully develop and how they fully last before they specify them. The materials also do not always interact well with others. One problem with F.R.P. bridge decks, for example, is that the road surface asphalt or concrete, applied as an overlay can wear out quickly, said Lijuan Cheng, an assistant professor of engineering at the University of California, Davis . But the main argument against using fiber-reinforced plastics has been economic. No. 1 is the upfront cost issue, said Paul Ziehl, an associate professor of engineering at the University of South Carolina . Thats a tough one to get around. Dr. Ziehl, who helped design and test F.R.P. beams used on a small bridge in Texas, said the problem was that no two projects were the same. If youre going to design things that really make sense from an optimized engineering standpoint, they are going to be one-of-a-kind items at first, until economies of scale kick in, he said. The beams for the Texas bridge, for example, were custom designed and built using a labor-intensive method. The construction industry is very persnickety about cost, Mr. Busel said. With F.R.P. decks, he added, were more expensive, sometimes twice as expensive, as conventional ones. What contractors need to understand, he said, is that there are transportation, labor and equipment savings from using lighter components, and potential maintenance savings, too. Such savings were all part of the goal for the University of Maines design, Dr. Dagher said. Little costly F.R.P. material is used it serves largely as a shell for the concrete, which is cheaper. The tubes help protect the concrete from de-icing chemicals, potentially reducing maintenance costs, and no internal rebar is needed. Its exoskeleton reinforcement, Dr. Dagher said. The arches are not the only hybrid design in use. John Hillman, an engineer and president of HC Bridge Company in Wilmette, Ill., has developed straight beams that combine polymers with concrete and steel. The basic beam consists of a rectangular F.R.P. tube with an arch-shaped conduit formed inside it. The conduit is filled with concrete, which provides compressive strength, and steel rods along the bottom of the tube provide tensile strength. The beams have been used on a test railroad bridge in Colorado and several road bridges in Illinois and New Jersey. Everything about the beam is designed to be compatible with conventional means of construction, said Mr. Hillman, who has been working on the design for 14 years. Were very close right now to parity with concrete and steel on an installed-cost basis. Mr. Hillmans beams still have to be delivered by truck, although they are light enough that several can be carried on one flatbed. The University of Maine arches, on the other hand, can be fabricated on site the fabric inflated, bent around a simple form and infused with resin using a vacuum pump. Before they are filled with concrete they are light enough to be installed quickly, without the need for large cranes or other heavy-duty equipment. The second bridge was built in nine working days, Dr. Dagher said. A spinoff company is working on more plans, including an 800-foot project that consists of multiple short spans. We see single 300-foot spans in the future, Dr. Dagher said. Were excited about taking this to the next level.
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加州笔记之三十一 微型核电池
siccashq 2009-10-11 09:34
密苏里大学出了一个简报,该校的Kwon J. W.教授在物理应用快报上报道了最新的关于微型核电池的结果,这种新型的二次电池概念在能源领域研究比较少,但是由于能量密度比一般锂电池高几个数量级,所以在某些特殊环境下应用很有希望,如纳米卫星。核电池的提法比较吓人,但并不是我们通常所想的发生核裂变的链式反应输出能量,而是利用被辐射后的高能同位素衰变时逐步释放出的能量。Kwon在这个新工作中主要贡献在于利用金属硒作为能量接受体,避免了固体半导体材料在高能辐射下因为晶格发生畸变而失效。具体的工作原理是同位素硫35释放出高能beta射线激发半导体硒中处于价带的电子,造成电荷分离,半导体硒和金属电极形成肖特基势垒促进了电子和空穴的分离,当外电路加上载荷时,电子就会经由外加载荷奔向空穴结婚,灯亮了。Kwon目前得到的能量转换效率仅有1.2%,功率在nW级。 