吕坚院士：先进材料与增材制造的低碳高效能源如何系统发展

2022-03-21 10:30:28 来源：新材料在线

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简介：“双碳”目标的提出，使得中国的能源行业正在迎来变革。节能减排作为“双碳”目标下的重要手段之一，光伏、风电等新能源市场将借此打开更广阔的空间。而对相关企业而言，如何抓住“双碳”目标所带来的新能源产业机遇，通过不断的创新，打造新的经济增长点和新赛道，俨然成为了一个新的挑战。

“未来，颠覆性创新技术有三大要素，它们是革命性的设计、颠覆性的新材料以及增材制造。”

——法国国家技术科学院院士吕坚

“双碳”目标的提出，使得中国的能源行业正在迎来变革。
节能减排作为“双碳”目标下的重要手段之一，光伏、风电等新能源市场将借此打开更广阔的空间。而对相关企业而言，如何抓住“双碳”目标所带来的新能源产业机遇，通过不断的创新，打造新的经济增长点和新赛道，俨然成为了一个新的挑战。
近日，在由新材料在线®、寻材问料®、有材、新材料企业家成长营共同举办的《百大名师系列在线课程》上，法国国家技术科学院院士吕坚就对这一问题作了《基于先进材料与增材制造的低碳高效能源系统发展的主题报告》，给出了自己的答案。
01 攻克钢材料降低生产能耗
目前，全球约有130个国家计划在21世纪中叶达成“碳中和”目标，其碳排放（第三期有色金属行业碳排放管理员暨碳达峰与碳中和高级培训班）额占全球碳排放额的61%左右。在吕坚看来，随着中国“双碳”目标的提出，如何通过更好的设计、更好的材料进行大幅度的节能减排，已成为业界重点关注的问题。
吕坚分析道，如果能够提高机械系统的性能、效率，大幅度地降低能耗将会成为可能。材料科学则是其中非常重要的一个着力点，目前，结构材料通常被用在各种类型的移动系统中，包括飞机、高铁、机器人以及手机等移动系统，如何优化这些结构材料，大幅度降低能耗，是机械系统节能减排的关键所在。
吕坚介绍了团队的研发成果，据了解，钢材料在不同的工业中应用广泛，团队通过同时提高钢的强度和塑性，使其强度达到世界先进水平，破解了百年来困扰行业的强塑性倒置的难题。
在吕坚看来，如果能够将不同系列的钢大幅度的用于动力系统或是机械系统上，不仅能大幅度降低能耗，同时生产这些材料本身的能耗也能得以大幅降低。
02 增材制造助力结构材料发展
吕坚表示，增材制造技术是未来结构材料（第八届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会暨2022中国结构材料大会）发展的非常重要的助力引擎，增材制造技术的出现为材料及设计带来了无穷的想象力，“这是一个可以大幅度降低材料的使用、提高设计水准、提高生产效率的先进技术。”吕坚说道。
传统的制造业，从材料的制备、零部件加工、器件组成、系统的形成，到最后的废料、回收，整个过程中的材料均离不开钢铁、水泥、陶瓷等基础材料，在生产过程中，每个环节都会产生较多能耗和环境污染。
而增材制造技术的出现，打破了这一尴尬局面，增材制造的原理是将计算机设计出的三维模型分解成一系列平面切片，通过激光电子束、粒子束等能源将材料固化熔融，一层层累加，最终形成三维结构的物体。其哪些地方需要材料，就把材料加在哪里，并且能适应各种个性化定制制造需求，不需要专门的工装卡具模具，就可直接打印出所需结构的材料。这种节约型制造方式，使其在前几个环节就能节省非常多的能源和材料。
