讀2025世界前沿技術發(fā)展報告43先進有機材料.png

1. 先進有機材料

1.1. 先進有機材料正朝著高性能化和多功能化方向發(fā)展

1.2. 借助于納米技術、分子設計等手段，新型有機材料在強度、導電性、生物相容性等方面不斷提升，以滿足各國在電子、醫(yī)療、新能源等高科技領域的需求

1.3. 俄羅斯利用橡膠開發(fā)核潛艇水聲涂層

• 1.3.1. 對核潛艇水聲涂層進行了嚴格的測試流程，重點檢驗了將板材與核潛艇外殼相連接的黏合劑的牢固程度

• 1.3.2. 黏合劑能夠承受超過4.5千牛的拉力，其強度表現(xiàn)極為出色

1.4. 美國開發(fā)出自適應柔韌性的塑料材料

• 1.4.1. 由熱塑性彈性體（TPE）的聚合物組成，可以設計和制造可調節(jié)剛度的柔性3D打印結構

• 1.4.2. 厚度為5～7納米，嵌入彈性聚合物基質中

• 1.4.3. 創(chuàng)造出一種具有局部剛性同時保持柔軟彈性的材料

1.5. 美國測試高性能熱塑性塑料在月球表面的性能和耐久性

• 1.5.1. 第一次實驗將測試由富含鎢的Antero 800NA FDM絲料制成的樣品部件性能

• 1.5.2. 第二次實驗將測試Antero 840CN03FDM燈絲和ESD光敏聚合物的性能，包括對月塵、低壓和極端溫差的反應

1.6. 日本利用細菌菌株生產(chǎn)可生物降解的綠色塑料

• 1.6.1. 通過操控基因組設計出一種細菌菌株，可大量生產(chǎn)性能優(yōu)異的生物基聚合物材料，有望生產(chǎn)出可生物降解的綠色塑料

• 1.6.2. 該生物塑料高度透明且具有柔韌性，比純的聚乳酸具有更好的成型性和抗沖擊性，且在海水中一周內就能生物降解

• 1.6.3. 該材料滿足物理堅固性和生物可降解性這兩個相互矛盾的需求，有望成為環(huán)?？沙掷m(xù)的生物塑料

1.7. 美國開發(fā)機器學習算法，加速開發(fā)可生物降解塑料替代品

• 1.7.1. 開發(fā)出一套基于機器學習神經(jīng)網(wǎng)絡算法、分子尺度模擬和自動化技術的工作流程

• 1.7.2. 可在短時間內測試數(shù)百種材料，實現(xiàn)全天然復合材料多性能高效調控，加速開發(fā)和優(yōu)化可生物降解塑料替代品，提高新材料的預測能力和優(yōu)化精度

• 1.7.3. 開創(chuàng)了新材料的開發(fā)新范式，為環(huán)保材料的研究和應用開辟了新的道路

1.8. 美國開發(fā)橡膠人工肌肉驅動器

• 1.8.1. 開發(fā)出低成本、柔軟的人工肌肉驅動器

• 1.8.2. 驅動器可以模仿人類肌肉，提供更安全、靈活的機器人解決方案

• 1.8.3. 這項創(chuàng)新為生物靈感機器人在以人為中心的環(huán)境中應用開辟了新可能，同時降低成本并提高安全性

1.9. 中國開發(fā)新型高性能聚合物熱電材料

• 1.9.1. 材料相較普通聚合物薄膜，大幅提升材料熱電性能，為高性能塑料基熱電材料研究提供了全新思路

• 1.9.2. 打破了現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調控的認知局限，為塑料基熱電材料領域的持續(xù)發(fā)展提供了新路徑

1.10. 韓國利用大腸桿菌制造熱穩(wěn)定性塑料

• 1.10.1. 利用大腸桿菌制造出具有熱穩(wěn)定性和硬度的塑料，其性質類似于聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚苯乙烯

• 1.10.2. 該材料是首次通過微生物生產(chǎn)完全由具有芳香族側鏈的單體組成的聚合物，能夠生物降解，可用于藥物輸送等生物醫(yī)學應用

2. 先進無機非金屬材料

2.1. 先進無機非金屬材料的發(fā)展則側重于提升材料的功能性和擴大應用范圍

2.2. 包括先進陶瓷、玻璃、水泥等，它們在電子信息、新能源、環(huán)保等領域有著廣泛的應用

2.3. 通過材料科學和工藝技術的創(chuàng)新，無機非金屬材料的強度、耐磨性、耐高溫性等性能得到了顯著提升，為各行各業(yè)的發(fā)展提供了重要的材料支撐

