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，看起來像一塊不起眼的穿有小孔的金屬，但是非常難制造。因為它必須在1 600°C的高溫高壓下每分鐘旋轉(zhuǎn)12 000次，這個

2、高溫比它的原材料的熔點還要高出200°C。它還必須在這個折磨人的煉獄中存活足夠久，得在它被換掉之前推動一架班機飛行2 400萬公里?？偣灿?6片這樣短而粗的葉片被用在勞斯萊斯遄達1000發(fā)動機的后渦輪機上，這家英國公司每年生產(chǎn)成千上萬個這種葉片。</p><p>　　美國和歐洲的公司找到了把高端制造業(yè)從廉價產(chǎn)品的猛攻中拯救出來的方法，這越來越需要對材料進行創(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)展中國家的經(jīng)濟變得越來越富裕，科技發(fā)展變得越來越尖端，他們也想制造飛行器、噴氣式發(fā)動機和高性能跑車。在有些情況下，西方的公司會把一部分生產(chǎn)任務轉(zhuǎn)包給試圖建立自己工業(yè)能力國家的公司，特別是那些簽大宗訂單的國家。但是，有些東西是不能共享的，因為那些東西對于維持一個產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢而言太重要了。</p><

4、p>　　對于勞斯萊斯而言，渦輪葉片是一個核心技術(shù)。制造它們的魔法依賴于對材料科學和生產(chǎn)技術(shù)的深刻理解。經(jīng)過澆鑄之后金屬會固化，通常會包含許多微小的晶體。這將使金屬對于大多數(shù)東西來說都足夠堅硬，但是在渦輪葉片中這卻是一個潛在的弱點。所以勞斯萊斯使用一種獨特的系統(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。這確保了葉片不會有結(jié)構(gòu)缺陷。</p><p>　　空氣穿過葉片中空的中心，并從精確定位的小孔中

5、出來，這些小孔是經(jīng)一種特殊的電子工藝加工而成的，因為傳統(tǒng)的鉆孔不夠精確。這些小孔創(chuàng)建了一層流過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。制造商之所以費這么大的勁是因為一個堅固的耐熱的葉片能使噴氣式發(fā)動機跑得更熱，改進燃燒效能，減少燃料消耗。</p><p><b>　　時不我待 大膽創(chuàng)新</b></p><p>　　英國德貝的新工廠——勞斯萊斯

6、制造渦輪葉片的地方，也有點不同尋常。設(shè)計師、工程師和全體生產(chǎn)員工住在同一個屋檐下，而不是分散在不同的大樓甚至不同的國家。他們被集合到一起是因為勞斯萊斯相信位置接近將有利于員工增進對彼此職責的理解，帶來更大的創(chuàng)造性。這將是未來幾年的關(guān)鍵，勞斯萊斯的制造工程負責人哈米德·莫臥兒（Hamid Mughal）說：“產(chǎn)品技術(shù)是生存的關(guān)鍵，而卓越制造提供了未來的一個最大機遇?！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：“漸進式

7、增長是做不到這一點的?！?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，業(yè)務范圍包括能源、照明、鐵路和衛(wèi)生保健?！昂芏嗄昵埃覀兙颓宄覀冃枰喜牧涎芯亢椭圃旒夹g(shù)，”其首席研究員伊戴奇科（Idelchik）先生說，過去的新產(chǎn)品生產(chǎn)從設(shè)計開始，接著是材料選擇，然后是制造，“現(xiàn)在，這些流程是同步進行的?！?lt;/p><p>　　這些努力的一個產(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力機車的研究?；阪嚭望}的化學提供了電池所需的能量密度和強度。但是，在實驗室里實現(xiàn)這種電池是一碼事，而涉及到把大規(guī)模生產(chǎn)這種電池的復雜工序進行商業(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生產(chǎn)線以在建工廠前先了解如何實現(xiàn)有希望的想法。一些想法在這個試驗階段失敗了，而另一些則成功了。</p><p>　　電池是成功的一個，除了混合動力機車，它還適用于其他混

9、合動力車輛，例如叉車，以及像為數(shù)據(jù)中心提供后備電源、為偏遠地區(qū)的電信桅桿提供電力這樣的應用。它將在尼什卡納附近的一個1億美元的新工廠進行制造，這樣研究人員可以便利地繼續(xù)進行研發(fā)。電池本身由一套標準的電池單元組成，這些電池單元可以根據(jù)不同的應用連接在一起。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年而無需維修，在嚴寒或極度炎熱的環(huán)境下也能正常工作，通用電氣公司實驗室的儲能系統(tǒng)負責人格倫·

10、;默費爾德（Glen Merfeld）說道。</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)動機的前部大扇葉的制造上已使用它。碳纖維原料十分柔韌，但是當碳纖維層灌注以環(huán)氧樹脂、成形和固化后，它能變得和鋼鐵一樣堅硬，而只有鋼鐵一半的重量。這種強度來自于碳原子之間形成的強有力的化學鍵。纖維可以在不同的方向?qū)?，使得發(fā)動機能精確調(diào)整一個混合結(jié)構(gòu)的強度和彈性。</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都廣泛地使用它來代替鋁。不僅因為它更輕，而且還有一個很大的制造優(yōu)勢：像機翼的主要部分這樣的大部件能整塊做，而無需把許多單獨的元件鉚接在一起。</p><p><b>　　聚焦碳纖維</b></p><p>　　碳纖維帶來的強度、輕巧和潛在減少的手工勞動使得這種材料對許多產(chǎn)品都很有吸引力。

