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飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构
科技处
-/新材料
随着现代人类对民航运输业需求的增加,飞机冲出跑道的事故时有发生,近十年的统计数据表明飞机发生冲出跑道端的次数逐年增加,已经对飞机和乘员安全产生严重威胁。国际民航组织规定必须设置300m的跑道端安全区。然而很多机场囿于周围建筑物、水域等地形的限制而无法延长跑道,没有足够空间设置跑道端安全区,形成了很大的安全隐患。鉴于这种情况,国际飞行员联合会建议安装一种工程材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System,EMAS)来拦停冲出跑道的飞机。通常EMAS由轻质泡沫混凝土构成,铺设于机场跑道末端。当飞机冲出跑道进入泡沫混凝土后,在机轮的碾压下该泡沫混凝土能够快速碎化形成压溃阻力,使飞机平稳减速并最终停止,实现飞机的安全拦阻。但是泡沫混凝土存在易老化、耐水性能差及压溃后产生大量粉尘的问题。此外,波纹夹芯板以其比强度高、比刚度大、抗冲击和耐疲劳等优点,被广泛地应用在航空航天、船舶、高速列车等工程领域。其主要由上下表层面板以及中间波纹夹芯层构成,一般通过直接胶接法或者预浸料后固化法复合而成。传统的波纹夹心板主要包括三角形波纹板、梯形波纹板以及正弦形波纹板,然而这些夹芯板并不能满足飞机道面拦阻的吸能要求且其具有典型的各向异性特性。因此,如何在解决泡沫混凝土材料老化、耐久性及环境等问题的前提下增加波纹结构的能量吸收效率,是提高对冲出跑道飞机拦阻防护安全的当务之急。 该项目开发出一种应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构,该夹心结构包括上层面板、波纹芯层以及下层面板。不同于传统的夹心结构,其夹芯层为双曲波纹结构,沿结构的横向和纵向呈现正交的正弦波纹状外形,可通过调整双曲波纹夹心层的振幅、周期以及堆积层数来构造不同几何形状的双曲波纹夹心板。可铺设于机场跑道末端,当飞机由于意外冲出跑道时,通过机轮碾压双曲波纹夹心板产生塑性变形来吸收飞机的冲击能量使其迅速平稳地减速下来,从而保护乘员的安全。
无Ni且低Cu的Ti-Zr-Cu-Co-Fe合金钎料
钎焊是当今高技术中一种精密连接技术,在决定钎焊质量的众多因素中,钎料处于重要地位。在航空航天领域,钛合金作为性能较好的轻质金属材料获得了广泛应用,其一些构件以钎焊接头的形式使用。钛合金连接使用较普遍的是钛基钎料,这是由于其钎焊接头具有良好的高温强度和耐腐蚀性能,是钛合金用钎料的理想选择。但是,由于钛合金的钎焊温度需低于其β转变温度,为降低钛基钎料熔点而加入了较多的Cu、Ni元素(普遍≥20wt%),钎焊时Cu、Ni与母材中的钛反应生成Ti-Cu、Ti-Ni等脆性金属间化合物,导致钎焊接头存在着很大的脆性,降低连接强度,使得一些钛合金钎焊构件的安全可靠性仍有所不足,并限制着钛合金钎焊构件在飞机和航空发动机上的设计与应用。因此研发一种Cu和Ni元素总量更低同时熔点低的新型高性能急冷态钛基合金钎料,对于航空航天等高精端技术的发展具有重要意义。 该技术基于相似相异元素共存(Ti-Zr、Cu-Co和Co-Fe相似元素对)的成分设计思路,加入相似元素Co、Fe置换Ni元素以及部分置换Cu元素,获得低熔点Ti-Zr-Cu-Co-Fe非晶或者非晶/纳米晶合金钎料。本发明无Ni且Cu含量低的Ti-Zr-Cu-Co-Fe合金钎料综合考虑了非晶形成能力,钎料的熔点和接头强度,成功设计并采用熔体旋淬法制备了无Ni且Cu含量低、液相线温度(Tl)低的新型钛锆基非晶或者非晶/纳米晶合金钎料。其中Cu、Co、Fe合金元素的主要作用是降低钎料熔点、提高钎料的非晶形成能力以及提高接头强度。Cu与Ti和Zr形成共晶而获得低熔点的合金钎料,同时Cu元素可以提高钛锆基钎料合金的非晶形成能力。Co元素依据相似相异元素共存原则(Cu-Co、Co-Fe)加入,可以提高钛锆基钎料的非晶形成能力;降低钛合金的共析转变速度,降低钎焊接头脆性,提高钎焊接头的强度。Fe元素依据相似相异元素共存原则(Cu-Fe、Fe-Co)加入,可以提高钛锆基钎料的非晶形成能力;同时Fe元素对钛合金β固溶体具有较好的强化效果。 通过熔体旋淬法制得厚度为20~60微米的非晶或者非晶/纳米晶薄带状合金钎料,薄带连续、韧性和表面质量优良、厚度均匀可调,钎焊接头最大剪切强度高达347MPa。
高效、稳定的稀土配合物发光材料及其产业化
姚卫浩
本项目在稀土配合物发光材料实际应用中的稳定性方面,取得重大突破,获得了系列具有自主知识产权的新型发光材料。该类材料具有发光鲜艳、量子产率高、光/热耐受性好以及制备成本低等特点,在照明、显示、光伏和现代农业等领域有巨大的应用前景。目前,吨级中试产品的性能得到第三方检测认证,产品质量得到用户认可。
低折射率含氟丙烯酸树脂光致聚合物成膜剂
