新材料改變制造業(yè)面貌

1、<p>　　新材料改變制造業(yè)面貌</p><p><b>　　蔡立英/編譯</b></p><p>　　● 制造商正在越來(lái)越多地研發(fā)能夠改變行業(yè)面貌的新材料。</p><p>　　它足夠小，可以放在掌心里，看起來(lái)像一塊不起眼的穿有小孔的金屬，但是非常難制造。因?yàn)樗仨氃? 600°C的高溫高壓下每分鐘旋轉(zhuǎn)12 000次，這個(gè)

2、高溫比它的原材料的熔點(diǎn)還要高出200°C。它還必須在這個(gè)折磨人的煉獄中存活足夠久，得在它被換掉之前推動(dòng)一架班機(jī)飛行2 400萬(wàn)公里?？偣灿?6片這樣短而粗的葉片被用在勞斯萊斯遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)的后渦輪機(jī)上，這家英國(guó)公司每年生產(chǎn)成千上萬(wàn)個(gè)這種葉片。</p><p>　　美國(guó)和歐洲的公司找到了把高端制造業(yè)從廉價(jià)產(chǎn)品的猛攻中拯救出來(lái)的方法，這越來(lái)越需要對(duì)材料進(jìn)行創(chuàng)新。本文將論述一些這樣的創(chuàng)新，包括勞斯萊斯渦輪

3、葉片的特殊澆鑄系統(tǒng)以及碳纖維的使用、塑料廢品的回收、新的電池技術(shù)等。</p><p>　　隨著發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)變得越來(lái)越富裕，科技發(fā)展變得越來(lái)越尖端，他們也想制造飛行器、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和高性能跑車。在有些情況下，西方的公司會(huì)把一部分生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)包給試圖建立自己工業(yè)能力國(guó)家的公司，特別是那些簽大宗訂單的國(guó)家。但是，有些東西是不能共享的，因?yàn)槟切〇|西對(duì)于維持一個(gè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)而言太重要了。</p><

4、p>　　對(duì)于勞斯萊斯而言，渦輪葉片是一個(gè)核心技術(shù)。制造它們的魔法依賴于對(duì)材料科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的深刻理解。經(jīng)過(guò)澆鑄之后金屬會(huì)固化，通常會(huì)包含許多微小的晶體。這將使金屬對(duì)于大多數(shù)東西來(lái)說(shuō)都足夠堅(jiān)硬，但是在渦輪葉片中這卻是一個(gè)潛在的弱點(diǎn)。所以勞斯萊斯使用一種獨(dú)特的系統(tǒng)，在一種有連續(xù)不間斷的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的鎳基高溫合金中澆鑄葉片。這確保了葉片不會(huì)有結(jié)構(gòu)缺陷。</p><p>　　空氣穿過(guò)葉片中空的中心，并從精確定位的小孔中

5、出來(lái)，這些小孔是經(jīng)一種特殊的電子工藝加工而成的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鉆孔不夠精確。這些小孔創(chuàng)建了一層流過(guò)葉片表面的空氣薄膜以防止葉片熔化。葉片還覆蓋有一層耐熱的陶瓷涂層。制造商之所以費(fèi)這么大的勁是因?yàn)橐粋€(gè)堅(jiān)固的耐熱的葉片能使噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)跑得更熱，改進(jìn)燃燒效能，減少燃料消耗。</p><p><b>　　時(shí)不我待 大膽創(chuàng)新</b></p><p>　　英國(guó)德貝的新工廠——?jiǎng)谒谷R斯

6、制造渦輪葉片的地方，也有點(diǎn)不同尋常。設(shè)計(jì)師、工程師和全體生產(chǎn)員工住在同一個(gè)屋檐下，而不是分散在不同的大樓甚至不同的國(guó)家。他們被集合到一起是因?yàn)閯谒谷R斯相信位置接近將有利于員工增進(jìn)對(duì)彼此職責(zé)的理解，帶來(lái)更大的創(chuàng)造性。這將是未來(lái)幾年的關(guān)鍵，勞斯萊斯的制造工程負(fù)責(zé)人哈米德·莫臥兒（Hamid Mughal）說(shuō)：“產(chǎn)品技術(shù)是生存的關(guān)鍵，而卓越制造提供了未來(lái)的一個(gè)最大機(jī)遇?！蹦P兒先生相信，那種組合是保持不斷取得突破的唯一方法：“漸進(jìn)式

