OR 新媒|oror.vip跨平台阅读首选
2024-07-29 10:08
科技

材料的新时代正在到来

由于制造过程需要大量劳动力,复合材料的使用一直受到限制。眼下,随着新技术的出现,更轻、更结实的复合材料有望被用于从智能手机到导弹的各种产品。
华为手机和腾讯据悉接近达成协议 不对微信实施收入分成
Christopher Mims


在人类历史上,有新材料出现的时代屈指可数,我能想到的无非是陶瓷、钢和塑料,而现在,我们即将迎来下一个新材料时代:复合材料的时代。

我们所说的复合材料,是指风力涡轮机、赛车和波音787飞机中使用的碳纤维之类的材料。这种材料通常用来代替金属,它们的优势是比金属部件轻得多,强度不输金属,而且制造时需要的资源较少。

让复合材料变得经济实惠、易于获得是棘手的难题,材料科学家在这方面的突破一直有限,这种状况已经持续了几十年乃至几千年——严格说来,复合材料是美索不达米亚人发明的。这类材料的制造需要大量劳动力,因而价格昂贵,这就使复合材料的使用仅限于少数能使它们的性能优势盖过成本劣势的领域,比如航空航天业。

现在,由于新的制造技术可以又快又便宜地生产出复合材料部件,这一切正在发生改变,有可能产生深远且激动人心的影响。

现代复合材料最早出现在20世纪初,最初面世的是酚醛树脂。此后,其他复合材料被陆续发明出来,到了20世纪90年代末和21世纪初,随着将碳纤维等材料用于飞机机身和风力发电机叶片等巨型结构的自动化工艺达到成熟水平,该行业开始取得长足发展。

就在过去几年,一些初创公司开发了用复合材料制造各种小型物体的工艺,而且速度快、成本低。这些公司包括加州伯克利的Arris Composites、苏黎世的9T Labs和硅谷的Orbital Composites。

将我们制造和使用的大部分材料从钢和塑料转换为复合材料(复合材料是各种纤维的混合物,嵌在各种塑料中),可以创造出新型交通工具、更加可怕的战争武器,还有更轻、更耐用的智能手机、可穿戴设备和其他消费电子产品。

这一切之所以成为可能,是因为复合材料虽然存在一些不足,但其性能往往不亚于高强度金属部件,而重量却比金属轻得多。现代喷气式客机如此省油,要归功于复合材料,而如果没有由复合材料制成的巨大涡轮叶片,就不可能有整个风力发电行业的发展。

复合材料可以用于制造飞机,波音公司(Boeing)在其787飞机上率先采用了这一技术,事实上,这款飞机上几乎每一个可见的表面都是由碳纤维复合材料制成的。不过,用复合材料制造飞机是一回事,大规模生产我们通常用钛或其他金属制造的那种较小的复合材料部件(比如将787飞机组装起来的螺栓和支架)又是另一回事。

与3-D打印等其他先驱制造技术一样,复合材料的主流化更多是一种不断演进的过程,而不是革命性的遽变。

今天,你可以买到初创公司Arris和9T Labs生产的超轻、超坚固部件制造的消费品,包括Brooks跑步鞋、自行车轮辐条和豪华手表。但更精彩的还在后头:空中客车(Airbus)正在测试Arris的技术,以便用新材料代替飞机内部的金属支架,测试这种技术的还有总部位于新加坡的ST Engineering,该公司在美国飞机维修市场占有相当大的份额。

9T Labs还在研究航空航天领域的应用,该公司还希望,到今年年底,至少有一家客户能够推出使用其部件生产的自行车。与此同时,Orbital Composites与美国军方签署了一些合同,以开发适用于卫星、火箭、无人机和高超音速飞机的复合材料制造工艺。

9T Labs的首席执行官马丁·艾森霍夫(Martin Eichenhofer)说,一级方程式赛车外壳或高端竞技自行车车架的制造工艺仍然是劳动密集型的。他的公司以及同行业其他公司的目标是从这一工艺中去除所有密集的熟练手工劳动,使之像近几十年来金属和塑料部件的制造工艺一样实现高度自动化。

复合材料行业媒体Composites World的出版人杰夫·斯隆(Jeff Sloan)说,为了实现这种自动化水平,Arris和9T Labs等公司采用的制造工艺与飞机和风力涡轮机制造商采用的工艺很不一样。