全息记录材料使用光致聚合物,其实质是在激光照射基础上发生的聚合反应。当两束激光干涉加强时,形成明暗相间的条纹,亮区光引发聚合反应使单体的浓度迅速下降。不过相邻的暗区,几乎不发生聚合反应,留下浓度较高的单体。由于浓度梯度差使得单体从浓度较低的暗区向相邻的浓度较低的亮区扩散迁移,进而在亮区生成光引发聚合物,而暗区则主要是非反应物,如成膜树脂等。如果光聚物和非反应物的折射率有差别,则可形成折射率的空间调制,当这种差别越大时,其折射率的空间调制就会越大。因此,在此基础上,要增加光引发单体和成膜树脂为基础的光致聚合物空间调制,一方面要加快单体在全息记录材料内部的迁移和聚合反应,另一方面要加大光引发后聚合物和成膜树脂的折射率差,进而使得制出的全息记录材料的折射率调制度和衍射效率都有大幅度的提高。目前市场上高折射率的单体已应用很广泛,但低折射率的成膜剂还很少,国内外对于低折射率成膜剂的研究不是很多,使得在上述领域里开发低折射率的薄膜成为迫切的需要,因此制备出一种低折射率的成膜剂对于光致聚合物具有重要的研究意义和广阔的应用前景。 本成果为解决现有技术中低折射率成膜剂应用中的不足,制备了一种低折射率含氟丙烯酸树脂光致聚合物成膜剂。
新型高硬度镍钛基合金
在航空、航天、机械、石油、化工、电力、海洋等装备制造业中,存在大量耐摩擦磨损的金属机械零部件,比如轴承或齿轮等。这些金属零部件需要具有高硬度、高强度、耐摩擦磨损性能,以及优良的耐腐蚀性能等。现有高硬度轴承及齿轮材料多采用高弹模、硬质合金以提高其耐磨性及延长使用寿命,如常用的GCr15、M50钢等。然而高弹模、硬质合金在负载情况下,可恢复应变通常小于1%,一旦轴承服役瞬态局部点遭遇过载冲击,轴承在循环高接触压力下易发生破坏性的布氏压痕、表面疲劳剥落等状况,引起轴承及齿轮失效。 研究发现,低弹模、高硬度材质比传统高硬度、高弹模材料具有更高的耐过载损伤及更长的磨损寿命。高硬度镍钛基合金是一种富Ni的合金(Ni>52at%),具有高硬度、低弹模特性。目前制约高硬度镍钛基合金应用的因素是其存在热处理淬裂,及服役过程组织退化导致硬度大幅度下降等问题。高硬度镍钛基合金的主要强化相为Ni4Ti3相,但随着时效温度升高和时效时间延长,亚稳的Ni4Ti3相会发生长大分解为Ni3Ti2相和Ni3Ti相,从而合金硬度下降。因而高硬度镍钛基合金目前的最高使用温度为400℃,这也限制了其在工业中的应用。因此,虽然高硬度镍钛基合金具有较大的成为优秀轴承材料的潜力,但目前还需要进一步改善其性能。针对上述问题,本成果开发一种新型高硬度镍钛基合金。
钛合金表面溶胶-凝胶转化膜的制备
钛合金材料广泛应用于航空、航天、建筑、汽车等诸多工业领域。为了达到一定的防护或功能需要,例如耐蚀性、光洁度、色泽等,需要在钛合金表面涂覆有机底漆或者粘结剂。而保证有机底漆或者粘结剂与钛合金表面可靠、长效、牢固的结合是实现防护或功能需要的关键和前提。目前,用于增强有机底漆或者粘结剂与钛合金表面结合力的方法一般是阳极氧化等技术。但是阳极氧化技术消耗大量电能和水资源,槽液中往往含有大量的强酸、强碱等有害环境和人体健康的物质,同时阳极氧化不可避免会对试样疲劳性能产生不利影响。 溶胶-凝胶转化膜层技术,尤其是有机-无机杂化的溶胶-凝胶转化膜层是目前技术优势十分明显,应用前景十分光明的替代技术。溶胶-凝胶法采用液态溶胶涂覆的方法制备膜层,能够在复杂零部件表面获得均匀、平整的薄膜,不会对金属基体的力学或疲劳性能产生不利影响。目前用于提高金属基体与有机底漆结合力的溶胶-凝胶技术,所使用的溶剂是低级醇,如甲醇、乙醇、异丙醇等,但是大量醇的使用会产生易燃性、安全性等方面的问题,在实际工业应用中需要制定十分严格的安全管理、存储保障措施,这就增加了醇基溶胶的使用风险和成本。另一方面,作为溶剂的醇挥发性很强,在温度较高的环境中尤其如此,这将改变溶胶体系的浓度,进而对前驱体的水解、缩聚反应速率、程度等产生不可知的影响。因此从溶胶体系的稳定性方面考虑,采用醇作为溶剂也是不合适的。 本项目基于溶胶-凝胶反应的机理考虑,开发出一种用于钛合金表面的溶胶-凝胶转化膜层的制备方法,这种溶胶-凝胶制备方法采用低级醇和水的混合物为溶剂、以含有有机功能基团的有机硅氧烷和有机金属醇盐为前驱体、以有机酸为催化剂,涂覆方式为浸涂,所制备的膜层能够提高钛合金与有机底漆或粘结剂之间结合力。 本项目技术优势:1. 采用低级醇和水的混合物作为溶剂,不同于现有技术中单纯使用醇或单纯使用水作溶剂,既克服了单纯醇溶剂会产生的易燃性、安全性、挥发性等问题,又克服了单纯水溶剂会产生的溶胶稳定性差和适用期短的问题。采用本发明的低级醇和水的混合物作为溶剂,所制备的溶胶能够长期保持澄清透明、并在至少一个月的时间内涂覆得到的膜层均匀平整,结合力良好。2. 采用本发明所述的溶胶-凝胶方法在钛合金表面制备的均匀完整的溶胶-凝胶转化膜层,能够提高钛合金与有机底漆或者粘结剂之间的结合力,参照ASTM D 3359-97 Standard Tests Methods for Measuring Adhesion by Tape Test的相关要求,本发明的溶胶-凝胶转化膜层与金属基体和有机底漆或粘结剂之间的结合力均能够达到4B级以上;与传统阳极氧化相比,不消耗电能,不含有毒有害物质,不会对金属基体的力学或疲劳性能产生不利影响。3. 溶胶能够长时间保存,并保持优异的成膜性能,并且膜层与金属基体和有机底漆的结合力优异,这样就有效的延长了溶胶-凝胶转化膜工艺的可施工时间,节约了原材料,有效地避免了当前溶胶-凝胶转化膜制备中存在的适用期短的局限性。与美国波音公司的水基溶胶产品EAP-9相比,本发明的溶胶适用期长达1个月,远大于EAP-9的24小时。4. 经过室温封闭保存30天的溶胶所制备的膜层仍然均匀完整的覆盖了金属表面,没有裂纹,成膜性能良好,根据ASTM D 3359-97的规定达到了5B级以上。