当前，增材制造技术已经能够适用各种材料，包括非金属材料、金属材料、陶瓷、塑料、复合材料等，越来越多的材料被研究用于3D打印，满足各种工程的需要。吕坚认为，增材制造技术已经越来越成熟。
“我想越来越多的结构将用增材制造来实现。”吕坚说道。
03 先进材料为新能源系统降本增效
“双碳”目标的提出，无疑也助推了高效节能系统的发展。吕坚介绍了团队在水凝胶系列材料制备（第八届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会暨2022中国结构材料大会），及其在动力电池材料的新进展以及未来低价制氢的研发等成果，他认为，先进材料与增材制造一样，是助推高效能源系统的重要引擎。
在先进材料方面，针对近期火热的动力电池与氢能，吕坚团队的研究有了新的发现。
尽管如今动力电池的价格呈现出较快下降的趋势，但其价格与太阳能、风能相比，仍较为昂贵。而水凝胶在生物传感、能量存储等领域的应用中一直占有突出地位。但目前的研究大多围绕着有机凝胶展开，有机水凝胶制造时普遍需要使用有毒的有机溶剂，且本身存在着热稳定性低、易燃性高、易受光损伤等问题。
在此基础上，吕坚团队研发了新型纯无机、生物相容的矿物水凝胶。这种无机水凝胶不仅可以提供高水平的离子电导率，且具有强大的电荷存储能力，因此可以较容易地组装成一体化电荷存储装置，使得电荷储存器件达到较高的能源效率。此外，其制备过程环保、简单、低成本，这无疑为带动高效、节能、低价的动力电池发展带来了可能。
氢能是新能源未来发展的一个重要方向，根据美国能源部的能源攻关计划显示，其最大的瓶颈在于未来十年内清洁的氢成本要降低80%，低至一美元每公斤。
吕坚介绍道，电解水制氢作为一个主流技术方向，是降低成本的重要手段。该技术关键在于研发出电解水的催化剂。通过组份设计、结构设计，研发出少量、超少量的贵金属催化剂，大幅度提高电解水制氢的效能，提升总体的产氢效率，降低产氢成本。吕坚表示，团队最近研发的合金催化剂，具有良好的活性和稳定性，可以提升产氢效率及降低产氢成本。
“未来，颠覆性创新技术有三大要素，它们是革命性的设计、颠覆性的新材料以及增材制造。”吕坚最后总结道。
主题演讲结束后，针对线上观众提出的热点问题，吕坚院士耐心地进行了答疑解惑：
Q1：打印陶瓷材料，能不能控制想要的晶体结构？
吕坚院士：我们现在可以做晶体和非晶体的混合材料。我不知道你说的晶体结构是哪一种晶体结构，如果只是从晶体和非晶体的角度来讲，是完全可以打印的。
Q2：3D打印可以打印出来非晶体和晶体的双相结构材料吗？
吕坚院士：是可以的，不仅是3D打印可以，4D打印都可以。
Q3：目前影响3D打印规模化应用的主要问题是什么？
吕坚院士：主要还是成本的问题。大家可以看到我刚才展示电池降价的速度，我相信在未来5年到10年，3D打印将规模化或者是3D打印的成本会大幅度下降。现在需要找到一些比较通用的实验材料，实验材料聚焦以后，它的成本会大幅度下降。
Q4：目前汽车行业认为3D打印的材料还过不了实验室测试，如何突破？
吕坚院士：个人认为汽车行业最主要的问题不是能不能打印，而是成本问题。
Q5：3D打印是否可以打印编织的碳纤维？
吕坚院士：现在已经有团队可以打印这些结构。
Q6：4D是指的哪一维？
吕坚院士：随着时间变化，它可以变颜色、变几何形状，还可以改变光度、亮度。四维是加了它一个驱动力以后，它随着时间变化的形状，而这个变化是打印的时候就已经设计好了的。
Q7：陶瓷的相变很多，如果能控制好就能够获得想要的晶体结构与功能？
吕坚院士：我非常同意上面这个观点。
