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。