超疏水纳米透明涂层及其制备
国际上对超疏水性涂层的开发始于20世纪50年代,直到90年代末,随着表面科学技术的发展尤其是表面研究技术手段的提高,模仿荷叶表面结构及性能,制备超疏水性涂层引起了人们的关注,探索实现超疏水涂料的工业化生产是目前涂料行业面临的热点和难点。具有超疏水效果的表面在现实的生产生活中有着广阔的应用前景,如作防水衣物、浴室墙体、外墙涂料、电子元件等,而且在管道微流、防水、防腐蚀、油水分离、生物医用等领域也有着重要的应用。其中,开发透明的超疏水涂层能够大大拓宽其应用范围,透明涂层不仅可以维持基底材料原貌,同时又能保护基底材料表面,赋予表面优异的超疏水性能。 目前,关于制备透明超疏水涂层所采用的材料有二氧化硅、勃姆石氧化铝、氧化锌等,部分采用其中两种材料复合成异质结构或组装成核壳结构。公开的技术方案都能实现透明超疏水效果,但是存在以下几方面的问题:(1)由于纳米颗粒在溶剂中分散性差,且又难以稳定存在,大部分的透明超疏水涂层以溶胶存在形式解决纳米颗粒分散性,再通过高温煅烧,但是这种方法难以工业化应用,又限制了对基底材料的选择;(2)处理工艺方法复杂,成本高昂,需要特殊设备,又不适合大面积制备超疏水涂层。 为此,本项目研究了一种超疏水纳米透明涂层及其制备方法,解决超疏水涂层生产成本高、制备工艺复杂,反应条件苛刻等问题。
聚酰胺酸盐水凝胶及其制备技术
水凝胶材料是一种具有三维网络结构的新型功能高分子网络体系,性质柔软、溶胀快,能保持一定的形状,具有良好的生物相容性,对外界刺激具有良好的响应性,被广泛应用于农业、矿业、建筑业、医药、化妆品、石油化工等各种领域。 水凝胶材料有各种分类方法,其中,根据水凝胶材料网络键合作用的不同,可分为化学水凝胶材料和物理水凝胶材料。化学水凝胶材料是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。物理水凝胶材料是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种水凝胶材料是非永久性的,通过加热物理水凝胶材料可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。 自然界中有很多天然高分子材料是典型的物理水凝胶材料,如琼脂、壳聚糖、海藻酸钠等,在常温下呈稳定的凝胶态,通过加热到一定温度则转变为溶液。但是,天然高分子水凝胶材料一般只具有单一种类的物理相互作用,机械强度低,难以保证其他功能的正常发挥。为此,本项目研究了一种水凝胶材料及其制备技术。 聚酰胺酸盐水凝胶材料及其制备技术,该水凝胶材料由聚酰胺酸盐形成,具有30~100℃的温度敏感性、3~650KPa的压缩强度及9×10-5~5×10-2S/m的电导率,可作为一种新型的智能水凝胶材料。 该水凝胶材料的制备方法为:以第一胺化合物和二酐为原料,采用溶液缩聚法制得聚酰胺酸溶液,然后在所制备的溶液中加入第二胺化合物进行反应,反应完成后通过溶剂交换、过滤等步骤制得聚酰胺酸盐,由制得的聚酰胺酸盐来制备水凝胶材料。 该制备技术合成路线短、工艺简单。
石墨烯能源与传感应用技术
汪国林
本成果从石墨烯的可控生长及多维多尺度宏观结构组装出发,探索调控石墨烯电子结构的有效方法,推动其在纳米能源和传感器件中的集成与应用。主要内容包括:高质量石墨烯薄膜的大面积可控制备、转移工艺,及多维多尺度宏观结构组装技术;开发了高效异质结太阳能电池和光电探测器产品,具有规模集成的纳米能源器件制造方法和工艺。太阳能电池转换效率超过15%;光电探测器的灵敏度比同类商用光电器件高3个数量级,在保持同样光电流响应的情况下,其暗电流和噪声等效功率分别了降低了2个和3个数量级;开发了系列柔性传感器产品,及面向移动医疗可穿戴应用的传感器制造方法和工艺。不仅可探测应变、压力、扭转、有机物、声波等信号,还对多种微变形(包括损伤、振动等)高灵敏度识别,具有与生理信息互联的特点,可监测和扫描生命体的生理状态,如脉搏、呼吸、心跳、语音等人体活动。
黑磷-碳布复合材料制备技术
黑磷是一种新型的二维材料,由于其较宽的可调控直接带隙、高载流子迁移率和优异的各向异性光电性质,在电子学、光电子学、生物医药、电化学和储能等领域展现了巨大的应用潜力,成为“后石墨烯时代”最受瞩目的二维材料之一。碳布(石墨化碳纤维布)是一种拥有独特功能性质的、可用于支撑功能型材料的三维空间构型的材料。目前,碳布主要用作电沉积的基底材料,以与其它功能材料复合形成新的复合材料,所得的复合材料在电化学和储能方面有着广泛的应用前景。我们发明了一种黑磷-碳布复合新材料,制备方法简单、温和且高效,所制得的黑磷-碳布复合材料表现出优异的电化学性能,特别是在电化学析氧反应中表现优异,能为电化学反应分解水提供新的材料选择。
柔性半导体光电器件
本项目采用柔性半导体代替传统的硅基半导体,制备柔性半导体光电器件。此项目将有效降低硅基半导体的制造成本,克服硅基半导体不能弯曲、折叠、大面积成膜的弱点。技术优势、技术路线及实施方案:设计和制备具有高电荷迁移率的有机半导体材料的前驱体,通过全湿化学过程,制备具有良好光电性能的复合柔性半导体薄膜。通过化学自组装、光交联、电化学成膜等技术改善薄膜界面间的结合性能,提高器件的稳定性,实现膜厚和结构在分子水平上的精确控制,制备高性能柔性显示屏、柔性薄膜储存器、电子纸、柔性薄膜晶体管、柔性感光体、柔性薄膜电池等柔性半导体光电器件,为最终实现多功能集成柔性塑料芯片奠定基础。技术水平:本实验室在OLED器件研究和有机太阳能电池的研究方面已有多年的经验积累,技术水平和实验条件在国内处于领先地位。
