柔韧性测定仪

仪器信息网讯 “韧性城市”写入“十四五”规划和2035年远景目标纲要，这是我国五年规划中首次提及“韧性城市”这一概念。北京市提出到2025年建成50个韧性社区、韧性街区或韧性项目，形成可推广、可复制的韧性城市建设经验；全国两会上，人大代表围绕加强韧性城市建设、提高城市防内涝综合能力提交建议……近年来，建设韧性城市受到越来越多关注，提高城市韧性、增强抗风险能力，正成为现代城市建设管理的重大课题。如何通过科学仪器技术赋能，筑牢城市生命线？由仪器信息网（www.instrument.com.cn）主办，中国仪器仪表学会分析仪器分会、南京市产品质量监督检验院、我要测网(woyaoce.cn)、北京怀柔仪器和传感器有限公司等单位协办，中国仪器仪表行业协会、中国仪器仪表学会等单位支持的“韧性城市发展论坛”于5月19日在怀柔召开。作为第十六届中国科学仪器发展年会（ACCSI2023）同期活动，北京市、怀柔区及怀柔科学城管委会相关领导、相关委办局分管领导、怀柔区韧性城市建设相关参与单位代表、ACCSI2023参展科学仪器行业相关厂商等汇聚一堂，通过报告演讲、圆桌讨论、现场互动等形式，围绕“韧性城市”建设过程中，科学仪器行业能够发挥的作用，以及韧性城市建设赋能产业发展等议题进行探讨，共同为科技赋能城市更新，构建强韧性城市保障体系献计献策。论坛现场北京市怀柔区应急管理局副局长李长富主持论坛北京市怀柔区经济和信息化局局长杨惠芬论坛伊始，北京市怀柔区经济和信息化局局长杨惠芬开场致辞，并向与会领导和嘉宾表示诚挚欢迎。她表示，韧性城市建设已成为发展传感器产业的重要抓手。未来，怀柔区将坚持生态文明理念，坚持全面创新改革，深度推动科技与经济、科技与城市有机融合，加快传感器产业迭代升级，打造未来城市发展新典范。希望与会嘉宾今后可以更多参与到怀柔区建设中，成为推动怀柔韧性城市示范区和传感器产业全面高质量发展的重要力量。北京市应急管理局党委委员、副局长、一级巡视员刘斌北京市应急管理局党委委员、副局长、一级巡视员刘斌发表致辞称，北京市已完成韧性城市顶层设计，并将怀柔区作为全市唯一区级试点，希望怀柔区在建设韧性城市过程中持续发力、不断创新，形成更加高效和顺畅的协调发展机制，力争早日建成“怀柔模式”样本，将怀柔经验推广到全市，为建设更高水平的平安北京，保障人民生命财产安全提供坚实保障。清华大学公共安全研究院首席科学家苏国锋在韧性城市发展报告环节，清华大学公共安全研究院首席科学家苏国锋就《城市生命线安全监测预警》这一话题作主题报告。他向与会嘉宾阐述道，清华大学公共安全研究院团队在国家部委和地方省市的鼎力支持下，充分发挥产学研体系化优势，将城市生命线、安全韧性城市等城市安全理论研究、工程示范应用、仪器装备和传感器研发作为重点工作任务，突破城市安全和传感器技术领域“卡脖子”技术，创新研发并在多个城市落地实施城市生命线安全监测和韧性城市建设工程体系，提供系统性、可复制、可推广的解决方案。今后研究院将进一步加大技术和模式创新，为新时代城市安全建设提供坚实科研和技术保障。辰安科技高级副总裁吴鹏辰安科技高级副总裁吴鹏以《用科技赋能城市更新，构建强韧性的城市安全保障体系》为题发表演讲。他表示，辰安科技不断探索韧性城市发展模式，致力打造可复制、可推广的标杆案例，正面向全国推广应用。团队去年在怀柔区应急、区城管、区消防救援支队以及区经信局的大力支持下已经完成怀柔区韧性城市一期建设，重点建设燃气安全专项、消防安全专项两大应用场景和韧性城市技术迭代平台和综合运行监测中心，组建了一支专业的运营服务队伍。今后辰安科技将加强与产业上下游企业的合作互动，加强技术迭代平台赋能，充分依托怀柔韧性城市应用场景示范基地，全面推进韧性城市场景建设。清华大学公共安全研究院副研究员孙占辉清华大学公共安全研究院副研究员孙占辉从创新技术的角度阐述了韧性城市基层治理在怀柔区的实践案例。他先是分享了怀柔韧性城市一期建设成果，之后从理念、制度、技术迭代、服务、成效和未来拓展方向多个维度详细介绍了怀柔基层治理模式创新经验。他表示，以韧性城市建设为基础、以城市运行监测为抓手、以基层服务为支撑，建设具有怀柔特色的综合性、全方位、系统性、现代化的城市安全保障体系，通过韧性城市建设带动相关高端仪器和传感器产业聚集发展，不断增强人民群众的获得感、幸福感、安全感。