2.4. 特種玻璃及石英制品

• 2.4.1. 德國弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所和美國新墨西哥大學的聯(lián)合研究團隊首次通過激光制冷方式，成功地將石英玻璃從室溫冷卻到67開爾文

  • 2.4.1.1. 首次證明了摻鐿（Yb）石英玻璃可以通過激光冷卻，此次他們優(yōu)化了摻雜材料的制備工藝，超越先前的冷卻限值

  • 2.4.1.2. 有助于未來開發(fā)出極穩(wěn)定的激光器和低噪聲放大器，用于精密測量或量子實驗

• 2.4.2. 德國首次以工業(yè)規(guī)模在熔爐中使用100%氫氣生產(chǎn)高質量光學玻璃

  • 2.4.2.1. 使用氫氣完全替代了天然氣，展現(xiàn)了其在保持玻璃高質量的同時，實現(xiàn)能源轉型的潛力

• 2.4.3. 瑞典開發(fā)出一種先進的技術，能夠在光纖尖端直接3D打印硅酸鹽玻璃傳感器

  • 2.4.3.1. 新傳感器在測量有機溶劑濃度方面的性能超越傳統(tǒng)塑料傳感器，且尺寸極小，可以在一粒沙子大小的表面積上放置超過1000個

  • 2.4.3.2. 為量子通信等領域的發(fā)展提供了新的可能性

  • 2.4.3.3. 有望推動微流體裝置、MEMS加速度計和光纖集成量子發(fā)射器等領域的技術進步，并在制藥、化學、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健等行業(yè)帶來深遠影響

• 2.4.4. 瑞士設計了一種新型的太陽能吸收裝置，并在實驗室中完成了概念驗證，該裝置可直接產(chǎn)生1050攝氏度高溫，而當前的聚光太陽能技術僅能達到約600攝氏度

  • 2.4.4.1. 能夠顯著提高太陽能吸收效率，不僅可以用于太陽能熱發(fā)電，還可大規(guī)模促進能源密集型行業(yè)脫碳，但這還需進一步的技術和經(jīng)濟性分析，并進行大規(guī)模驗證

• 2.4.5. “玻璃凝膠”的新材料

  • 2.4.5.1. 結合了玻璃聚合物的強度和凝膠的延展性

  • 2.4.5.2. 通過在玻璃聚合物中添加離子液體溶劑制成，具有機械強度高、延展性強的特點，可以伸展到原長的5倍，并具有優(yōu)良的黏附性和導電性。潛在應用包括電池、黏合劑和軟體機器人

• 2.4.6. 中國開發(fā)出全色光纖發(fā)光二極管（Fi-LED），以鈣鈦礦量子線（PeQW）作為發(fā)光材料

  • 2.4.6.1. 具有良好的柔韌性和可延展性，適用于紡織照明應用

  • 2.4.6.2. 代表了Fi-LED領域的重大進步，未來的發(fā)展方向包括提高效率和穩(wěn)定性、探索新的發(fā)光顏色，并將這些設備集成到商業(yè)紡織產(chǎn)品中

• 2.4.7. 日本采用39芯多芯光纖，其中38芯支持三模傳播，1芯支持單模傳播，其中一個三模芯用于數(shù)據(jù)傳輸，單模芯用于分配光頻率，總傳輸容量可達336太比特/秒（Tb/s），是目前最先進的商用光轉發(fā)器模塊數(shù)據(jù)速率（1.6太比特/秒）的200倍

• 2.4.8. “先進超級絕緣玻璃跨越發(fā)展（GLASING）”項目撥款1800萬美元，以提高建筑能效

  • 2.4.8.1. 將開發(fā)新一代的絕緣玻璃單元（IGU），用于下一代窗戶

  • 2.4.8.2. GLASING項目資助的研究將通過利用材料、制造設計和可靠性的進展，探索多種技術以提高IGU的熱阻性能

• 2.4.9. 空芯光纖是一種利用空氣或真空作為光信號傳播介質的光纖技術

  • 2.4.9.1. 采用四單元截斷型雙層嵌套結構，具備國際領先的0.1分貝/千米超低損耗和2.6萬倍高階模抑制比

  • 2.4.9.2. 首次完成160波×800吉傳輸系統(tǒng)技術試驗

  • 2.4.9.3. 首次完成S+C+L超寬譜同波長單纖雙向377.6太比特/秒百千米傳輸，將現(xiàn)有單纖容量紀錄提升超1.5倍

  • 2.4.9.4. 空芯光纖在邁向下一代太比特級傳輸時具備突破實芯光纖傳輸性能瓶頸的潛力，將成為下一代光網(wǎng)絡的基礎核心技術選項，有望重塑下一個五十年的光通信技術與產(chǎn)業(yè)全球發(fā)展格局

