【材料日报】3D打印复杂形状玻璃、可承受高强度压力的石墨烯、压缩空气储能系统

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德国卡尔斯鲁厄理工学院科学家

将3D打印复杂形状玻璃变成可能

▲KIT通过3D打印的复杂、高精度玻璃结构

2017年4月20日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）通过官网发布消息称，一组该校的科学家团队将3D打印复杂形状玻璃变成可能。

长期以来，熔融玻璃都以其优异的光学特性著称，但其加工和成型过程仍需要用到高温工艺和有害化学材料，为了简化此类工艺，一组KIT跨学科研究团队（项目带头人Bastian E. Rapp博士，团队成员包括化学家、电气工程师和生物学家）将高纯度二氧化硅（石英玻璃）纳米复合材料通过模塑成型为复杂形状，然后光固化为光学剥离结构，在最新的研究中，他们调整了纳米复合结构的性质，以方便在3D打印机中应用，3D打印后再进行脱模和烧结后处理，最终能够在宏观和微观尺度上构建高度透明、耐温和耐化学腐蚀的复杂形状玻璃结构。

3D打印特别适合于制备小批量的，传统制造技术难以胜任的复杂结构物体。迄今为止，3D打印的各种技术更加适用于高分子或金属材料。玻璃虽然是人类使用的最古老材料之一，但在3D打印方面，同高分子和金属材料相比，玻璃由于需要上千度的高温才能实现流动，因此玻璃的3D打印颇具挑战性。此前，对于3D打印玻璃的探索效果不佳，通常成品表面非常粗糙，材料是多孔的并且含有空隙。

3D打印玻璃的应用价值前景广阔。机械工程师解释说：“光子计算机作为下一代计算机技术，需要复杂的处理器结构。而3D打印玻璃技术可以开发微型且结构复杂的光学元件。”而对于生物和医疗领域的小分析系统来说，3D打印玻璃可以制造微型玻璃管。此外，由3D打印玻璃制成的微结构还可以用于特殊要求的眼镜，以及笔记本电脑相机的镜头等广泛应用。

据悉，相关研究成果将在今年的德国汉诺威工业博览会（4月24日至4月28日 ，KIT展位，B16号馆）上公开展示。该研究是推动“NanoMatFutur”计划的成果之一，该计划受德国联邦教研部（BMBF）为工业和社会发展创新材料战略支持。由Rapp领导的研究小组自2014年以来一直由BMBF资助，项目周期四年，资助金额约280万欧元。

麻省理工学院开发出

可承受高强度压力的石墨烯

2017年4月24日，美国麻省理工学院工程师团队开发出可承受高压的石墨烯，有望用于制造滤水膜，提高海水淡化产率。

只有一个碳原子薄的单层石墨烯似乎是相当脆弱的，然而此次麻省理工学院的研究成果证明此种超薄材料非常坚固，可以在至少100巴的压力下保持完好。这相当于典型厨房水龙头产生的压力的20倍左右。

研究人员发现，可以承受这样强的压力的关键是将石墨烯与底层充满小孔的支撑基底配对，衬底的孔隙越小，石墨烯在高压下的弹性越高。麻省理工学院机械工程学院的副教授Rohit Karnik表示,此次研究成果可以为设计坚固的石墨烯基薄膜（特别是必须承受高压水流以有效地从海水中去除盐分的海水淡化用过滤膜）提供指导。

目前的许多商业用膜可以在约为50-80巴的压力下进行水淡化，这些膜如果受到更高的压力，它们的性能将有可能会受到损害，如果薄膜可以承受100巴或更高的压力，它们可能可以通过回收更多的海水而实现更高效的海水淡化。高压薄膜还有可能可以净化盐分极高的水，它们一般浓度太高以至于使用一般的薄膜很难使纯净的水流过薄膜。

Karnik说：“很明显，人类对水资源紧缺的压力不会很快消失，海水淡化是淡水的主要来源，反渗透是最高能效的脱盐方法，如果薄膜可以在高压下使用，这将可以在高能效下获得更高的水回收率。”

日本NEDO开始

压缩空气储能系统的证实试验

2017年4月20日，日本NEDO与早稻田大学以及能源综合工学研究所联合，为保证因天气影响而产生输出变化的风力发电在电力系统中的稳定使用，即日起开始使用了基于发电量预测信息控制技术的压缩空气储能（CAES：Compressed Air Energy Storage）系统的证实试验。此次的证实试验在日本静冈县贺茂郡河津町安置的设施中进行。今后，压缩空气储能系统将有助于可再生能源引入的扩大化。

▲正式设施的外观

如今，风力发电及太阳能发电等可再生能源的引入扩大化正在不断的推进中，但这类能源的输出受气候条件影响，变动较大，给电力的稳定供给造成了极为恶劣的影响。因此，输出预测技术及控制技术的开发成为了必须。

基于这一背景，NEDO与早稻田大学以及能源综合工学研究所相联合，自2017年4月20日起，在静冈县贺茂郡河津町的设施中进行压缩空气储能系统的证实试验，这一系统是采用了基于风力发电预测信息的控制技术。

此次NEDO所实施的企划，由早稻田大学负责压缩空气储能系统的控制技术的开发，能源综合工学研究所负责设备建设。而神户制钢所公司则从能源综合工学研究所承接了外包任务，将负责进行机器的设计和制造。