这种利用核辐射来制备电池是不是为核废料处理提供了一种能源回收的策略? MU Researchers Create Smaller and More Efficient Nuclear Battery Mizzou scientist develops a powerful nuclear battery that uses a liquid semiconductor Oct. 07, 2009 Story Contact(s) : Kelsey Jackson, JacksonKN@missouri.edu , (573) 882-8353 COLUMBIA, Mo. Batteries can power anything from small sensors to large systems. While scientists are finding ways to make them smaller but even more powerful, problems can arise when these batteries are much larger and heavier than the devices themselves. University of Missouri researchers are developing a nuclear energy source that is smaller, lighter and more efficient. To provide enough power, we need certain methods with high energy density, said Jae Kwon, assistant professor of electrical and computer engineering at MU. The radioisotope battery can provide power density that is six orders of magnitude higher than chemical batteries. Kwon and his research team have been working on building a small nuclear battery, currently the size and thickness of a penny, intended to power various micro/nanoelectromechanical systems (M/NEMS). Although nuclear batteries can pose concerns, Kwon said they are safe. People hear the word nuclear and think of something very dangerous, he said. However, nuclear power sources have already been safely powering a variety of devices, such as pace-makers, space satellites and underwater systems. His innovation is not only in the batterys size, but also in its semiconductor. Kwons battery uses a liquid semiconductor rather than a solid semiconductor. The critical part of using a radioactive battery is that when you harvest the energy, part of the radiation energy can damage the lattice structure of the solid semiconductor, Kwon said. By using a liquid semiconductor, we believe we can minimize that problem. Kwon has been collaborating with J. David Robertson, chemistry professor and associate director of the MU Research Reactor , and is working to build and test the battery at the facility. In the future, they hope to increase the batterys power, shrink its size and try with various other materials. Kwon said that the battery could be thinner than the thickness of human hair. Theyve also applied for a provisional patent. Kwons research has been published in the Journal of Applied Physics Letters and Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry . In addition, last June, he received an outstanding paper award for his research on nuclear batteries at the IEEE International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems in Denver (Transducers 2009). (谁找到第二篇文章和我说一声)
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加州笔记之三十 碳管复合材料的前景
siccashq 2009-10-9 11:33
读到一个新闻,其实就是一个公司的枪手广告,不过里面游戏信息可以拾取。该公司大概在研发碳纳米管在聚合物及金属复合材料中的应用,特别强调了风力发电机桨片。中国准备在内陆和沿海大力发展风力发电,如果能提高桨片的剪切强度和弯曲强度,那么就能够加大臂长,提高风能利用率。碳纳米管复合材料如果能够很好地控制工艺流程,还是比较有希望挤入这个巨大的市场。 另外一方面,碳纳米管和金属复合一直是一个梦想,金属成型比陶瓷需要更温和的温度,所以能够保护碳纳米管的结构和强度。这个公司提带指出碳纳米管能够有效增强金属铝的强度,达到钢的强度,这是很好地结果,对于军事和民用轻型高比强材料的应用有巨大的潜力。但是一个很大的问题是金属如何和碳纳米管均匀分散:金属颗粒密度大,表面没有基团,在一般溶剂中无法形成悬浮液或者胶体。物理性质和化学性质的不同直接导致了碳纳米管在这个材料领域的应用,而对于陶瓷和有机聚合物来说解决的手段已经比较成熟。如果检索有关文献,金属科学研究者普遍采用了球磨的方法。这种方法具有原始粗旷的美,然而碳纳米管不可避免地被扭曲,剪切,弯折,摩擦,导致结构巨大的破坏。 最近我和朋友无意发现了一个简单方法,通过对金属表面适当地处理,居然成功获得碳纳米管的复合粉体。有很多细节工作还需要做,偏巧院里电镜出问题,相当于抛了一盆凉水。 晚上散步遇到一对台湾夫妇,说他们老大9个月就站起来走路,后来发现长大了平衡能力不够。到医院一问,医生直接说:是不是小时候爬的时间短?爱因斯坦好像小时候说话较晚,是不是和高智商有关? Bayer MaterialScience Showcases Its Baytubes Carbon Nanotubes at Rusnanotech '09 ( Nanowerk News ) The extraordinary properties of Baytubes carbon nanotubes (CNTs) have sparked new and highly promising lightweight design concepts that improve both energy efficiency and mechanical strength. Such concepts are the focus of Bayer MaterialScience AGs presentation at the RusNanoTech trade show at the German stand, Pavilion 3, at Moscows Expocentre from October 6 to 8, 2009. This is the second time the company has showcased technical innovations based on Baytubes carbon nanotubes at this major forum in Russia. Possible CNT applications are far from limited to lightweight designs, however. CNTs are also suitable for many different applications, for example in mechanical engineering and the chemical, electrical and electronics, and sports goods industries, observes Dr. Raul Pires, who is in charge of global activities for nanotubes and nanotechnology products at Bayer MaterialScience, in a presentation at the accompanying conference on October 8. One prime example of enhanced energy efficiency is the use of Baytubes in wind turbines. The length of rotor blades was previously limited to around 60 meters in order to ensure reliable operation even in very windy conditions. The nanotubes enormous strength makes the rotor blades very stiff, which also enables longer blades to be designed, explains Dr. Pires. Whats