7、增長(zhǎng)是做不到這一點(diǎn)的?！?lt;/p><p>　　差不多同樣的想法在通用電氣公司也能找到。通用電氣公司也制造噴氣式飛機(jī)，業(yè)務(wù)范圍包括能源、照明、鐵路和衛(wèi)生保健?！昂芏嗄昵?，我們就清楚我們需要整合材料研究和制造技術(shù)，”其首席研究員伊戴奇科（Idelchik）先生說(shuō)，過(guò)去的新產(chǎn)品生產(chǎn)從設(shè)計(jì)開(kāi)始，接著是材料選擇，然后是制造，“現(xiàn)在，這些流程是同步進(jìn)行的?！?lt;/p><p>　　這些努力的一個(gè)產(chǎn)品是一

8、種新的工業(yè)電池。這始于使電池足夠耐用以適用于混合動(dòng)力機(jī)車的研究。基于鎳和鹽的化學(xué)提供了電池所需的能量密度和強(qiáng)度。但是，在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)這種電池是一碼事，而涉及到把大規(guī)模生產(chǎn)這種電池的復(fù)雜工序進(jìn)行商業(yè)化則又是另外一碼事。所以，通用電氣公司建立了一條試驗(yàn)生產(chǎn)線以在建工廠前先了解如何實(shí)現(xiàn)有希望的想法。一些想法在這個(gè)試驗(yàn)階段失敗了，而另一些則成功了。</p><p>　　電池是成功的一個(gè)，除了混合動(dòng)力機(jī)車，它還適用于其他混

9、合動(dòng)力車輛，例如叉車，以及像為數(shù)據(jù)中心提供后備電源、為偏遠(yuǎn)地區(qū)的電信桅桿提供電力這樣的應(yīng)用。它將在尼什卡納附近的一個(gè)1億美元的新工廠進(jìn)行制造，這樣研究人員可以便利地繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)。電池本身由一套標(biāo)準(zhǔn)的電池單元組成，這些電池單元可以根據(jù)不同的應(yīng)用連接在一起。這些電池單元所占用的空間是相等的鉛酸電池的一半，而重量只有其四分之一，將能持續(xù)使用20年而無(wú)需維修，在嚴(yán)寒或極度炎熱的環(huán)境下也能正常工作，通用電氣公司實(shí)驗(yàn)室的儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)人格倫·

10、;默費(fèi)爾德（Glen Merfeld）說(shuō)道。</p><p>　　令通用電氣公司和其他制造商特別感興趣的一種材料是碳纖維，在一些噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的前部大扇葉的制造上已使用它。碳纖維原料十分柔韌，但是當(dāng)碳纖維層灌注以環(huán)氧樹(shù)脂、成形和固化后，它能變得和鋼鐵一樣堅(jiān)硬，而只有鋼鐵一半的重量。這種強(qiáng)度來(lái)自于碳原子之間形成的強(qiáng)有力的化學(xué)鍵。纖維可以在不同的方向?qū)?zhǔn)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能精確調(diào)整一個(gè)混合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和彈性。</p>

11、;<p>　　碳纖維的大規(guī)模使用始于航空航天工業(yè)，空中客車和波音飛機(jī)都廣泛地使用它來(lái)代替鋁。不僅因?yàn)樗p，而且還有一個(gè)很大的制造優(yōu)勢(shì)：像機(jī)翼的主要部分這樣的大部件能整塊做，而無(wú)需把許多單獨(dú)的元件鉚接在一起。</p><p><b>　　聚焦碳纖維</b></p><p>　　碳纖維帶來(lái)的強(qiáng)度、輕巧和潛在減少的手工勞動(dòng)使得這種材料對(duì)許多產(chǎn)品都很有吸引力。

12、邁凱輪車隊(duì)，英國(guó)的一級(jí)方程式（F1）車隊(duì)，最先使用帶有碳纖維結(jié)構(gòu)的F1賽車。約翰·沃森（John Watson）駕駛它贏得了1981年英國(guó)銀石賽道大獎(jiǎng)賽。那年晚些時(shí)候，當(dāng)他安然無(wú)恙地從蒙扎賽道的撞車事故中走出來(lái)時(shí)，他以一種戲劇性的方式證明了碳纖維經(jīng)受撞車的能力。幾年之內(nèi)，每一個(gè)F1車隊(duì)就都使用基于碳的賽車了。但是，制造這種基于碳的賽車，主要是手工的，需要花費(fèi)3 000個(gè)工時(shí)。</p><p>　　現(xiàn)在，