在嘉宾演讲环节，以《城市燃气事故零死亡目标及实现路径》为题，中国城市燃气协会副秘书长马长城带来行业知识分享；北京市科学技术研究院科研处处长朱伟研究员发表题为《数字化技术推进韧性城市建设路径研究与应用》的主题报告；西人马联合测控科技有限公司董事长聂泳忠从企业角度分享了智能传感器与数据采集器赋能新测控技术的创新成果与应用实践。在最后的圆桌论坛环节，行业专家和企业代表围绕“韧性城市建设赋能产业发展”主题，从韧性城市前沿理论、工程实践以及未来产业发展方向等方面分享前沿观点、碰撞思维火花。清华大学公共安全研究院研究员陈涛、北京埃德尔博珂工程技术有限公司 CEO毋焱、华为OpenHarmony 使能部副部长陈鹏、埃睿迪信息技术（北京）有限公司总裁王燕为发言嘉宾，辰安城市智能副总经理曹诗嘉主持。清华大学公共安全研究院研究员陈涛教授指出，韧性城市概念大、涉及范围广，将会对传感器应用及其他产业带来具有更大想象力的拉动空间与带动作用。同时，韧性城市作为巨大的科技试验场，对传感器的技术产品亦提出了高标准、严要求，从根本上促进了传感器产业的技术迭代创新。从大的层面来看，韧性城市是一个全面数字化的过程，未来将会大幅提升城市安全保障能力和人民幸福指数，继而对数字中国建设形成有效助力。论坛现场，辰安科技下属子公司辰安城市智能与北京市长城伟业投资开发有限公司 、芯怀视界（北京）科技有限公司、北京新敏兴业环境科技有限公司、北京慧达智造科技发展有限责任公司、北京市万智生科技有限公司分别签订战略合作协议，旨在共同推动韧性城市和传感器产业的高质量发展与融合共建，进一步打造开放包容的城市安全建设生态体系。韧性城市示范项目旨在通过深入构建全方位、多尺度、立体化的韧性城市，丰富仪器设备和传感器产业在监测预警、防灾减灾、应急救援、城市管理、生态环境等诸多环节领域的应用场景和内涵。怀柔区坚持场景驱动，紧扣市场需求，立足北京、面向全国，聚焦怀柔韧性城市应用场景建设，搭建底层共性技术迭代平台，创建技术与市场相结合的商业模型，建立产业物联网与消费互联网的交汇，形成以场景促产业发展的新模式，带动以龙头企业为牵引的上下游产业集聚发展，助力怀柔高端仪器和传感器产业集聚区建设。

早在上世纪五十年代，美国贝尔实验室的研究者就发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星，当时的光电转换效率仅有5%左右。近几年，研究人员通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，将单晶硅太阳电池的光电转换效率提高到26.8%，接近理论极限29.4%，制造成本和综合发电成本大幅度下降，在我国大部分地区达到平价上网。同时，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率也上升到95%以上。除了常规太阳电池在地面光伏电站和分布式光伏的大规模应用以外，柔性太阳电池在可穿戴电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域也具有巨大的发展空间，然而目前尚未开发出商用的高效、轻质、大面积、低成本柔性太阳电池满足该领域的应用需求。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性，结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，发现单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度。相关成果于5月24日在《自然》（Nature）杂志发表，并被选为当期的封面文章。论文通讯作者、上海微系统所研究员狄增峰介绍道:“对于具有表面尖锐‘V’字型沟槽的太阳电池硅片断裂行为的认识，启发了研究团队针对硅片边缘区域进行形貌改变，将尖锐‘V’字型沟槽处理成圆滑‘U’字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为，提升了硅片的柔韧性，最终实现了高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池。”论文通讯作者、上海微系统所研究员刘正新介绍道:“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”该工作通过简单工艺处理实现了柔性单晶硅太阳电池制造，并在量产线验证了批量生产的可行性，为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。研究团队开发的大面积柔性光伏组件已经成功应用于临近空间飞行器、建筑光伏一体化和车载光伏等领域。该工作的第一完成单位为中国科学院上海微系统所，第一作者为上海微系统所副研究员刘文柱、长沙理工大学副教授刘玉敬、沙特阿美石油公司博士杨自强和南京师范大学教授徐常清。理论计算与北京航空航天大学副教授丁彬和南京师范大学教授徐常清合作完成。残余应力分析与长沙理工大学教授刘小春和副教授刘玉敬合作完成。高速相机拍摄硅片瞬间断裂过程由阿美石油公司博士杨自强完成。

