从材料角度谈现代制造技术的发展

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我们的生活离不开各式各样的材料，材料在生活中起着举足轻重的作用，源源不断所涌现的新材料更是在生产生活中发挥着重要作用。新材料比传统材料性能更优异，甚至具有特殊功能，如能根据外界变化作出反应的智能材料；利用自然界的气候变化转变成清洁可再生能源材料；通过改变光的传播特性制成隐身材料等。先进材料是经济安全和人类健康发展的基础，加速新材料的发现和应用，对于科技迅猛发展的当下来说至关重要，同时对人类认知、思维、价值理念、生活方式以至社会形态等都将产生颠覆性的变革[1]。

在世界各国加大对新材料的广泛关注，相继制定相关计划、政策加速新材料研发的背景下，美国于2011年提出“材料基因组计划”，发动多个机构共同参与新材料的研发，以期缩短新材料从发现、制造到应用的时间。新材料每年都以一定的速度增长。据统计，现今全世界新材料种类以每年25万种的速度递增[2]。如果把材料比作人类社会文明大厦的基石，那么制造技术就是人类社会进化的里程碑。只有在先进制造技术的支撑下，材料在人类生活中的作用才能得以体现。

1 新材料的发展趋势

随着新材料的不断涌现，总的来说，其性能更强大、更智能化、尺寸更小、绿色环保，既有对传统材料的更新升级、功能扩大，也有新研发的前沿材料。以下从几个方面谈谈新材料的发展趋势。

1.1 高性能材料

二维石墨烯是当前性能最强的材料之一，单层石墨烯材料只有一个碳原子直径厚，具有半导体和金属的双重特性，鉴于石墨烯的优异性能，被认为是最有应用前景的材料[3]。

石墨烯的优异性能有：

①电学性能优良，电子迁移率高，室温下是硅的100倍，用作半导体的电路具有高的工作频率。世界首款石墨烯处理器，电子的运动速度接近光速，功耗比同类硅产品降低90%[4]。美国2013年研制出高导电性石墨烯柔性电极，对于大幅面、可折叠精密显示设备的生产大有帮助[5]，军事上还可作为军用电子地图等显示设备的材料，质轻便于携带。2015年研发出“激光诱导石墨烯”制备法，用于制造柔性电容器应用于航天电子系统中。

②比表面积达2 630m2/g，用于高功率激光器的核心材料。2015年6月，韩国三星公司采用合成法制备出高度结晶石墨烯的硅阴极，锂离子电池的电容量得到大幅提升，还可用于航天武器装备的超级电容和电池中。

③力学性能好，石墨烯结构稳定，抗拉强度达125GPa，是钢的100倍以上。利用石墨烯超薄、超轻、超抗压等特点，可用于制造防弹衣，质轻，防护能力强，胜过钢铁和芳纶纤维。此外，石墨烯还具有防腐功能，可用于制作超强耐腐涂层。

④优异的光学性能，单层石墨烯的可见光透光率达97.7%，具有良好的微波吸收特性。此外，热导率达5.3kW/（m·K），突出的热学性能可用于集成电路处理器芯片，提高其散热性能。

石墨烯材料的优异性能对军用电子系统、能源、防护、航空航天隐身系统等发展的作用不可小觑。

1.2 纳米材料

借助扫描隧道显微镜，人们发现随着材料尺寸的减小，材料的性能会发生一定的改变，材料的研究逐渐深入到微纳米级别。纳米制造技术是当前竞相研究的最前沿领域，微型齿轮、微型齿轮泵、微型气动涡轮及联接件等。如当质量仅200多克的微型卫星成功发送上天，微型系统受到了世界各国更多的青睐。应用领域再一次得到延伸，离不开纳米材料的不断发展。

1.2.1 奇特的光学特性

纳米粒子对光的反射率很低，吸收率很强，导致粒子变黑；纳米微粒的吸收带普遍向短波方向移动而形成“蓝移现象”；纳米微粒还会出现常规材料没有的发光现象。

1.2.2 扩散及烧结性能

纳米结构材料具有较高的扩散率，源于纳米结构材料存在大的界面，为原子提供了短程扩散途径。扩散率高，可以在较低的温度下对材料进行有效掺杂，使不混溶金属形成新的合金相，增强扩散能力的同时大大降低烧结温度。

当微粒的尺寸达到微纳米量级后所带来的物理性质的改变为纳米材料的应用打开了一个广阔的天地。

1.3 超材料

超材料具有超常物理性能，这一发现引起世界各国的广泛关注，是继纳米材料之后的又一重大突破，其前途不可限量，是一种极具发展潜力的新型材料。

1.3.1 表面隐身用超材料

目前，超材料在可见光、红外及声波方面的隐身应用取得长足进展。2012年，俄罗斯和丹麦合作研究制备出掺杂铝的氧化锌隐身材料可以对近红外波段进行隐身；2014年，美国杜克大学研制出世界首个三维“隐身斗篷”[6]，对声波隐身，推动了隐身飞行器的开发和研究。

