費(fèi)有靜 裴小兵

我們的生活離不開(kāi)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(yīng)的智能材料；利用自然界的氣候變化轉(zhuǎn)變成清潔可再生能源材料；通過(guò)改變光的傳播特性制成隱身材料等。先進(jìn)材料是經(jīng)濟(jì)安全和人類健康發(fā)展的基礎(chǔ)，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)于科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，同時(shí)對(duì)人類認(rèn)知、思維、價(jià)值理念、生活方式以至社會(huì)形態(tài)等都將產(chǎn)生顛覆性的變革[1]。

在世界各國(guó)加大對(duì)新材料的廣泛關(guān)注，相繼制定相關(guān)計(jì)劃、政策加速新材料研發(fā)的背景下，美國(guó)于2011年提出“材料基因組計(jì)劃”，發(fā)動(dòng)多個(gè)機(jī)構(gòu)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(yīng)用的時(shí)間。新材料每年都以一定的速度增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今全世界新材料種類以每年25萬(wàn)種的速度遞增[2]。如果把材料比作人類社會(huì)文明大廈的基石，那么制造技術(shù)就是人類社會(huì)進(jìn)化的里程碑。只有在先進(jìn)制造技術(shù)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(shì)

隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，總的來(lái)說(shuō)，其性能更強(qiáng)大、更智能化、尺寸更小、綠色環(huán)保，既有對(duì)傳統(tǒng)材料的更新升級(jí)、功能擴(kuò)大，也有新研發(fā)的前沿材料。以下從幾個(gè)方面談?wù)勑虏牧系陌l(fā)展趨勢(shì)。

1.1 高性能材料

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

石墨烯的優(yōu)異性能有：

①電學(xué)性能優(yōu)良，電子遷移率高，室溫下是硅的100倍，用作半導(dǎo)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(yùn)動(dòng)速度接近光速，功耗比同類硅產(chǎn)品降低90%[4]。美國(guó)2013年研制出高導(dǎo)電性石墨烯柔性電極，對(duì)于大幅面、可折疊精密顯示設(shè)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(shè)備的材料，質(zhì)輕便于攜帶。2015年研發(fā)出“激光誘導(dǎo)石墨烯”制備法，用于制造柔性電容器應(yīng)用于航天電子系統(tǒng)中。

②比表面積達(dá)2 630m2/g，用于高功率激光器的核心材料。2015年6月，韓國(guó)三星公司采用合成法制備出高度結(jié)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(jí)電容和電池中。

③力學(xué)性能好，石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度達(dá)125GPa，是鋼的100倍以上。利用石墨烯超薄、超輕、超抗壓等特點(diǎn)，可用于制造防彈衣，質(zhì)輕，防護(hù)能力強(qiáng)，勝過(guò)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(qiáng)耐腐涂層。

④優(yōu)異的光學(xué)性能，單層石墨烯的可見(jiàn)光透光率達(dá)97.7%，具有良好的微波吸收特性。此外，熱導(dǎo)率達(dá)5.3kW/（m·K），突出的熱學(xué)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(duì)軍用電子系統(tǒng)、能源、防護(hù)、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(huì)發(fā)生一定的改變，材料的研究逐漸深入到微納米級(jí)別。納米制造技術(shù)是當(dāng)前競(jìng)相研究的最前沿領(lǐng)域，微型齒輪、微型齒輪泵、微型氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等。如當(dāng)質(zhì)量?jī)H200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(guó)更多的青睞。應(yīng)用領(lǐng)域再一次得到延伸，離不開(kāi)納米材料的不斷發(fā)展。

1.2.1 奇特的光學(xué)特性

納米粒子對(duì)光的反射率很低，吸收率很強(qiáng)，導(dǎo)致粒子變黑；納米微粒的吸收帶普遍向短波方向移動(dòng)而形成“藍(lán)移現(xiàn)象”；納米微粒還會(huì)出現(xiàn)常規(guī)材料沒(méi)有的發(fā)光現(xiàn)象。