2.5. 先進陶瓷制品

• 2.5.1. 建成全球首個千兆級固態(tài)鋰陶瓷電池工廠

  • 2.5.1.1. 該工廠的產(chǎn)出效率將是原有工廠的2.6倍，裝配速度提高一倍，且電池制造成本與主流電池制造成本相當

  • 2.5.1.2. 新型固態(tài)電池將高硅含量的陽極材料與固態(tài)電解質結合，顯著提升了電池能量密度和續(xù)航能力

• 2.5.2. 提出一種簡單高效的陶瓷4D打印制造方法和設計策略，適用于各種復雜三維陶瓷結構的快速成型

  • 2.5.2.1. 該方法采用團隊自主開發(fā)的多材料光固化3D打印設備打印水凝膠-陶瓷彈性體層合結構，通過水凝膠失水驅動層合結構由平面圖案直接演化為復雜三維結構，再經(jīng)過高溫脫脂燒結即得到純陶瓷結構

  • 2.5.2.2. 在無需額外形狀編程的條件下實現(xiàn)了陶瓷結構的直接4D打印

  • 2.5.2.3. 基于水凝膠失水驅動的陶瓷直接4D打印技術能夠更簡單、更高效、更精準地制造各三維陶瓷結構，為復雜陶瓷結構的設計和制造開辟了新的途徑

• 2.5.3. 開發(fā)了一種新型的異價取代中熵（ME）鈣鈦礦陶瓷材料SBCL

  • 2.5.3.1. 解決了陶瓷材料中電磁損耗能力和高溫氧化氣氛下穩(wěn)定性的兩難問題

  • 2.5.3.2. 展現(xiàn)出了卓越的電磁屏蔽特性，其電磁屏蔽效能在1000攝氏度空氣中處理100小時后仍超過30分貝/毫米

  • 2.5.3.3. 揭示了熵效應對高濃度缺陷的穩(wěn)定作用，為設計具有特定電磁性能的結構功能一體化陶瓷材料提供了重要的理論基礎和實驗依據(jù)

• 2.5.4. 菲律賓完成了微堆和全陶瓷微封裝（FCM）核燃料技術潛在部署的初步可行性研究，將進行微堆的正式可行性研究，預計這項研究在六個月內完成

• 2.5.5. 美國正在利用陶瓷3D打印技術縮短下一代渦扇發(fā)動機的開發(fā)時間

  • 2.5.5.1. 利用陶瓷3D打印技術僅需7～8周時間即可完成整體制造過程，大幅提升生產(chǎn)效率

• 2.5.6. 丹麥制造并測試了新型陶瓷電解技術

  • 2.5.6.1. 電解技術配備了Ni-GDC（鎳-氧化釓摻雜氧化鈰）燃料電極，研究人員將該燃料電極在不同電流下進行了1000小時測試，在非常高的電流下，燃料電極的電阻僅略有下降

  • 2.5.6.2. 規(guī)模部署可以節(jié)省電力，降低綠氫生產(chǎn)成本5%

• 2.5.7. 美國開發(fā)出一種熱效率達到60%的新型旋轉內燃機原型H2 Starfire

  • 2.5.7.1. 內燃機燃燒氫氣，采用汪克爾轉子設計，沒有行星齒輪或頂點密封，而是有兩個反向旋轉的轉子

  • 2.5.7.2. 前半部分為鋁制，用于發(fā)動機的進氣和壓縮

  • 2.5.7.3. 后半部分為鈦制，用于膨脹和排氣，可以完全消除對水冷的需求，減輕重量和復雜性，同時發(fā)動機使用了陶瓷涂層，以減輕熱變形

• 2.5.8. 中國全球首條陶瓷工業(yè)氨氫零碳燃燒技術示范量產(chǎn)線

  • 2.5.8.1. 隨著該技術逐步應用于佛山160條陶瓷板（磚）生產(chǎn)線，將直接減少二氧化碳排放66.5萬噸/年

• 2.5.9. 德國開發(fā)用于陶瓷基復合材料（CMC）渦輪葉片制造加工的銑削工藝

  • 2.5.9.1. 開發(fā)了一種專利微晶金剛石涂層，使工具在高硬度材料上的耐用性得以提升

  • 2.5.9.2. 新型銑削工具已進入原型測試階段，其表現(xiàn)接近昂貴的聚晶金剛石（PCD）工具，若新工具在耐用性和經(jīng)濟性方面得到驗證，這將推動CMC在航空發(fā)動機等領域的應用