more, the lightweight design of the nanotubes - and thus of the hybrid materials in which they are incorporated - boosts the efficiency of the wind-to-power conversion process. Baytubes do not just improve the properties of plastics and other polymer materials, however. CNT additives can also make metals much harder. For example, adding Baytubes to aluminum processed using powder metallurgy enables tensile strengths to be achieved that almost match those of steel. Previously, it has only been possible to assign mechanical properties of this kind to aluminum by adding rare and expensive metals in a complex alloying process, explains Professor Dr. Horst Adams, vice president future materials at Bayer MaterialScience. google_protectAndRun("ads_core.google_render_ad", google_handleError, google_render_ad); The impact strength and thermal conductivity of aluminum can also be improved by adding nanotubes. This enables the weight of components to be reduced still further, which increases their energy efficiency, for example in the automotive and aircraft industries. Bayer MaterialScience is working with Zoz GmbH on the development of customized CNT-reinforced aluminum materials. This German company headquartered in Wenden is a global supplier of innovative systems and equipment, in particular for the manufacture of nanostructured materials. It has extensive experience in areas such as the high-energy grinding and mechanical alloying of these materials. Thanks to the development of an innovative, in-house production process, Bayer MaterialScience is one of the few companies in the world capable of producing carbon nanotubes of the required purity on an industrial scale. As early as 2007, the company started operations at a pilot plant in Laufenburg, Germany, that can produce 60 metric tons/year. An additional pilot facility with an annual capacity of 200 metric tons is currently under construction at CHEMPARK Leverkusen. About Bayer MaterialScience With 2008 sales of EUR 9.7 billion, Bayer MaterialScience is among the worlds largest polymer companies. Business activities are focused on the manufacture of high-tech polymer materials and the development of innovative solutions for products used in many areas of daily life. The main segments served are the automotive, electrical and electronics, construction and the sports and leisure industries. At the end of 2008, Bayer MaterialScience had 30 production sites and employed approximately 15,100 people around the globe. Bayer MaterialScience is a Bayer Group company.
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加州笔记之二十九 Volvo电动车
siccashq 2009-9-30 12:37
图片来源: http://ceramics.org/ceramictechtoday/wp-content/uploads/2009/09/valvo_batt.png 美国新闻报道Volvo C30已经集成锂电池充电系统,有些参数和性能值得注目: Recharging the C30s EnerDel battery pack via a household supply at 230V, 16A would take about eight hours. Thats connection comparable to what would be required for a laundry dryer or mid-sized window air conditioner. The C30 BEV is limited to a top speed of about 130 km/h (80 mph)more than sufficient, Volvo says, for a city car application. Acceleration from 0 to 100 km/h (62 mph) will take less than 11 seconds. The car would have a range of up to 150 kilometers (93 miles)longer than the distance 90% of all Europes motorists drive per day and surely covers a wide swath of U.S. motorists as well. 这个应该作为城内用车已经足够了,城际交通用的话充电时间有点长,如果能做成可拆换型的更具有吸引力。 最近一段时间在基础科学上对于锂电池研究也有了一些新的概念,其中碳包裹正负极功能材料屡屡被证明有很好的效果。我粗浅读了几篇文章,从材料制备角度上来看都没有很高的难度,但是是不是都很好地技术转移到实际电池系统中还需要艰辛的努力。 感兴趣的同学可参考 1, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1-6 2, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6485-9 以及最近刚出来的一片综述: 3, 'Research on Advanced Materials for Lithium-ion Battery' Adv. Mater. 