13、只需花費(fèi)4小時(shí)就能制造出碳纖維的底盤(pán)和MP4-12C的車底，MP4-12C是邁凱輪在2011年推出的與宿敵法拉利在公路和賽道上競(jìng)爭(zhēng)的一款價(jià)值275 000美元的跑車。MP4-12C是在一個(gè)新建的非常干凈的工廠制造的，這個(gè)工廠靠近位于倫敦以西的沃金的邁凱輪基地。最終，公司將使用碳纖維制造各種公路車。多虧在鑄模中壓制材料并在壓力下注入環(huán)氧樹(shù)脂的部分自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，公司將更快地達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)是與嘉寶科技（一家專營(yíng)復(fù)合材料的奧地利公司

14、）聯(lián)合研發(fā)的。</p><p>　　與賽車運(yùn)動(dòng)開(kāi)創(chuàng)的許多技術(shù)一樣，碳纖維現(xiàn)在已從超級(jí)跑車流入更多的日常車型。寶馬就是其一，正推出一個(gè)使用碳纖維車體的電動(dòng)混合車型新系列。第一輛是一款叫做寶馬i3的小型城市電動(dòng)車，將從明年開(kāi)始在萊比錫的一個(gè)新工廠裝配。一輛碳纖維車，重量輕，其電池將比一輛重的鋼鐵車開(kāi)出更多的里程。甚至在碰撞測(cè)試中，也證明它更堅(jiān)固。</p><p>　　另一種令人驚訝的堅(jiān)固材料可

15、以從人們?nèi)拥舻膹U棄物中制造出來(lái)。黃謙智，臺(tái)灣小智研發(fā)可持續(xù)能源發(fā)展公司的創(chuàng)始人之一，在美國(guó)接受過(guò)設(shè)計(jì)師的專業(yè)訓(xùn)練。他正在從垃圾的再設(shè)計(jì)中制造建筑材料。其中一個(gè)產(chǎn)品，寶特磚，是一塊類似方瓶的磚頭，由回收的PET塑料制成，PET塑料廣泛用于制造食品和飲料容器。因?yàn)槠湫螤睿瑢毺卮u無(wú)需黏合劑就能卡在一起形成類似墻這樣的建筑物。黃先生說(shuō)，這些寶特磚足夠堅(jiān)固能抵擋颶風(fēng)，卻極大地減少了建筑物的碳足跡，其價(jià)格是傳統(tǒng)建筑材料價(jià)格的四分之一。而且，因?yàn)樗鼈?/p>

16、是半透明的，還能在里面加上LED燈。</p><p><b>　　納米技術(shù)的優(yōu)勢(shì)</b></p><p>　　黃先生研制的另一種材料是從廢棄的稻殼中提取的一種天然的黏接劑。添加它也能幫助凝結(jié)混凝土。這個(gè)想法不算新，黃先生指出，類似的東西以前曾被添加到建造中國(guó)萬(wàn)里長(zhǎng)城的砂漿中。他認(rèn)為中國(guó)大陸隨著建筑業(yè)的繁榮將再次成為這種產(chǎn)品的一個(gè)巨大市場(chǎng)。一種相似的材料可以從釀造遺留下

17、來(lái)的大麥殼提取。黃先生的想法是把這個(gè)系統(tǒng)用于當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)，變垃圾為有用的產(chǎn)品。</p><p>　　越來(lái)越多的產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)將從納米尺度開(kāi)始。納米技術(shù)已被用來(lái)提升某些產(chǎn)品。例如，二氧化鈦被用于制造建筑物中的自潔式玻璃。一層只有幾納米厚的二氧化鈦膜，薄得足以看透，卻足夠強(qiáng)大，能與陽(yáng)光反應(yīng)分解有機(jī)污垢。這種材料還是吸水的，吸引雨水像一張雨布一樣擦洗掉污垢殘留物。英國(guó)的一家公司皮爾金頓，最先在2001年啟用使用這項(xiàng)技術(shù)的自潔