磁电材料和新器件产品开发
新发展的磁电器件具有许多独特的优点,如通过材料的磁-弹-电耦合效应,可实现磁-电或电-磁的转换,这和传统的通过法拉第电磁感应来实现磁-电或电-磁的转换完全不同。传统的法拉第电磁感应效应和磁通变化速率成正比。因此,利用电磁感应测试电流或磁场变化时,测到的信号将随频率变化而变化。而以磁电复合材料制备的磁电器件,则没有这个问题。我们已获得的试验结果证实:新的磁电器件显示了高的磁场灵敏度:在低频率范围,磁电器件可以检测到10-11 Tesla 的微弱磁场,而在谐振时,甚至可以检测到10-12 Tesla 甚至更小的的微弱磁场。 北大工学院董蜀湘教授围绕铁电铁磁复合材料中的多物理场耦合问题,发展以铁电材料为基础的新的磁电和其他功能复合材料和新器件,主要有:(1)创立了磁-弹-电等效电路方法和理论,提出了明确直观的多物理场耦合图像;(2)发现了磁电复合材料Terfenol-D/PMN-PT具有超高磁场灵敏性;(3)发现了最强的谐振磁电耦合效应和强的磁电电压增益效应及磁电回转效应等。 董蜀湘教授从2000年—2008年5月,一直在美国从事压电和磁电器件的研究。特别是在磁电器件领域里,董蜀湘教授是国际上是最活跃的几位科学家之一。
新型纳米发光生物探针及高灵敏度诊断与检测试剂
本项目提供一类可用于高灵敏度免疫分析的新型纳米发光生物探针,在病毒感染或肿瘤等疾病的诊断、动物及动物产品的检疫以及生物成像等方面具有广泛的应用价值。 技术优势:我们发明的新型纳米发光生物探针兼具可见光及近红外双光子激发发光效率高、稀土离子(Eu3+)敏化发光亮度高、水溶液中分散稳定性好、对生物样品损伤小、非特异性吸附弱、穿透深度大等优点,是发展高灵敏度和高准确度荧光免疫分析与生物成像技术的利器。将各种单抗等生物探测分子与此类发光微球结合,可生产用于多种病毒感染或肿瘤等疾病诊断和多种疫病检验的高灵敏度诊断与检测试剂。另一方面,目前商售时间分辩荧光免疫分析仪虽然可用于基于本项目探针的免疫分析,但在延时参数方面尚有较大的优化空间,本项目的长波敏化稀土发光纳米探针也为研制低成本、高性能的检测仪器提供了必要的基础。采用此类发光探针研制的若干免疫分析探针的性能已远优于传统的铕离子配合物发光生物探针的性能。
敏化辐射降解法制备胶态微晶纤维素中试及产业化
本项目发明一种全新的胶态MCC生产工艺,在理论及工艺上皆取得重要突破,可完全替代当前普遍采用的水解工艺,具有显著的创新性及先进性,具体体现在:1、探索出敏化剂在辐射条件下的作用机理,并发明了敏化辐射降解法新工艺,为世界首创,是辐射加工领域的重要技术进展,具有广泛的借鉴和指导作用。 2、突破了直接辐照降解生产MCC的分子量极限,建立了粒径、剂量及时间的数学模型,调整辐照剂量和时间,调整辐照剂量和时间,可调控获得所需平均粒径在0.1~2 μm范围内的规格产品,且粒径分布分散度小,为高端产品,为胶态MCC产品的细化和功用最大化提供了技术支撑。3、相对于传统辐照工艺,辐射剂量从100kGy降至1~2kGy,降低了98%,同时,相对于酸解或酶解,本工艺不使用溶剂,不仅成本大幅度降低,而且是先进的绿色环保工艺。4、对初级原料来源要求低,采用木材、棉花、甘蔗、豆皮等原料生产MCC,对工艺影响不大。5、改变了目前MCC生产的主流工艺即水解工艺存在的条件不易控制,选择性差,分离纯化困难,产量低,对生产人员和环境有一定影响等诸多问题。6、探索出了胶态MCC的协同机理,为其广泛应用提供了技术基础。目前,本工艺已经进行了2次中试,基本重现了实验室工艺,不存在放大障碍。
无铅焊锡材料
本项目提供一种电子封装用核壳结构无铅焊锡球及其制备方法,克服焊锡球直径均小、冷却速度下降,核壳结构缺失等不足。系统研究了Sn-30Bi-0.5Cu、Sn-17Bi-0.5Cu合金在Cu、Ni基板上的润湿动力学规律,贵金属Bi的添加有利于提高流动性,但是结果表明:Bi含量从30%减少到17%,流动性没有明显的差别;另外从界面的情况来看,Bi没有参加界面反应而在金属间界面化合物的边缘富集,由于Bi的脆性,很容易使得焊料合金与基板脱离,导致连接失效,因此,Bi含量不宜过高。Bi含量的增加有利于提高三相线的移动速率,也就是提高了Sn-Ag合金的流动性,从而获得更小的平衡接触角。Sn-3.0Ag-0.5Cu合金与Ni基板间的金属间化合物则是由有靠近焊料侧的(Cu,Ni)6Sn5及靠近基板侧的Ni3Sn4组成的双层金属间化合物,化合物的生成将可以提高焊点连接的可靠性。 目前已完成实验室生产。
高质储氢合金的制备和应用技术
能源问题是人类一个重要和长远的问题,氢气能量的开发和利用被视为是解决能源问题的一个重要途径而受到广泛关注。储氢合金是氢能源利用中的一个关键技术之一。这种合金能将气体的氢气以原子的形式储存,其储存密度可以大于液氢状态下的氢气密度,十分有利于氢气的储存和运输。更重要的是这种奇特的性能可以在二次电池、电动汽车、空调、热泵、制冷、氢气提纯、燃料电池催化剂等许多方面得到应用。储氢材料是以稀土合金为主的材料,目前我国的生产量已居世界第二。目前主要问题是我国储氢合金的质量不过关和对这些材料的加工应用技术不高,这些严重限制了我国的储氢合金一次和二次产品的发展。我国是稀土资源大国,稀土储量占世界储量的80%以上,从资源的角度来说在开发储氢产品的竞争上具有极大的优势,积极开发储氢产品除了可以扩大我国国内市场外,也可以开拓国际市场出口创汇。
