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《氮化硼石墨烯结构材料有望用于氢能源汽车》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2016-12-08

  • 美国莱斯大学Rouzbeh Shahsavari率领的研究团队利用计算机模拟方法，模拟了由无数柱状氮化硼纳米管分隔的多层石墨烯三维结构材料，可满足能源部提出的氢储存材料标准条件。

    氮化硼石墨烯三维结构中的柱子为氢原子创造空间，就像建筑物中的柱子为个人在地板之间形成空间一样。分子动力学模拟表明，柱状氮化硼石墨烯或柱状石墨烯提供了约2547 m2/g的表面积。研究的主要挑战是使氢原子进入并保持足够的数量（储氢），并且在需要时也可离开（用氢）。模拟表明，向材料中添加锂或氧将帮助它们更好地结合氢原子。

    根据Shahsavari介绍，氢原子因弱范德华力，被吸附到未掺杂的柱状氮化硼石墨烯。当使用氧作为掺杂材料时，结构产生出用于氢气进入的更好的表面，并且原子与杂化物牢固地键合。这可能导致在一定气压下输送氢并且当压力释放时排出氢。石墨烯的电子迁移率以及与石墨烯结合的氮化硼的极化性质足以使材料非常适合于氢储存材料。

  • 原文来源：news.rice.edu
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  • 《“中国必须突破新材料核心技术” 干勇院士：新材料与新能源汽车》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-11-21
    • 2019年11月18-20日，由中共宁乡市委、宁乡市人民政府主办，宁乡高新技术产业园区管理委员会、宁乡市委统战部承办，起点锂电大数据、起点电动网、SNEC新能源企业家俱乐部联合主办的第5届中国（宁乡）新能源企业家年度峰会暨固态电池技术论坛（同期第5届起点金鼎奖颁奖典礼）在长沙宁乡通程温泉大酒店隆重举行。 来自300+电池厂/主机厂 500+材料设备企业领导相聚宁乡，共谋新能源产业发展。 在19日举行的开幕式论坛上，中国工程院院士干勇先生作《新材料与新能源汽车》报告。以下为现场实录： 图：中国工程院院士干勇 尊敬的旭明市长、钟利仁部长、主持人： 非常高兴来参加宁乡新能源产业3.0时代高端论坛，我在几天前刚到长沙参加了新材料协会论坛，上刚刚做了一个报告，是《制造强国的基础能力建设》，因为这是中材办交给工程院的任务，整个制造业发展有新动态和挑战。而新材料与新能源汽车，切合今天的主题，我改的比较匆忙，我是想交流一下。 工程院做工程科技发展战略时，本来就是战略咨询单位，是一个智库，像国务院和各个部委递交各种重大的工程战略咨询报告，国家科技发展和未来10到15年的全球格局和产业分工体系将发生深刻变革，产生基础能力提升。又根据新的材料和与美国全面的较量已经成为常态，下一步怎么办？所有的制造业强国的领域都是瞄准的重点，国际环境的深刻变化，美国优先、中美关系发生变化，是保护主义和我们的多边主义到连纵主义的较量。 一大批新技术将广泛应用，更多新技术突破继续涌现，通过网络通信和感知、工程控制、机器人、人工智能来提高我们先进技术的水平。 还包括高端装备，提了7个领域，一会可以看一下。还有新材料、生物、新能源，包括绿色环保和产业模式的变化，这里面就涉及到制造格局的深刻变化。以美国为首的发达国家想把新兴国家和资源提供国家进行打压。制造业比重方面，中国在下滑，发展动力不足，出现了过度去工业化的现象，占GDP的比重方面，较2017年下降了29.3%。资本逐利特性大量涌入房地产和金融业，产业结构仍处于中低端，产业附加值低，企业家对发展前景信心不足，中国10个银行的利润占了中国金融500强公司利润的50.7%。 还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人，包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等，已经是核心短板中的重灾区，包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料，32%是空白，特别是信息技术的特种材料。 中国制造10个重点领域里面有7个领域，包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等，信息技术和新材料是基础，包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展，新材料的开篇已经有所变化，正在提升，现在提出“超高性能”“超高纯度”，这是新材料发展的特点，要做中长期的打算和战略安排，很多地方是拼命赚钱都赚不到钱，但是也砸，不砸就跟不上。 新材料是国家高端材料的壁垒，垄断性越来越强，日本东丽垄断了碳纤维，美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。 学科的交叉，包括基础学科的突破，使材料有了新的变化，物理深度融合诞生了高温超导材料。 当然中国的材料体系非常完整，我们是大国，将近20多种材料在全世界的数量都是第一，钢铁占了52%，水泥占了56%。 数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中，特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等，我们都有长足的进步。 抢占未来制高点，新材料还在不断涌现，我们不能放过。转方式、调结构，由于重大工程、高端装备的需求，中国必须突破新材料核心技术。 高端新材料是重大工程成功的保障，材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。 