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学术ℱ拉伸强度超过80GPa!清华大学在《自然·纳米技术》报道超强碳纳米管纤维领域重大突破

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近日,清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学航天航空学院李喜德教授团队合作,在超强碳纳米管纤维领域取得重大突破,在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束,其拉伸强度超越了目前发现的所有其它纤维材料。相关成果以《拉伸强度超过80GPa的碳纳米管管束》(Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa)为题,于5月14日在线发表于纳米领域国际顶级学术期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。 


超长碳纳米管管束的结构制备及力学性能


a. 碳纳米管管束示意图;b. 所用到的超长碳纳米管的结构;c. 利用气流聚焦法制备超长碳纳米管管束的示意图;d. 超长碳纳米管在聚焦气流下发生合并的模拟图;e-i. 所制备的具有确定组成的超长碳纳米管管束;j-k. 所制备的碳纳米管管束的力学性质;l. 超长碳纳米管管束与其他材料拉伸强度对比图


对材料极致性能的追求一直是人类社会发展的重要推动力之一。材料的力学强度是材料众多性能中被人类极为看重的一种性能。美国航空航天局(NASA)在2005年设置了一个“超强纤维挑战竞赛”(Strong Tether Challenge)并将其作为世纪挑战,希望找到一种比强度(即单位质量强度)高达7.5GPa/(g/cm3)的宏观超强纤维材料。遗憾的是,直到2011年这个竞赛取消这个目标都没能实现。目前已知宏观材料的比强度都远远低于7.5GPa/(g/cm3),比如钢丝绳为0.05~0.33GPa/(g/cm3),碳纤维为0.5~3.5GPa/(g/cm3),高分子纤维为0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外,超强纤维在其他领域也有着极为广阔的应用前景,例如高性能运动器材、防弹衣、大飞机、大型运载火箭、超级建筑等。


碳纳米管被认为是目前发现的最强的几种材料之一,其杨氏模量高达1TPa以上,拉伸强度高达100GPa以上(比强度高达62.5GPa/(g/cm3)),超过T1000碳纤维强度10倍以上。理论计算研究表明,碳纳米管是目前唯一可能帮助我们实现太空电梯梦想的材料。然而,当单根力学性能优异的碳纳米管制备成宏观材料时,其性能往往远低于理论值。例如,已报道的碳纳米管纤维的强度只有0.5~11.5 GPa(比强度0.3~7 GPa/(g/cm3) ),远低于碳纳米管理论强度(>100GPa)。主要原因是形成纤维的碳纳米管均长度较短,单元体之间以范德华力相互搭接,在拉力作用下极易发生相互滑移,无法充分利用碳纳米管的本征高强度。此外,碳纳米管内的结构缺陷和杂乱取向等都会导致纤维强度下降。


相比之下,超长碳纳米管具有厘米甚至分米长度并且具有完美结构,具有一致取向和接近理论极限的力学性能,在制备超强纤维方面具有巨大的优势。研究团队通过采用原位气流聚焦方法,可控地制备了具有确定组成、结构完美且平行排列的厘米级连续超长碳纳米管管束,巧妙避免了上述限制因素。通过制备含有不同数量单元的超长碳纳米管管束,定量分析其组成和结构对超长碳纳米管管束力学性能的影响,建立了确定的物理/数学模型。研究发现,管束中碳纳米管的初始应力分布不均匀,从而使得管束中的碳纳米管无法同步均匀受力,进而导致了整体强度的下降,亦即“丹尼尔效应”。据此,本研究团队提出了一种“同步张弛”的策略,通过纳米操纵来释放管束中碳纳米管的初始应力,使其处于一个较窄的分布范围,从而将碳纳米管管束拉伸强度提高到80GPa以上,接近单根碳纳米管的拉伸强度。数学模型计算结果表明,对于含有无限数量的此类超长碳纳米管形成的管束而言,在保证其长度连续、结构完美、取向一致以及初始应力分布均匀的前提下,其拉伸强度仍可逼近单根强度。 


课题主要完成人合影。左起:叶璇、白云祥、魏飞、李喜德、张如范


这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强纤维的光明前景,同时为发展新型超强纤维指明了方向和方法。审稿人评价说:“论文作者取得了一个具有里程碑意义的突破性进展,在世界上首次报道了接近单根碳纳米管强度的碳纳米管管束。这项工作具有极其深远的影响力,它无疑会引起世界范围内的广泛关注”。该研究工作得到国家自然科学基金委员会和国家重大研究发展计划资助。


论文共同第一作者为清华大学化工系2016级博士生白云祥、化工系青年教师张如范和航天航空学院力学系2017届博士毕业生叶璇。论文共同通讯作者为清华大学化工系魏飞教授、张如范博士和航天航空学院李喜德教授。


