《新材料周刊》第46期：美4M公司新技术使碳纤维产量提高3倍、强度增加15%

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内容摘要：

美4M公司新技术使碳纤维产量提高3倍、强度增加15%

美为C-17开发轻质低成本的合成绞盘缆绳

打破微观材料测试的温度障碍

低成本且可持续的新型永磁体

钾金属电池有望成为未来锂离子电池的替代品

可用于类脑计算的无机材料

日本开发高容量全固态锂硫电池

美4M公司新技术使碳纤维产量提高3倍、强度增加15%

在最近的一次碳纤维生产演示中，美国4M碳纤维公司（4M Carbon Fiber Corp）宣布，其利用大气等离子体氧化技术生产了强度提高15%的碳纤维，同时将产量提高了三倍。新技术为碳纤维制造商提供了颠覆行业的机会，4M公司正在探索如何将这项技术授权给全球终端用户。

4M公司与台塑集团（商业碳纤维生产商Formosa Plastics Corporation）以及田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）碳纤维技术设施部门合作，使用4M和ORNL开发的国际专利技术氧化了Formosa的前体，然后对纤维进行碳化、表面处理，并在CFTF上浆，最后使用工业测试方法测试碳纤维的性能。初步试验表明，该纤维比传统工艺生产的碳纤维具有更高的拉伸性能。

4M碳纤维公司的前身是田纳西州的Woodland Holdings公司，在2018年初，Woodland申请更名为4M Carbon Fiber Corp。4M公司主要技术合作有三个：RMX的核心技术平台、美国LITZLER、德国Dralon GmbH公司。

该公司2018年曾经宣布，将把采用等离子氧化技术制造和销售高质量、低成本碳纤维作为战略重点，而不只是许可该技术。公司声称，与传统氧化技术相比，等离子氧化技术速度快3倍，而使用能量却不到传统技术的三分之一。公司正在与多家世界上最大的碳纤维制造商和汽车制造商进行磋商，以作为生产低成本碳纤维的发起方参与进来。

4M认为，从技术中获取经济和技术价值的最佳方法是与战略合作伙伴合作建立碳纤维生产线。2019年10月，4M碳纤维公司和西班牙Montefibre Carbon Fiber公司签订建立合作伙伴关系的意向书，合作生产低成本工业级碳纤维。在此次合作中，4M和Montefibre计划将Montefibre的大丝束碳纤维PAN前驱体与4M的低成本碳纤维生产技术相结合，以开发出低成本的工业级碳纤维。4M的专利技术可将碳纤维生产线的初始投资减少多达50％，并将持续的运营成本节省超过30％，这有可能实现低成本碳纤维产能的快速增长。

Montefibre得到了西班牙技术中心莱塔特（Leitat）的支持，并与美国能源部的橡树岭国家实验室达成了合作研发协议。此外，该公司还是高级复合材料制造创新研究所（IACMI-美国田纳西州诺克斯维尔的复合材料研究所）的成员。

Montefibre公司于2020年2月18日宣布，将投资1620万欧元（1740万美元）在位于西班牙米兰达德埃布罗的工厂生产聚丙烯腈（PAN）前驱体，以将其转化为满足航空质量要求的碳纤维，并建立灵活的碳化生产线。其中1150万欧元将来自西班牙工业部工业部。

新碳化生产线计划于2021年底投入运营，并将成为商业规模生产之前的重要枢纽。Montefibre表示，即使在示范阶段，它也将成为欧洲第三大碳纤维生产商（仅次于德国的SGL和比利时的Solvay）。（4mio.com网站2020年3月4日消息）

美为C-17开发轻质低成本的合成绞盘缆绳  美国空军C-17飞机机队目前使用钢制绞盘缆绳将集装架、车辆和其他物品通过飞机尾部的坡道从地面拉到飞机上，这种钢缆在断裂时有可能回弹，造成人员伤害或飞机损坏。美国空军研究实验室（AFRL）高级动力技术办公室（APTO）与Samson绳索公司合作，将传统钢缆更改为更轻、更安全的材料，即使缆绳断裂，也不会发生上述的回弹现象。APTO已成功设计、开发和测试了飞机的合成绞盘缆绳。新缆绳成本降低40%，重量也极大减轻：目前的钢缆长280英尺（约85.344米），重80磅（约36.29千克），而新的合成缆绳重14磅（约6.35千克），重量减轻了83%，重量减轻可以减少油耗并提高任务能力。美国空军将于2020年第一季度在两架飞机的三个不同运营基地安装六套新型缆绳。空中机动司令部和C-17项目办公室将对其进行评估，以批准其作为合适的替代品。获得批准后，新的合成缆绳将成为美国空军认可的可采购物品。（美国空军研究实验室高级动力技术办公室网站2月25日消息）