1.3.2 雷达罩用超材料

军用飞机天线罩除了要保护天线免受环境影响外，还要避免受到敌方雷达的探测。为提高传统天线罩的耐压性能，增加天线罩的厚度，但发现厚度增加后，受热损耗和反射损耗的影响天线的性能反而降低了。在雷达罩中引入超材料覆层，保持其形状不变，限制电磁波在其他方向的传播仅局限于在垂直方向附近的小角度内传播。E—2原天线罩由于结构肋条的存在，天线图产生偏差。早在2012年，美国国防部采用超材料雷达罩后，该问题得到了有效解决，且效果较好。

1.3.3 超薄透镜用超材料

一直以来，显微鏡、眼镜及放大镜的镜片在制造中发现观察不到小于光波长度的物质。改用超材料制成的超薄透镜，提高了分辨率，普通镜片的弊端得以避免。这个“理想透镜”于2013年被美国国家标准与技术研究所制得的超材料平板透镜所实现[7]。

1.4 智能化新型材料

智能材料是一种能够感知外部刺激，并进行判断后适当处理甚至执行命令的一种新型功能材料，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第4代材料，是新材料发展的重要方向之一，这对于解放人类双手，提高生产效率，实现自动化、智能化生产，有着重要作用。智能材料的研制和大规模应用对于普遍实现智能加工的意义重大。智能材料的研究与开发，需要多学科的高科技人才的团结协作，是一种集材料、传感系统、控制系统、执行系统、智能处理于一体的复杂材料工程体系[8]。在制造领域，人工智能技术的融入成为新热点。

1.5 绿色材料

制造业是众多企业财富积累的重要来源，是一个国家的经济命脉。我国是一个制造业大国，在产品的制造、使用及报废处理中，都会消耗大量资源，甚至还污染环境。从源头上解决环境污染，首先原材料得为绿色材料，减轻对环境的污染，从而实现人类社会的可持续发展，当前所提出的垃圾分类，也是对绿色材料的提倡，走可持续发展的道路。

从选取原料、产品加工、使用、再循环利用到废物处理，均无污染环境的材料产生，这样的材料称之为“绿色材料”，其实早在1988年第一届国际材料会议上就提出“绿色材料”的概念，随着生态环境的日益恶化，绿色材料的呼声越来越大，成为下世纪人类要实现的目标材料之一[9]。绿色材料包括循环材料、净化材料和绿色建材。

2 现代制造技术的发展

新材料的制造已成为新材料开发和应用必不可少的重要分支领域，随着计算机数字化和信息化，制造工艺向自动化、数字化、智能化、增材制造等方向迅速发展。

2.1 微纳米制造技术

纳米加工是随着纳米材料、扫描隧道显微镜的发展而兴起的一门综合性加工技术，指对纳米级（<10nm）的材料进行加工和使用，需要多门学科的先进技术，如现代机械学、光学、电子、计算机等，获得高的精度，改善产品性能和可靠性[1]，包括纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组[10]。纳米加工技术是纳米材料发展的技术支撑，从国防、航空航天等高科技产品到民用产品都涉及到纳米加工，世界许多国家都投入了大量的人力和物力进行研究和开发。

纳米加工技术已成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志。近年来，纳米加工技术不断得到突破，甚至挑战原子级加工。

目前纳米加工技术主要有：

①切削加工：如车、铣、磨削、电火花加工的多功能微型精密加工车床，甚至能够实现5轴控制。如用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯。

②化学合成：通过化学合成法制备纳米电子学器件的原理是，借助化学过程把微观体系的物质“自上而下”地组装成纳米器件，解决了用纳米探针机械合成时对于数目巨大的纳米结构和器件难度大的问题。

③聚焦离子束技术：离子束在电磁场的作用下，聚焦到亚微米甚至纳米量级，并可以控制离子束发生加速、减速甚至偏转从而实现纳米结构的无掩膜加工及纳米三维结构成型等。

④准分子激光直写纳米加工技术：该加工方法分辨率高、光子能量大、冷加工、无环境污染、加工材料广泛。

⑤微型机器人：通过微型机器人实现微纳米级电子元器件的制造、组装，加工精度高，还可以进行分子生物学基因操作，如对细胞和染色体进行“手术”。

⑥微细电机：进行金属表面纳米涂层处理，提高设备的耐磨性、硬度和寿命[11]。还可替代金属材料将纳米塑料加工成齿轮，降低成本。

2.2 智能加工技术

切削加工过程中由于存在多种复杂的物理现象，如加工几何误差、热变形、弹性变形以及系统振动等，导致工件的形状精度和表面质量不能满足要求。原因在于，数控加工中不仅数控机床和加工过程会影响加工精度，机床与加工过程的交互作用也会造成一定的影响，且这种影响往往又难以预知其结果，进而导致加工过程控制不好。因此，要提高精度，不能忽略机床与加工过程的交互作用，通过建模和仿真，不断优化加工过程，提高加工效果。同时利用传感器技术，及时感知加工状态并对加工参数作出适时调整，保证形状精度与表面质量[12]。