过去十年间,魏飞团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究,并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,并具有完美结构和优异性能,创造了世界纪录。此外,团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象,并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然·通讯》(Nature Communications)《化学会评论》(Chemical Society Reviews)《化学研究评述》(Accounts of Chemical Research)《先进功能材料》(Advanced Materials)《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)《纳米快报》(Nano Letters)等国际期刊上,引起了学术界的广泛关注,为开展超长碳纳米管制备超强纤维打下了基础。航天航空学院李喜德教授团队一直在微纳米力学领域进行研究,在微尺度材料力学性能测量和表征方面开展了大量的研究工作,相关研究成果分别发表在《自然·通讯》(Nature Communication)、《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《科学报告》(Scientific Reports)、《纳米技术》(Nanotechnology)、《应用物理学快报》(Applied physics Letters)等国际期刊。


Nature Nanotechnology为自然出版集团旗下的月刊,2017年的影响因子为38.99,在纳米科学与纳米技术类期刊排名第一。


来源:材料人

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来源:碳纤维生产技术
化学光学航空航天建筑理论材料控制
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首次发布时间:2024-09-02
最近编辑:2月前
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报告ℱ国务院发展研究中心:构建“中国制造2025”产业政策体系的顶层思考

本文摘要:(由ai生成)本文探讨了中国制造业转型升级的产业政策体系,强调需处理好多个关系,如选择性与功能性产业政策、新兴产业与传统产业升级、产业链各环节均衡发展等。提出构建科学有效的产业政策体系,需遵循市场主导、政府引导等原则,并围绕“中国制造2025”战略,形成宏观政策、中观政策、微观政策相结合的总体框架,以推动制造业向高质量、高效益方向发展。文|国务院发展研究中心产业经济研究部“中国制造2025政策体系研究”课题组我国制造业正面临转型升级的历史任务。近两年,国家围绕“中国制造2025”战略,先后启动了三批智能制造试点示范项目,发布了《智能制造发展规划(2016—2020年)》和《中国制造2025》(“1+X”)规划体系,加快了“制造业创新中心建设”、智能制造、工业强基、绿色制造、高端装备创新等五大工程,为制造业整体转型升级奠定了坚实基础。但要让上述规划体系和战略任务落到实处,收到长效,产业政策体系是至关重要的。而后者首先需要在顶层设计上下功夫,使之既有助于化解短期内我国制造业面临的突出矛盾,又能更好地服务于实现制造业强国的长远目标。一、必须处理好的几大关系要顺利实施制造业强国战略,推进“中国制造2025”战略目标的实现,加快制造业整体的转型升级,产业政策体系必须要兼顾和处理好以下几个重要关系:一是兼顾处理好纵向的选择性产业政策和横向的功能性产业政策之间的关系。对于政策主体而言,既要针对特定产品或服务、特定行业或领域、特定技术路线、特定地区、特定产业链、特定机构和特定企业来制定实施纵向的选择性产业政策,更要针对创新激励、人才培育、知识产权、信息基础设施、公平竞争、完善投资环境、信息与数据安全、协同网络与联盟等而制定实施横向的功能性产业政策。二是兼顾处理好培育新兴产业发展政策和支持传统产业优化升级政策之间的关系。不能简单地将制造业的转型升级或“中国制造2025”战略的立足点仅仅局限于培育一批新兴产业和新生力量,还必须高度重视传统产业的优化升级。从国内外经验来看,传统产业优化升级是一个新陈代谢的过程,本身就会催化和孵化出一大批新技术、新业态和新商业模式。例如,青岛红领制衣基于工业4.0理念打造的“大规模个性化定制”就使得传统服装产业焕发了新的生机。三是兼顾处理好侧重生产性制造的产业政策和均衡发展产业链各环节的产业政策之间的关系。