呂堅(jiān)院士：先進(jìn)材料如何助力動(dòng)力電池、氫能系統(tǒng)發(fā)展？

“雙碳”目標(biāo)的提出，使得中國的能源行業(yè)正在迎來變革。

節(jié)能減排作為“雙碳”目標(biāo)下的重要手段之一，光伏、風(fēng)電等新能源市場將借此打開更廣闊的空間。而對相關(guān)企業(yè)而言，如何抓住“雙碳”目標(biāo)所帶來的新能源產(chǎn)業(yè)機(jī)遇，通過不斷的創(chuàng)新，打造新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和新賽道，儼然成為了一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

在由新材料在線《百大名師系列在線課程》上，法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士、香港工程科學(xué)院院士、香港城市大學(xué)機(jī)械工程講座教授呂堅(jiān)就對這一問題作了《基于先進(jìn)材料與增材制造的低碳高效能源系統(tǒng)發(fā)展的主題報(bào)告》，給出了自己的答案。

攻克鋼材料 降低生產(chǎn)能耗

目前，全球約有130個(gè)國家計(jì)劃在21世紀(jì)中葉達(dá)成“碳中和”目標(biāo)，其碳排放額占全球碳排放額的61%左右。在呂堅(jiān)看來，隨著中國“雙碳”目標(biāo)的提出，如何通過更好的設(shè)計(jì)、更好的材料進(jìn)行大幅度的節(jié)能減排，已成為業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。

呂堅(jiān)分析道，如果能夠提高機(jī)械系統(tǒng)的性能、效率，大幅度地降低能耗將會(huì)成為可能。材料科學(xué)則是其中非常重要的一個(gè)著力點(diǎn)，目前，結(jié)構(gòu)材料通常被用在各種類型的移動(dòng)系統(tǒng)中，包括飛機(jī)、高鐵、機(jī)器人以及手機(jī)等移動(dòng)系統(tǒng)，如何優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)材料，大幅度降低能耗，是機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵所在。

呂堅(jiān)介紹了團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果，據(jù)了解，鋼材料在不同的工業(yè)中應(yīng)用廣泛，團(tuán)隊(duì)通過同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和塑性，使其強(qiáng)度達(dá)到世界先進(jìn)水平，破解了百年來困擾行業(yè)的強(qiáng)塑性倒置的難題。

在呂堅(jiān)看來，如果能夠?qū)⒉煌盗械匿摯蠓鹊挠糜趧?dòng)力系統(tǒng)或是機(jī)械系統(tǒng)上，不僅能大幅度降低能耗，同時(shí)生產(chǎn)這些材料本身的能耗也能得以大幅降低。

增材制造 助力結(jié)構(gòu)材料發(fā)展

呂堅(jiān)表示，增材制造技術(shù)是未來結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的非常重要的助力引擎，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為材料及設(shè)計(jì)帶來了無窮的想象力，“這是一個(gè)可以大幅度降低材料的使用、提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)、提高生產(chǎn)效率的先進(jìn)技術(shù)?！眳螆?jiān)說道。

傳統(tǒng)的制造業(yè)，從材料的制備、零部件加工、器件組成、系統(tǒng)的形成，到最后的廢料、回收，整個(gè)過程中的材料均離不開鋼鐵、水泥、陶瓷等基礎(chǔ)材料，在生產(chǎn)過程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生較多能耗和環(huán)境污染。

而增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，打破了這一尷尬局面，增材制造的原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解成一系列平面切片，通過激光電子束、粒子束等能源將材料固化熔融，一層層累加，最終形成三維結(jié)構(gòu)的物體。其哪些地方需要材料，就把材料加在哪里，并且能適應(yīng)各種個(gè)性化定制制造需求，不需要專門的工裝卡具模具，就可直接打印出所需結(jié)構(gòu)的材料。這種節(jié)約型制造方式，使其在前幾個(gè)環(huán)節(jié)就能節(jié)省非常多的能源和材料。

當(dāng)前，增材制造技術(shù)已經(jīng)能夠適用各種材料，包括非金屬材料、金屬材料、陶瓷、塑料、復(fù)合材料等，越來越多的材料被研究用于3D打印，滿足各種工程的需要。呂堅(jiān)認(rèn)為，增材制造技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。

“我想越來越多的結(jié)構(gòu)將用增材制造來實(shí)現(xiàn)?！眳螆?jiān)說道。

先進(jìn)材料 為新能源系統(tǒng)降本增效

“雙碳”目標(biāo)的提出，無疑也助推了高效節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展。呂堅(jiān)介紹了團(tuán)隊(duì)在水凝膠系列材料制備，及其在動(dòng)力電池材料的新進(jìn)展以及未來低價(jià)制氫的研發(fā)等成果，他認(rèn)為，先進(jìn)材料與增材制造一樣，是助推高效能源系統(tǒng)的重要引擎。

