新材料周刊32期：罗罗下一代航空发动机UltraFan继续取得进展

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内容摘要：

罗罗下一代航空发动机UltraFan继续取得进展可改变柔性和拉伸性的多功能电子器件荷兰开发悬浮双层的特殊超导体新催化剂可将CO2更廉价转化为甲醇燃料新型陶瓷反应器有望减少二氧化碳排放美开发高性能电路的3D打印塑料俄开发增强型抗冲击混凝土美开发高强度仿生石墨烯基电极材料可多收集太阳能的新型智能材料

罗罗下一代航空发动机UltraFan继续取得进展

从CTi（碳纤维/钛合金）复合材料叶片到大功率传动齿轮箱，罗罗公司研发的全新架构下一代航空发动机UltraFan正在按部就班推进中，计划于2021年进行地面测试，2025年面世。其燃油效率比第一代Trent发动机提高25%，这款具有跨时代性能指标的发动机受到业界的广泛关注。

UltraFan发动机主要有四个特点：一是全新核心机构架，最大程度地提高燃油效率，降低碳排放；二是CTi风扇系统，碳/钛复合风扇叶片和复合材料机匣，减轻重量；三是先进的CMC（陶瓷基）复合材料，所需冷却空气更少、运行效率更高的耐热组件；四是齿轮设计，为未来的高推力、高涵道比发动机提供有效动力。

下一代发动机采用CTi复合材料风扇叶片。这是罗罗首次放弃Trent系列发动机的空心叶片的设计路线，发动机重量将大幅度减轻。该风扇于2014年搭载在波音747-200飞行平台的Trent 1000发动机上完成了第一次飞行试验。试验结果表明风扇性能表现良好，标志着该项目达到了一个重要里程碑。

新发动机的核心设计之一“动力齿轮箱”，于2017年9月在德国专用设施上测试时成功达到了7万马力功率，创下全球航空领域最大功率新纪录，这是该项目的又一个重要里程碑。而其设计运行功率最终将达到10万马力。当在最大功率下运行时，齿轮箱每对齿轮传送的动力将大于F1赛道起跑线上所有赛车的功率总和。

Advance3发动机是UltraFan的核心技术验证机，核心机包括新的高压和中压压气机、贫油燃烧室、带有陶瓷基复合材料（CMC）封严段和先进冷却涡轮叶片。在Advance3的2万个组件中，其中一部分是通过3D打印技术制造的，同时在热端部件制造中使用了尖端的陶瓷基复合材料。

发动机零件是在劳斯莱斯的复合材料技术中心（复合材料卓越中心）使用最先进的全自动化技术制造的。每个风扇叶片都由机器人制造，机器人构建大约500层碳纤维材料，然后施加热量和压力，并且每个叶片的前缘都有钛金属精加工，可以提供出色的保护，防止异物和鸟撞击。

UltraFan发动机的每个叶片中都配有“数字双胞胎”，即每个叶片都在计算机软件中有一个虚拟副本。在发动机测试期间，它们将收集大量数据，这些数据将被馈送到数字双胞胎中，供工程师预测每个叶片在服务中的性能。

预期2025年以后投入使用的UltraFan发动机在采用齿轮驱动可变桨距风扇后，其总增压比达到70，涵道比有望达到15，燃油消耗率将比Trent700至少降低25%。UltraFan将重新定义喷气发动机，民用航空发动机的革命性时代即将到来。（罗罗公司网站6月27日及最新消息综合）

可改变柔性和拉伸性的多功能电子器件　韩国高等科学技术学院（KAIST）的研究人员开发出一款可机械地改变形状、柔性和可拉伸性的多功能电子产品，使用者可以无缝且精确地调整其刚度和形状。该产品是由特殊的镓金属结构组成，具有生物相容性和固态的高刚性，并且可以在与皮肤温度相当的温度下熔化。当该产品与人体接触时，封装在硅酮内部的镓金属就会变成液态，软化整个电子结构，使其具有可拉伸性、柔性和可穿戴性。一旦从皮肤上剥离，镓金属便会再次固化，从而使电子电路变硬且稳定。此产品在未来可以被进一步扩展到生物医学设备、软机器人、消费类电子器件在内的各种电子器件。（韩国高等科学技术学院网站11月4日消息）

荷兰开发悬浮双层的特殊超导体　荷兰格罗宁根大学研究人员基于二硫化钼的双层结构发现新的超导状态，并有助于用电场对其控制。在此前已有研究发现，单层二硫化钼或二硫化钨存在一种特殊类型的超导性，即内部磁场可以保护超导状态不受外部磁场的影响，但研究人员一直无法操控电场对其进行控制。新开发的双层悬浮结构，其两侧是离子液体，可为双层结构构筑电场。二硫化钼层与层之间的相互作用促成新的超导态。在单层结构中，正负电荷分居两侧，形成的电场不对称。而在双层结构中，两个单层可以产生相同数量的电荷，从而形成对称的电场，可用于打开和关闭超导特性-即通过离子液体可以控制超导晶体管。这一发现为制备新型电子器件提供了一种新思维。（荷兰格罗宁根大学网站11月5日消息）