Q8：陶瓷后烧结耗能非常高，是否有低温烧结或者免烧结的陶瓷，同时具有高价值的应用？
吕坚院士：是有的，你们也可以看看我们另外一篇文章，如水凝胶它就可以在常温底下变成一个固体。我们发明了一些新的水凝胶，它可以在低温烧结或者免烧结，直接形成类似生物陶瓷，像贝壳之类的，类似这种陶瓷，它具有高价值的应用。这些陶瓷，可做成高吸能、高吸热的材料，可应用于太阳能储能。
Q9：纳米颗粒喷射技术，打印金属陶瓷材料的应用前景怎么样？
吕坚院士：不知道你指的是哪一个，打印金属陶瓷比如说是用冷喷涂前景其实还是很大的。如果是纳米颗粒的冷喷涂，其纳米结构有可能会保留，因此可以在低温的情况下形成一个复杂的形状，冷喷涂是3D打印里非常好的应用的一个方向。
Q10：3D和4D打印只针对陶瓷材料吗？
吕坚院士：不是，3D打印可以打印各种合金，4D打印也可以打印合金，如果要打印一个陶瓷和合金混合体，就可以通过这个技术来实现。
Q11：增材制造在半导体材料及电子器件上会有应用吗？
吕坚院士：其实电子材料很少有少于5层、10层的，它实际上已经是在做增材制造，只是它的叫法不一样。
Q12：在高分子领域，工业3D打印技术市场是否能跑赢金属3D打印？
吕坚院士：我想很有可能跑赢。比如三维创想，他们每年的增长幅度远高于很多金属3D打印，关键是要能够产生出新的打印技术和新的材料，和找到高附加值应用。
Q13：4D在智能穿戴领域有什么样的应用？
吕坚院士：4D在智能穿戴里头有很多应用，比如说在穿戴系统，再打印一个结构，可以保暖又透风，这种结构其实已经有人在做了，可以根据体温的变化来实现不同的形状变化。比如说形状记忆合金，我们用在心脏手术的通波仔，它可以产生不同的形状变化。
Q14：3D打印目前的瓶颈在哪里？
吕坚院士：3D打印目前的瓶颈就是发展太快。最近这些年超速发展，但在一些技术和理论的跟进不足，希望有更多的人加入3D、4D打印的理论工作，只有这样，才能更好的发展新的3D打印技术和新的材料。
Q15：2微米以下的精密3D打印未来市场前景如何？
吕坚院士：个人认为由于2微米超小的结构附加值比较高，其可以最快或者最多的应用在生物医学领域，比如说药的释放系统。其在生物医学领域会有较高的附加值，所以可能会最早的发展。
Q16：我们与美欧比较，增材制造领域的优劣如何？
吕坚院士：第一，美欧的优势就是工业界真正在用。比如说通用电器，它在飞机零部件上大幅度的推用，据我所知，国内航空航天也在大幅度的推动这些。
国内最大的劣势在于无序发展。在所有发展较快的领域，中国都有这个问题。很多人看利润不错就挤进来，造成市场秩序的破坏。欧美的3D打印发展很多年，企业数量并不多，而中国近几年才发展，但一下就蹦出来无数家公司，这不利于市场的发展。
所以如果能够能将这些体量小和重复性研发的企业整合起来，或者投更大的钱做基础研究，在打印精度、材料的稳定性等这些质量控制领域里进行提升，就能使3D、4D打印更有序的发展。
Q17：3D打印的基础理论发展还有哪些方面可以做？
吕坚院士：个人认为有非常多的东西可以做。比如粉末方面，如何实现在打印的时候不产生气泡；攻关墨水的流变学等等这都是非常高深的理论问题。
另外，应力工程方面，由于多相材料3D打印是同时可以打印不同相目、不同组织结构的材料，那么它必然会产生残余应力，如何有效的将残余应力与外在应力结合到一起，设计零部件或者机械结构，都是非常有意思的科学问题
Q18：增材制造用于钙钛矿的能力如何？
吕坚院士：据我了解，已经有一些研究团队在用增材制造制造钙钛矿，跟微电子比，钙钛矿并非很复杂的结构，所以完全可以用比较精密的3D打印系统来做。