PMC多核无机高分子絮凝剂
由北京大学化学与分子工程学院研制开发成功的PMC多核无机高分子絮凝剂(简称PMC絮凝剂)是一种新型无机高分子复合型絮凝剂,含有多种金属和非金属吸附核,采用独有的特殊合成技术经水解、络合、聚合、复合、同质等反应精制而成,解决了阳离子型絮凝剂与阴离子型絮凝剂不能稳定共存的问题,兼具无机高分子絮凝剂与有机高分子絮凝剂的特点。具有矾花形成快、絮体大而密实的特点,在不增加污水处理综合费用的前提下,大幅度提高了无机高分子类絮凝剂的絮凝效果,并成功地在吐哈油田、辽河油田、克拉玛依油田和西安投入工业生产,实现了产业化。 PMC絮凝剂独特的多核结构,可吸附污水中的各种有害组分,通过其自身大分子链所具有的电中和吸附-架桥聚结-卷扫脱稳作用,可快速形成致密而体大的矾花,有效清除水中的机械杂质(SS)、含油量、化学耗氧量(COD)、生物耗氧量(BOD)及各种有害粒子,对炼油污水、采油污水、钻井废水、造纸废水、酿造废水、制糖废水、城市生活污水及热电厂循环水等各种工业污水,均能经济有效地处理。对悬浮物、含油、COD、硫(S2-)、砷(As3-)、氟(F-)和重金属离子等重污染指标的去除率明显高于PAC。处理后废水的COD、SS、S2-、含油量、重金属离子和pH值均能达到或超过相关的排放标准。 产业领域
皮江法炼镁工艺
高温空气燃烧技术正是一种可以极限回收余热的技术,将其应用于金属镁还原炉无疑是一条解决镁还原能耗问题的捷径。通过蓄热体极限回收烟气余热并将助燃空气预热到1000℃以上,这样即使是热值很低的燃料也能实现稳定着火和高效燃烧。将HTAC蓄热式燃烧技术与金属镁冶炼相结合,从根本上克服传统金属镁还原炉燃烧效率低下、热量浪费严重、炉内温度不均一、炉内温度不好控制、污染严重的缺点,提供一种能耗低、炉内温度均一、利于控制炉温、提高生产效率及产品品质的高效节能环保型金属镁还原炉。高效节能环保型蓄热式镁还原炉使用的燃料由传统的原煤可以转变为低热值的发生炉煤气或转炉煤气、焦炉煤气、天然气等等。与传统的燃料相比,使用煤气不但燃烧效率提高,而且减少了对环境的污染。控制煤气,空气的流量可以很好的控制炉膛内的问题,避免出现炉膛内温度波动大的情况,提高还原罐使用寿命,让炉膛内的温度只在最优的还原温度值附近很小的波动,提高金属镁的产量和品质。燃烧方式为直燃幕墙式和扩散燃烧式,空气煤气进入炉膛后充分混合燃烧,高温气流沿炉侧壁—炉顶—另一端的炉侧壁的气路对流。节省炉膛内燃烧空间。炉膛中还原罐的罐体工作区域不直接被高温气流吹扫。各罐体受热温度均匀,罐的耐久性提高。
联动萃取分离工艺优化与设计
稀土串级萃取联动工艺设计及控制方法的关键在于对现有分离流程中不同工艺段的负载有机相进行了适当连通和复式使用,旨在充分利用串级萃取过程中稀土及酸碱平衡的交换作用,提高负载有机相的萃取效率,降低酸碱等化工材料消耗,降低废水中的酸度和盐分, 从而提高分离流程效率;同时还可降低稀土溶剂萃取分离对环境的负面效应。本研究以徐光宪院士所提出的串级萃取理论为基础,并将理论方法进行了拓展, 建立了相应的静态工艺参数设计及动态仿真计算程序,解决了稀土串级萃取联动工艺的优化计计和控制问题,所形成的算法和设计方法已进行了软件设计保护(No.2003SR4279)。 所获得的工艺设计及控制方法在经过动态仿真试验验证后,以“一步放大”方式已应用于国内部分稀土企业。实施结果表明,该联动萃取方法的应用可使酸碱消耗和废水的排放均降低25%以上,而且流程的生产能力可增加20%以上,取得了明显的经济和社会效益,在相关研究和应用领域具有国内外领先水平。
高性能燃料电池催化剂
催化剂是燃料电池关键材料,其性能决定了电池的能量转换效率和寿命,目前此类催化剂的市场被国外公司垄断,王远教授团队在新型高性能燃料电池催化剂研制方面取得了突破性进展。
防护服高效冷却与湿度控制装置
程丕建
针对目前新冠肺炎疫情防控过程中医护人员所着防护服存在内部高温、防护镜结雾等问题 ,国家和北京市疫情防控对高性能防护服提出了迫切需求。高性能防护服能在满足医用防护要求的同时,调节医护人员的热湿舒适度,解决防镜结雾问题,显著提高医护人员在高温环境下的工作效率,是解决常规防护服实际问题的有效手段。 本项目基于北航太阳能及特种环境控制实验室已完成的“ 军用个体冷却装置”,该装置采用微型蒸汽压缩制冷机和液冷背心相结合,能在高温高湿等特殊军事环境下对人体进行高效散热冷却,有效提高人员在高热环境的工作效率和战斗力,已批量用于直升机、空军地勤、海军人员等,国内首创、彻底解决了部队在人体冷却领域的长期难题,该技术于2015年获得国防技术发明二等奖,相关研究成果已申请国家发明专利。将该技术用于防护服内人员降温,可有效解决高温环境下工作人员穿着防护面临的身体散热和温控难题,降低工作人员工作强度、延长工作时间、改善体感舒适度。
牙釉质激光诱导矿化再生修复