在先進(jìn)材料方面，針對近期火熱的動(dòng)力電池與氫能，呂堅(jiān)團(tuán)隊(duì)的研究有了新的發(fā)現(xiàn)。

盡管如今動(dòng)力電池的價(jià)格呈現(xiàn)出較快下降的趨勢，但其價(jià)格與太陽能、風(fēng)能相比，仍較為昂貴。而水凝膠在生物傳感、能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用中一直占有突出地位。但目前的研究大多圍繞著有機(jī)凝膠展開，有機(jī)水凝膠制造時(shí)普遍需要使用有毒的有機(jī)溶劑，且本身存在著熱穩(wěn)定性低、易燃性高、易受光損傷等問題。

在此基礎(chǔ)上，呂堅(jiān)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型純無機(jī)、生物相容的礦物水凝膠。這種無機(jī)水凝膠不僅可以提供高水平的離子電導(dǎo)率，且具有強(qiáng)大的電荷存儲(chǔ)能力，因此可以較容易地組裝成一體化電荷存儲(chǔ)裝置，使得電荷儲(chǔ)存器件達(dá)到較高的能源效率。此外，其制備過程環(huán)保、簡單、低成本，這無疑為帶動(dòng)高效、節(jié)能、低價(jià)的動(dòng)力電池發(fā)展帶來了可能。

氫能是新能源未來發(fā)展的一個(gè)重要方向，根據(jù)美國能源部的能源攻關(guān)計(jì)劃顯示，其最大的瓶頸在于未來十年內(nèi)清潔的氫成本要降低80%，低至一美元每公斤。

呂堅(jiān)介紹道，電解水制氫作為一個(gè)主流技術(shù)方向，是降低成本的重要手段。該技術(shù)關(guān)鍵在于研發(fā)出電解水的催化劑。通過組份設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)出少量、超少量的貴金屬催化劑，大幅度提高電解水制氫的效能，提升總體的產(chǎn)氫效率，降低產(chǎn)氫成本。呂堅(jiān)表示，團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)的合金催化劑，具有良好的活性和穩(wěn)定性，可以提升產(chǎn)氫效率及降低產(chǎn)氫成本。

“未來，顛覆性創(chuàng)新技術(shù)有三大要素，它們是革命性的設(shè)計(jì)、顛覆性的新材料以及增材制造?！眳螆?jiān)最后總結(jié)道。

主題演講結(jié)束后，針對線上觀眾提出的熱點(diǎn)問題，呂堅(jiān)院士耐心地進(jìn)行了答疑解惑：

Q1：打印陶瓷材料，能不能控制想要的晶體結(jié)構(gòu)？

呂堅(jiān)院士：我們現(xiàn)在可以做晶體和非晶體的混合材料。我不知道你說的晶體結(jié)構(gòu)是哪一種晶體結(jié)構(gòu)，如果只是從晶體和非晶體的角度來講，是完全可以打印的。

Q2：3D打印可以打印出來非晶體和晶體的雙相結(jié)構(gòu)材料嗎？

呂堅(jiān)院士：是可以的，不僅是3D打印可以，4D打印都可以。

Q3：目前影響3D打印規(guī)?；瘧?yīng)用的主要問題是什么？

呂堅(jiān)院士：主要還是成本的問題。大家可以看到我剛才展示電池降價(jià)的速度，我相信在未來5年到10年，3D打印將規(guī)?；蛘呤?D打印的成本會(huì)大幅度下降?，F(xiàn)在需要找到一些比較通用的實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)材料聚焦以后，它的成本會(huì)大幅度下降。

Q4：目前汽車行業(yè)認(rèn)為3D打印的材料還過不了實(shí)驗(yàn)室測試，如何突破？

呂堅(jiān)院士：個(gè)人認(rèn)為汽車行業(yè)最主要的問題不是能不能打印，而是成本問題。

Q5：3D打印是否可以打印編織的碳纖維？

呂堅(jiān)院士：現(xiàn)在已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)可以打印這些結(jié)構(gòu)。

Q6：4D是指的哪一維？

呂堅(jiān)院士：隨著時(shí)間變化，它可以變顏色、變幾何形狀，還可以改變光度、亮度。四維是加了它一個(gè)驅(qū)動(dòng)力以后，它隨著時(shí)間變化的形狀，而這個(gè)變化是打印的時(shí)候就已經(jīng)設(shè)計(jì)好了的。

Q7：陶瓷的相變很多，如果能控制好就能夠獲得想要的晶體結(jié)構(gòu)與功能？

呂堅(jiān)院士：我非常同意上面這個(gè)觀點(diǎn)。

Q8：陶瓷后燒結(jié)耗能非常高，是否有低溫?zé)Y(jié)或者免燒結(jié)的陶瓷，同時(shí)具有高價(jià)值的應(yīng)用？

呂堅(jiān)院士：是有的，你們也可以看看我們另外一篇文章，如水凝膠它就可以在常溫底下變成一個(gè)固體。我們發(fā)明了一些新的水凝膠，它可以在低溫?zé)Y(jié)或者免燒結(jié)，直接形成類似生物陶瓷，像貝殼之類的，類似這種陶瓷，它具有高價(jià)值的應(yīng)用。這些陶瓷，可做成高吸能、高吸熱的材料，可應(yīng)用于太陽能儲(chǔ)能。