智能加工是制造自动化的发展方向，是人工智能与数字化制造的紧密结合，利用计算机对加工过程进行建模、仿真、预测，同时对加工系统实施监测与控制，根据实时工况自动选取合适的加工参数，获得最优的加工效果。智能加工的技术内涵包括以下几方面。

①加工过程仿真与优化：通过模型仿真，优化选取对零件加工质量影响较大的各参数如加工工艺、切削参数、进给速度等，并生成合理的控制指令，从而指导加工。

②过程监控与误差补偿：借助传感器、远程监控、故障诊断技术等，实时监测加工过程并进行调整，同时对加工中产生的误差进行实时补偿。

③通讯等其他辅助智能：借助通讯设备将获得的信息及时进行反馈。

2.3 增材制造技术

增材制造又称“3D打印”，指人类通过对物质可控的动态积累，以逼近目标的一种生产过程，是一种直接数字化制造，由三维实体计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）模型直接制造出产品。其优势主要体现在：①无需准备毛坯，省去零件加工、装配等工序，省去刀具和模具，大大提高效率，节约成本。②可根据需要设计产品，打印产品，做到产品的唯一性，完全按订单制造。③不仅按需制造，生产车间灵活多变，节约物流成本。④最大限度地发挥材料特性，减少材料浪费。⑤产品的工艺性，结构和形状是否复杂等这些不再是设计师设计创作的拦路虎。

随着增材技术的发展，越来越多的材料可用来进行3D打印，树脂、塑料这样的软材料，钛合金这样的高强度材料，陶瓷、玻璃这样的脆性材料等都可以打印。而且性能更好，质量更轻，对航空航天产品来说，轻质将带来产品性能的提高和經济效益。

增材制造技术的优势逐渐在众多加工制造技术中凸显出来，我国对“3D打印”技术越来越重视，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》将增材制造技术列为重点发展对象，以期在航空航天、燃气轮机、无人机、武器装备、生物医疗、汽车制造、文化教育中得到广泛应用。

3 展望

21世纪的科技迅猛发展，无论是新材料的发展还是先进制造技术的进步，都不是一门学科能够解决的，需要材料、机械制造、电子、物理、化学等多门学科的综合，新材料的发展促进了制造技术的发展，同时又离不开先进制造技术的支撑，两者相辅相成。因此开展前沿交叉研究需要各界精英联起手来，共同研究。尽管目前在微制造技术与微纳米力学的交叉领域取得了显著进展，但是随着研究尺度的进一步减小以及新制造技术的开发，微纳米制造将向着更深入和更系统的方向发展。

虽然我国的制造技术与发达国家还有很大的差距，一些关键的材料还要依赖进口，但相信通过我们的不懈努力，我国从制造业大国转变成制造业强国指日可待。2025年，中国的制造业将有翻天覆地的变化，“中国智造”又会上升新的高度。

参考文献

[1] 新材料与制造工艺“参考系”[EB/OL].（2019—07—02）.http：///globe/2019-07/02/c138169392.htm.

[2] 李俊玲.“三国鼎立”的材料世界[J].语文世界（初中版），2005（3）.47—48.

[3] 王浩.石墨烯研究进展及其应用现状[J].精细石油化工进展，2018（5）：51—54.

[4] 银稀土氧化物触头材料的性能[EB/OL].（2017—05—27）.https：//max.book118.com/html/2017/0527/109511322.shtm.

[5] 邯郸微米纳米金粉用途品质更好[EB/OL].（2019—07—06）.http：//bbs.cnncw.cn/qysx/fulangshi—56243—4262391845.html.

[6] 聚焦航天新型高性能材料的研究進展[EB/OL].（2018—10—30）.https：///a/272186129_655347.

[7] 吴凯，张铁军，姚为，等.航天新型高性能材料的研究进展[J].宇航材料工艺，2017（6）： 1—9.

[8] 王利红，王金凤.形状记忆合金在智能结构中的设计与应用[J].机电工程技术，2004（11）： 66—68.

[9] 廖骧，浅谈绿色设计概念及室内景观生态设计[J].中国新技术新产品，2012（20）：213.

[10] 超精密与纳米加工技术[EB/OL].（2019—04—21）.https：//wenku.baidu.com/view/1fbe2072900ef12d2af90242a8956be.

[11] 王盛章，丁光宏.力学与人类生活[M].上海：复旦大学出版社，2012.

[12] 智能加工技术的概念和研究现状[EB/OL].（2017—06—16）. https：//bbs.xianjichina.com/forum/details_54285.