全新合金材料转化效率创新记录 远超传统半导体

全新合金材料转化效率创新记录远超传统半导体利用热能发电并不是什么新鲜事。自20世纪中期以来，它们被用于在太空探索中产生电能，但热电也用于便携式冰箱等日常应用。此外，它们还可以用于工业环境，将废热转化为绿色电力，这也是潜在应用之一。热电的工作原理热电效应是基于带电粒子从材料较热的一面迁移到较冷的一面的运动。这就产生了一个电压，即所谓的热电电压。热电电压与温差的比值就是“塞贝克系数”，这是材料热电性能的重要参数。该研究的第一作者FabianGarmroudi解释说：“尽管塞贝克（德国物理学家）在200多年前就发现了普通金属中的热电效应，但现在金属几乎不被认为是热电材料，因为它们通常具有非常低的塞贝克系数。”性能优异的镍金合金近期，来自维也纳工业大学的物理学家成功地发现了具有高导电性和特大塞贝克系数的金属合金。他们说，磁性金属镍与贵金属金的混合从根本上改变了电子性质。具体而言，当加入约10%的镍时，金的淡黄色立即消失，热电性能迅速提高。科学家解释称，塞贝克效应增强的物理根源在于电子的能量依赖散射行为——一种与半导体热电效应根本不同的效应。由于镍原子的特殊电子特性，正电荷比负电荷散射得更强，导致所需的不平衡，从而产生高热电电压。他们补充说，极高的导电性和塞贝克系数的结合，导致镍金合金的热电功率因数值创纪录，远远超过传统半导体。“在相同的几何形状和固定的温度梯度下，可以产生比任何其他已知材料多很多倍的电力，”他们解释说，“此外，高功率密度可能使未来大规模领域的日常应用成为可能。以目前的性能为例，智能手表已经可以利用佩戴者的体温自动充电了。”研究人员还说，“尽管黄金是一种昂贵的元素，但我们的工作代表了概念的证明。我们能够证明，不只有半导体，金属也能表现出良好的热电性能，使它们有各种应用潜力。金属合金与半导体相比具有各种优势，特别是在热电发电机的制造过程中。”未来，该小组还将研究其他不需要昂贵元素金属加入的有前途的候选物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399025.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399025.htm

科学家3D打印出首个兼具超强强度和延展性的高性能纳米结构合金

科学家3D打印出首个兼具超强强度和延展性的高性能纳米结构合金据NewAtlas报道，随着新的制造技术的出现，全新的金属合金有了更多的可能特性。一个研究小组现在已经开发出一种新的可3D打印的合金，其特定的纳米结构使其具有超强的强度和延展性。大多数常见的合金，如不锈钢或青铜，是由一种主要金属与少量其他元素混合而成。但是，一种被称为高熵合金（HEAs）的新兴材料涉及将五种不同的元素以大致相等的比例混合在一起。由此产生的合金最终具有耐人寻味和有用的特性，如高强度重量比和随温度上升的硬度。这项新的研究集中于含有铝、钴、铬、铁和镍的等量的HEA。这种特殊的混合物已经实验了几年，但该团队使用一种尚未应用于它的技术--激光粉末床融合技术来制造它。基本上，原始金属的粉末形式被铺设在一个表面上，然后用高功率的激光进行喷射，使它们迅速熔化并重新凝固。这种技术是3D打印的一种形式，使最终的合金具有与其他制造方法非常不同的微观结构。该团队将其描述为看起来像一张网，有不同的立方体结晶结构的交替层。这使得HEA的屈服强度约为1.3GPa，比使用传统铸造方法制造时几乎强三倍。同时，它也更具延展性，与常见的权衡方法相反。这项研究的首席研究员陈文说：“这种不寻常的微观结构的原子重排产生了超高的强度和增强的延展性，这是不常见的，因为通常强大的材料往往是脆性的。对于许多应用来说，强度和延展性的结合是关键。我们的发现对材料科学和工程来说都是原创的，令人振奋。”这种强度和延展性的特殊组合可以使这种合金在航空航天、能源、运输或其他工程领域的部件中发挥作用。该研究发表在《自然》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1302879.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1302879.htm