在龋病导致的牙齿缺损修复方面,牙釉质的修复是关键问题。牙釉质位于牙齿最外层,是人体内矿化程度和硬度最高的组织,其结构特征主要由高度有序排列的羟基磷灰石纳米棒(95%v/v)和少量的有机基质组成。但目前临床上广泛使用的口腔修复材料,都是银汞合金、复合树脂等已经使用了几十年的传统材料。这类口腔修复材料都是生物惰性材料,不具备生物活性,并且其结构性能都明显有别于牙釉质本身,不能恢复牙体组织的原始结构,理化性能不匹配,容易发生继发龋坏,对患者造成进一步损害。近年来,再生医学及纳米技术的发展为口腔材料的开发提供了新的思路。
冰箱、冰柜及车载冷链用高效蓄冷材料
刘诗文
本项目开发一种蓄放冷能力强、使用寿命长的新型蓄冷材料。我国电力供求的不匹配导致了电网的负荷存在峰谷,这体现在夏季用电高峰时段电力供应不足,以及晚上发电无处可供。2010 年 10 月 25 日北京用电峰谷差更是达到 10:1 保供难度较大。此外,冰箱的使用也加大了电网供电的峰谷差。截止到 2009 年中国冰箱保有量为 1.3 亿台,家用冰箱的城市普及率已经超过 90%,农村普及率超过 16%,家用冰箱的年用电量达 6000 亿度,占居民总用电量的 25%—45%。冰箱蓄冷采用了用电低谷期积蓄冷量,用电高峰期释放冷量的运行方式,有以下优点:实现移峰填谷,降低电费;延缓冰箱温度回升时间、冰箱内温度的波动、冰箱压缩机的启动次数,节约能源,并且可以在特殊场合使用,如偏远山(牧)区,边防哨所,旅游景点等场所。
基于气态污染物高效降解的光催化技术及组件
室内空气污染来源复杂,呈现低浓度、难降解、长期存在的特点,而采用传统技术难以达到长久抑制环境毒素的目的。本项目开发出高效的纳米光催化材料,旨在利用光催化技术将光能转化成化学能,将各类有机毒素、病毒分解、矿化,转化为无毒的无机物,达到环境净化的目的。光催化效率较目前商业化光催化剂提高 1-2 个数量级,具有高催化效率、长寿命的优点。获 2 项中国发明专利(公开),发表论文 8 篇。
多元氢混合燃料汽车内燃机
针对内燃机节能、减排的迫切需求,提出利用掺氢改善燃料特性实现内燃机高效、清洁燃烧的方法,研制了多元氢混合燃料内燃机。多元氢混合燃料内燃机以纯氢气作为冷起动燃料,实现了冷起动过程的准零排放;在中低负荷阶段采用氢气—汽油混合燃烧策略,改善内燃机的经济性并减少有害排放;在大负荷时采用纯汽油燃烧,保证内燃机动力性;此外,该机能够实现纯氢怠速自动起停,从而消除了内燃机怠速阶段的有害排放及燃料消耗,并通过纯氢起动降低了再次起动内燃机时产生的有害排放,从而使多元氢混合燃料内燃机能够根据“燃料与工况协同控制策略”进行燃烧控制。通过车载制氢机的使用,实现了氢气的随车制取和储存,使该技术应用不受加氢设施限制。
镁锂合金及其集成零件成型
镁锂合金及其复合材料具有高的比强度和比刚度、优良的减震性能和电磁屏蔽性能,在航空、航天、武器、单兵装备、3C产品等领域有着广阔的应用前景。 本项目研制了镁锂基合金及其复合材料的设计技术、熔炼技术、成型工艺和表面处理技术,设计开发了具有超轻(密度约为1.5g/cm3)、高强(抗拉强度200-300MPa)、高模量(70-100GPa)、高稳定性的稀土金属间化合物增强Mg-Li基复合材料,建立了镁锂合金及其复合材料全链条中试制备平台,部分产品样品已经在航空航天、单兵装备等领域获得试用。
无机氧化物或金属纳米粒子的制备技术
开发了一种新颖的无机氧化物或金属纳米粒子的制备技术,利用该技术可以规模制备无机氧化物和纳米金属粒子,该方法已申请了中国专利和美国专利。利用该技术制备了 CeZrO2 纳米储氧材料,其粒度为 4—6nm, 其储放氧性能比常规的储氧材料提高 25%以上,利用该材料制备的三效催化剂具有起燃温度低、工作窗口宽等特点。该专利技术可以制备 Ag、Au、Pt、Pd 和 Rh 等纳米金属粒子, 其粒子的粒径在 2—10nm, 具有很好的单分散性质。该技术的创新点是:(1)将化学法合成纳米材料体系改成流动体系,可以精确地控制反应条件,从而控制纳米粒子粒径;(2)利用管式反应器提高了纳米粒子制备产量,可以规模制备纳米粒子,尤其是可以制备高分散的贵金属纳米粒子。
稀土二次资源的回收再利用
针对当前我国稀土资源迅速减少,稀土采选冶环境污染严重的现状,以及废旧稀土产品日益增多,而回收利用现状落后、资源循环利用率低下、环境污染严重等现实情况,系统开展废旧稀土电机磁体的再生研究工作。建立废旧磁体氢破碎技术和稀土氢化物纳米颗粒掺杂烧结技术,制备出多种牌号的高性能再生磁体,再生磁体磁性能不低于原始磁体,最大限度回收并清洁化、高值化利用二次资源。在此基础上,建立了国内外首条年生产能力达到 500 吨的再生烧结钕铁硼永磁生产线。
聚羧酸系列高性能减水剂
聚羧酸系高性能混凝土减水剂 (PCE) 是国内外新近发展起来的高性能化学外加剂,具有掺量少 ( 为传统高效减水剂的 1/3 ~ 1/5)、效能高 ( 减水率达到 25 ~ 40%)、有害物质含量低、改善硬化混凝土耐久性和生产清洁环保等优点,已经成为国内研究的热点和重点发展方向。北京工业大学自 1999 年开始聚羧酸减水剂研究,已成功开发出性能各具特点的多个系列化聚羧酸系高性能减水剂产品,开创了 PCE 节能安全常温合成技术,并已形成了技术转化和产业化生产,改变了我国工程建设依赖国外产品的局面,技术成果达到国际先进水平。
镧钼热阴极材料及制备技术
