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從制造業(yè)創(chuàng)新中心看美國側(cè)重哪些新材料的創(chuàng)新

關(guān)鍵詞 制造業(yè) , 新材料 , 創(chuàng)新|2014-10-18 08:47:12|來源 材料人網(wǎng)
摘要 沒有人會否認(rèn)制造業(yè)對于一個國家的重要性,同樣也不會有人否認(rèn)創(chuàng)新對于制造業(yè)的重要性,但并沒有多少國家真正把制造業(yè)當(dāng)做根基看待。即使是美國,目前的制造業(yè)也正在經(jīng)歷”頹廢&l...
       沒有人會否認(rèn)制造業(yè)對于一個國家的重要性,同樣也不會有人否認(rèn)創(chuàng)新對于制造業(yè)的重要性,但并沒有多少國家真正把制造業(yè)當(dāng)做根基看待。即使是美國,目前的制造業(yè)也正在經(jīng)歷”頹廢“。為了重振“重振制造業(yè)”,奧巴馬政府逐步開啟了制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃。這個創(chuàng)新計劃,旨在推動高校、企業(yè)、政府三者通力合作,縮小科研與商業(yè)之間的差距,促進(jìn)新技術(shù)、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品和教育項目的開發(fā),振興美國制造業(yè)(有木有覺得跟我國所提的產(chǎn)、學(xué)、研三者結(jié)合思想很相像?)。為此,美國計劃興建15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所,目前已完成5家。其中,涉及到材料的有哪些?他們都是專注于哪些材料?一起來關(guān)注一下!

       3D打印機技術(shù)

       美國設(shè)立的第一個制造業(yè)創(chuàng)新中心是2012年8月組建的國家3D打印機制造創(chuàng)新研究所。該創(chuàng)新中心由國防部、能源部、商務(wù)部、國家科技基金會、國家航空航天局等政府部門,以及俄亥俄州、賓夕法尼亞州等地企業(yè)、學(xué)校共同出資8500萬美元組建。

       3D打印技術(shù),又稱增材制造技術(shù),運用粉末狀金屬或塑料( 包括熱塑性塑料及光敏樹脂) 等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。3D打印在工業(yè)上應(yīng)用已有幾十年之久,并不是一項最新發(fā)現(xiàn)的技術(shù),但的確是在這幾年開始火起來的。在前些年,3D打印甚至被熱炒成“第三次工業(yè)革命”,引起了不少的爭議。不可否認(rèn)的是,3D打印成果也層出不窮

       不管是質(zhì)疑也好,力捧也好,3D打印必然會在將來的制造業(yè)擔(dān)當(dāng)一個重要而特殊的角色。

       輕量及現(xiàn)代金屬制造

       2014年2月,美國國防部牽頭底特律組建輕量及現(xiàn)代金屬制造創(chuàng)新研究所。該研究所共計由包括全球著名的鋁合金、鈦合金、高強鋼制造商、材料提供商在內(nèi)的36家公司,12家高校及實驗室,18家組織機構(gòu)參與建設(shè),資金投入7000萬美元。輕量及現(xiàn)代金屬制造創(chuàng)新研究所將注重于促進(jìn)在風(fēng)力渦輪機、飛機框架、醫(yī)藥設(shè)備、武裝車輛等等領(lǐng)域上使用的輕量化合金制造。

       經(jīng)過材料人網(wǎng)行業(yè)探討欄目多篇文章的探討,想必大家對輕量化或者輕合金并不陌生。對于交通工具和機械制備來說,輕量金屬可以提高性能,增強安全性,提高燃油效益等等。例如大范圍使用鋁合金,福特2015款F-150皮卡,比2014款足足輕了700磅。

       當(dāng)然,現(xiàn)在輕質(zhì)合金還存在一些技術(shù)壁壘,例如價格仍然較高,能耗較大,應(yīng)用還比較局限。而該研究所的中心目的就是通過解決制造的技術(shù)障礙來使新一代的輕質(zhì)金屬及合金獲得市場。

