從材料角度談現(xiàn)代制造技術的發(fā)展

費有靜 裴小兵

我們的生活離不開各式各樣的材料，材料在生活中起著舉足輕重的作用，源源不斷所涌現(xiàn)的新材料更是在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用。新材料比傳統(tǒng)材料性能更優(yōu)異，甚至具有特殊功能，如能根據(jù)外界變化作出反應的智能材料；利用自然界的氣候變化轉變成清潔可再生能源材料；通過改變光的傳播特性制成隱身材料等。先進材料是經(jīng)濟安全和人類健康發(fā)展的基礎，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和應用，對于科技迅猛發(fā)展的當下來說至關重要，同時對人類認知、思維、價值理念、生活方式以至社會形態(tài)等都將產(chǎn)生顛覆性的變革[1]。

在世界各國加大對新材料的廣泛關注，相繼制定相關計劃、政策加速新材料研發(fā)的背景下，美國于2011年提出“材料基因組計劃”，發(fā)動多個機構共同參與新材料的研發(fā)，以期縮短新材料從發(fā)現(xiàn)、制造到應用的時間。新材料每年都以一定的速度增長。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)今全世界新材料種類以每年25萬種的速度遞增[2]。如果把材料比作人類社會文明大廈的基石，那么制造技術就是人類社會進化的里程碑。只有在先進制造技術的支撐下，材料在人類生活中的作用才能得以體現(xiàn)。

1 新材料的發(fā)展趨勢

隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，總的來說，其性能更強大、更智能化、尺寸更小、綠色環(huán)保，既有對傳統(tǒng)材料的更新升級、功能擴大，也有新研發(fā)的前沿材料。以下從幾個方面談談新材料的發(fā)展趨勢。

1.1 高性能材料

二維石墨烯是當前性能最強的材料之一，單層石墨烯材料只有一個碳原子直徑厚，具有半導體和金屬的雙重特性，鑒于石墨烯的優(yōu)異性能，被認為是最有應用前景的材料[3]。

石墨烯的優(yōu)異性能有：

①電學性能優(yōu)良，電子遷移率高，室溫下是硅的100倍，用作半導體的電路具有高的工作頻率。世界首款石墨烯處理器，電子的運動速度接近光速，功耗比同類硅產(chǎn)品降低90%[4]。美國2013年研制出高導電性石墨烯柔性電極，對于大幅面、可折疊精密顯示設備的生產(chǎn)大有幫助[5]，軍事上還可作為軍用電子地圖等顯示設備的材料，質輕便于攜帶。2015年研發(fā)出“激光誘導石墨烯”制備法，用于制造柔性電容器應用于航天電子系統(tǒng)中。

②比表面積達2 630m2/g，用于高功率激光器的核心材料。2015年6月，韓國三星公司采用合成法制備出高度結晶石墨烯的硅陰極，鋰離子電池的電容量得到大幅提升，還可用于航天武器裝備的超級電容和電池中。

③力學性能好，石墨烯結構穩(wěn)定，抗拉強度達125GPa，是鋼的100倍以上。利用石墨烯超薄、超輕、超抗壓等特點，可用于制造防彈衣，質輕，防護能力強，勝過鋼鐵和芳綸纖維。此外，石墨烯還具有防腐功能，可用于制作超強耐腐涂層。

④優(yōu)異的光學性能，單層石墨烯的可見光透光率達97.7%，具有良好的微波吸收特性。此外，熱導率達5.3kW/（m·K），突出的熱學性能可用于集成電路處理器芯片，提高其散熱性能。

石墨烯材料的優(yōu)異性能對軍用電子系統(tǒng)、能源、防護、航空航天隱身系統(tǒng)等發(fā)展的作用不可小覷。

1.2 納米材料

借助掃描隧道顯微鏡，人們發(fā)現(xiàn)隨著材料尺寸的減小，材料的性能會發(fā)生一定的改變，材料的研究逐漸深入到微納米級別。納米制造技術是當前競相研究的最前沿領域，微型齒輪、微型齒輪泵、微型氣動渦輪及聯(lián)接件等。如當質量僅200多克的微型衛(wèi)星成功發(fā)送上天，微型系統(tǒng)受到了世界各國更多的青睞。應用領域再一次得到延伸，離不開納米材料的不斷發(fā)展。

1.2.1 奇特的光學特性

納米粒子對光的反射率很低，吸收率很強，導致粒子變黑；納米微粒的吸收帶普遍向短波方向移動而形成“藍移現(xiàn)象”；納米微粒還會出現(xiàn)常規(guī)材料沒有的發(fā)光現(xiàn)象。

1.2.2 擴散及燒結性能

納米結構材料具有較高的擴散率，源于納米結構材料存在大的界面，為原子提供了短程擴散途徑。擴散率高，可以在較低的溫度下對材料進行有效摻雜，使不混溶金屬形成新的合金相，增強擴散能力的同時大大降低燒結溫度。