18、式玻璃。</p><p>　　越來(lái)越多的產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)將從納米尺度開(kāi)始。對(duì)麻省理工學(xué)院的研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)拉網(wǎng)式搜索，提供了更多未來(lái)產(chǎn)品可能使用納米微粒的例子?？死?#183;瓦拉納西（Kripa Varanasi）和他的同事正在研究的材料中，有一些特別防水的材料。這些防水材料可以用來(lái)制作超疏水涂層，這將大大提高如蒸汽渦輪機(jī)和海水淡化機(jī)這樣的機(jī)器的工作效率和耐用性，瓦拉納西先生說(shuō)。這樣的超疏水涂層也能應(yīng)用于現(xiàn)存的蒸

19、汽渦輪機(jī)，它們產(chǎn)生了世界上大部分的電。瓦拉納西先生估計(jì)，這將成為一個(gè)大的翻新業(yè)務(wù)。</p><p>　　自然界已經(jīng)卓有成效地使用了帶有納米尺度結(jié)構(gòu)的材料。吸引安吉拉·貝爾奇（Angela Belcher）興趣的化石是大約5億年前形成的，當(dāng)時(shí)海里的軟體生物開(kāi)始使用礦物來(lái)生成貝殼和骨骼這樣的堅(jiān)硬材料。這些天然產(chǎn)品中含有精致的納米結(jié)構(gòu)，如鮑魚(yú)的虹彩貝殼，貝爾奇說(shuō)。如果生物有在它們的DNA中制造這樣的材料的能力

20、，貝爾奇斷言，那么人類應(yīng)該有可能趕上它們。這是她在MIT的研究組現(xiàn)在正在運(yùn)用基因工程試圖做到的。</p><p>　　盡管看起來(lái)似乎很奇怪，貝爾奇女士的其中一個(gè)項(xiàng)目涉及到使用病毒制造電池。病毒——通常是感染細(xì)菌而對(duì)人類無(wú)害的那種——是基因工程中相當(dāng)平常的一種工具。一開(kāi)始，貝爾奇和她的同事用基因工程技術(shù)使病毒與他們感興趣的材料相互作用或結(jié)合。因?yàn)樗麄儧](méi)有幾百萬(wàn)年的時(shí)間等待結(jié)果，就運(yùn)用了能發(fā)展成高速達(dá)爾文過(guò)程的東西：

21、一次制造十億病毒，選擇有希望的那些重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到他們得到能做他們想做的事情的片段。</p><p>　　貝爾奇女士的研究組開(kāi)發(fā)了能生產(chǎn)諸如陰極和陽(yáng)極等電池要件的病毒，并用它們制造小的紐扣電池，就像那些給手表供電的紐扣電池，但這個(gè)過(guò)程有擴(kuò)大的潛力。是什么使得這項(xiàng)技術(shù)這么吸引人呢？貝爾奇說(shuō)，是因?yàn)樗阋?，使用無(wú)毒材料，環(huán)保。</p><p>　　貝爾奇女士創(chuàng)辦的兩家公司已經(jīng)在用病毒生產(chǎn)產(chǎn)品。

22、寒武紀(jì)技術(shù)公司在生產(chǎn)用于觸摸屏的透明涂料，志留紀(jì)技術(shù)公司正使用病毒開(kāi)發(fā)把天然氣轉(zhuǎn)化為石油和塑料的催化劑。在太陽(yáng)能電池、醫(yī)療診斷和癌癥治療上也有潛在的應(yīng)用。所有這些都來(lái)源于一個(gè)海貝激發(fā)的靈感。</p><p>　　貝爾奇在MIT的一個(gè)工作伙伴格布蘭德·賽德（Gerbrand Ceder）是一位電池專家，他感到應(yīng)該有一個(gè)比目前冗長(zhǎng)的過(guò)程更簡(jiǎn)單的方法來(lái)研究材料。有關(guān)一種材料的十種不同特性的信息可能分散在十個(gè)不

23、同的地方。為了把這些分散的信息整合到一起，賽德先生和他的同事，與勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室協(xié)力，在去年晚些時(shí)候發(fā)起了一個(gè)叫做“材料項(xiàng)目”的免費(fèi)網(wǎng)上服務(wù)，來(lái)為物質(zhì)的特性編目分類。到今年三月，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)收集了差不多兩萬(wàn)種化合物的特性細(xì)節(jié)。</p><p>　　設(shè)計(jì)這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是為了讓科學(xué)家能快速地識(shí)別合適的新材料并預(yù)測(cè)它們可能會(huì)如何在一起反應(yīng)。這將加速制造業(yè)新材料的研發(fā)。一些新物質(zhì)可能需要十年甚至更久才能市場(chǎng)化?！耙?yàn)檠?/p>