材料科学打开世界的想象之门

作者:钱丽娜 | 发表时间:2017-12-07 16:01:05 0 条评论

2017年10月的澳大利亚,一辆功率只有吸尘器大小、不用一滴油的赛车正在参加“普利司通世界太阳能汽车挑战赛(BWSC)”,这辆名为“亚琛太阳能战车”的新能源汽车以平均60~70公里的巡航速度要在极端天气条件和恶劣路况中完成3000公里的比赛。

战车的发明者是一群来自数学、工程领域的硕士研究生,他们都是这一赛事的粉丝,但是想用有别于其他参赛团队的方式打造和经营自己的战车。

2016年,“阳光动力2号”太阳能飞机在不用一滴油的条件下在全球飞行。为了轻量化,飞机没有减压舱、没有空调,借助科思创硬质聚氨酯泡沫塑料承受住了昼夜80度的温差。“亚琛太阳能战车”的推出,让科思创将“阳光动力号”的技术成果延伸到地面。

“太阳能战车”团队联席主席 Niklas Kaltz说,与普通汽车相比,“太阳能战车”有三个特点。

首先,战车拥有最优的风阻系数。尽管受自然风影响不大,但是车辆对向行驶会产生每秒50米左右的风速,在比赛中曾经发生赛车被风掀翻的情况,因此要计算好各种条件下的风阻。

其次,采用轻量化设计上,钢制管材车身架构上采用了3D打印的碳纤维材料,在线缆和悬挂系统上,团队也采用了轻量化的材料,比普通车轻四分之三。

第三,战车采用太阳能板作为动力源,比赛全程不用充电。但挑战是,如何实现较长的续航时间。为此,团队根据电池组的温度、路况以及相关天气信息在能源管理上采用了更加优化的算法。如果天气信息指出有一块云漂过来,算法必须很快判断云漂过来之前进行高速巡航还是放慢速度。这些综合因素最终决定巡航的速度,可以使得在太阳能输出有限的前提下,战车跑得又稳又好。

“太阳能战车”遇到的另外一个挑战是耐紫外线。由于澳大利亚天气条件严酷,必须确保涂料产品能够在较强的紫外线中保持稳定性和耐用性,同时也要确保涂料应用不至于影响到战车的风阻系数。为此,科思创与PPG一起打造了采用部分生物基的涂料解决方案。“这是一个两全其美的解决方案。传统上,涂料采用的是化石燃料来源的碳,科思创将以此为突破,今后在产业中进一步减少对于化石燃料的依赖性,增加生物基原材料的运用,让碳来源多元化。”科思创澳大利亚董事总经理 Rebecca Lee说。

最终,“亚琛太阳能战车”在全球几百辆参赛车中获得了不错战绩,作为第一次参赛的战车成功冲过终点线,并获得了最佳新秀奖。它作为一款纯竞赛车,虽然离商业化尚远,但却是探索科学前沿的试金石,突破新一代材料应用的极限。

2011年美国启动“先进制造业伙伴关系”计划(Advanced Manufacturing Partnership,AMP),“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative,MGI)是该计划中的重要组成部分,提出通过高通量材料集成计算,整合新材料设计过程中的数据、代码、计算工具等以实现共享,从而加快新材料的研发。

陶氏全球高级副总裁、首席技术官施瑞安博士(A. N. Sreeram)说,“陶氏化学早在七八十年前就在跟世界领先的大学机构合作,开展超级计算的研究。早在12年前,我们便在通过数字化取代人工实验,通过高通量配方筛选技术加快材料创新。”

以往研究人员有了产品想法后测试数据、分析以及建模都是在手工条件下完成。在陶氏专长的PE膜领域,一个膜的开发往往需要三四年。

高通量实验设备上线后,科学家和工程师一起,设计一系列实验来验证理论假设,通常情况下这样的实验设计将包括数百至上千个配方实验。陶氏化学用专门的软件系统将实验设计转化成自动化设备可执行的实验流,进行多通道平行配方的置备。配方机器人可以在数分钟内完成8*12共计96个配方的迅速置备。配方机器人还可以配置含有高黏度材料的复杂体系,进行加热、冷却和混和操作,精确测试各种成份的含量,自动化表征工具为研发工作提供数据支持,甚至机器人还可以自动配置涂料配方。

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