當微粒的尺寸達到微納米量級后所帶來的物理性質的改變?yōu)榧{米材料的應用打開了一個廣闊的天地。

1.3 超材料

超材料具有超常物理性能，這一發(fā)現(xiàn)引起世界各國的廣泛關注，是繼納米材料之后的又一重大突破，其前途不可限量，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦筒牧稀?/p>

1.3.1 表面隱身用超材料

目前，超材料在可見光、紅外及聲波方面的隱身應用取得長足進展。2012年，俄羅斯和丹麥合作研究制備出摻雜鋁的氧化鋅隱身材料可以對近紅外波段進行隱身；2014年，美國杜克大學研制出世界首個三維“隱身斗篷”[6]，對聲波隱身，推動了隱身飛行器的開發(fā)和研究。

1.3.2 雷達罩用超材料

軍用飛機天線罩除了要保護天線免受環(huán)境影響外，還要避免受到敵方雷達的探測。為提高傳統(tǒng)天線罩的耐壓性能，增加天線罩的厚度，但發(fā)現(xiàn)厚度增加后，受熱損耗和反射損耗的影響天線的性能反而降低了。在雷達罩中引入超材料覆層，保持其形狀不變，限制電磁波在其他方向的傳播僅局限于在垂直方向附近的小角度內(nèi)傳播。E—2原天線罩由于結構肋條的存在，天線圖產(chǎn)生偏差。早在2012年，美國國防部采用超材料雷達罩后，該問題得到了有效解決，且效果較好。

1.3.3 超薄透鏡用超材料

一直以來，顯微鏡、眼鏡及放大鏡的鏡片在制造中發(fā)現(xiàn)觀察不到小于光波長度的物質。改用超材料制成的超薄透鏡，提高了分辨率，普通鏡片的弊端得以避免。這個“理想透鏡”于2013年被美國國家標準與技術研究所制得的超材料平板透鏡所實現(xiàn)[7]。

1.4 智能化新型材料

智能材料是一種能夠感知外部刺激，并進行判斷后適當處理甚至執(zhí)行命令的一種新型功能材料，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第4代材料，是新材料發(fā)展的重要方向之一，這對于解放人類雙手，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)，有著重要作用。智能材料的研制和大規(guī)模應用對于普遍實現(xiàn)智能加工的意義重大。智能材料的研究與開發(fā)，需要多學科的高科技人才的團結協(xié)作，是一種集材料、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、智能處理于一體的復雜材料工程體系[8]。在制造領域，人工智能技術的融入成為新熱點。

1.5 綠色材料

制造業(yè)是眾多企業(yè)財富積累的重要來源，是一個國家的經(jīng)濟命脈。我國是一個制造業(yè)大國，在產(chǎn)品的制造、使用及報廢處理中，都會消耗大量資源，甚至還污染環(huán)境。從源頭上解決環(huán)境污染，首先原材料得為綠色材料，減輕對環(huán)境的污染，從而實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當前所提出的垃圾分類，也是對綠色材料的提倡，走可持續(xù)發(fā)展的道路。

從選取原料、產(chǎn)品加工、使用、再循環(huán)利用到廢物處理，均無污染環(huán)境的材料產(chǎn)生，這樣的材料稱之為“綠色材料”，其實早在1988年第一屆國際材料會議上就提出“綠色材料”的概念，隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，綠色材料的呼聲越來越大，成為下世紀人類要實現(xiàn)的目標材料之一[9]。綠色材料包括循環(huán)材料、凈化材料和綠色建材。

2 現(xiàn)代制造技術的發(fā)展

新材料的制造已成為新材料開發(fā)和應用必不可少的重要分支領域，隨著計算機數(shù)字化和信息化，制造工藝向自動化、數(shù)字化、智能化、增材制造等方向迅速發(fā)展。

2.1 微納米制造技術

納米加工是隨著納米材料、掃描隧道顯微鏡的發(fā)展而興起的一門綜合性加工技術，指對納米級（<10nm）的材料進行加工和使用，需要多門學科的先進技術，如現(xiàn)代機械學、光學、電子、計算機等，獲得高的精度，改善產(chǎn)品性能和可靠性[1]，包括納米級精度的加工和納米級表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組[10]。納米加工技術是納米材料發(fā)展的技術支撐，從國防、航空航天等高科技產(chǎn)品到民用產(chǎn)品都涉及到納米加工，世界許多國家都投入了大量的人力和物力進行研究和開發(fā)。

納米加工技術已成為衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志。近年來，納米加工技術不斷得到突破，甚至挑戰(zhàn)原子級加工。

目前納米加工技術主要有：

①切削加工：如車、銑、磨削、電火花加工的多功能微型精密加工車床，甚至能夠實現(xiàn)5軸控制。如用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯。

②化學合成：通過化學合成法制備納米電子學器件的原理是，借助化學過程把微觀體系的物質“自上而下”地組裝成納米器件，解決了用納米探針機械合成時對于數(shù)目巨大的納米結構和器件難度大的問題。

