從古至今，咱中國人就沿用著用稻草或麥秸和上粘土泥巴蓋房子，這用現(xiàn)在的話來講就是一種復(fù)合材料，從泥瓦磚木，到銅鐵鋁鋼，再到碳纖維、石墨烯，伴隨著文明和科技的進步，人類對材料開發(fā)利用的廣度和深度逐步加大加深。新材料技術(shù)的突破，正伴隨著新一輪產(chǎn)業(yè)革命，改變我們的生活和所處的這個世界。今天要給你講的材料的秘密絕對讓人漲知識，看完以后沒準(zhǔn)你也靈光一現(xiàn)，創(chuàng)造出什么新材料也不一定噢！

    【“中國草”能變身小提琴？】

    這把小提琴，是意大利的經(jīng)典樣式。不過它可不是一把普通的木質(zhì)小提琴，它有一個特殊的名字——碳麻琴。

    益小蘇，就是這把小提琴的設(shè)計者，他被譽為航空新材料的魔法師?，F(xiàn)在，他要讓航空材料的高端技術(shù)用于民用領(lǐng)域，為民品帶來巨大的升級空間。

    兩年多以前，益小蘇發(fā)現(xiàn)，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一種用純碳纖維材料生產(chǎn)的小提琴。碳纖維材料高強度、低密度、耐腐蝕，可以規(guī)避傳統(tǒng)木質(zhì)小提琴受氣溫、濕度影響導(dǎo)致音色出現(xiàn)差別的難題，重量也能減小3/4，還能節(jié)省大量木材。

    但純碳纖維的小提琴，卻有一個嚴(yán)重的缺點。碳纖維的琴它的剛度很高，就意味著它尖音很尖，用純碳纖維的琴去演奏一個很歡快的高音的曲子非常好，但是如果拉舒緩的《梁祝》那就不行了，低音和中音都不夠。

    什么材料能解決純碳纖維的這個缺陷呢？利用在航空材料領(lǐng)域積累的經(jīng)驗和技術(shù)，益小蘇在不同的材料間反復(fù)嘗試，最后他發(fā)現(xiàn)，最理想的材料就是中國傳統(tǒng)的苧麻。全世界苧麻的90%以上產(chǎn)自中國，也被稱作中國草。因為顏色潔白，有絲樣光澤，在古代，苧麻不但是生產(chǎn)服裝的高檔原料，也被作為珍貴的貢品。

    把麻纖維做成織物，與碳纖維復(fù)合，益小蘇生產(chǎn)出了目前全世界唯一一把碳麻復(fù)合材料制作的小提琴。

    這種材料同時規(guī)避了木質(zhì)小提琴和純碳纖維小提琴的缺陷，不會隨著溫度、濕度發(fā)生變化，狀態(tài)十分穩(wěn)定。為了讓這把小提琴更加完美，益小蘇還與多位小提琴演奏家反復(fù)溝通研究，對于他們的不同需求了如指掌后，他開始通過調(diào)節(jié)碳纖維和麻纖維的比例，來調(diào)節(jié)小提琴的音色。

    今年下半年，第一批碳麻琴就將正式推向市場。除了音樂領(lǐng)域，益小蘇還嘗試將這種新材料應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域?；┌宓墓潭ㄆ鳎锰悸閺?fù)合材料做成的自行車。未來將會有更多節(jié)能環(huán)保的材料應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品中。

    【飛機零件是“布”做的？】

    這里是航空碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)車間。

    每隔四五天，女工馬海艷都要將新的纖維軸仔細(xì)地掛在軸架上。每個紗束里有3000多根絲束。纖維在走的過程中，不能斷紗，不能劈絲。這是碳纖維復(fù)合材料制造的第一步。

    生產(chǎn)復(fù)合材料原材料的這臺設(shè)備看上去更像是個織布機，經(jīng)過整紗、導(dǎo)引、梳理，600多根纖維紗排成一張布的形態(tài)，加入一種樹脂，通過設(shè)備上下膠膜定型，便完成了預(yù)浸料的生產(chǎn)過程。

    一張預(yù)浸料最薄的只有0.1毫米厚，要想最終變成復(fù)合材料，做飛機或輪船的零部件，需要層層鋪疊。有的甚至需要鋪疊三百多層。

    做好的預(yù)浸料是寬帶狀的，更適合制造平面結(jié)構(gòu)的零部件，但飛機的零部件有大量的類似這樣的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，這又是如何完成的呢？

    鋪絲鋪帶車間里，一臺大型的機械手正在按設(shè)定的程序自動鋪疊。要實現(xiàn)精準(zhǔn)的制造，必須得采用這種自動化的設(shè)備，才能保證鋪放的路徑跟當(dāng)初設(shè)計的路徑完全一致，而且達到穩(wěn)定重復(fù)，這樣才能夠保證飛機的安全。鋪絲技術(shù)是解決民機機身用復(fù)材的最關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)，這個技術(shù)如果不解決，復(fù)材機身就根本造不出來。

    為了制造不規(guī)則形狀或曲面結(jié)構(gòu)的零部件，帶狀的預(yù)浸料被切成6.35毫米的帶絲，一卷卷帶絲通過這臺鋪絲機按照設(shè)定的程序進行自動鋪疊。