       下一代電力電子制造

       2014年1月,美國政府宣布由北卡羅來納州立大學(xué)領(lǐng)銜,共計5所大學(xué)、2家美國國家實驗室,以及18家企業(yè)組建“下一代電力電子制造創(chuàng)新研究所。該研究所獲得了美國能源部以及工業(yè)方面的7000萬美元的資金支持。該研究所的使命是促進(jìn)新一代半導(dǎo)體芯片及設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計、制造。具體而言,在未來五年內(nèi),該研究所將致力于推進(jìn)以氮化鎵和碳化硅為基礎(chǔ)的寬帶隙半導(dǎo)體電力電子器件化,降低其成本,以取代目前廣泛使用的硅基半導(dǎo)體。

       一般而言,室溫下帶隙大約2.0ev的半導(dǎo)體材料被稱之為寬帶隙半導(dǎo)體,例如氮化鎵、碳化硅、氧化鋅。寬帶隙半導(dǎo)體有很多優(yōu)點,能夠在更高的溫度(例如碳化硅的工作溫度可達(dá)600度)、更高電壓以及更極端的環(huán)境下運行,具有極大提升電力電子產(chǎn)品能源使用效率和可靠性的潛力。目前寬帶隙半導(dǎo)體比較成熟的應(yīng)用是在LED照明上。

       但是,寬帶隙半導(dǎo)體難以長成塊體材料,需要其他材料作為襯底。例如LED半導(dǎo)體芯片,基本上采用藍(lán)寶石或者碳化硅襯底外延生長氮化鎵。不過這種制備工藝也存在很多問題,例如襯底材料與半導(dǎo)體熱膨脹系數(shù)不匹配、外延生產(chǎn)造成缺陷、加工及刻蝕困難等等。

       先進(jìn)復(fù)合材料制造

       2014年2月,奧巴馬政府宣布在南卡羅來納州組建先進(jìn)復(fù)合材料制造研究所,將由美國能源局等機構(gòu)在五年期間向該研究所投資7000萬美元。該研究所將首要關(guān)注于較低成本以及使制造過程更加節(jié)能地制造碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料,以便滿足純動力車及混動車、風(fēng)力渦輪、天然氣儲存罐等能源方面的需求。

       先進(jìn)復(fù)合材料有很多種,其中應(yīng)用最廣、最成熟的屬以碳纖維、玻璃纖維為代表的纖維增強復(fù)合材料。纖維增強塑料是以碳纖維或者玻璃纖維為增強材料,聚合物為基體的復(fù)合材料,其最大的特點恐怕是高強質(zhì)輕。運用纖維增強塑料,可以制備出燃效更佳的輕質(zhì)汽車,更輕更強的風(fēng)力渦輪葉片以及其他更輕、更節(jié)能的工業(yè)裝備。

       例如,先進(jìn)復(fù)合材料可以降低乘用車約50%的重量,從而提高約35%的燃效,而并不損害汽車的性能和安全性。如果按照當(dāng)前的油價計算,經(jīng)過整個使用期的汽車可節(jié)省大約5000美元的燃料。在風(fēng)能業(yè)中,使用先進(jìn)復(fù)合材料,其渦輪葉片可以做得更長、更輕、更強,也就可以捕捉到更多的風(fēng)能。

       但是,纖維增強塑料目前存在著成本高昂,制造過程需要大量的能量,難以回收等問題,制約其廣泛應(yīng)用。按照能源局既定的計劃,先進(jìn)復(fù)合材料制造研究所將在10年內(nèi)將纖維增強塑料生產(chǎn)成本下降50%,生產(chǎn)過程能耗下降75%,回收利用率達(dá)到95%。

       此外,剩下的一家創(chuàng)新中心是數(shù)字制造與設(shè)計創(chuàng)新中心,總部位于芝加哥,由UI實驗室主導(dǎo),73個企業(yè)、大學(xué)、非盈利組織和試驗室組成。

       從上面的介紹,我們可以看到,目前已經(jīng)宣布成立的5家制造創(chuàng)新研究所,4所與材料密切相關(guān)(除了3D打印還涉及其他外,另外3所可以說是新材料創(chuàng)新研究所),材料創(chuàng)新被擺在了一個極為重要的地位。

       另外,創(chuàng)新中心所專注的材料也是相當(dāng)務(wù)實的。輕質(zhì)合金、復(fù)合材料及半導(dǎo)體材料已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中有了較為成熟的應(yīng)用,只是仍然存在著技術(shù)上的難題,阻礙了它們的更大范圍的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域發(fā)力,比之在一些前沿新材料上,可能更有成效。
 

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