即将到来的碳复合材料革命

时间：2021-07-26 10:16:22 来源：

前几天，我在思索历史上的材料如何改善了我们的生活。以普通的蜡烛制成，它是由蜂蜡制成的。它帮助我们克服了对黑暗的恐惧。蜡烛提供了全新的功能：人们有一个便携式光源，可以让他们看到并阅读他们想要的任何地方。

今天，我们拥有的手持设备不仅使我们能够阅读我们想要的任何地方，而且还可以访问世界上任何可用的阅读材料。我们将这场革命归功于普通的沙滩，沙滩是使数字电路正常工作的硅源。

历史的引人入胜的材料并没有到此结束。例如，普通玉米提供了可生物降解塑料的基础，粉状虾壳可以帮助我们控制胆固醇，我们甚至发明了可扩展其用途的柔性混凝土。材料是改善我们生活的革命的基础。

新兴的一类材料，碳复合材料正在彻底改变移动平台的性能。像普通缝纫线一样细而柔软的碳纤维可以显着减轻重量，从而减少车辆的燃油消耗，但同时由于其韧性而提供了更高的安全性。像捕食者无人飞行器这样的防御系统开创了利用这些材料的道路。X43超燃冲压发动机通过使用碳复合材料以接近声速10倍的声速刷新了世界空速纪录。现在，我们正在波音Dreamliner和雪佛兰克尔维特（Chevy Corvette）等汽车中看到这些材料的出现。

非常明显的是，您可以将海滩沙和碳黑（如烟灰中所含的碳）结合起来，形成一种新的陶瓷材料。正如古代人所理解的那样，陶瓷可以承受很高的温度，因为它们不会像金属那样熔化。高温，高强度材料有许多优点：

它们使航天飞机在重新进入大气层时能够承受强烈的热负荷。它们是陶瓷制动器的基础，即使在金属疲劳的高温下，它也能抵抗磨损。他们还可以提高发动机效率。使用正确选择的介质，您可以存储大量的高温热量。然后，您可以使用该高能介质来驱动机械设备（例如涡轮机）以产生高速运动，并以高效率发电。

一种这样的陶瓷材料碳化硅可以承受2,000摄氏度以上的温度而不会损失强度。金属在700摄氏度时表现出疲劳。它的性能表明了一些重要的安全应用，例如替换轻水反应堆中围绕核燃料的金属管。

碳化硅还具有很强的自愈特性，因此它还可以长期承受核反应堆中强烈的中子环境。它像活细胞一样自我修复。

这些特性激发了General Atomics的工程师开发具有潜在深远性能优势的新型核反应堆概念。该反应堆能源乘数模块（EM平方）是世界上尺寸最小，效率最高和功率最高的小型模块化反应堆。由于被碳化硅管包围的燃料可以承受高温（是当前反应堆的两倍，是目前的反应堆的两倍），并且可以将热量转移到氦等高容量介质中，因此反应堆系统可以达到53％的效率，几乎是两倍其他小型模块化反应堆。

由于碳化硅油管中包含的燃料可以在反应堆中停留更长的时间（当前反应堆中将近有七个单独的燃料装载量），因此浪费少得多；实际上，浪费减少了80％。而且由于燃料和碳化硅可以承受更高的温度，因此安全裕度可能会更好。

像任何可以显着提高性能的新技术一样，它也具有经济利益。与目前的反应堆相比，我们可以将电价降低40％。这使核能发电的价格成为美国能源结构的一部分。这也使此类反应堆在国际市场上更具竞争力。

这项创新是在核能达到十字路口的时候进行的。所以我们有一个选择：与过去一样，采用新技术来提高性能，或者继续在后视镜中使用只会阻碍人类进步的想法。

约翰·帕门托拉（John Parmentola）

John Parmentola是General Atomics的能源高级副总裁，负责圣地亚哥公司Energy Operating Group的战略方向和日常运营。他管理着一支由来自全球90多个机构的近475名科学技术人员组成的团队，他们在国际核聚变与裂变研究与开发中处于领导地位。

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