最近正在做2030的重大课题专项，对新材料，中国的任务很重，这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。 所有的制造业核心元器件的应用，这些高附加值产品往往都是国外提供，我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。 高端装备特种合金，先进钢铁，还有海洋的深海用材。 我们晚了20年，目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦，占全世界80%以上，非常成功，而且出口占据国际市场的30%左右。 深海油气开采的关键材料，这些核心的高端空白，低端不能用。 高端装备，特别是轴承，包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承，几乎全部都是进口，160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口，每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。 为了适应汽车批量化，中国吉帕级高性能汽车钢板，而且迅速占领了国际国内的大量市场，都是以强化为主，包括淬火配分，对汽车的轻量化起了决定性的作用，性价比非常好。车身制作284公斤，减轻了17%到29%的重量。 所以在与其他钢，其他国内外厂商，206家在应用，累计供货141万吨，占领国内市场超过60%。 高温合金，这是发动机核心材料，我也不谈了。 钛合金、铝合金，这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。 钛合金是非常遗憾的领域，钛合金的性能非常好，海洋、天空、陆地，这是第四代革命性的材料，轻，比强度高。但是长时间来，就在5万吨、7万吨徘徊，去年达到了7.4万吨，而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来，但是很奇怪，钛在地球的储量是铜的80倍，全世界用钛合金在用到20万吨，在地球上什么储量最大，什么东西才便宜，像铁。只有钛储量多，但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破，现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛，中国的技术还在继续进行，我们走在前面。 镁合金，有两个问题，腐蚀性、强度，这两个问题都得到解决，丁院士在镁系统合金中采用各种技术，非常好的协同强化效应。包括耐蚀性，现在通过超声阳极氧化法，和镁合金完全一样，我们每年供应95%以上，国内的镁大量的应用，最近应用到20多万吨，每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。 现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重，镁合金有一个致命缺点高温自燃，所以波音他们最近签订了协议，美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。 在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用，包括电池上的应用，镁干电池，海水激活电池，这非常有前景。 镁合金的弹性模量与人的骨头相当，易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右，这是庞大的减重计划和目标，国家的轻合金制造创新中心正在筹备。 2020年要有20万吨左右用到车身板，到2050年大概有30万吨左右用到车身板。 铝加工，大型的铝的挤压件完全国产化，而且都是由很多民营集团来实现的。 新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作，最近2个陶瓷材料的院士，很厉害。 2020年需求预测，能量转化1.5万吨。新型高分子材料，民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料，食品安全用钛系催化环保型聚酯。 高性能纤维与复合材料，碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化，特别是汽车领域的应用，最近看到宁波所，他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作，中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验，将会为我们大规模的发展。 稀土新材料，资源第一、产量第一，是重要的战略优势资源，5月20号习总书记视察了基地，使用了4公斤的稀土，猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。 卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机，包括机器人、数控机床。 包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统，特别是磁动力系统。 现在在城际列车上大量应用，千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。 下一步创新点，是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。 磁的创新点在哪里？