新材料是第四次工业革命的基础

周刊        2019-07-09   来源:寻史问迹

——兼论“功能性材料与技术是表面工程发展的重要方向”

智能时代:第四次工业革命奇点将至

人类历史的发展,从农业社会进入工业社会,钢铁及其他金属材料的出现,开启了工业1.0时代,即由蒸汽机、内燃机的发明而进入机械化时代;随着电磁、导电、绝缘材料的出现,电及电机的发明开启了工业2.0电气化及初级自动化时代,这标志着机器代替部分人的体力劳动;由电子管、半导体等材料的出现,导致发明晶体管、通讯技术、计算机等,以至于硅基材料的出现发明了集成电路,由此诞生现代通讯技术、互联网等,进入工业3.0信息化(即数字化、网络化)时代;而大数据、超级计算机及人工智能等的出现,则开启了工业4.0智能化时代。

在第四次工业革命的智能化时代,超级计算机、大数据、人工智能装备,是感知、学习、存储、运算、决策等的载体,这些智能装备的制造,必须要有更新型的材料支持。例如纳米材料、稀土材料、覆合材料、定制有机材料及多元合金,甚至单原子、单晶的金属丝,单原子的石墨烯等;同时需要提升新的制备工艺及方法,如PVD、CVD、PCVD、磁控溅射、元素共渗、辐照、金属表面改性、离子注入、新型的电镀、涂装、热喷涂、冷喷涂、转化膜等工艺技术和加工方法层出不穷地出现。只有这样,才能在新材料产业化与规模化应用的基础上,推进现代工业向4.0时代发展。

极端制造:功能性新型材料不可或缺

最近,笔者发表了一篇名为《极端制造体现国家竞争力》的文章,这是应邀参加“中铁高新工业川藏铁路极端制造装备研制誓师动员大会”上的讲话稿,其中阐明:极端装备是指“极大或极小的极端尺度范围内,面向极端任务,工作于极端环境运行的技术装备”;“川藏铁路施工需要的,适应极端气候条件、高山、高海拔、深峡谷、高寒、冻土层及最复杂的横断山脉地质条件的桥梁装备、掘进装备、高寒高原凿岩、湿喷台车等特种装备等”,“扩大到其他领域,包括‘深空’‘深海’‘深地’‘极寒’‘超高速’‘超高精度’等的一批极端装备。”这些装备都需要特种新型材料及特种新型的表面工程涂层技术,以抵抗高温、低温、高湿、辐射及各种射线、高速、高压、摩擦、高强度,并需要极轻量化等装备,保证在极苛刻的环境下安全、可靠地运行。

作为表面工程领域的工作者,要扩大眼界,扩大服务领域,积极研发新材料,发明新工艺,为极端装备制造,发展军民两用的装备及器具作出不可或缺的新贡献。

自组定制:自感知表面工程谜之猜想

近日读到《表面工程与再制造》2018年第5期刊载一篇由刘仁志撰写的“自组装与表面处理技术”,这是一篇极为重要的文章,文中指明了表面工程技术发展方向之一。

读罢该文,收获不小。过去笔者只知道汽车喷涂涂层在轻微划伤时,可以有“自修复”功能。另外,按照常理,只有人体有机细胞构成的皮屑有自修复功能。奇怪的是,无生命的有机物也可能有“自修复”功能!这很值得有机化学专家及材料学教授们深入研究其“机理”,有可能对表面工程技术产生颠覆性的革命。

由此联想起10年前,温州的一位老朋友给我配的一副能变色的有机玻璃眼镜,估计在有机玻璃中就加入了某些可变色透明的物质,当阳光直射时,激发这些物质元素结构变化,致其能量不同,而引发不同程度的暗色,既轻巧,又可保护眼睛,这不就是符合有机物的“自修复”或“自适应”的性能吗?笔者是学“机械”的,说不清楚其机理,这涉及有机分子学、材料学。人也是由有机物构成的,经过长期发展,从无生命到有生命,从植物发展到动物,从单细胞生物发展到多细胞生物,从低级软体动物发展到高等灵长类动物,最后出现了“智人”及“人”。这是生物经过“达尔文”进化演变,发生多次质的飞跃而形成的。人类的DNA、ANA也是由地球上的元素形成有机物构成的。

“人工智能”具有自感知、自学习、自记忆、自思考、自决策、自执行、自适应等特征。而“自修复”材料也可能有某种外因刺激,由“自感知”造成有机物分子结构的变化,而自修复并达到“自适应”的目的,这仅是笔者的猜测与“科幻”而已,但科幻也是基于一定科学常识演化而来,虽不能登学术的“大雅之堂”,却对推动创新思维是有启发作用的。

另外,前不久笔者到武汉吉和昌新材料股份有限公司参观学习,启示颇多。曾与公司董事长宋文超讨论过新材料的“定制化”问题,有机化合物按分子量区分,分高分子、中分子、小分子,其中很多结构是C与H的单键或共键结合,或-OH基及其他元素键合而形成。具有不同性能的高分子有机化合物材料,却可以采用人工合成法制备,为了适应某些极端环境或工况的需要,能否定制具有某种特性的新型材料呢?包括自修复材料,或随环境变化或工况变化而使其材料特性有所变化呢?从而自适应某些工况的要求,这是笔者的一种幻想吧!或算是一种预测吧!科学进步需要有一些幻想,与空想不同之点,在于“幻想”有一定的科学道理而已。

未来展望:无愧于工业新时代的到来

“定制化+自组装”的新材料,是表面工程技术在工业4.0时代中的重要发展方向之一;再者,新材料的表面工程技术+智能制造技术+清洁生产,是推动表面工程技术迅速发展的三驾马车。

这些带有幻想性的观点,希望引起表面工程界的讨论,即我们在迎接工业4.0时代的到来,表面工程行业的同仁们应该注意些什么,做些什么,才能无愧于工业4.0时代的到来!