本项目研制的镧钼热阴极材料具有工作温度低、发射电流大、无放射性污染等优点,是极具希望取代已经使用百年的具有放射性污染的 W-ThO2 材料的新一代热阴极材料。该项目形成国家发明专利 8 项,提出了碳化新工艺,并显著提高了阴极的发射稳定性,将阴极的寿命从原来的几十小时提高到 3000 小时 ( 技术标准为 1000 小时 ),解决了阴极发射不稳定的世界性难题。国际真空电子源专业委员会撰写的会议论文集的前言中指出,中国在镧钼阴极研究方面取得了重大进展。
钼硫化物/碳纳米复合材料电催化析氢催化剂项目
张艳锋
氢能源是高效的绿色能源,如何低廉高效的大规模生产是制约其应用的一个关键因素。近年来,电解水制氢收到学术界广泛关注,寻找廉价高效的非铂电催化剂成为时下研究热点。本项目分别采用辐射法及水热法制备了钼硫化物/碳纳米复合材料,其催化析氢性能优于商用pt/c(20%pt)催化剂,而且具有良好的催化稳定性,适合大规模制备。
智能与可控调光膜
杨槐
随着全球不可再生资源日益枯竭预期的强化,能源供需矛盾突现。与发达国家相比,我国的能源利用效率整体仍处在较低的水平。在上述背景下,背景大学研发团队面向国家节能领域的重大需求,制备了电控和温控两类智能与可控调光膜(即智能遮阳膜)。
液晶与高分子材料
于海峰
传统的液晶弹性体材料无法实现大面积致动器材料与器件的制备与应用。北京大学工学院发展的液晶与高分子复合材料,使致动器材料的制备更加简单和方便。同时采用液晶材料与商业的聚合物薄膜材料复合的方式可以大大降低材料的制备成本,使致动器材料的循环使用成为可能。
相变储能材料
邹如强
相变储能材料(PhaseChangeMaterials,PCMs)是一类利用在某一特定温度下发生物理相态变化以实现能量的存储和释放的储能材料,一般有固-液、液-气和固-固相变三种形式。目前固-液相变储能材料的研究和应用最为广泛,其工作原理为:当环境温度高于相变温度时,材料由固态转变为液态并吸收热量;而当环境温度低于相变点时,材料由液态转变为固态释放热量,从而维持环境温度在适宜水平。在相变过程中材料吸收或释放的热量,是材料单一相态温度变化时吸收或释放热量的几十倍甚至几百倍。
大尺寸均匀单层MoS2可控制备
单层半导体性过渡族金属硫属化合物(MX2:MoS2,WS2等)是继石墨烯之后备受关注的二维层状材料。该类材料具有优异的电学性质、强的光物相互作用、高效的催化特性等优点,在光电子学器件、传感器件、电催化产氢等领域具有非常广阔的应用前景。单层MX2材料的批量制备和高品质转移是关键的科学问题。现有方法仍面临着诸多重大挑战,例如,难以实现晶圆尺寸的层数均匀性、单晶畴区小、生长速度缓慢、生长衬底价格昂贵、转移过程复杂、容易引入污染物等。
碳纳米管海绵功能复合材料的可控制备及储能应用
曹安源
碳纳米管海绵材料具有轻质、柔性、抗腐蚀、耐高温等特点。微观上具有三维多孔结构,能够承受大应变的反复压缩而不坍塌,同时,碳纳米管互相搭接形成高导电的三维网络。这种综合的优良力学和电学性能使得碳纳米管海绵在功能复合材料、吸附过滤等领域具有广阔的应用前景。近年来,随着社会对清洁、可再生能源的日趋重视,各种能量转换和存储器件的研究如火如荼。
长纤维增强热塑性复合材料的产业化
白树林
长纤维(玻璃纤维、碳纤维等)增强热塑性复合材料(LongFiberreinforcedThermoplatics,LFT)是20世纪90年代逐渐发展起来的一种新型纤维增强树脂基复合材料,具有高强度、高刚性、高尺寸稳定性、耐高温、低吸水率、低翘曲度、使用寿命长、高低温抗耐蠕变性能优良、可回收再利用等显著特点,可以弥补常规短纤维增强热塑性塑料(SGRT)的许多不足和缺点。
不锈钢纤维填充热塑性导电塑料
在电子/微电子工业高速发展时代,电磁屏蔽材料是防止电磁波污染所必需的防护性功能材料,是目前高新技术领域中的新型电子材料,其屏蔽性能与材料的化学、物理、机械性能都将随着电子工业和通讯技术的飞速发展而日益改善和提高。电磁屏蔽(EMI)用导电塑料是一种防止电磁波污染的重要防护性功能高分子材料。
煤矸石、粉煤灰制备新型非氧化物复合耐火材料
王习东
本项目发明了利用煤矸石与粉煤灰通过能质耦合与物想调控制备新型氮氧化物以及碳复合耐火材料新技术与工艺,研究并揭示了氧化物与氮氧化物间物相定向调控与转化基本规律,通过能质耦合与物相调控制备了系列新型氮氧化物耐火材料及复相材料制品,建成年产万吨级新型非氧化物复合耐火材料示范生产线。
高温冶金渣能质耦合制备纤维保温材料新技术
传统矿(岩)棉生产技术通常采用冲天炉冶炼术,缺点包括:能耗巨大,导致成本居高不下;烟气污染严重高等系列环境问题,环保约束交大;温度等参数调控滞后,影响产品质量。北京大学工学院研发团队通过近十年的研究,采用电熔炉冶炼技术,很大程度上规避了上述问题,并开发量具有自主知识产权的矿渣纤维保温材料新技术,获得高性能的矿渣纤维保温材料。
高铝粉煤灰与煤矸石耦合制备陶瓷纤维材料新技术
本项目涉及一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法,所述方法包括如下步骤:A,配料;B,造球;C,熔化,除铁除碳;D,成纤.通过选择合适的配料原料和用量比,以及控制各个工序步骤的工艺参数,而得到了性能良好,直径分布均匀的陶瓷纤维,经过检测,由如此方法得到的陶瓷纤维制得的各种纤维制品性能优良,完全满足了隔热,耐火,防潮等诸多应用指标,在节能减排,环境领域废弃物循环利用领域具有广阔的应用前景和工业化潜力.