1.2.2 擴(kuò)散及燒結(jié)性能

納米結(jié)構(gòu)材料具有較高的擴(kuò)散率，源于納米結(jié)構(gòu)材料存在大的界面，為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。擴(kuò)散率高，可以在較低的溫度下對(duì)材料進(jìn)行有效摻雜，使不混溶金屬形成新的合金相，增強(qiáng)擴(kuò)散能力的同時(shí)大大降低燒結(jié)溫度。

當(dāng)微粒的尺寸達(dá)到微納米量級(jí)后所帶來(lái)的物理性質(zhì)的改變?yōu)榧{米材料的應(yīng)用打開(kāi)了一個(gè)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(guó)的廣泛關(guān)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(jiàn)光、紅外及聲波方面的隱身應(yīng)用取得長(zhǎng)足進(jìn)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(duì)近紅外波段進(jìn)行隱身；2014年，美國(guó)杜克大學(xué)研制出世界首個(gè)三維“隱身斗篷”[6]，對(duì)聲波隱身，推動(dòng)了隱身飛行器的開(kāi)發(fā)和研究。

1.3.2 雷達(dá)罩用超材料

軍用飛機(jī)天線罩除了要保護(hù)天線免受環(huán)境影響外，還要避免受到敵方雷達(dá)的探測(cè)。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(dá)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(jié)構(gòu)肋條的存在，天線圖產(chǎn)生偏差。早在2012年，美國(guó)國(guó)防部采用超材料雷達(dá)罩后，該問(wèn)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(lái)，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(zhǎng)度的物質(zhì)。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(gè)“理想透鏡”于2013年被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所制得的超材料平板透鏡所實(shí)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(jìn)行判斷后適當(dāng)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(shè)計(jì)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(duì)于解放人類雙手，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yīng)用對(duì)于普遍實(shí)現(xiàn)智能加工的意義重大。智能材料的研究與開(kāi)發(fā)，需要多學(xué)科的高科技人才的團(tuán)結(jié)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(fù)雜材料工程體系[8]。在制造領(lǐng)域，人工智能技術(shù)的融入成為新熱點(diǎn)。

1.5 綠色材料

制造業(yè)是眾多企業(yè)財(cái)富積累的重要來(lái)源，是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，在產(chǎn)品的制造、使用及報(bào)廢處理中，都會(huì)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(duì)環(huán)境的污染，從而實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前所提出的垃圾分類，也是對(duì)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(wú)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(shí)早在1988年第一屆國(guó)際材料會(huì)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(lái)越大，成為下世紀(jì)人類要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)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(shù)的發(fā)展

新材料的制造已成為新材料開(kāi)發(fā)和應(yīng)用必不可少的重要分支領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字化和信息化，制造工藝向自動(dòng)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(shù)

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(shù)，指對(duì)納米級(jí)（<10nm）的材料進(jìn)行加工和使用，需要多門學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)，如現(xiàn)代機(jī)械學(xué)、光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)等，獲得高的精度，改善產(chǎn)品性能和可靠性[1]，包括納米級(jí)精度的加工和納米級(jí)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(shù)是納米材料發(fā)展的技術(shù)支撐，從國(guó)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(guó)家都投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

納米加工技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。近年來(lái)，納米加工技術(shù)不斷得到突破，甚至挑戰(zhàn)原子級(jí)加工。

目前納米加工技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)5軸控制。如用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯。

②化學(xué)合成：通過(guò)化學(xué)合成法制備納米電子學(xué)器件的原理是，借助化學(xué)過(guò)程把微觀體系的物質(zhì)“自上而下”地組裝成納米器件，解決了用納米探針機(jī)械合成時(shí)對(duì)于數(shù)目巨大的納米結(jié)構(gòu)和器件難度大的問(wèn)題。

③聚焦離子束技術(shù)：離子束在電磁場(chǎng)的作用下，聚焦到亞微米甚至納米量級(jí)，并可以控制離子束發(fā)生加速、減速甚至偏轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的無(wú)掩膜加工及納米三維結(jié)構(gòu)成型等。