喜热的轻质超级合金有望提高涡轮机效率

喜热的轻质超级合金有望提高涡轮机效率桑迪亚实验室、艾姆斯国家实验室和爱荷华州立大学的研究人员说，他们已经创造了一种可3D打印的高性能超级合金，比今天使用的最先进的高温合金更强、更轻。他们已经在《今日应用材料》杂志上发表了他们的研究结果。这种材料由42%的铝、25%的钛、13%的铌、8%的锆、8%的钼和4%的钽组成，是"多主元素超级合金"或MPES的一个例子。大多数合金主要由一种主要元素制成，并与低浓度的其他元素结合以提高某些特性，但多主元素合金具有三种或更多元素的高浓度。据该研究小组称，各种各样的这些合金在一些指标上显示出巨大的前景；强度-重量、断裂韧性、耐腐蚀和耐辐射性、耐磨性等。但是这个团队探索的MPES子集在高温情况下的高强度方面表现出色。与其他高温材料相比，这种新的超级合金具有一些突出的特性"基于硬度和密度之比的MPES的比强度为1.8-2.6GPa-cm3/g，"研究报告中写道，"这一数值超过了所有已知的合金，包括金属间化合物和遗留的钛铝化物、难熔的MPEA以及传统的镍基超合金。根据测得的4.5GPa的峰值硬度[28]和8.2g/cm3的密度，这一特定强度比Inconel718提高了300%，其比率为0.55GPa-cm3/g。"它还被专门设计成可3D打印的粉末状，使其能够被布置成"不寻常的纳米级微结构"，研究小组发现其"对在800℃[1472°F]下暴露一小时不敏感"--比典型的煤基发电厂运行时的570多℃（1058°F）温度高得多。事实上，3D打印过程接受了"成分分离的高纯度"粉末状原料--打印机本身在熔化成分金属时混合了合金。原材料被分别放入激光工程网成形增材制造机中研究人员说，这项工作引出了一个更大的MPES材料类别，在航空航天和能源领域有着有趣的潜力。不过，在他们能够可靠地用这些合金生产出没有微观裂缝的大型部件之前，还需要对3D打印过程做进一步的工作，而且原料包括一些相当昂贵的金属，这将使这种特殊的MPES难以扩大规模，在成本是高度优先的应用中得到广泛使用。桑迪亚公司的科学家AndrewKustas在一份新闻稿中说："有了所有这些注意事项，如果这是可扩展的，并且我们可以用它制造出一个大宗的零件，这将改变游戏规则。研究显示，这种材料可以获得以前无法实现的高强度、低重量和高温弹性的组合。。"该研究在《今日应用材料》杂志上公开发表。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343649.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343649.htm

开启热电技术的未来 - 科学家发现拥有超大塞贝克系数的材料

开启热电技术的未来-科学家发现拥有超大塞贝克系数的材料维也纳工业大学的研究人员发现，镍金合金是一种出色的热电材料，在将热量转化为电能方面具有无与伦比的效率。这一发现挑战了人们对热电金属的传统看法，为其在各种技术中的应用开辟了新的可能性。镍金合金热电效应示意图。资料来源：FabianGarmroudi利用热电发电并不是什么新鲜事。自20世纪中叶以来，它们一直被用于太空探索中产生电能，但热电也被用于日常应用，如便携式冰箱。此外，它们还可用于工业环境，将废热转化为绿色电力，这只是其中一种潜在的应用。热电效应基于带电粒子的运动，这些粒子从材料较热的一面迁移到较冷的一面。这就产生了一个电压，即所谓的热电电压，它抵消了电荷载流子的热激发运动。塞贝克系数以德国物理学家托马斯-约翰-塞贝克（ThomasJohannSeebeck）的名字命名，是衡量材料热电性能的重要参数。这里的重要条件是正负电荷之间不平衡，因为它们会相互补偿。MichaelParzer、FabianGarmroudi和AndrejPustogow（左起），背景是显示所有固体元素电子结构的周期表。图片来源：维也纳工业大学该研究的第一作者FabianGarmroudi解释说："虽然塞贝克早在200多年前就发现了普通金属的热电效应，但如今金属几乎不被视为热电材料，因为它们的塞贝克系数通常很低。一方面，铜、银或金等金属具有极高的导电性；另一方面，在大多数情况下，它们的塞贝克系数非常小。"性能卓越的镍金合金现在，维也纳工业大学固体物理研究所的物理学家们成功地找到了具有高导电性和超大塞贝克系数的金属合金。磁性金属镍与贵金属金混合后，其电子特性发生了根本变化。当加入约10%的镍后，金的淡黄色立即消失，热电性能迅速提高。塞贝克效应增强的物理根源在于电子随能量变化的散射行为，这种效应与半导体热电效应有着本质区别。描述所有固体元素电子结构的元素周期表。资料来源：FabianGarmroudi、MichaelParzer、AndrejPustogow由于镍原子的特殊电子特性，正电荷的散射比负电荷更强，从而产生了所需的不平衡，并因此产生了很高的热电电压。"想象一下两位选手之间的赛跑，其中一人在自由跑道上奔跑，而另一人则必须通过重重障碍。当然，在自由跑道上的那个人比对手跑得更快，而对手则不得不放慢速度，更频繁地改变方向。"该研究的资深作者安德烈-普斯托戈夫（AndrejPustogow）这样比较金属热电中的电子流。在本文研究的合金中，正电荷被镍电子强烈分散，而负电荷几乎不受干扰地移动。镍金合金具有极高的导电性，同时又具有很高的塞贝克系数，因此其热电功率因数值创下了历史新高，远远超过了传统半导体的热电功率因数值。FabianGarmroudi解释说："在相同的几何形状和固定的温度梯度下，产生的电能比任何其他已知材料都要高出许多倍。此外，高功率密度可能会在未来大规模应用于日常领域。以目前的性能为例，智能手表已经可以利用佩戴者的体温自动充电。"镍金合金仅仅是个开始"尽管黄金是一种昂贵的元素，但我们的工作代表了一种概念验证。我们能够证明，不仅半导体，金属也能表现出良好的热电特性，从而使其适用于各种应用。"该研究的主要作者之一MichaelParzer解释说："与半导体相比，金属合金具有各种优势，尤其是在热电发电机的制造过程中。"研究人员能够通过实验证明镍金合金是非常好的热电材料并非偶然。MichaelParzer说："甚至在开始实验工作之前，我们就通过理论模型计算出了哪种合金最合适。目前，该研究小组还在研究不需要昂贵的金元素的其他有前途的候选材料。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397533.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397533.htm