    用手工鋪疊制造產(chǎn)品，材料利用率在百分這五十和六十左右，而用自動鋪絲技術(shù)，材料利用率在90%以上。

    層層疊加而成的復(fù)合材料在使用的過程中可能會出現(xiàn)劈裂或起層，給飛機造成安全隱患，解決這個問題的關(guān)鍵是要用這個大縫紉機將幾十層幾百層的復(fù)合材料縫合起來。

    在這個車間里，工人正在穿針引線。線是這是凱夫拉纖維，大多用來做防彈衣上的玻璃鋼線。縫合好的材料加入樹脂固化成型后，就變成這樣一個飛機上的制件。

    用縫合來代替鉚接，不但起到加強加固的作用，還會降低制造的成本。而原本軟軟的材料是如何固化成為具有剛度和強度的飛機零部件呢？

    工人們正在吊裝的是一個無人機的機翼，今天要送進高溫高壓熱壓罐中進行固化。

    將這樣一個大型的飛機零部件固化定型，溫度的均勻性至關(guān)重要，零部件在罐體內(nèi)的擺放就很講究，是放在罐頭還是罐尾，高度多少，都要經(jīng)過精密的設(shè)計。

    固化過程要經(jīng)過18個小時的抽真空和加壓升溫，溫度最高能達到230度。固化成形后，軟軟的布一樣的機翼就變成一個剛度和模量都非常大的一個零件的狀態(tài)。

    這個直徑7米，長30米的熱壓罐，也可以為我們國家未來大型寬體客機的部分機身進行整體固化定型。

    【石墨烯手機來了？】

    史浩飛，這位80后的青年學(xué)者，是中國石墨烯規(guī)?；苽浼夹g(shù)的原創(chuàng)發(fā)明人之一。

    6年前，為了做研究，史浩飛曾經(jīng)在美國購買過一片石墨烯薄膜，面積僅有4英寸大小，卻花掉了1000美元。最初的時候，這種石墨烯薄膜只能在實驗室進行制備，所以根本沒有辦法獲取。這個技術(shù)也被少數(shù)幾個實驗室當(dāng)做最核心的技術(shù)秘密。

    這是2013年底，史浩飛團隊研制成功的全世界第一條大規(guī)模石墨烯薄膜生產(chǎn)線，年產(chǎn)能為100萬平方米。這里所有生產(chǎn)設(shè)備都是中國自主知識產(chǎn)權(quán)，因為涉及到大量技術(shù)秘密，這條生產(chǎn)線還從未對外界開放。

    這臺設(shè)備，是在1000攝氏度的高溫環(huán)境中，由碳原子在銅片的襯底上沉積，連接，生長，最終形成一層石墨烯薄膜。

    石墨烯薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)在全球都是一個難題，在這里實現(xiàn)量產(chǎn)還只是過了第一關(guān)，怎么把大面積的石墨烯薄膜從它生長的襯底上揭下來難度更大。薄膜太薄，揭下來容易撕裂，怎么辦？在今晚的《感受中國新動能：新材料的秘密》里將細(xì)細(xì)道來。

    這條生產(chǎn)線，已經(jīng)能批量生產(chǎn)15英寸直徑的片狀的石墨烯薄膜，成本也壓低到了每張幾十元。在另外一件實驗室里，第三代生產(chǎn)線正在研制，能將第二代的生產(chǎn)效率再提升數(shù)十倍。

    實驗室里，科學(xué)家們已經(jīng)突破了石墨烯薄膜連續(xù)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵技術(shù)，但如何開發(fā)石墨烯薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化卻是一個急待解決的難題。

    在企業(yè)的產(chǎn)品實驗室，工程師張亮正帶領(lǐng)團隊尋找石墨烯薄膜的應(yīng)用方向。

    這是張亮他們最看重的一款新產(chǎn)品原型，用石墨烯材料制作的柔性手機。把它拉直了就變成了一個普通的手機，纏在手上，就是一個可穿戴性的設(shè)備。

    手機的顯示屏是石墨烯材料的，非常柔軟、可以隨意卷曲。未來的柔性的屏就能做到像一張紙一樣薄。

    因為石墨烯具有近乎全透明的透光性能，同時兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電率和很好的柔性，石墨烯將替代現(xiàn)有的透明導(dǎo)電材料，推動現(xiàn)有顯示屏、觸摸屏的升級換代，已經(jīng)是全球公認(rèn)的產(chǎn)業(yè)方向。

    擺在眼前的問題是，用石墨烯制成的顯示屏和觸控屏，都能單獨地生產(chǎn)出來，但要把這兩個柔性的屏幕完美貼合到一起，生產(chǎn)出真正的柔性手機，卻是一個世界性的難題，LG、三星等行業(yè)巨頭目前都瞄準(zhǔn)著這一領(lǐng)域卻還未得到突破。

    可是，就在中國的重慶，研發(fā)團隊已經(jīng)在實驗室中制造出了柔性手機屏幕。他們的下一個目標(biāo)，是在2018年之前，生產(chǎn)出全球第一批石墨烯手機屏。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-801
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網(wǎng)官方 QQ群：140808414