Q9：納米顆粒噴射技術(shù)，打印金屬陶瓷材料的應(yīng)用前景怎么樣？

呂堅(jiān)院士你：不知道你指的是哪一個(gè)，打印金屬陶瓷比如說是用冷噴涂前景其實(shí)還是很大的。如果是納米顆粒的冷噴涂，其納米結(jié)構(gòu)有可能會(huì)保留，因此可以在低溫的情況下形成一個(gè)復(fù)雜的形狀，冷噴涂是3D打印里非常好的應(yīng)用的一個(gè)方向。

Q10：3D和4D打印只針對陶瓷材料嗎？

呂堅(jiān)院士：不是，3D打印可以打印各種合金，4D打印也可以打印合金，如果要打印一個(gè)陶瓷和合金混合體，就可以通過這個(gè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

Q11：增材制造在半導(dǎo)體材料及電子器件上會(huì)有應(yīng)用嗎？

呂堅(jiān)院士：其實(shí)電子材料很少有少于5層、10層的，它實(shí)際上已經(jīng)是在做增材制造，只是它的叫法不一樣。

Q12：在高分子領(lǐng)域，工業(yè)3D打印技術(shù)市場是否能跑贏金屬3D打??？

呂堅(jiān)院士：我想很有可能跑贏。比如三維創(chuàng)想，他們每年的增長幅度遠(yuǎn)高于很多金屬3D打印，關(guān)鍵是要能夠產(chǎn)生出新的打印技術(shù)和新的材料，和找到高附加值應(yīng)用。

Q13：4D在智能穿戴領(lǐng)域有什么樣的應(yīng)用？

呂堅(jiān)院士：4D在智能穿戴里頭有很多應(yīng)用，比如說在穿戴系統(tǒng)，再打印一個(gè)結(jié)構(gòu)，可以保暖又透風(fēng)，這種結(jié)構(gòu)其實(shí)已經(jīng)有人在做了，可以根據(jù)體溫的變化來實(shí)現(xiàn)不同的形狀變化。比如說形狀記憶合金，我們用在心臟手術(shù)的通波仔，它可以產(chǎn)生不同的形狀變化。

Q14：3D打印目前的瓶頸在哪里？

呂堅(jiān)院士：3D打印目前的瓶頸就是發(fā)展太快。最近這些年超速發(fā)展，但在一些技術(shù)和理論的跟進(jìn)不足，希望有更多的人加入3D、4D打印的理論工作，只有這樣，才能更好的發(fā)展新的3D打印技術(shù)和新的材料。

Q15：2微米以下的精密3D打印未來市場前景如何？

呂堅(jiān)院士：個(gè)人認(rèn)為由于2微米超小的結(jié)構(gòu)附加值比較高，其可以最快或者最多的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如說藥的釋放系統(tǒng)。其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)有較高的附加值，所以可能會(huì)最早的發(fā)展。

Q16：我們與美歐比較，增材制造領(lǐng)域的優(yōu)劣如何？

呂堅(jiān)院士：第一，美歐的優(yōu)勢就是工業(yè)界真正在用。比如說通用電器，它在飛機(jī)零部件上大幅度的推用，據(jù)我所知，國內(nèi)航空航天也在大幅度的推動(dòng)這些。

國內(nèi)最大的劣勢在于無序發(fā)展。在所有發(fā)展較快的領(lǐng)域，中國都有這個(gè)問題。很多人看利潤不錯(cuò)就擠進(jìn)來，造成市場秩序的破壞。歐美的3D打印發(fā)展很多年，企業(yè)數(shù)量并不多，而中國近幾年才發(fā)展，但一下就蹦出來無數(shù)家公司，這不利于市場的發(fā)展。

所以如果能夠能將這些體量小和重復(fù)性研發(fā)的企業(yè)整合起來，或者投更大的錢做基礎(chǔ)研究，在打印精度、材料的穩(wěn)定性等這些質(zhì)量控制領(lǐng)域里進(jìn)行提升，就能使3D、4D打印更有序的發(fā)展。

Q17：3D打印的基礎(chǔ)理論發(fā)展還有哪些方面可以做？

呂堅(jiān)院士：個(gè)人認(rèn)為有非常多的東西可以做。比如粉末方面，如何實(shí)現(xiàn)在打印的時(shí)候不產(chǎn)生氣泡；攻關(guān)墨水的流變學(xué)等等這都是非常高深的理論問題。

另外，應(yīng)力工程方面，由于多相材料3D打印是同時(shí)可以打印不同相目、不同組織結(jié)構(gòu)的材料，那么它必然會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，如何有效的將殘余應(yīng)力與外在應(yīng)力結(jié)合到一起，設(shè)計(jì)零部件或者機(jī)械結(jié)構(gòu)，都是非常有意思的科學(xué)問題

Q18：增材制造用于鈣鈦礦的能力如何？

呂堅(jiān)院士：據(jù)我了解，已經(jīng)有一些研究團(tuán)隊(duì)在用增材制造制造鈣鈦礦，跟微電子比，鈣鈦礦并非很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以完全可以用比較精密的3D打印系統(tǒng)來做。