打破微观材料测试的温度障碍  美国伊利诺伊大学香槟分校和桑迪亚国家实验室共同开发了一种在超高温下测试微观航空材料的新方法，结合电子显微镜和激光加热，可实现更快、更低成本地评估材料。研究人员表示使用新材料或现有材料组合在1000℃以上的超高温下进行实验真的很困难，因为会破坏测试机制本身，这种温度障碍已经延缓了用于火箭和车辆等商业用途的新材料开发。研究人员结合透射电子显微镜和有针对性的激光加热在2050℃高温条件下检测了可用于燃料电池以及隔热涂层等领域的微细纳米航空材料——氧化锆，在样品蒸发临界温度下观测到了材料发生形变的全过程，并能够控制材料的变形位置和方式。研究人员表示未来该技术在材料高温测试中的应用会更广，因为它们更容易实现。（美国伊利诺伊大学香槟分校网站2月25日消息）

低成本且可持续的新型永磁体  永磁体由稀土金属合金制成，是可再生能源、消费电子产品和电动汽车中的常见组成部分。然而稀土金属开采和加工会产生有毒的副产品，导致稀土矿山和精炼厂周围严重的生态环境破坏。英国利兹大学研究团队用天然磁性的钴薄层开发出一种杂化膜，有望取代稀土基永磁体。研究人员开发的混合薄膜是由一层薄薄的钴构成，这种钴具有天然的磁性，其表面覆盖着一种碳形式的巴克明斯特富勒烯（Buckminsterfullerene）分子。钴在碳的覆盖下，低温磁性能提高了五倍，原因是碳分子结合到钴表面会产生磁性钉扎效应，即使在强相反磁场中，钴的磁性也不会改变方向。虽然混合磁铁在风力涡轮机或电动汽车上的应用可能还需要很长时间，但其他一些应用可能很快实现，例如磁性记忆。（phys.org网站3月3日消息）

钾金属电池有望成为未来锂离子电池的替代品  随着对安全、高效和强大能量存储的需求不断增长，对可充电锂离子电池的替代品呼吁也在不断增长。美国伦斯勒理工学院研究人员研发出一种性能与锂离子电池差不多的钾金属电池，不仅成本低，而且能克服电池树枝状晶体的问题。研究结果显示，当电池开始发热，钾金属电池虽然也会产生树枝状晶体，但最终会自我修复。这种修复是电解质／枝状晶体界面上受电流控制的自热触发，导致表面原子迁移离开树枝状晶体尖端，使树枝状晶体表面变得光滑。这表明了钾金属表面的原子比锂金属的原子迁移率更高，使得枝晶修复能够在较低的电流密度下进行，效率也显著提高。研究人员表示这可以为现有的锂离子技术提供一种可持续且低成本的替代方案。（美国伦斯勒理工学院网站3月2日消息）

可用于类脑计算的无机材料  美国德克萨斯州A＆M大学研究人员在固态材料β'-CuxV2O5中发现类似神经元的电开关机制，它可以模仿神经信号在人脑内传递信息。研究人员致力于了解它们是如何根据命令在导电和绝缘行为之间转变。β'-CuxV2O5会随温度或施加的电刺激而变化，这种行为的潜在机制是铜离子在材料内部运动并向周围散布电子。铜离子在钒和氧的刚性晶格中的运动是电导率变化的关键，就像神经元在脑神经系统中发挥作用一样，电导率变化产生电尖峰，这是开发像人脑一样起作用的电路的重要一步。突破常规计算技术局限性的一种方法是从自然界中汲取灵感，特别是人脑的神经电路，它在能源效率方面大大超越了常规计算机体系结构，为机器学习和先进神经网络提供了新的方法。（美国德克萨斯农工大学网站2月27日消息）

日本开发高容量全固态锂硫电池　日本丰桥技术科学大学开发出一种全固态锂硫电池，电池阴极采用硫-CNF复合材料，固态电解质采用电化学稳定的Li2S-P2S5-LiI，该固态电池显示出与硫理论容量相当的高放电容量，并且在重复的充放电循环后仍保持高容量。近年来随着混合动力和电动汽车的增加，全固态锂硫电池备受关注，因为其能量密度为传统锂离子电池的五倍。然而，硫是绝缘体，这限制了它在电池装置中的应用，想解决这个问题，必须为硫提供离子和电子传导路径。研究人员通过静电组装方法将硫活性材料和碳纳米纤维（CNF）结合在一起，并使材料在溶液中均匀结合制成了可作为电池阴极的复合材料。这种液相工艺成本低、制备方法简单，因此适合批量生产，未来这些全固态锂硫电池有望作为电动车辆的大型电池。（phys.org网站3月5日消息）