2009, 21, 1-15 今天又看到PNNL上一个简明新闻引起了大家的广泛兴趣: A splash of graphene improves battery materials Thin carbon sheets enhance titanium dioxide-based batteries Researchers would like to develop lithium-ion batteries using titanium dioxide, an inexpensive material. But titanium dioxide on its own doesn't perform well enough to replace the expensive, rare-earth metals or fire-prone carbon-based materials used in today's lithium-ion batteries. To test whether graphene, a good conductor on its own, can help, PNNL's Gary Yang and colleagues added graphene, sheets made up of single carbon atoms, to titanium dioxide. When they compared how well the new combination of electrode materials charged and discharged electric current, the electrodes containing graphene outperformed the standard titanium dioxide by up to three times. Graphene also performed better as an additive than carbon nanotubes. Yang discussed this work and provided an overview of the field of electrical storage materials. (Contact Mary Beckman , 509-375-3688) This research was funded by PNNL. Reference: Jun Liu, Multifunctional materials from self-assembly for energy storage , Tuesday, Sept. 22,2009 Micro Nano Breakthrough Conference, Portland, Ore. NOTE: Gary Yang spoke in place of Jun Liu. 我的感觉是一年后笔记本电脑无源使用8小时应该不成问题,两年后电动汽车应该会比较流行。感谢材料科技的进展。
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加州笔记之二十八 碳纳米管催熟西红柿
siccashq 2009-9-27 07:56
我去年刚来戴维斯的时候遇到一位从浙江大学过来的访问学者,由于他是做生物毒性方面的,而我刚好做过一点碳纳米管的工作,便和他聊起是不是可以一起研究一下碳纳米管对植物生长的影响,无论利弊都应该很有意义的事情。大家更多关注的是对动物体或者人体的毒性。实际上实验室很多碳纳米管最终都流入了地球循环系统,植物更有可能直接受到影响。后来大概对方比较忙,也就不了了之了。 最近在ACS NANO上出来一个工作报道了碳纳米管能促进西红柿的发育生长,外部形态变化非常大。作者解释是碳纳米管促进了吸水能力,原因可能没有简单,我甚至怀疑渗透植物叶片中的碳纳米管能拓展植物对太阳光能量的吸收能力,或者说吸收谱更加宽泛。作者想办法在根中找到了被吸入的碳纳米管,那么植物枝干和叶片甚至果实中会不会有呢? 问题是:你敢不敢吃碳纳米管催熟的西红柿? reference: Carbon Nanotubes Are Able To Penetrate Plant Seed Coat and Dramatically Affect Seed Germination and Plant Growth, MariyaKhodakovskaya * , EnkeledaDervishi , MeenaMahmood , YangXu , ZhongruiLi , FumiyaWatanabe and Alexandru S.Biris * ACS NANO, 2009, ASPS http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn900887m
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加州笔记之二十七 如何做核反应堆
siccashq 2009-9-24 12:00
这是网上一位博友ocwlsepfal写的科普,很通俗易懂。中国在核反应堆上走了很长的路,目前美国准备开发第四代核反应堆系统,慢化剂材料是研究的关键,很多核材料的测试标准还需要全世界材料科学家的共同努力。 --------------------- 热堆的概念 中子打入铀-235的原于核以后,原子核就变得不稳定,会分裂成两个较小质量的新原子核,这是核的裂变反应,放出的能量叫裂变能;产生巨大能量的同时,还会放出2~3个中子和其它射线。 这些中子再打入别的铀-235核,引起新的核裂变,新的裂变又产生新的中子和裂变能,如此不断持续下去,就形成了链式反应 利用原子核反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后,再引起新的核裂变,由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态,这种中子被称为热中子。堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆(简称热堆)。 热中子反应堆,它是用慢化剂把快中子速度降低,使之成为热中子(或称慢中子),再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀-235等裂变,这样,用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质,如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中,组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。 反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水(普通水)、重水、二氧化碳和氦气。 核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成。反应堆是核电站的核心。反应堆工作时放出的热能,由一回路系统的冷却剂带出,用以产生蒸汽。因此,整个一回路系统被称为核供汽系统,它相当于火电厂的锅炉系统。为了确保安全,整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内,这样,无论在正常运行或发生事故时都不会影响安全。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统,与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。 轻水堆――压水堆电站 自从核电站问世以来,在工业上成熟的发电堆主要有以下三种:轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。它们相应地被用到三种不同的核电站中,形成了现代核发电的主体。 目前,热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。 压水堆核电站 压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开,它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为:主泵将高压冷却剂送入反应堆,一般冷却剂保持在120~160个大气压。在高压情况下,冷却剂的温度即使300℃多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆,并进入蒸汽发生器,通过数以千计的传热管,把热量传给管外的二回路水,使水沸腾产生蒸汽;冷却剂流经蒸汽发生器后,再由主泵送入反应堆,这样来回循环,不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽,推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水,再由凝结给水泵送入加热器,重新加热后送回蒸汽发生器。这就是二回路循环系统。 压水堆由压力容器和堆芯两部分组成。压力容器是一个密封的、又厚又重的、高达数十米的圆筒形大钢壳,所用的钢材耐高温高压、耐腐蚀,用来推动汽轮机转动的高温高压蒸汽就在这里产生的。在容器的顶部设置有控制棒驱动机构,用以驱动控制棒在堆芯内上下移动。 堆芯是反应堆的心脏,装在压力容器中间。它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样,燃料芯块是核电站原子锅炉燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧结而成的,含有2~4%的铀-235,呈小圆柱形,直径为9.3毫米。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中,成为一根长约4米、直径约10毫米的燃料元件棒。把 200多根燃料棒按正方形排列,用定位格架固定,组成燃料组件。每个堆芯一般由121个到193个组件组成。这样,一座压水堆所需燃料棒几万根,二氧化铀芯块1千多万块堆芯。此外,这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水(冷却剂)。控制棒用银铟镉材料制成,外面套有不锈钢包壳,可以吸收反应堆中的中子,它的粗细与燃料棒差不多。把多根控制棒组成棒束型,用来控制反应堆核反应的快慢。如果反应堆发生故障,立即把足够多的控制棒插入堆芯,在很短时间内反应堆就会停止工作,这就保证了反应堆运行的安全。 轻水堆――沸水堆电站 沸水堆核电站 沸水堆核电站工作流程是:冷却剂(水)从堆芯下部流进,在沿堆芯上升的过程中,从燃料棒那里得到了热量,使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物,经过汽水分离器和蒸汽干燥器,将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。 沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。在堆芯的上部,它的作用是把蒸汽和水滴分开、防止水进入汽轮机,造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。 沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力(约为70个大气压)下,水通过堆芯变成约285℃的蒸汽,并直接被引入汽轮机。所以,沸水堆只有一个回路,省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器,因而显得很简单。 总之,轻水堆核电站的最大优点是结构和运行都比较简单,尺寸较小,造价也低廉,燃料也比较经济,具有良好的安全性、可靠性与经济性。它的缺点是必须使用低浓铀,目前采用轻水堆的国家,在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外,轻水堆对天然铀的利用率低。如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。 从维修来看,压水堆因为一回路和蒸汽系统分开,汽轮机未受放射性的沾污,所以,容易维修。而沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机,这样,汽轮机会受到放射性的沾污,所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些。 重水堆核电站 重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。压力壳式的冷却剂只用重水,它的内部结构材料比压力管式少,但中子经济性好,生成新燃料钚-239的净产量比较高。这种堆一般用天然铀作燃料,结构类似压水堆,但因栅格节距大,压力壳比同样功率的压水堆要大得多,因此单堆功率最大只能做到30万千瓦。 因为管式重水堆的冷却剂不受限制,可用重水、轻水、气体或有机化合物。它的尺寸也不受限制,虽然压力管带来了伴生吸收中子损失,但由于堆芯大,可使中子的泄漏损失减小。此外,这种堆便于实行不停堆装卸和连续换料,可省去补偿燃耗的控制棒。 压力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷却和重水慢化、沸腾轻水冷却两种反应堆。这两种堆的结构大致相同。 (1) 重水慢化,重水冷却堆核电站 这种反应堆的反应堆容器不承受压力。重水慢化剂充满反应堆容器,有许多容器管贯穿反应堆容器,并与其成为一体。在容器管中,放有锆合金制的压力管。用天然二氧化铀制成的芯块,被装到燃料棒的锆合金包壳管中,然后再组成短棒束型燃料元件。棒束元件就放在压力管中,它借助支承垫可在水平的压力管中来回滑动。在反应堆的两端,各设置有一座遥控定位的装卸料机,可在反应堆运行期间连续地装卸燃料元件。 这种核电站的发电原理是:既作慢化剂又作冷却剂的重水,在压力管中流动,冷却燃料。像压水堆那样,为了不使重水沸腾,必须保持在高压(约90大气压)状态下。这样,流过压力管的高温(约300℃)高压的重水,把裂变产生的热量带出堆芯,在蒸汽发生器内传给二回路的轻水,以产生蒸汽,带动汽轮发电机组发电。 (2)重水慢化、沸腾轻水冷却堆核电站 这种堆是英国在坝杜堆(重水慢化、重水冷却堆)的基础上发展起来的。加拿大所设计的重水慢化重水冷却反应堆的容器和压力管都是水平布置的。而重水慢化沸腾轻水冷却反应堆都是垂直布置的。它的燃料管道内流动的轻水冷却剂,在堆芯内上升的过程中,引起沸腾,所产生的蒸汽直接送进汽轮机,并带动发电机。 因为轻水比重水吸收中子多,堆芯用天然铀作燃料就很难维持稳定的核反应,所以,大多数设计都在燃料中加入了低浓度的铀-235或钚-239。 重水堆的突出优点是能最有效地利用天然铀。由于重水慢化性能好,吸收中子少,这不仅可直接用天然铀作燃料,而且燃料烧得比较透。重水堆比轻水堆消耗天然铀的量要少,如果采用低浓度铀,可节省天然铀38%。在各种热中子堆中,重水堆需要的天然铀量最小。此外,重水堆对燃料的适应性强,能很容易地改用另一种核燃料。它的主要缺点是,体积比轻水堆大。建造费用高,重水昂贵,发电成本也比较高。 石墨气冷堆核电站 所谓石墨气冷堆就是以气体(二氧化碳或氦气)作为冷却剂的反应堆。这种堆经历了三个发展阶段,产生了三种堆型:天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。 (1)天然铀石墨气冷堆核电站 天然铀石墨气冷堆实际上是天然铀作燃料,石墨作慢化剂,二氧化碳作冷却剂的反应堆。这种反应堆是英、法两国为商用发电建造的堆型之一,是在军用钚生产堆的基础上发展起来的,早在1956年英国就建造了净功率为45兆瓦的核电站。因为它是用镁合金作燃料包壳的,英国人又把它称为镁诺克斯堆。 该堆的堆芯大致为圆柱形,是由很多正六角形棱柱的石墨块堆砌而成。在石墨砌体中有许多装有燃料元件的孔道。以便使冷却剂流过将热量带出去。从堆芯出来的热气体,在蒸汽发生器中将热量传给二回路的水,从而产生蒸汽。这些冷却气体借助循环回路回到堆芯。蒸汽发生器产生的蒸汽被送到汽轮机,带动汽轮发电机组发电。这就是天然铀石墨气冷堆核电站的简单工作原理。 这种堆的主要优点是用天然铀作燃料,其缺点是功率密度小、体积大、装料多、造价高,天然铀消耗量远远大于其他堆。现在英、法两国都停止建造这种堆型的核电站。 (2)改进型气冷堆核电站 改进型气冷堆是在天然铀石墨气冷堆的基础上发展起来的。设计的目的是改进蒸汽条件,提高气体冷却剂的最大允许温度。这种堆,石墨仍然为慢化剂,二氧化碳为冷却剂,核燃料用的是低浓度铀(铀-235的浓度为2-3%),出口温度可达670℃。它的蒸汽条件达到了新型火电站的标准,其热效率也可与之相比。 这种堆被称为第二代气冷堆,英国建造了这种堆,由于存在不少工程技术问题,对其经济性多年来争论不休,得不出定论,所以前途暗淡。 (3)高温气冷堆 高温气冷堆被称为第三代气冷堆,它是石墨作为慢化剂,氦气作为冷却剂的堆。 这里所说的高温是指气体的温度达到了较高的程度。因为在这种反应堆中,采用了陶瓷燃料和耐高温的石墨结构材料,并用了惰性的氦气作冷却剂,这样,就把气体的温度提高到750℃以上。同时,由于结构材料石墨吸收中子少,从而加深了燃耗。另外,由于颗粒状燃料的表面积大、氦气的传热性好和堆芯材料耐高温,所以改善了传热性能,提高了功率密度。这样,高温气冷堆成为一种高温、深燃耗和高功率密度的堆型。 它的简单工作过程是,氦气冷却剂流过燃料体之间,变成了高温气体;高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽,蒸汽带动汽轮发电机发电。 高温气冷堆有特殊的优点:由于氦气是惰性气体,因而它不能被活化,在高温下也不腐蚀设备和管道;由于石墨的热容量大,所以发生事故时不会引起温度的迅速增加;由于用混凝土做成压力壳,这样,反应堆没有突然破裂的危险,大大增加了安全性;由于热效率达到40%以上,这样高的热效率减少了热污染。 高温气冷堆有可能为钢铁、燃料、化工等工业部门提供高温热能,实现氢还原炼铁、石油和天然气裂解、煤的气化等新工艺,开辟综合利用核能的新途径。但是高温气冷堆技术较复杂。
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加州笔记之二十五 珍珠牙
siccashq 2009-9-4 04:15
做陶瓷的人最惊讶自然界的奇迹莫过于动物的牙齿,无论是强度还是韧性还是抗冲击性能都达到了应用的极致。而最不可思议的是这个自然的精华居然是在室温常压下完成的,人工陶瓷需要多少温度和压力?对于氧化锆这种陶瓷豆腐来说1300度是需要的。能不能仿生在常温常压下人工长出这么强韧的材料呢?几乎还是不可能。 珍珠也是一个奇迹,组分是碳酸钙。能不能让贝类长出具有牙齿强度的珍珠呢?牙齿组分是羟基磷灰石,也是含钙化合物。是什么蛋白质控制了钙盐在生物体中的分泌和晶体生长?在什么样的生理化学环境下能触发?上次周旭来加州开会说了一个很重要的概念:生命中能量流动现象。这可能会给材料学研究带来启发。 无论从商业还是交叉学科角度,对于动物牙齿还是骨骼的形态发育研究都是非常具有吸引力的方向。甚至对以后材料学的发展也会起到变革的作用,因为我们可以很容易的观察到自然界生物都是多尺度的有机无机杂化材料,而不是如人工金属陶瓷内部较单一的晶粒堆积。 工程中应用材料的保险系数都是在10左右,越重大的工程结构材料系数会定的越高。人牙齿的保险系数有多大?有人牙坏了咬块热豆腐都嫌疼,有人却用牙齿来拖汽车!牙齿的寿命有多长?经历了人世间的酸甜苦辣考验,有长者到了80、90岁还能咬蚕豆!牙齿一直都是在生命体一个动态补充过程中生长和修补,这可能就是奥秘。 湘里人2.0已经长满8颗牙啦,珍珠一般在笑容里放光。
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加州笔记之二十四 双亲纤维
siccashq 2009-9-3 05:37
最近和同事研究的纤维同时具有亲油亲水的两面性,我在想以后中国要是搞火星计划的话可以考虑一下我们这个材料,用来吸收火星表面的液态物质,有人说是液态甲烷有人说是液态水,无论如何我们这种材料总是可以用上。想到以前NASA用二氧化硅气凝胶成功收集宇宙彗星粒子,这个想法还是不难实现。
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加州笔记之二十四 丝瓜上了JACS
热度 2 siccashq 2009-7-10 15:17