12、邁凱輪車隊，英國的一級方程式（F1）車隊，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年英國銀石賽道大獎賽。那年晚些時候，當他安然無恙地從蒙扎賽道的撞車事故中走出來時，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F1車隊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3 000個工時。</p><p>　　現(xiàn)在，

13、只需花費4小時就能制造出碳纖維的底盤和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爭的一款價值275 000美元的跑車。MP4-12C是在一個新建的非常干凈的工廠制造的，這個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)氧樹脂的部分自動化技術(shù)的發(fā)展，公司將更快地達到這個目標。這項技術(shù)是與嘉寶科技（一家專營復合材料的奧地利公司

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

15、以從人們?nèi)拥舻膹U棄物中制造出來。黃謙智，臺灣小智研發(fā)可持續(xù)能源發(fā)展公司的創(chuàng)始人之一，在美國接受過設(shè)計師的專業(yè)訓練。他正在從垃圾的再設(shè)計中制造建筑材料。其中一個產(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。因為其形狀，寶特磚無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，這些寶特磚足夠堅固能抵擋颶風，卻極大地減少了建筑物的碳足跡，其價格是傳統(tǒng)建筑材料價格的四分之一。而且，因為它們

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</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萬里長城的砂漿中。他認為中國大陸隨著建筑業(yè)的繁榮將再次成為這種產(chǎn)品的一個巨大市場。一種相似的材料可以從釀造遺留下

17、來的大麥殼提取。黃先生的想法是把這個系統(tǒng)用于當?shù)厣鐓^(qū)，變垃圾為有用的產(chǎn)品。</p><p>　　越來越多的產(chǎn)品工程設(shè)計將從納米尺度開始。納米技術(shù)已被用來提升某些產(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，卻足夠強大，能與陽光反應分解有機污垢。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。英國的一家公司皮爾金頓，最先在2001年啟用使用這項技術(shù)的自潔

18、式玻璃。</p><p>　　越來越多的產(chǎn)品工程設(shè)計將從納米尺度開始。對麻省理工學院的研究實驗室的一個拉網(wǎng)式搜索，提供了更多未來產(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制作超疏水涂層，這將大大提高如蒸汽渦輪機和海水淡化機這樣的機器的工作效率和耐用性，瓦拉納西先生說。這樣的超疏水涂層也能應用于現(xiàn)存的蒸

19、汽渦輪機，它們產(chǎn)生了世界上大部分的電。瓦拉納西先生估計，這將成為一個大的翻新業(yè)務。</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，當時海里的軟體生物開始使用礦物來生成貝殼和骨骼這樣的堅硬材料。這些天然產(chǎn)品中含有精致的納米結(jié)構(gòu)，如鮑魚的虹彩貝殼，貝爾奇說。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，那么人類應該有可能趕上它們。這是她在MIT的研究組現(xiàn)在正在運用基因工程試圖做到的。</p><p>　　盡管看起來似乎很奇怪，貝爾奇女士的其中一個項目涉及到使用病毒制造電池。病毒——通常是感染細菌而對人類無害的那種——是基因工程中相當平常的一種工具。一開始，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。因為他們沒有幾百萬年的時間等待結(jié)果，就運用了能發(fā)展成高速達爾文過程的東西：

21、一次制造十億病毒，選擇有希望的那些重復這個過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發(fā)了能生產(chǎn)諸如陰極和陽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，但這個過程有擴大的潛力。是什么使得這項技術(shù)這么吸引人呢？貝爾奇說，是因為它便宜，使用無毒材料，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、寒武紀技術(shù)公司在生產(chǎn)用于觸摸屏的透明涂料，志留紀技術(shù)公司正使用病毒開發(fā)把天然氣轉(zhuǎn)化為石油和塑料的催化劑。在太陽能電池、醫(yī)療診斷和癌癥治療上也有潛在的應用。所有這些都來源于一個海貝激發(fā)的靈感。</p><p>　　貝爾奇在MIT的一個工作伙伴格布蘭德·賽德（Gerbrand Ceder）是一位電池專家，他感到應該有一個比目前冗長的過程更簡單的方法來研究材料。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，與勞倫斯伯克利國家實驗室協(xié)力，在去年晚些時候發(fā)起了一個叫做“材料項目”的免費網(wǎng)上服務，來為物質(zhì)的特性編目分類。到今年三月，這個項目已經(jīng)收集了差不多兩萬種化合物的特性細節(jié)。</p><p>　　設(shè)計這個數(shù)據(jù)庫是為了讓科學家能快速地識別合適的新材料并預測它們可能會如何在一起反應。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化?！耙驗檠?/p>