液晶显示材料与显示器用薄膜
液晶显示器已广泛应用于电视、电脑、手机等电子设备领域,但其中关键材料,如液晶显示材料、广视角膜、光增亮膜等仍有赖于进口,故此北京大学工学院在上述材料研究方面进行了一系列研究工作。
干法制备氧化锆高性能粉末、牙科用氧化锆瓷块及全瓷义齿制备技术
陈海峰
氧化锆陶瓷是目前应用于口腔修复的全瓷材料中机械性能最好的全瓷材料。但陶瓷材料硬度高、脆性大,加之牙冠形状复杂,全瓷制备工艺一直是陶瓷材料应用于修复领域的主要障碍。研发团队以高性能氧化锆粉体合成、瓷块制备为重点和出发点,实现高纯钇稳定氧化锆纳米粉体的干法合成、造粒、成型、预烧结。
太阳能集热热水相变蓄热供暖系统
本项目研发了一种具有较强亲水性的相变蓄热材料,并设计了一种以水为热媒的蓄放热用相变蓄热装置,并将其与太阳能集热技术、地板辐射技术集合成一套供暖系统。该系统可利用太阳能集热、峰谷电价差的电锅炉热量、余热回收等热源为建筑供暖。本项目研发的相变蓄热装置具有蓄放热速率快、单位体积蓄热密度大的优点,并能实现不同温度条件蓄热及供暖,如 DX42 型为 40-45℃、DX53 型为50-55℃、DX73 型为 70-75℃等。本成果拥有多项自主知识产权,授权(申请)多项发明专利,在国内同领域产品中属于领先水平。
新型多孔材料—MOFs
近年来,一类新型多孔材料—配位聚合物【也称金属有机骨架(MOFs)】的研究得到迅猛发展,已成为化学和材料科学领域的研究热点,正从基础研究过渡到实际应用。这类材料具有晶态网络结构,容易可控合成,比表面积大,孔隙率高,结构多样可调,性能独特,在吸附、分离、催化等领域具有极大应用前景。我们发展了这类材料的设计合成方法,对其性能进行了有效调控,获得了多例具有良好稳定性和特殊孔性质的新 MOFs,这些材料在气体分离、氢气和甲烷储存、成膜及膜分离、绿色催化等方面表现出良好的性质,具有极大应用开发价值。
高强度多元低合金耐磨铸钢工程化应用
以硅、锰为主要元素,加入适量铬和微量氮、钛、稀土等元素,开发了强度和硬度高、韧性和耐磨性好、生产工艺简单、生产成本低和焊接性能好的新一代高强度多元低合金耐磨铸钢,特别适合于制造坦克履带板、球磨机衬板、破碎机锤头、挖掘机斗齿、破碎机鄂板、破碎机齿冠以及各种耐磨输送管道等。主要特点如下:1、基体组织以马氏体为主,马氏体板条间含有大量纳米级的奥氏体薄膜。2、主要力学性能如下:抗拉强度 σb ≥ 1600 MPa,硬度≥ 50 HRC,冲击韧性 Akv ≥ 20J,断裂韧性 K1c ≥ 80 MPa.m1/2。3、相同条件下的耐磨性比高锰钢提高 2 倍。
潘弘杰
北京大学/新材料
北京大学工学院研究团队通过近十年的研究,开发了具有自主知识产权的利用高铝粉煤灰和煤矸石生产陶瓷纤维保温材料新技术。
纳米磁珠项目
江必旺博士团队从事高性能磁珠产品及其衍生的生物检测方法开发,目前集中研究用于化学发光的微米级单分散磁珠的商业化产品。
稀土功能材料研究
与稀土无机发光材料相比,稀土有机发光材料尽管能够更高值化利用稀土资源,但由于存在光、热稳定性差的问题而一直未能获得广泛应用。北京大学稀土材料化学与应用国家重点实验室黄春辉院士团队经过不懈努力,终于在解决稀土有机发光材料稳定性方面取得重大突破,为该类材料的产业化奠定了坚实的基础。
相变储能材料在能源高效利用和节能保温领域有着重要的应用价值。目前主要的有机相变储能材料产品具有毒性,不会被生物降解,会持续产生污染。研发团队制备出天然可再生油脂的相变储能材料,具有绿色无毒、可降解、储能密度高等优点。通过对其进行功能化处理,可高效利用太阳能及环境余热。
单层半导体性过渡族金属硫属化合物(MX2:MoS2,WS2等)在光电子学器件、传感器件、电催化产氢等领域具有非常广阔的应用前景。但是单层MX2材料的批量制备和高品质转移仍面临着诸多重大挑战,北京大学研发组在单层MX2材料的可控制备、精密表征和电催化产氢应用方面取得了一系列重要进展。
随着全球不可再生能源资源日益枯竭预期的强化,能源供需矛盾突现。与发达国家相比,我国的能源利用效率整体仍处在较低的水平。在上述背景下,北京大学研发团队面向国家节能领域的重大需求,制备了电控和温控两类智能与可控调光膜(即智能遮阳膜)。
液晶显示器已广泛应用于电视、电脑与手机等电子设备领域,但其中关键材料,如液晶显示材料、广视角膜、光增亮膜等仍有赖于进口。北京大学工学院在上述材料研究方面进行了一系列研究工作。
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