刚刚看到ACS出版社的通知,我们撰写的Si-C-O陶瓷纤维文章在美国化学会志网络版上已经上线了。感谢所有的合作者的工作和审稿人提出的意见,让我们大家都感受了科学研究中的一些乐趣。 这个工作主要描述了一种简单的电纺方法,如何获得这种特殊的形貌结构,表面纹理形成机理的探索,高比表面纤维的潜在应用等几个方面。感兴趣的可以下载全文,并和我探讨。文章链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja902757a 年初提出的馒头皮的问题源于这个材料的制备和思考,简单地说是内部和表面气孔排除动力学影响因素以及这种材料无定形结构的特点。松鼠会上也讨论了这个馒头皮问题,有位 huaxinflower 同学分析得很专业但是最后没有获奖,我觉得最大的原因在于我没有做评委 :)回溯一下玉平兄东平兄和发发兄等人在科学网上做过的一些交流,可以说馒头皮这个界面问题将来还有引申应用的可能。在这篇小文章里面我们提到了丝瓜状纤维皮肤和内部微孔形成的机理,基本道理和馒头皮的形成异曲同工。 这个工作是个副产品,我们本意是想获得实心的非氧化物纤维材料,但是应该说是用错了溶剂,使得纤维内部产生分相和发酵。这种材料虽然长得过于花哨,但是仔细分析起来可能在催化剂载体应用方面有很大的优势,这一点从郭兄的博客中也获得了不少的启发。如果催化剂能老老实实地呆在纤维内部的小房间里面在高温下不发生长大,那么就有希望获得实际应用。目前这些工作正在进行,希望下次能再聊聊进一步的结果。
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加州笔记之二十二 科研中的了如指掌
siccashq 2009-6-9 08:47
发发老兄是个朴素思想家,他能从生活中琢磨一些常人忽略掉的思考,这一点科学网上的大部分教授们没有比得过他的,我的意思是说发发兄在科学网上给大教授们在开课,大家都听得很认真。比如这篇《 了如指掌? 》 我也听得认真,因为科学研究中确实有很多被我们忽略了的却左右了结果的现象,即便是现在我也不敢保证有几个人能少走弯路。比如说在99年一篇发表在NANOSTRUCTURED MATERIALS一篇文章中,作者明确指出了合成的氧化钛粉末经过醇洗会对材料的晶型和尺寸产生显著的影响,但是我读到很多文章依然是不加辨别地用乙醇来最后洗粉。没有人会仔细研究一下自己的纳米粉体合成出来以后会不会在乙醇中发生变化,因为大家都知道乙醇是一种惰性溶剂,一般不会在常温下参与反应。但是这篇文章的作者Hague D. C.用了心思,研究了一下不用醇洗的产物。结果发现锐钛矿型的氧化钛在醇里洗了以后变成无定型态,至少在纳米颗粒的表面已经发生了这种相转变。这种相转变对于光催化性能显然不是好的过程,对于陶瓷烧结来说增加了团聚程度更加不易于获得致密的烧结体。氧化钛是一个很热门的研究材料,大家不知道是不是都考察了这个过程? 材料工艺的稳定性要求每一道工序都必须可靠,如果想当然的话很有可能造成品质问题,而且还浪费了大量的不恰当消耗。 在最近的研究过程中,我发现碳管的处理也存在着这种想当然的现象,比如说热处理过程。一般我们都认为碳管在500度以下是稳定的,即便在空气中煅烧也不会有太大的损失,然而事情并没有这么简单,对于单壁碳纳米管来说,经过硝酸的处理,碳管的结构已经被硝酸分子撑开或者表面严重氧化,即便是在400度下,处理后的碳管损失也会相当巨大。如果以后要批量化生产复合材料,这样的处理工艺就不能想当然,而是需要专门的研究来获得合适的处理条件。 所以,不要轻信经验,也不要想当然。要成为真正的了如指掌,还得好好研究一下研究的脉络再说。 reference: 1,D.C. Hague and M.J. Mayo. J. Am. Ceram. Soc. 77 (1994), pp. 19571960. 2, D. C. Hague, Ph.D. Thesis, The Pennsylvania State University (1995). 3, Mayo M. J., Seidensticker J. R., Hague D. C., Carim A. H., Nanostructured Materials, 1999, 11, 271-82.
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加州笔记之二十 碳纳米管的竞争
热度 1 siccashq 2009-5-5 08:02
经常听起同行说现在碳管的价格已经很便宜了,似乎已经可以成吨地买。不过这个里面有一个理解误区,就是需要买什么样的碳纳米管。在普通的复合材料应用中,碳纳米管产品中的杂质(其中包括催化剂残余物、石墨球)含量要求比较高,对于碳纳米管的长径比的要求也是一个参数,另外在碳纳米管产物中直径的分布也有一个控制范围。研究碳纳米管比较好的课题组一般都会自己在实验室中生产单壁管,原因之一就是对于产物的质量和性能控制比较可靠,这样实验数据也能够和历史研究符合。 美国有几家比较认可的碳纳米管经销商,其中的所列出来的价格并不是人们想象那么便宜,就单壁碳纳米管来说,一般的以克为单位都会买到几百甚至几千美元。其中最主要的参数就是碳含量、杂质含量、碳管直径和碳管长度。比较特殊的商品是碳管表面功能化产品(如表面羟基化、羰基化、氨基花等)和具有高丰度的特殊手性的碳纳米管。在ALDRICH网站上,这些商品一般都在千元(美元)以上的价位,对于碳纳米管阵列这样在实验室很容易生成的特殊商品居然可以卖到上万美元。我不清楚是否真的会有公司用这么高的代价去买这些小精灵,因为对于碳纳米管研究同行们来说这些所谓的商品不过已经是使用了实验室研究中比较成熟的工艺,只要专科生水平就可以完全掌握其中的合成要领。 可能其中的原因之一在于质量可靠稳定,一个人做菜可以一天一个味,但是同一个菜做一百人的分量味道还一样就不容易。碳纳米管的市场在聚合物复合材料研究中可能会有很大的市场,比如说防静电涂层、抗电磁干扰外壳等。原来不少顶尖研究小组梦想将单壁纳米管做成高密度运算单元的构想基本上已经破灭了,取而代之的是碳家族的纳米飘带材料。其中原因就是单壁碳纳米管性质不可控:半导体性质和金属性质总是会夹杂而生,还需要更大的成本来分离这对孪生兄弟。这估计是阻碍饭岛获得诺贝尔奖最大的绊脚石,而如今完全被牛津大学发明纳米飘带的几位科学家抢尽了风光了。从91年那篇文章算起,碳纳米管也走过了近二十年的春秋,是不是可以说是二十年河东二十年河西? 但是碳纳米管仍然有许多研究工作可以做,而且主要的研究点在于利用其优良的导电导热和轻质特性实现在功能复合材料中。这也是这种材料用量最大的市场。美国有几家卖碳管的公司,但是我不敢肯定他们既是供应商又是生产方。比较有名的是Carbon Nanotechnologies Inc.,当初Smalley一手创办的生产单壁碳纳米管企业,现在已经被Unidym企业收购,而后者则是在生产导电ITO产品具有很大的优势,当然碳管复合材料是可以取代这种无机材料的。现在他们提供的价格是高纯单壁碳纳米管(Hipo-SP)为2000美元每克。另一家公司我们常去买一些无机材料纳米粉, nanostructured andamorphous materials Inc. ,价格稍微便宜点,公司地址也在休斯顿,赖斯大学所在处。碳管一般通过化学气相法生成,我用过这个公司的单壁管和多壁管,纯度还是比较不错。另一个比较可靠的公司是carbon solution inc., 由加州大学河边分校的Robert C. Haddon教授创立。 Haddon 教授小组提出了一种定量评价碳纳米管产品的方案,并且撰写了多篇学术论文讨论这种方法的适用性。其要点在于利用半导体性单壁碳纳米管的二次带间吸收谱,通过测量碳管溶液在这个吸收区域的强度来直接评估产品的质量。由于多壁管和碳颗粒等杂质并不具有这个吸收特征,所以适合区别单壁碳纳米管这个称呼的可靠度。在Carbon solution公司的网站上有一个有趣的比方,大概就是说买碳管不能在报亭买杂志一样只看封面光鲜的模样,要看里面质量是不是都很好。确实,我们用电镜看的视场包含的碳管大概也只有几个皮克(10 -12 ),太容易欺骗上帝了。目前该公司修饰后的单壁碳纳米管每100毫克价格在150美元。经过提纯的每克 400 美元。 当然,碳管供销商不能不提的是中国的深圳纳米港公司,当年我做博士论文的时候就是使用这家公司的产品。可以保证地说这家公司可能是全球碳管价格最便宜的公司,单壁碳纳米管居然只要50美元每克。多壁管每克只需要1.5美元。这大概就是文章开头说的人人都觉得碳管很便宜了的源头。但是我的想法是,碳管这样的石墨黄金销售不应该只关注价格牌,而需要专注于品质控制,如果能够像Carbon Solution公司这样能够保证高质量多目标产品的碳管,那么卖的贵点也不是没人买的。 来源:深圳纳米港网站 http://www.nanotubes.com.cn/09.PRICE_LIST_USD.pdf
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加州笔记之十九 蜘蛛丝‘补钙’
siccashq 2009-4-27 10:59