只有想不到,没有做不到。想象力是科学最重要的一个因素。原机械工业部副部长沈烈初提出,表面工程发展的重要方向是极端材料和智能材料,这为中国材料制造业指出了重要的工业应用场景。

日前,美国的汤森路透集团发布了全球顶尖的100位材料学家名人堂榜单。共有15位华人科学家入选,其中榜单前6名都是华人。但中国材料制造业的地位与欧美乃至日本比起来都有着不小的差距。我国材料研究的繁荣背后还没有支撑起相应体量的工业应用。表面工程就是一个极其重要的工业应用场景。表面工程是表面经过预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况,以获得表面所需性能的系统工程。表面工程技术最突出的技术特点是无需改变整体材质,就能获得本体材料所不具备的某些特殊性能。表面技术多获得的表面覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米。沈烈初将新材料与表面工程的发展相结合,提出了新材料在表面工程中的两大应用前景:极端制造和极端设备、表面工程的自组装和定制化。尤其是表面工程的自组装和定制化具有极强的前瞻性。

相关链接:目前表面工程领域成果一览

美国密歇根大学开发出防雪涂层

密歇根大学(UniversityofMichigan)研究人员开发出一种防雪涂层,将该涂层涂敷在机动车玻璃上或是建筑物外墙上,可以有效防止霜雪在其表面的沉积。据报道,该涂层主要由弹性组织构成,该组织可在极小的外力作用下发生较大的变形,这便使得霜雪在沉积时丧失固定的支撑,因而发生脱落。

美国伯克利劳伦斯国家实验室开发出热反射薄膜

据统计,美国每年从窗户散失的能量将造成500亿美元的经济损失,为了改善这一问题,伯克利劳伦斯国家实验室开发了一种选择性反射玻璃薄膜,该薄膜对可见光具有透射性,而对红外线具有反射性,这意味着在夏天外面的光线不能使室内升温,而冬天室内产生的热量也不会散失到屋外。

美国NASA开发出超滑飞机涂层

飞机在大气中飞行时,即使极小的颗粒包括昆虫等都会使其飞行阻力增大,针对于此,NASA研制出了一种超滑薄膜,其表面具有类似莲花的形貌,这可以使颗粒物迅速划过。NASA预测,采用这种设计的飞起燃料效率将会至少提高一个百分点,这将使类似英国航空公司等大型航空公司每年节省3500万美元。

美国麻省理工大学开发出抑菌薄膜

麻省理工大学研究人员利用逐层沉积的方法制备了一种能抑制细菌的薄膜,该薄膜主要用于帮助骨损伤患者康复。薄膜的总厚度为0.5~2μm,上层含有抗生素,下层则含有促进骨骼痊愈的药物,这使得该薄膜具有抑菌和促进骨骼恢复双重功效,这将有助于患者的康复治疗。

新加坡A*STAR研制出环境友好型抑菌涂层

船舶等航海设备的外表面常常会覆盖一层有机物涂层,其作用是防止细菌以及海水有机物在船舶表面滋生。这层涂层以往常由有毒材料构成,而这会对环境产生影响。针对于此,来自新加坡A*STAR公司的研究人员采用poly(methyloxa-zoline)制备了新型涂层,该涂层具有柔性、耐氧化等特性,而最重要的是该涂层为环境友好型。

芬兰Carbodeon纳米金刚石颗粒可使氟化物涂层耐磨性提高一倍以上

芬兰Carbodeon公司日前开发出一种适于添加到氟化物中的纳米级金刚石颗粒,研究人员改变了金刚石颗粒的表面状况,使得颗粒易于弥散到氟化物中,而不是聚集起来。该纳米颗粒直径只有约10nm,不过其却可显著提高氟化物的耐磨性。

澳大利亚MoS2薄膜助力科学家制备世界最薄镜头

MoS2薄膜具有巨大的光程长度,其数值甚至比单层石墨烯膜大一个数量级,正是利用其这一特性,来自澳大利亚国立大学(AustralianNationalUniversity)的研究人员制备了目前世界上最薄的透镜镜头,其厚度仅为6.3nm。研究人员认为这项技术将会极大地改变人类的生活,想想科幻片中的那些纸片般厚度的手机,或许它们离我们真的不远了。

我国活塞杆表面处理技术取得重大突

全球首条可控离子渗入技术(PIP)生产线在湖南红宇耐磨新材料股份有限公司投产。中国机械工业联合会执行副会长杨学桐说,这表明我国活塞杆表面处理技术取得重大突破,有望打破德国公司长期垄断该领域先进技术的局面。可控离子渗入技术简称PIP,是一种盐浴复合处理技术。负责该项技术的红宇新材总工程师罗德福说,采用PIP技术加工的活塞杆,抗中性盐雾试验已达816小时,而之前采用国际最先进技术加工的活塞杆最多只有360小时。