日本：新型合金电极可直接电解海水生产氢

日本：新型合金电极可直接电解海水生产氢名古屋大学日前发布新闻公报说，来自该校及筑波大学、高知工科大学等机构的研究人员选用钛、铬、锰、铁、镍等9种贱金属，制成了高熵合金，并将这种合金用作电解海水时的阳极。试验显示，这种合金能维持阳极电解性能超过10年。本次研究成果使得面海的沙漠地带等可再生能源丰富但缺乏淡水的地区也能低成本制备氢气。如果海水电解技术结合海上风力发电，将有望实现氢的本地生产与本地消费。(新华社)

“超原子”材料击败硅 成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料

“超原子”材料击败硅成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料现在，哥伦比亚大学的科学家们发现了一种新型半导体材料，其性能似乎优于其他所有材料。这种材料被称为Re6Se8Cl2，由铼、硒和氯混合组成，这些原子聚集在一起，表现得像一个大原子--一种"超级原子"。这就是它的速度来源。在任何材料中，原子结构都会产生微小的振动，这些振动以量子粒子（称为声子）的形式传播，可以散射电子或激子等载能粒子。这种能量很快就会以热量的形式散失，而管理这种能量是设计电子芯片和系统的一个长期障碍。但Re6Se8Cl2有一个巧妙的特点。它的激子在受到声子撞击时不会散射，而是会与声子结合，从而产生另一种形式的准粒子--声激子-极子。这些激子仍然可以携带能量，但传播速度比普通激子慢得多--与直觉相反，这最终导致了比硅更快的速度。研究小组将其比作龟兔赛跑的老故事。电子在硅中的传播速度非常快，但它们往往会四处弹跳，这并不是最有效的传播路径。另一方面，Re6Se8Cl2中的极子速度较慢，而且不受其他声子的影响，因此它们移动得更远，时间也更稳定。实际上，研究小组发现Re6Se8Cl2中的极子移动速度是硅中电子移动速度的两倍。考虑到它们可以由光而不是电来控制，研究小组估计，使用这种材料制造的理论电子设备最终会比现有设备快六个数量级。这项研究的作者米兰-德洛尔（MilanDelor）说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"遗憾的是，不要指望你的电脑很快就能用上这种材料制造的超快处理器--研究小组表示，这种特殊的混合物不太可能进入市场。对于消费品来说，铼实在是太稀有、太昂贵了。但在证明了这一概念后，研究人员相信，类似的、希望更便宜的材料可能会表现出同样的行为。德洛尔说："我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有我们以前没有考虑过的这种特性。有一大批超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"这项研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393651.htm