在制造业和服务业日益深度融合的今天,产业政策决不能仅仅瞄准于加工制造环节,或者说既要瞄准流程型制造业和装配型制造业的生产制造环节,又要将政策触角延伸覆盖到制造业全部产业链的所有环节,包括研发设计、资源管理、金融服务、物流配送、需求响应等生产性 服务领域,推进服务型制造的发展。四是处理好经济政策杠杆和非经济政策杠杆之间的关系。一方面,政府要运用好财政、税收、科技、金融、土地、贸易、公共采购等传统经济政策工具,另一方面更要注重发挥法律法规、技术标准、行政指导、信息服务、创新文化、教育培训、业绩考核等非经济性政策杠杆的作用。特别是要避免将中国制造2025政策体系异化成为投资、分补贴、分项目的“分蛋糕”游戏。五是兼顾处理好中央产业政策和地方产业政策之间的关系。“中国制造2025”既是点线面的结合,同时也是自上而下和自下而上的结合。就中央与地方关系来看,既要制定和落实好中央政府相关部委出台的各项产业政策,保证中央政府产业政策政令畅通,同时还要在一定程度上为地方产业政策留有足够的空间,以鼓励地方政府因地制宜地实施各具特色的地区产业政策。六是兼顾处理好产业政策的制定实施与产业政策动态优化调整之间的关系。由于新一轮技术革命和产业革命的不确定性增多,因此中国制造2025框架下的产业政策相对于实施多年的汽车、钢铁、电子、装备制造业等行业的产业政策而言,将是一个不断试错和逐渐调整完善的过程,因此,政策主体不能仅重视前端的政策制定和实施,还应重视后端的政策效果评估和调整机制。七是兼顾处理好中国制造2025政策体系与其他产业政策之间的关系。中国制造2025政策体系不是重新打鼓另开张式的推倒重来,更不是让原有政策长期化、固化和僵化。而是在保持现有专项产业政策合理性要素的基础上(如推动战略性新兴产业、服务型制造、自主创新示范园区、鼓励“双创”、工业“四基”工程、中小企业发展等),根据制造业发展的新形势和新任务,进一步聚焦政策资源,优化完善政策内容,统一政策平台,提高施策精准度,形成政策平台的整体升级。二、总体思路和基本原则就现阶段而言,要形成构筑一个科学有效的、能够有力推进“中国制造2025”战略和制造业转型升级的产业政策体系,首先需要理清政策思路,推动产业政策体系的转变。(一)构建产业政策体系的基本要素一是政策体系的依据和归宿。要体现五大发展理念,发挥市场在优化配置资源上的决定性作用,利用政府在规划引领、信息平台、数据基础设施、市场监管、基础性研发、技术标准、行政指导等方面的独特作用,推动制造业的转型升级,实现中国制造2025战略和规划目标,为到2050年将中国建成世界一流制造业强国远期目标奠定政策基础。二是政策体系的驱动力。主要来自两个方面,一方面是把握和适应全球制造业的发展趋势,抢占国家未来竞争制高点,另一方面又能够有效地化解中国制造业面临的质量和效益不佳的主要矛盾,例如社会资金脱实向虚、成本上升压力、资源环境约束、低端产能过剩、技术外部依赖、价值链低端固化等困境,以推动经济发展动能的转换。三是政策体系架构。包括政策主体是中央政府还是地方政府,是工业信息化主管部门还是其他综合职能部门;政策工具本身的经济属性是经济性政策还是非经济性政策杠杆,是针对特定企业、特定产品和特定技术的纵向的、选择性的产业政策,还是企业中性、产品和技术中性的、横向的、功能性产业政策,是侧重生产加工环节的离散“点政策”还是面向全寿命周期的产业链各环节的集成化、平台化的“面政策”;政策载体是行业龙头企业还是中小企业,是新兴产业还是传统产业;政策视角是针对整个制造业的宏观政策,还是面向特定行业的中观政策,抑或是针对企业和创新实体的微观政策;政策重心是侧重技术创新还是结合了商业模式创新、管理创新、集群创新、人才机制创新、政产学研用社结合创新等综合政策体系;政策指向是单向的政策制定与实施机制,还是双向的政策绩效评估反馈与动态调整机制。(二)总体思路综合考虑上述基本要素,我们可以将“中国制造2025”政策体系的总体思路概括如下:牢固树立并贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念,顺应全球制造业数字化、互联化、智能化、协同化、平台化、服务化和绿色化趋势,针对中国制造业存在的供给侧结构性矛盾,特别是质量效益不高、成本上升、资金外流、资源环境约束、产能结构性过剩、核心技术缺失、价值链低端固化等痼疾,围绕推动制造业转型升级这个核心任务,充分发挥我国推进工业化和现代信息技术深度融合上的市场优势、资源优势、产业优势、后发优势和政策优势,以中国制造2025战略及规划体系为指导,以市场需求为导向,以产业创新联盟或产学研用综合体为主要载体,梳理和统一各类政策平台,消除地区间、行业间和企业间的政策壁垒,综合运用财政、税收、金融等经济性政策杠杆和法规、标准、科技、教育、人才、考核等非经济性政策杠杆,推动中国制造2025政策体系实现一系列重大转变,力争用三年时间(到2020年),基本形成体系完善、功能协调、措施有力、动态调整和成效显著的中国制造2025政策体系。