③聚焦離子束技術：離子束在電磁場的作用下，聚焦到亞微米甚至納米量級，并可以控制離子束發(fā)生加速、減速甚至偏轉從而實現(xiàn)納米結構的無掩膜加工及納米三維結構成型等。

④準分子激光直寫納米加工技術：該加工方法分辨率高、光子能量大、冷加工、無環(huán)境污染、加工材料廣泛。

⑤微型機器人：通過微型機器人實現(xiàn)微納米級電子元器件的制造、組裝，加工精度高，還可以進行分子生物學基因操作，如對細胞和染色體進行“手術”。

⑥微細電機：進行金屬表面納米涂層處理，提高設備的耐磨性、硬度和壽命[11]。還可替代金屬材料將納米塑料加工成齒輪，降低成本。

2.2 智能加工技術

切削加工過程中由于存在多種復雜的物理現(xiàn)象，如加工幾何誤差、熱變形、彈性變形以及系統(tǒng)振動等，導致工件的形狀精度和表面質量不能滿足要求。原因在于，數(shù)控加工中不僅數(shù)控機床和加工過程會影響加工精度，機床與加工過程的交互作用也會造成一定的影響，且這種影響往往又難以預知其結果，進而導致加工過程控制不好。因此，要提高精度，不能忽略機床與加工過程的交互作用，通過建模和仿真，不斷優(yōu)化加工過程，提高加工效果。同時利用傳感器技術，及時感知加工狀態(tài)并對加工參數(shù)作出適時調(diào)整，保證形狀精度與表面質量[12]。

智能加工是制造自動化的發(fā)展方向，是人工智能與數(shù)字化制造的緊密結合，利用計算機對加工過程進行建模、仿真、預測，同時對加工系統(tǒng)實施監(jiān)測與控制，根據(jù)實時工況自動選取合適的加工參數(shù)，獲得最優(yōu)的加工效果。智能加工的技術內(nèi)涵包括以下幾方面。

①加工過程仿真與優(yōu)化：通過模型仿真，優(yōu)化選取對零件加工質量影響較大的各參數(shù)如加工工藝、切削參數(shù)、進給速度等，并生成合理的控制指令，從而指導加工。

②過程監(jiān)控與誤差補償：借助傳感器、遠程監(jiān)控、故障診斷技術等，實時監(jiān)測加工過程并進行調(diào)整，同時對加工中產(chǎn)生的誤差進行實時補償。

③通訊等其他輔助智能：借助通訊設備將獲得的信息及時進行反饋。

2.3 增材制造技術

增材制造又稱“3D打印”，指人類通過對物質可控的動態(tài)積累，以逼近目標的一種生產(chǎn)過程，是一種直接數(shù)字化制造，由三維實體計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）模型直接制造出產(chǎn)品。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①無需準備毛坯，省去零件加工、裝配等工序，省去刀具和模具，大大提高效率，節(jié)約成本。②可根據(jù)需要設計產(chǎn)品，打印產(chǎn)品，做到產(chǎn)品的唯一性，完全按訂單制造。③不僅按需制造，生產(chǎn)車間靈活多變，節(jié)約物流成本。④最大限度地發(fā)揮材料特性，減少材料浪費。⑤產(chǎn)品的工藝性，結構和形狀是否復雜等這些不再是設計師設計創(chuàng)作的攔路虎。

隨著增材技術的發(fā)展，越來越多的材料可用來進行3D打印，樹脂、塑料這樣的軟材料，鈦合金這樣的高強度材料，陶瓷、玻璃這樣的脆性材料等都可以打印。而且性能更好，質量更輕，對航空航天產(chǎn)品來說，輕質將帶來產(chǎn)品性能的提高和經(jīng)濟效益。

增材制造技術的優(yōu)勢逐漸在眾多加工制造技術中凸顯出來，我國對“3D打印”技術越來越重視，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》將增材制造技術列為重點發(fā)展對象，以期在航空航天、燃氣輪機、無人機、武器裝備、生物醫(yī)療、汽車制造、文化教育中得到廣泛應用。

3 展望

21世紀的科技迅猛發(fā)展，無論是新材料的發(fā)展還是先進制造技術的進步，都不是一門學科能夠解決的，需要材料、機械制造、電子、物理、化學等多門學科的綜合，新材料的發(fā)展促進了制造技術的發(fā)展，同時又離不開先進制造技術的支撐，兩者相輔相成。因此開展前沿交叉研究需要各界精英聯(lián)起手來，共同研究。盡管目前在微制造技術與微納米力學的交叉領域取得了顯著進展，但是隨著研究尺度的進一步減小以及新制造技術的開發(fā)，微納米制造將向著更深入和更系統(tǒng)的方向發(fā)展。

雖然我國的制造技術與發(fā)達國家還有很大的差距，一些關鍵的材料還要依賴進口，但相信通過我們的不懈努力，我國從制造業(yè)大國轉變成制造業(yè)強國指日可待。2025年，中國的制造業(yè)將有翻天覆地的變化，“中國智造”又會上升新的高度。

參考文獻

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