2019-05-30 20:41:02
在纳米纤维形成时捕获实时数据使得静电纺丝更加经济实惠

静电纺丝是一种纳米纤维制造方法,可以生产各种成分的纳米至微米直径的陶瓷,聚合物和金属纤维,用于广泛的应用:组织工程,过滤,燃料电池和锂电池。这些材料具有独特的性质,因为它们具有高纵横比的形态和大的表面积。

然而,它们的发展主要是通过反复试验,使其难以在工业环境中可靠地再现。这一挑战源于对过程中潜在动态的不了解,其涉及10个以上的控制参数。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室利用其独特的功能构建了一个将静电纺丝机参数与纳米纤维特性相关联的数据库,从而消除了对静电纺丝的猜测。该套件将允许公司以最快的速度设计针对特定应用进行优化的材料,同时还可以在生产车间实现实时反馈和控制。

先进的静电纺丝设备是Argonne先进制造科学和工程的一部分,旨在通过开发平台技术来加速材料开发和制造过程,并增加了最先进的计算和诊断系统。这种组合使预测科学能够减少昂贵的试错原型。该项目由Argonne的制造实验室指导研究和开发(LDRD)计划资助。

Argonne在推动静电纺丝技术方面处于独特地位,因为它结合了材料开发和放大的专业知识,以及高级光子源(APS),美国能源部科学用户设施办公室和国家最高级别的独特诊断功能。能量同步加速器X射线源。

由Argonne材料科学家Yuepeng Zhang领导的研究人员正在APS的12 ID-B光束线上进行原位X射线测量。当纳米纤维在加工过程中形成和改变时,测量结果捕获来自纳米纤维的实时结构,物理和化学信息,促进与处理参数(例如,电压,工作距离和前体粘度)的相关性。

张说:“这些测量首次提供了对纺纱和退火工艺的系统理解,以控制和提高产品性能。”

下一步是将X射线数据输入到在Argonne的高性能计算设备上运行的机器学习算法中。这些计算将进一步优化速度,减少材料缺陷,预测新特性并消除昂贵的试错原型。

静电纺丝能力还可以适用于卷对卷制造工艺(其涉及在两个移动的材料卷之间转移时连续处理柔性基板)以加速商业化并降低成本。 Argonne通过生产用于储能应用的大面积LLZO固态电解质,展示了卷对卷概念及其首次应用。

工业界可以与Argonne的专家合作,为现有材料开发静电纺丝工艺,以及合作开发新的或新兴的(复合材料)材料和设计,包括放大。

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