我是从松鼠会成员FUJIA的博客里了解了她在牛津大学的研究,也了解了我们司空见惯的蜘蛛丝吸引了世界上这么多研究者。fujia的host professor Dr. Fritz Vollrath 在牛津大学的动物学系已经从事了近30年,从他的研究发表看来他起初是研究蜘蛛身上的寄生虫!而现在却对蜘蛛丝却情有独钟。在FV教授在Advanced materials期刊上最新发表的一篇综述文章可以比较全面地了解到当前对于蜘蛛丝研究的热点和难点。这是我读过综述中比较有启发性的一篇,不仅仅因为我是这个研究分支的门外汉,而是F. V.指出了若干很有创造性的研究思想。比如说他把蜘蛛丝在微观结构中的念珠结构类比为纳米金属和陶瓷,从而利用已有材料力学中的分析来估计蜘蛛丝的断裂强度。我想起若干年前自己在硕士阶段就写综述凑了一篇正规期刊的论文,现在看起来完全是搞翻译工作。如果现在大学还存在这种硕士生热衷于写综述论文的话 ,估计以后中国情报部门的竞争会很激烈。 蜘蛛丝的微观结构非常有意思,和骨骼以及贝壳等无机天然材料一样也存在着多尺度建构。简单地说是由一些链状的蛋白质在纳米尺度内多次重叠形成纳米畴,单位畴内的重叠短链之间没有很强的价键联系,但是从结构来看形成短程的有序结构。这种在蛋白质链间缺乏有效连接的多尺度结构解释了为什么蜘蛛丝拥有很高的屈服强度但是弹性模量却非常低。 我觉得F. V.教授在讨论蜘蛛丝力学性能的时候所使用的术语和我们在讨论金属或者陶瓷材料时有少许的差异,这种差异实际上当初在和Fujia同学讨论的时候就感觉出来了。其中最典型的就是对于toughness的定义,在F. V.教授的文章中我发现这不是我们常说的韧性,而是plasticity,塑性或者说变形的能力。但是这稍微的区别并不妨碍讨论和交流,因为我发现蜘蛛丝的屈服强度居然有2GPa,这比陶瓷可强多了! F.V.教授在这篇综述里面写到这么一段: 简单地理解就是希望上图中折叠的蛋白质链能够用一些矿物质元素有效地连接一下,因为很多氨基酸中存在着大量的氨基,这样很容易和金属离子配位。如何实现这个想法是个技术活,但是很快就德国科学家部分实现了。最新的Science利用原子层沉积技术(atomic layer deposition)将水蒸汽和含Ti、Al等金属有机前驱体作用在蜘蛛丝上(多次脉冲气相渗透),结果发现部分金属离子能够渗透进入蛋白质并且crosslink某些疏松的链结构。实验表明经过这种处理后蜘蛛丝的弹性模量达到并超过F. V.教授预设的值(高达68GPa),屈服强度也达到4GPa。这确实是一个很振奋人心的结果。 不过作者对于强度提高的观点分析并不是很有新意,除了引用了两篇文章以外,就是依赖普通的材料表征手段。至于金属离子是不是真正存在于蛋白质结构中,从微弱的能谱是无法让人信服的。我觉得可能有更好的手段,比如使用荧光分析。通常来说金属离子的加入肯定会影响荧光效率或者寿命,这里面的系统分析是不是一种途径? 不过我觉得蜘蛛并不喜欢这样的补钙,太补了,这些TMA、TIP之类的金属有机前驱体也不好吃。更重要的是,自然的设计是以实用为目的,以蜘蛛丝当前的强度和塑性已经足够抓几个大飞蛾了,难道还要抓老鼠不成?而且蜘蛛一般都会选择风力比较小的地方编织(如发发兄的电脑边),完全没有必要到刮几级台风的地方捕鱼去。人类的更高更快更强理念有时候真是太浪费了,需要反思。 参考文献: 1, Silk as a Biomimetic Ideal for Structural Polymers 2, Greatly Increased Toughness of Infiltrated Spider Silk
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加州笔记之十八 蚂蚁上树
siccashq 2009-4-2 07:28
最新的一期 ACS Nano 期刊中有一个工作很有意思,就是使用纯固相法得到表面均匀修饰的碳纳米管,被修饰的材料主要包括金属和氧化物,都是直接使用醋酸盐或者其他前驱体热分解得来。文章介绍的方法显然出人意料的简单,修饰的效果也非常好,大概是我观察碳纳米管表面修饰中最有新意和工业化意义的工作。所以这篇题为《 Rapid, Solventless, Bulk Preparation of Metal Nanoparticle-Decorated Carbon Nanotubes 》的工作被 ACS 网站推荐为研究新闻也就不足为奇了。 无机材料和金属材料装载在碳纳米管上一直是一个研究的热点,主要是利用碳纳米管的导电导热性质以及高比表面积,这样对于提高被负载的功能性纳米颗粒的敏感性非常有益,因为所有的光电热信号都可以通过碳纳米管传导。比较典型的包括负载氧化钛在光伏电池中的应用,负载纳米银颗粒在表面拉曼增强中的应用等等。这篇文章还文尾透露一些研究动机,就是负载钯可以作为强力的汞吸附材料,以及负载银颗粒作为天线中的电磁波吸收介质。由于需要大规模应用,显然传统实验室长使用的湿化学法并不能满足要求。而这篇文章居然可以达到100g的数量级,估计开公司卖是没有问题了。 我觉得这篇文章工作的系统性是值得称赞的,至少如果我是审稿人的话很难提出诸如 如果控制。。。又会如何? 这样的问题。当然,这估计也和这个工作需要申请专利有很大关系:因为要等待申请号所以有充分的时间做细致的工作。当然这是我的猜测而已。 文章里面有一个关于负载银碳纳米管拉曼分析的部分比较有意思:对于金属型和半导体型的碳纳米管,由于负载具有能激发出等离子体的银颗粒所以拉曼信号理应都会有所增强。金属型碳纳米管的第一光学转变能级 M11 更容易被红色激光共振激发,然而拉曼谱中特征峰 G 带发生了显著的变化,说明光生电子很有可能从碳管转移到银颗粒上。另一个有意思的现象就是某些振动峰如 D 带得到增强,这个增强随着去除掉银颗粒后恢复到原态。这个实验是不是暗示着可以直接用负载银来表征碳纳米管表面缺陷浓度?可能比酸碱滴定法更准确一些。 欣赏一下这个工作中的图片,我想到的是四川的名菜 蚂蚁上树 ,肉末拌粉丝,确实很下饭。 ACS-NANO-1
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加州笔记之十七 石墨-移形大法-金刚石
siccashq 2009-3-29 09:56
科学网上报道了一个科研进展新闻,说是日本科学家用中子源轰击的方法得到了小晶体颗粒金刚石,新闻见《 用石墨合成小晶体颗粒金刚石 》。我一直很佩服科学网网站一些负责编译的编辑们,因为他们辛勤的工作使得我们能了解一些错过了的科研进展。我第一眼看到这个新闻的时候就吃了一惊,因为现在也在和同事旁门左道地做一些相关的实验,也都是用高能粒子束去轰击碳材料。如果你读了这篇文章的前言,你会了解更多科学家为什么要研究这个东西。从材料角度来讲,用高能粒子束轰击石墨有两个启示,一个是产生大量的表面缺陷;第二个是研究作为防辐射材料吸收粒子束的效率。当然这两者都是相关的。读了文章以后知道了文章得到的并不是纳米尺度的金刚石,而只是无定型的金刚石。无定型金刚石用非科学的定义来说就是从埃米尺度来看单碳原子确实是金刚石特征价键结构,但是当在纳米尺度以上来观察的话这些碳原子群的价键取向排布并不是有序的。 实际上前一段时间已经有一个相关的工作提供了另一个角度来看待粒子束轰击的问题,也就是表面缺陷能够成为分离碳材料的焊接源,从而提高载荷在相邻碳材料之间的传递作用。更加明白地说这种碳材料就是碳纳米管。但是在这一篇物理评论快报文中,作者使用了高取向的石墨材料,在高能字束轰击以后,石墨表面和内部产生了大量的福仑克尔缺陷(frenkel)和瓦格勒(wigner)缺陷:某些碳原子在获得高能量以后脱离原来晶格位置进入相邻的间隙位中,同时留下空穴位。这种空穴位为进一步拓扑缺陷的形成提供了物质空间。另一方面,层状石墨材料在层间是以sp2杂化轨道存在的,当缺陷形成以后,大量的孤电子非稳态价键形成,碳原子的电子排布重新组合,层间碳原子有很大地几率以sp3杂化电子轨道结合。当作者进一步使用高速冲击并淬冷的方法处理被轰击石墨后,发现石墨结构发生了深刻的变化。这和移形大法很相似,可以想象成不同层间的碳原子和拓扑空位相互结合。而金刚石结构就是碳原子由纯粹sp3杂化键形成,作者把这种材料叫做无定型金刚石材料。这篇文章读起来没有什么很多的收获,除了作者使用高能中子束使人羡慕以外,就科学内容来说并没有更多的可读之处。我觉得这样的工作能在物理评论快报上发表是近十来年物理界对于材料科学诸多发现的一种信仰和迷信,作者更应该把类似的工作投到Journal of material research或者CARBON这样更专业的期刊上。就材料的本身分析而言,作者甚至只用了raman这一种表征手段,而Raman结果本身并不能提供很完整的信息,如果谱以XRD,EELS, TEM来提供更多的晶体结构信息、化学键信息和形貌表征的话,这个故事讲起来会更令人信服一些。 关于无定型态金刚石,有什么更新颖的性能和应用,我们可以等待这个小组进一步的研究结果。 我想起另一篇工作,利用碳纳米管表面氟化处理以后形成悬键,通过陶瓷科学中常用的烧结技术,结果得到了高强度的块体材料。PRL这个工作可能可以用在这个思路中,不过中子束轰击不要太猛。 references 1, Pathway for the Transformation from Highly Oriented Pyrolytic Graphite into Amorphous Diamond 2, Super-Robust, Lightweight, Conducting Carbon Nanotube Blocks Cross-Linked by De-fluorination
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加州笔记之十六 磁场在织构陶瓷制备中的应用
siccashq 2009-3-24 08:52
光恒兄问我对于磁场烧结有没有兴趣,我没有做过这个方向,不过C兄利用单模微波烧结方法发现在磁场和电场强度最大的区域微波烧结并不是最好,而是在中间区域协同作用下可以得到很好的烧结温度,这里面估计存在着低温和高温区域对于电场和磁场的要求。比如两相材料A+B,如果单纯使用A相的话,低温区域主要靠介电损耗升温,高温区域主要靠磁偶极子的摩擦来升温,但是A相在低温处的介电损耗并不理想,如氧化铝材料,所以很难实现微波烧结。两相的好处就是联合另外一相的低温区升温优势,把A相抬上去,B相相当于susceptor。传统陶瓷结构材料一般磁导率都非常低,估计纯粹使用磁场烧结困难很大,但是烧结复相材料应该是非常有前途的方向,但是磁性材料对于结构性能(力学性质)要求可能依赖不大。 另一个在陶瓷领域利用磁场的方向是实现内部结构的织构化,通俗的说就是使得陶瓷晶粒沿着不同的方向排列,和纺布有点相似。日本的物质材料研究所Uchikoshi博士曾经在强磁场辅助下实现了氧化铝的织构化,10T,超导材料。我不知道光恒兄说的这位老兄是不是用了超导材料实现3T的反应腔,如果不是的话那真是降低了成本。成本高的另外原因可能和外围屏蔽设施有关,我不懂这些。这个研究者的研究思路很简单,虽然陶瓷材料如氧化铝的磁导率不大,而且沿着basal和prismatic晶面的磁导率相差不大(4.19x10-9 emu),但是通过计算在10T磁场下得到的偏转能量比随机热振动能kT还是要高了一些,有可能能够实现磁场下晶粒沿着不同的晶轴方向偏转,具体到氧化铝材料就是basal面(0001)会面朝大海,春暖花开了。