新催化剂可将CO2更廉价转化为甲醇燃料　美国阿贡国家实验室和滑铁卢大学的研究人员受植物光合作用启发，开发出一种“人造叶片”，有望低成本地将二氧化碳转化为甲醇燃料。新技术的关键是开发一种八面立方结构的氧化亚铜红色粉末催化剂。催化剂是用葡萄糖、醋酸铜、氢氧化钠和十二烷基硫酸钠在特定温度的水中进行反应制得的。二氧化碳在光照及氧化亚铜粉末的催化剂或化学引发剂下生成氧气和甲醇。该技术使用低成本的催化剂，更具有成本效益，有望实现商业化。下一阶段研究人员希望提高甲醇生产率和促进专利工艺商业化。（加拿大滑铁卢大学网站11月4日消息）

新型陶瓷反应器有望减少二氧化碳排放　荷兰基础能源研究所和希腊的研究人员共同开发了一种新型陶瓷反应器，将原本合成氨的反应器从3个减少到1个，使二氧化碳的排放量减少一半。一百年前，人们使用Haber-Bosch（哈伯-博世）工艺将空气中的氮气和天然气中的甲烷转化为制造化肥原始材料的氨，但所排放出来的二氧化碳每年超过4.5亿吨。研究人员表示该反应器是一根薄薄的陶瓷管，管道内外壁覆盖不同的催化剂，内壁的镍催化剂产生带正电荷的氢离子、电子和二氧化碳，外壁的催化剂含有钒、氮和铁等，可以使氢离子、电子和氮分子进入管道形成氨。陶瓷管外部添加了导线，当带负电荷的电子来到陶瓷管外壁时，产生的离子虹吸作用会加快内壁催化剂的反应速度，让反应只需在约600℃的温度以及正常大气压下就可以进行。（Science网站11月6日消息）

美开发高性能电路的3D打印塑料　美国罗格斯大学的研究人员将电互连嵌入由聚合物或塑料制成的3D打印结构中，使用高科技“强脉冲光烧结”技术（主要是用氙气灯发出的高能量光束）熔合微小细长的银纳米线，使电路的电传导率是最新技术的10倍，不仅有助于降低能耗，而且能延长设备寿命并提高性能，包括小型卫星、多功能无人机、发射器、光和运动传感器、全球地位系统、生物医药植入物以及其他智能结构。研究人员表示，结合3D打印和高脉冲光熔合银纳米颗粒将其应用于开发集成单元具有非常大的前景，研究的下一步包括制作完全3D内部电路、增强其导电性以及在柔性3D结构内部创建柔性内部电路。（美国罗格斯大学网站11月4日消息）

俄开发增强型抗冲击混凝土　俄罗斯远东联邦大学军事研究中心（MSC FEFU）的工程师开发出抗冲击能力更强的混凝土，由高达40%的谷壳炉渣、石灰石粉碎废料和硅质砂制成，并通过添加金属或试金石纤维来实现加固。这种新型混凝土的抗裂性是GOST标准的6到9倍，适用于军事和民防结构、核电站的承重结构或北极地区的建筑。该新型抗冲击混凝土的结构因其动态粘度而吸收冲击力，因此耐久性随着对其影响的增大而增大。这种材料的平板表现出“橡胶效应”：它会收缩并呈弹性，但不会开裂。抗冲击混凝土不仅可抵抗炮弹撞击和海啸的巨浪，还具有地震稳定性，并且比基于GOST的混凝土更具成本效益，因其包含的水泥更少、废品更多。（Phys.org网站10月31日消息）

美开发高强度仿生石墨烯基电极材料　美国德克萨斯农工大学工程学院的研究人员设计了一种新型的石墨烯基电极材料，在保持良好电容性能的同时，可极大改善电极的力学性能。研究人员基于支链芳纶纳米纤维和多巴胺功能化石墨烯制备了仿珍珠母结构的超级电容器电极。实际上，石墨烯基电极作为超级电容器电极具有最高的多功能效率（一种基于机械和电化学性能评估多功能材料的指标）。尽管这项工作主要集中在超级电容器上，但研究人员希望将研究成果转化为制造坚固的电池。这项研究有助于发现结构电极的全新家族，这为轻型电动汽车和飞机的发展打开了大门。（德克萨斯农工大学网站11月7日消息）

可多收集太阳能的新型智能材料　美国加州大学洛杉矶分校和亚利桑那州立大学研究人员共同开发出一种“人造向日葵”（SunBots），能够随着太阳光束的方向转动。研究人员将一种可实现光热转换的光敏纳米材料，与一种受热会收缩的热敏聚合物结合起来，成功研制出圆柱状的新型智能材料。当光束照射时，该智能材料可将光转换成热，并在受热后沿光照方向收缩、弯曲。研究表明，该材料可多吸收400%的太阳能。（Phys.org网站11月5日消息）

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