磁动力体系上，永磁调速之后，中间可以是柔性连接，这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有悬浮轴承，应用转子动力学、机械学、电工电子学，无噪音、噪音小、耗能低。潜艇的隐身能力大大加强。 永磁制动，应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。 永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。 所以永磁的产业非常大，我认为应该发展起来，磁产业应用方向，涉及战略性达9个门类。 混合动力技术可用于氢燃料汽车，这是非常好的方案。 每辆混合动力汽车要超过10公斤，价格很低，这非常有用。 包括催化剂，催化剂材料给我们压力很大，基础研究不足，国六突围，必须在轻稀土上打一个漂亮仗，在北京催化剂的研究院。 新型显示材料，主要是激光显示材料。 第三代半导体材料，支撑绿色、智能、泛在技术，满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来。美国2030年的用电，他与2018年相比，发电量降低11%。 新能源汽车发展趋势，美国DOE规划2020年到2025年，效率、密度、成本必须要达到新的高度，效率、电控达到98%，密度100千瓦每升，成本2.7每千瓦每美元。 所以第三代半导体优势就出来了，相比SI，有3倍的热导率，有3倍带宽度，10倍击穿场强，高电流密度、高开关速度高温，低导通电阻，冷却系统简化，更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。 电动汽车用功率半导体模块的占比，到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的，有巨大的结合作用，对国内碳化硅的发展历程，国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排，所以电力电子技术启动，碳化硅6英寸产品成熟，国际有一些差距，但是我们的水平正在提升，包括株洲团队，他们在高铁的IPTV上做的很漂亮，在6寸的碳化硅上做了很多工作，20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域，这是我们的方向。 绿色能源，2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池，国家成立了锂电电池的创新中心，现在是在高容量三元材料大量应用，硅碳符合材料必须上来，可能突破350瓦时的能量，最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池，锂硫电池。 新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。 全球新能源汽车产业已进入快速发展期，2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。 全球新能源汽车产业进入高速发展阶段，2018-2035年，中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆，新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年，新能源汽车产量将达到200万辆，新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来，中国少用2亿吨石油，因为用电代替的石油，中国的电是用煤，所以是煤电转换比，威胁美国的石油体系，甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展，进而影响全球能源格局，这是新能源汽车带来的冲击，如果2035年达到这样的产能，中国石油消费顶点提前到来，拉动铝、铜消费的需求，将使铜需求量从8万吨增长180万吨。 锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁，是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中，国际市场垄断程度很高，所以我们要小心，垄断程度高于石油，现在到各个地方可以买到石油，但是钴、锂垄断性还是很厉害的，所以要培养世界级大新新能源汽车企业，实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发，提高多元化供应水平，这里面潜力巨大。 我在每一次会议上都补充新能源电池，从氢还还原氧化铁，二氧化碳减到零，二次能源成本偏高，高碳向低碳发展这是必然的，在韩国召开的世界气侯大会委员会上，1888年到2018年，地球的维度提升了0.86度，这温度的提升，看气侯的变化非常奇特，非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末，如果温度提高2度，最多1.5度，这是什么概念，10年之内要出现一圈北极冰没有了，2050年二氧化碳排放要大幅度减少，全球进入氢能时代，占能源比重的18%，所以氢时代的到来，固体能源到液体能源到气体能源的转换，从不可持续到可持续，从集中式到分布式，从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。 氢能未来，抓住当下的机遇，他认为聚焦四个机会，充分利用现有的工业港口，将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽，支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力，柴改氢。国外氢能的发展我不说了，氢能作为极具发展潜力的二次能源，具备转换灵活、容易获取等特征，国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。 