不过他们是采用两步法,第一步在高固相含量氧化铝溶液中利用电泳沉积法联合高磁场取向得到特定结晶取向的氧化铝生坯。什么是电泳沉积?就是先调溶液pH值使氧化铝表面带上正电荷,然后插入两个极板,氧化铝颗粒自然就会向带负电荷的阴极跑去并不断沉淀下来。如果这时候还加上磁场,那么特定的晶面就会跑在前面。 但是你注意观察文章中的实验结果就会发现很奇怪的事情,生坯的XRD谱并没有出现很明显的织构现象,也就是说生坯上表面和侧面的晶粒结晶取向并不是如示意图所说的那么明显。作者没有解释这个现象,我想和内摩擦力(高固相含量)和氧化铝的低电导(造成大电压降在很薄的沉积层间),后者可能影响更大。 作者第二步就是将生坯烧结,烧结后的陶瓷体结晶取向更加完美一些。我们可以从下面的XRD图谱可以看出来,对于basal晶面如(00c)的衍射峰强度都得到增强,某些特殊晶面因为和basal晶面夹角甚小,所以也鸡犬升天都小人得志了,如(10 10 )晶面。 然而作者声称氧化铝陶瓷虽然在三维方向上结晶存在取向(crystalline texture or anisotropics),晶粒本身的形状还是等轴的,不是长成长柱装或者板凳状。实际上我们可以从他们以后的研究中可以看到即便是microstructure也已经anisotropic growth了。 磁场辅助陶瓷晶粒取向的意义就在于利用不同晶面的物理性质,如摩擦性质、硬度性质、光学性质、电学性质,当然还有磁学性质。 这个小组继续使用这个方法,不过只是变换了一下沉积氧化铝粉体过程中电极板和磁场方向的夹角,结果得到了人工可控的织构化陶瓷,这里只是贴出其中一张SEM照片,感兴趣可以阅读原文,见文后附件。 可以很明显地看到晶粒的排布和取向。 最近上海硅酸盐研究所王士维组的毛晓健(音译)采用12T磁场获得了可见光高透过率的透明氧化铝陶瓷,其中的原因就是减少了不同晶面间光的折射。( http://www.sciencenet.cn/htmlpaper/20092271020105765277.html ) 当然如果只是简单地向实现单一的一维方向排列,Pennsyvania state Univ.的G. L. Messing发展出来的晶籽诱导生长法,也就是将平板状的氧化铝晶粒作为晶籽加入氧化铝前驱体或者粉体中,采用流延法使得这些晶籽都躺下来,然后再烧结过程中定向生长。Messing教授也因为这种方法在陶瓷界获得了很高的声誉。 (messing教授的作品) Uchikoshi-1 Uchikoshi-2 Messing
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加州笔记之十四 微观建构的陶瓷墙
siccashq 2009-3-8 16:09
老李一敲门,我才知道很久没有写博文了。先写点专业上的发现,说明我大脑内存还是在用着。 最近研究氧化铝陶瓷的韧性强度,这种称作刚玉材料内禀的韧性是臭名昭著的差,所以大家都喜欢用它作为鸡来儆猴,因为把氧化铝陶瓷的韧性问题解决了,基本上其他材料也不敢再那么憔悴。氧化铝的韧性差基本表现就是一触即发,你用金字塔形状的金刚石在氧化铝陶瓷表面打一个点,那么很容易就会发现从点的四周扩展出四条笔直的裂纹,很长。从微观角度来解释,就是裂纹扩展产生的新界面的界面能不足以抵消外界施加的单位应变能;而从应力角度来看,裂纹尖端的应力场足以分开晶格中原子。后者常用来说明为什么外界很小的载荷能够撕开强度很高的材料,这主要取决于裂纹尖端的曲率半径。日常生活中我们常用金刚石刀在玻璃表面画一道线,然后用手轻轻一拍就能得到所需要尺寸的玻璃,用的就是这个道理。但是材料学研究发现这个理论有时候并不可靠,如果裂纹尖端达到原子尺度,那么反过来所需要的临界应力岂不是无限小了?事实上并不是如此。所以讨论一材料是否能够耐冲击,我们还是要从能量的角度来表征,比如说研究防震玻璃时就尽可能地产生大量的微裂纹,微裂纹越多,吸收能量越大,减震效应越明显。 氧化铝陶瓷表面的裂纹扩展 陶瓷也存在着这个问题,我们常说这个人像个瓷娃娃,就是说他碰不得,容易碎,人心脆弱好办,时间能上很多课。但是陶瓷太脆,却是本性难移的事情,只能通过人工材料设计来引入新的能量吸收机制,也就是说我们对材料本身并不能太苛求,需要追求的是如何控制裂纹在陶瓷中转弯抹角,路径越长,能量消耗越大,所谓强弩之末势,势不能穿陶瓷是也。 其中一种设计思路就是仿生,如贝壳,骨骼等多尺度协同材料,在这些自然界形成的材料系统中,外部能量居然会被它们通过滑移、变形、偏转、剪切和压缩等形式化力于无形,这些都是传统的高强陶瓷所不具备的本领,所以刚柔相济是一个基本的研究思路。在这一点上,大家可以好好阅读一下加州伯克利R.O. Ritchie最近在先进材料上写的一篇综述(ASAP),综述一般都是介绍皮毛而已,所以还是最好找到里面提到的研究原始文献,或者直接查看Ritchie在近几年发表的诸多相关文章,在看文章之前最好还补补材料断裂力学方面的功课,以免消化不好。该小组最近利用冰层状析晶的性质制备出高度取向的有机无机杂化材料应该说是这个领域在仿生方面取得最大成果之一。 (图片来源: http://www.internetchemie.info/news/2008/dec08/mimicked-nacre.html )该图表现出裂纹在层状材料中的扩展并不是一马平川的,而是转弯抹角的,这种委婉地表达方式简直是材料学家的最爱。 最近的研究无意找到了一种方法,也可以获得相似的氧化铝砖墙结构。微观裂纹的扩展表现出良好的各向异性:只能沿着上砖面(basal plan)延伸,而且遇到侧棱柱面(prismatic plan)就会发生偏转。 现在需要了解的是能否从动力学过程中解释为什么在陶瓷生长过程中质点的传输表现为各向异性。再一个就是能否控制尺寸的大小和多尺度的协同作用,实际上我最希望用上图右边炉壁那样不规整的砖头组合而成淳朴天然的墙面,最好能在陶瓷砖头之间涂上一点泥土粘合剂什么的,那效果简直太棒了。 上图清晰地表明裂纹基本上被氧化铝砖头的走向所控制了,让它走就走,让它停就停,还能U TURN什么的。
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加州笔记之十四 日本《化学》评述超塑性工作
siccashq 2009-1-21 08:10
收到东京工业大学Shinoda Yutaka的来信,我在07年发表的关于陶瓷超塑性的工作被推荐到日本《化学》期刊中做评述。Shinoda在 Fumihiro Wakai博士手下做助理研究员,而后者则是在陶瓷超塑性研究方向在世界上享有极大的声誉。我很高兴自己的工作能被该小组认可并评论。
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加州笔记之十一 氮化硅能使地球降温
siccashq 2009-1-12 14:33
今天在DAVIS市图书馆读到去年11月份的《科学美国人》,里面有一篇Robert Kunzig写的关于科学家想出的很多应对全球变暖的招数,很有意思。总体的思路是不改变当前二氧化碳排放量的事实,利用其它人工手段使地球降温,回想总结一下有这么几个方法: 1,在平流层输送二氧化硫气体。二氧化硫可以和水和无机颗粒形成硫酸盐,这些微米级的小颗粒可以用来反射太阳光。科学家理论估计至少要使用上百万吨的二氧化硫才能中和工业时代大量生产出来的二氧化碳带来的影响。 2,在海洋上制造云雾,云雾可以反射太阳光。 3,在海中投放铁质,促进浮游生物的繁殖,从而吸收大量的二氧化碳。 4,将海水中的氯化钠和水反应生成氢氧化钠和盐酸,盐酸留在海滩上,氢氧化钠流入大洋中中和溶在水中的二氧化碳。 5,在地球和太阳之间的拉格朗日轨道上放置大量氮化硅多孔片,太阳光通过氮化硅孔后会衰减。 科学家是做什么的?可以说科学家是厨师:给人类做了很多好菜;也可以说科学家是时传祥:还得处理夜来香啊。以前有人问我为什么要做光裂解水材料啊,我说这样可以生产氢气能源啊。那么为什么要氢气能源呢?我说为了氢气和氧气反应生成水啊。 搞科学,起码还是要想请这些问题的好。 reference 1, scientific american, 2008, 299, 46.
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加州笔记之十 陶瓷围棋子
siccashq 2008-12-9 10:01
解决了碳管的分散问题以后,我又根据去年初的工作对复合陶瓷进行高温力学测试,这次试验非常顺利,陶瓷再一次很容易被压扁了,被压缩的陶瓷片很圆润,侧面居然这次没有出现裂纹,颇有围棋子的模样。自己祝贺一下 :)
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加州笔记之九 氮化硅做的苦瓜
siccashq 2008-11-12 12:56
最近一直和朋友研究制备非氧化物的纤维,采用的方法就是前面介绍过的电纺法。实验的主要内容是寻找制备一种含高氮含量的聚合物,三聚氰胺我没试过。另外一点就是找到容易去除的有机物载体,需要氧含量低。现在看来实验进展都还顺利,希望这种材料以后能在高温高强航空复合材料中得到应用。 一个实验的副产物就是表面形貌如苦瓜一样的纤维,我对这种形貌的形成机理非常感兴趣。另外这样的具有突触结构的低维材料一般都具有疏水特性,确实,当我们滴一滴水在膜表面的时候,水滴保持圆球状,水和纤维膜表面无丝毫浸润现象。 大家过来欣赏一下几张图片,有好点子的可以说说。 11/12/2008又记: 经科学网保平兄明鉴,该形貌准确说应该是丝瓜,在外多年没尝过丝瓜汤了,居然连丝瓜的模样都要忘记!在网上找来一张丝瓜图片,还真像!丝瓜的英文名叫做sponge gourd或者towel gourd,名字的取意都来自于这种瓜内部的纤维网络结构可以作为清洁用具,小时候还真用过!可惜氮化硅丝瓜不能吸水,而是憎水,是否憎油还没试过(来劲了!)。 图片来自网络。
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