【研究背景】随着科技的发展，诸如变形飞机和超强人工肌肉等未来技术的需求不断增长。这些技术要求金属合金不仅要具备超高的强度，还需具有如聚合物般的柔韧性。这种“强且柔”的特性组合能够实现低驱动成本的大范围形状变化，并且在大负荷下提供强大的抗断裂或屈服失效的能力，因此被广泛关注。然而，实现这种特性的合金一直面临挑战，因为强度与柔韧性之间存在不可避免的权衡。“强且柔”合金的关键在于其强度和弹性模量的结合。传统材料中，钢铁可以提供很高的强度（屈服强度σy 1 GPa），但同时其杨氏模量较高（E ≈ 200 GPa），表现出较强的刚性。相反，有机材料如纤维增强聚合物（FRP）则显示出较低的杨氏模量（E ≈ 10 GPa），具有较好的柔韧性，但其强度较低（σy 【表征亮点】1. 实验首次制备了一种Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，该合金展现了超高屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和聚合物般的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），同时具有约8%的超大橡胶状弹性应变。这种组合使其柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17）显著高于现有的结构材料。2. 实验通过简单的三步热机械处理制备了该合金，该过程可扩展至工业生产线。该处理不仅导致超高强度（由于变形强化），还通过形成独特的“双种子应变玻璃”微结构（包含对齐的R相和B19′马氏体“种子”）实现了超低模量。原位X射线衍射显示，该合金的聚合物状变形行为源于应变玻璃与R相和B19′马氏体之间的无核化可逆转变。3. 该合金在宽温度范围内（&minus 80°C至+80°C）保持其优异的力学性能，适用于航空航天技术，并展现出优异的高应变疲劳抗性。在温度范围193 K至353 K内，合金的超高强度和柔韧性稳定性使其在多个未来技术领域中具有广泛应用潜力。【图文解读】图1：将类聚合物的超高强度DS-STG合金与典型的金属合金和有机材料进行比较。图2：DS-STG合金在宽温度范围内表现出类聚合物的超高强度，同时具有优异的高应变抗疲劳性能。图3：采用三步热处理路线，实现了DS-STG合金及各步骤后试样的显微组织。图4: DS-STG合金聚合物样弹性的原位XRD分析。图5: Ta≈573 K时DS-STG态的类聚合物超低模量和高可恢复应变。【科学启迪】这篇文章的研究揭示了一种新型的Ti–50.8 at.% Ni双种子应变玻璃（DS-STG）合金，突破了传统金属合金在强度与柔韧性之间的权衡限制。该合金结合了钢铁般的超高屈服强度（σy ≈ 1.8 GPa）和聚合物般的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），同时具有约8%的超大橡胶状弹性应变，表现出极高的柔韧性优值（σy/E ≈ 0.17）。这一突破不仅在宽温度范围内（&minus 80°C到+80°C）保持优异性能，还展现了出色的高应变疲劳抗性。科学上，这一研究为实现同时具备高强度与高柔韧性的合金开辟了新路径，挑战了以往合金设计中的强度与柔韧性不可兼得的固有观念。通过简单的三步热机械处理工艺，该合金的成功制备也为大规模工业应用提供了可行性。这一发现对未来技术，如变形航空航天器和超人型人工肌肉，具有重要的推动作用，展现了在材料科学领域中克服传统限制的巨大潜力。参考文献：Xu, Z., Ji, Y., Liu, C. et al. A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4