包括各国的氢能发展，2018到2050，我就不细说了，美国到3个30万辆，在路上跑的氢燃的汽车，现在现在只说到2030，100到150万辆。 如果作为基础设施部分，2030年到100万辆，大概是5000多座，每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。 国内已经形成6个集群，完整的产业链正在形成。 京津冀、华东、东南、华北，动作非常快，因为各省的资源禀赋不一样，要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划，有两横两纵的交通线的氢走廊，化工大省，是因为氢气产能庞大，巨型车企引领，山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。 山西每年6亿吨煤输出来，他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。 四川，建设全国优质清洁能源。 海南，2030年不准燃油车进入海南，对氢能的发展已经全面的规划，内蒙也是，煤气也是丰富的。在氢的利用上，我认为是在中型卡车、大巴的应用，乘用车的布局非常困难，首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状，41家整车企业，56款燃料电池汽车车型，25家燃料电池系统公司。 港口的重型机械，也可以利用，重卡、柴油这是一个方向，集中布局氢燃料电池，全国汽车保有量，柴油车占了9.6%，但氮氧化物占了78%。 我们统计了每个港口的出货量，按每车运输30吨，柴油量巨大，氢气每个月120万吨，大量的减排。 唐山是非常好的例子，1.3亿吨的钢铁产能的物流巨大，首先用煤气来布局加氢站，所以国际商已经开始重卡了。 燃料电池现状不说了，最后主要是区域性的大格局，氢能的运输重要，管道运输的成本非常便宜，如果使用车，每年运输的成本24亿，材料方面不再说了，这也是材料大的产业，包括聚合物的气瓶。 国家目标的发展，CCM的纳米、微米复合材料的使用。 中国制造业与国外制造强国相比，新能源汽车，国际领先5类，通信设备、先进轨道交通装备、输变电装备、纺织、家电。 我的发言就到这里，谢谢大家。
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  • 《用于汽车应用的轻质结构材料》
    • 来源专题：工业强基
    • 编译者：张欣
    • 发布时间：2024-07-05
    • 汽油价格的上涨继续促使消费者购买更节能的汽车。将汽车重量减轻10%可提高6%～8%的燃油效率，并减少温室气体排放。重量减轻是通过增加轻质结构材料的开发和使用来实现的。对于车辆设计师来说，开发材料和制造工艺非常重要，不仅可以减轻重量，还可以保持满足碰撞安全测试所需的强度。此外，他们必须在不将车辆成本提高到可接受的水平的情况下这样做。 背景 轻质结构材料的开发和使用以及制造和生产工艺的优化需要测量关键的微观结构参数。 传统上使用光学显微镜测量晶粒尺寸，这需要合金特定的化学蚀刻。这种蚀刻可能不会暴露出所有的晶界。此外，它还使用有特殊处理和处置要求的化学品。 相分布传统上使用光学或电子显微镜来测量。这些测量通过测量的灰度级而不是通过提供结构和成分的直接测量来推断相位。可能需要进行多次化学蚀刻处理以揭示存在的所有相。 单个晶粒上的晶体取向传统上是通过透射电子显微镜（TEM）测量的。TEM分析需要专门的样品制备技术、工具和专业知识。方位测量通常是手动进行的，这限制了可以收集的测量数量。 纹理，即优选取向的存在，通常通过x射线衍射（XRD）来测量。使用XRD的纹理测量不提供空间上特定的取向测量，而是提供具有测量体积的集体样品取向。 塑性应变，即由于施加的载荷而导致的晶粒内取向的变化，传统上是通过TEM测量的。TEM的分析范围是有限的。TEM样品的直径通常为3mm，并且样品的薄到足以进行TEM分析的部分小于此部分。缺乏自动化测量进一步限制了数据收集。 相反，电子背散射衍射（EBSD）为测量轻质材料微观结构提供了一种快速、自动化的解决方案。EBSD的优点包括： 使用离散定向测量的直接晶粒尺寸测量，以消除模糊的晶界确定误差。还可以识别特定的晶界类型，例如孪晶边界或相变取向关系，以帮助理解变形和/或热处理过程。 通过使用EBSD测量晶体结构和使用能量色散x射线光谱（EDS）测量化学成分来直接测量相分布。ChI扫描?,EBSD和EDS相映射的结合使用，即使对于复杂的轻质材料，如高级钢和Al-Si铸件，也能提供准确的相分布。 直接测量晶体取向和纹理。合金上的自动测量速度高达每秒6700点，可以快速收集具有统计意义的数据集。易于生成用于可视化方向的空间分布的地图。同时获得纹理信息以消除对额外分析时间的需要。 可直接测量定向精度值小于0.1°的塑性应变。定向精度数据可以更好地理解和优化成形和制造过程中的变形过程，用于将轻质材料集成到汽车设计中。对大于1cmx 1cm的区域的自动分析允许对大面积和横截面上的变形进行可视化，以了解塑性应变和变形如何在材料内分布。 结果和讨论 铝和镁合金是用于减轻汽车重量的主要结构材料。虽然钢的密度是这三种合金中最高的，但其机械性能和可成形性使其成为碰撞防护的理想材料。使用微合金化和连续退火或其他热机械加工技术开发了先进的高强度钢。所得材料表现出改进的强度和韧性，以减轻重量并保持安全。先进工程钢的一个例子是孪晶诱导塑性（TWIP）钢。TWIP钢设计用于在碰撞中吸收比传统钢更多的能量，同时保持强度和稳定性。这种特性是碰撞过程中发生的变形孪晶的结果，从而提高了材料的屈服强度。
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