一是由针对特定企业、产品和技术的纵向选择性产业政策向重点扶持中小企业、产品和技术中性的横向功能性产业政策转变。二是由以面向物质产品生产环节的离散式“点政策”为主的体系,向以面向全寿命周期的、产业链各环节的集成化平台化为主的“面政策”转变。三是由以面向企业研发活动为主的技术创新政策,向以产学研用结合、商业模式创新、管理创新、集群创新、人才机制创新等深度融合的多元创新政策体系转变。四是由以侧重培育和扶持新兴产业发展壮大的“做大增量式”政策,向兼顾传统产业转型升级的“做优做强存量式”政策转变。五是由以政策制定实施为主要内容的单向开环式政策体系,向制定、实施、评估和反馈调整相统一的双向闭环式政策体系转变。(三)基本原则1.市场主导,政府引导。摆正政府与市场的关系永远是中国产业政策的主旋律。中国制造2025政策体系应当充分发挥市场配置资源的决定性作用,政府通过体制机制创新放活市场、放活主体,通过环境营造、制度设计、平台搭建等方式,培育创新内生动力。这其实也是德国工业4.0战略和美国制造业复兴计划的共同特征。2.以点带面,点面结合。中国制造2025政策体系的完善过程本身应该是一个以点带面、点面结合的政策集聚过程,即从离散化的以特定企业、特定产品和特定技术等为主要载体的“点政策”体系(已公布两批试点示范企业),走向以集成化和平台化的创新平台联盟或产业综合体为主要载体的“面政策”体系。当“点政策”转向“面政策”时,也表明政策体系走向相对成熟和稳定。3.做大增量,做优存量。中国制造2025政策区别于战略性新兴产业政策之处在于它旨在实现“双轮驱动”效应,即一方面要针对新技术、新产业、新业态和新模式而制定实施“做大增量”政策,另一方面也要兼顾针对传统产业的升级改造而制定实施“优化存量”政策,二者缺一不可。4.协调互补,激励相融。加强中央与地方政策之间、不同职能部门配套政策之间的协同性,统筹各类政策,消除政策壁垒,实现政策功能互补,确保已出台政策具体化、可操作、能落地,切实解决政策落实“最后一公里”问题。5.补足短板,留足空间。一方面政府要补足在中小企业发展、信息基础设施、通用技术标准、公共研发平台、新技术产业化等领域的政策短板;另一方面,政府要为新产业、新产品、新业态和新标准留足发展空间,特别是不能以现有大企业的主流技术路线和产品标准来封锁新技术和新标准的发展和应用。6.鼓励试错,营造生态。政策完善过程本身就是一个试错过程,要允许各地在确保不与中央政策相抵触的前提下,因地制宜地进行试错。特别是要营造宽松的政策生态,允许那些眼下综合实力有限的中小企业利用政策资源进行看起来技术路线尚不清晰但未来成长空间巨大的“黑天鹅式”技术创新活动。三、产业政策体系的总体框架下图大致勾勒出现阶段我国制造业转型升级的产业政策体系的基本架构。从这个政策体系架构中,我们不难看出,推进制造业转型升级可以从两条路径来展开,一条是围绕“中国制造2025”战略以及由此形成的“1+X”规划体系,另一条是供给侧结构性改革和发展服务型制造。无论是哪一条路径,都必须明确产业政策的驱动力(实现制造业转型升级目标和解决制造业主要矛盾)、目标(制造强国战略目标)和依据(“1+X”规划体系)、政策工具(其中,经济性政策杠杆包括财政、税收、金融等政策工具,非经济性政策包括法规、技术标准、行政指导、业绩考核、文化教育、职业培训等政策工具)、政策主要载体(产业联盟或创新平台)、政策两大路径(做大增量和做优存量)和不同层级产业政策的协调性(宏观政策、中观政策和微观政策)等问题。我国制造业转型升级产业政策总体框架其中,宏观政策主要针对整个制造业而言,要加快推进制造业强基工程、创新中心体系建设等五大工程;加快建立面向全行业的共性技术研发平台、工业数据库、工业标准体系和工业云服务;营造良好的产业生态;强化质量、安全和竞争性监管;推进重点领域的试点示范工程等等。中观政策主要针对特定行业或领域,包括加快发展区域性创新集群,形成若干在全球具有影响力的区域性或行业性创新联盟或产业联盟;在联盟内部建立公平接入、开放共享的大数据平台、云服务、标准化、产学研用结合、工业操作系统与应用软件;推进区域性监管平台建设。微观政策主要针对企业、创新平台或产业联盟。包括形成政策合力,鼓励与扶持新产品、新技术、新业态、新服务的创新发展;推进基于网络物理系统的快速需求响应和制造执行系统(MES);鼓励传统制造企业的精益化管理和智能化网络化改造,加快工业机器人应用,鼓励隐形冠军和独角兽企业,激发企业家精神。 国务院发展研究中心产业经济研究部“中国制造2025政策体系研究”课题组课题负责人:赵昌文课题协调人:魏际刚课题组成员:石耀东 王晓明 宋紫峰 魏际刚 许召元执笔:石耀东特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。来源:碳纤维生产技术

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