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

⑤微型機(jī)器人：通過(guò)微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)電子元器件的制造、組裝，加工精度高，還可以進(jìn)行分子生物學(xué)基因操作，如對(duì)細(xì)胞和染色體進(jìn)行“手術(shù)”。

⑥微細(xì)電機(jī)：進(jìn)行金屬表面納米涂層處理，提高設(shè)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(shù)

切削加工過(guò)程中由于存在多種復(fù)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(dòng)等，導(dǎo)致工件的形狀精度和表面質(zhì)量不能滿足要求。原因在于，數(shù)控加工中不僅數(shù)控機(jī)床和加工過(guò)程會(huì)影響加工精度，機(jī)床與加工過(guò)程的交互作用也會(huì)造成一定的影響，且這種影響往往又難以預(yù)知其結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致加工過(guò)程控制不好。因此，要提高精度，不能忽略機(jī)床與加工過(guò)程的交互作用，通過(guò)建模和仿真，不斷優(yōu)化加工過(guò)程，提高加工效果。同時(shí)利用傳感器技術(shù)，及時(shí)感知加工狀態(tài)并對(duì)加工參數(shù)作出適時(shí)調(diào)整，保證形狀精度與表面質(zhì)量[12]。

智能加工是制造自動(dòng)化的發(fā)展方向，是人工智能與數(shù)字化制造的緊密結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行建模、仿真、預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)加工系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)與控制，根據(jù)實(shí)時(shí)工況自動(dòng)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(shù)內(nèi)涵包括以下幾方面。

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

②過(guò)程監(jiān)控與誤差補(bǔ)償：借助傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷技術(shù)等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程并進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)加工中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

③通訊等其他輔助智能：借助通訊設(shè)備將獲得的信息及時(shí)進(jìn)行反饋。

2.3 增材制造技術(shù)

增材制造又稱“3D打印”，指人類通過(guò)對(duì)物質(zhì)可控的動(dòng)態(tài)積累，以逼近目標(biāo)的一種生產(chǎn)過(guò)程，是一種直接數(shù)字化制造，由三維實(shí)體計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）模型直接制造出產(chǎn)品。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①無(wú)需準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(fèi)。⑤產(chǎn)品的工藝性，結(jié)構(gòu)和形狀是否復(fù)雜等這些不再是設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)創(chuàng)作的攔路虎。

隨著增材技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的材料可用來(lái)進(jìn)行3D打印，樹脂、塑料這樣的軟材料，鈦合金這樣的高強(qiáng)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(zhì)量更輕，對(duì)航空航天產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，輕質(zhì)將帶來(lái)產(chǎn)品性能的提高和經(jīng)濟(jì)效益。

增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸在眾多加工制造技術(shù)中凸顯出來(lái)，我國(guó)對(duì)“3D打印”技術(shù)越來(lái)越重視，《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》將增材制造技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，以期在航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)、無(wú)人機(jī)、武器裝備、生物醫(yī)療、汽車制造、文化教育中得到廣泛應(yīng)用。

3 展望

21世紀(jì)的科技迅猛發(fā)展，無(wú)論是新材料的發(fā)展還是先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步，都不是一門學(xué)科能夠解決的，需要材料、機(jī)械制造、電子、物理、化學(xué)等多門學(xué)科的綜合，新材料的發(fā)展促進(jìn)了制造技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)又離不開(kāi)先進(jìn)制造技術(shù)的支撐，兩者相輔相成。因此開(kāi)展前沿交叉研究需要各界精英聯(lián)起手來(lái)，共同研究。盡管目前在微制造技術(shù)與微納米力學(xué)的交叉領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但是隨著研究尺度的進(jìn)一步減小以及新制造技術(shù)的開(kāi)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(guó)的制造技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距，一些關(guān)鍵的材料還要依賴進(jìn)口，但相信通過(guò)我們的不懈努力，我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)轉(zhuǎn)變成制造業(yè)強(qiáng)國(guó)指日可待。2025年，中國(guó)的制造業(yè)將有翻天覆地的變化，“中國(guó)智造”又會(huì)上升新的高度。

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