Arris的首席执行官莱利·里斯(Riley Reese)说,Arris使用一种类似把线材折弯(不妨想象一下衣架之类的东西是如何生产出来的)的工艺让碳纤维成型。随后,这些成型的纤维被放入树脂中,由此产生的材料被放入定制模具中,通过加热和加压来进一步压紧、塑造和强化部件。艾森霍夫说,9T Labs采用类似的工艺,但一开始是使用“增材制造”(类似3-D打印),将碳纤维细条铺成特定形状,然后以与Arris的工艺类似的方式使其成型。

Orbital Composites的首席执行官阿莫拉克·巴德萨(Amolak Badesha)说,该公司使用截然不同的工艺。该公司的3-D打印机使用现成的工业机器人和可喷出碳纤维的定制打印头,以类似小男孩哈罗德那支神奇紫色蜡笔(熟悉儿童读物的读者应该知道)的工艺进行3-D打印。不同之处在于,哈罗德可以在三维空间中绘出他喜欢的任何形状,Orbital则在打印过程中使用可移动的模具来支撑碳纤维,以形成各种形状。

这三家公司采用的自动化工艺不尽相同,表明复合材料制造行业尚未形成统一。这还表明,对这些公司来说,有许多条可能通往成功的道路,它们正在探索全新的制造方法——这很像新材料发展史上的另一个时代,彼时许多公司都开发了塑料注射成型或金属锻造加工的工艺。

尽管复合材料看上去是一种颇具未来色彩的技术,但从许多方面来看并非如此,复合材料可以追溯到几百万年前,它贯穿人类历史乃至人类诞生之前的年代。毕竟,木材便是原始的复合材料,因为它由长长短短、被其他物质粘合在一起的纤维构成——跟现代的合成复合材料很像,这些材料通常由被环氧树脂粘合在一起的碳纤维构成。木材是人类进步的主要推动力之一,我们可以从木材中看到复合材料的许多优缺点。

木材重量轻,强度高,能够承受压缩和拉伸,而且很容易加工成其他形状。但它也会沿着与其纹理一致的轴线裂开。同样,复合材料也会出现许多问题,包括出现层间断裂。

ST Engineering的先进材料解决方案主管杰里米·科赫(Jeremy Koh)说,新型复合材料技术迄今面临的最大挑战是,随着时间的推移,它们会因疲劳而崩裂。他的公司目前正在试验用复合材料替代飞机上的钛螺栓,这种复合材料是用Arris的制造工艺生产的。

初步测试表明,新的复合材料螺栓性能与金属螺栓一样好。同时,它们更轻,更容易制造,有可能更便宜,而且不会因为与俄罗斯和中国这两大主要钛供应国有关的地缘政治供应链问题而受到影响。

科赫还不知道这些复合材料螺栓的长期性能如何,这要等他的公司做完多次稳定性测试之后才知道,这些测试是此类部件取得认证所需的必要环节。

另一些运用这些新型复合材料的产品,尤其是消费品不需要等那么长时间就能上市。Arris正在与至少一家公司洽谈在虚拟现实头戴设备中使用其复合材料的事宜,目前重量是普及虚拟现实头戴设备的主要障碍。

目光再放远一点,有朝一日,我们有可能会买到用复合材料而非金属制造的智能手机。汽车也是一样。但里斯说,这样要看消费者的惯性,即使是最好的技术,也无法突破这种惯性——消费者喜欢将金属与质量好联系在一起,哪怕金属其实并不是最坚固、最轻或最适合特定用途的材料。

■ 
                                                                                         
读者评论
MORE +

热门排行榜
OR
+
华为手机和腾讯据悉接近达成协议 不对微信实施收入分成
2024-07-29 10:08
科技

材料的新时代正在到来

由于制造过程需要大量劳动力,复合材料的使用一直受到限制。眼下,随着新技术的出现,更轻、更结实的复合材料有望被用于从智能手机到导弹的各种产品。
Christopher Mims


在人类历史上,有新材料出现的时代屈指可数,我能想到的无非是陶瓷、钢和塑料,而现在,我们即将迎来下一个新材料时代:复合材料的时代。

我们所说的复合材料,是指风力涡轮机、赛车和波音787飞机中使用的碳纤维之类的材料。这种材料通常用来代替金属,它们的优势是比金属部件轻得多,强度不输金属,而且制造时需要的资源较少。

让复合材料变得经济实惠、易于获得是棘手的难题,材料科学家在这方面的突破一直有限,这种状况已经持续了几十年乃至几千年——严格说来,复合材料是美索不达米亚人发明的。这类材料的制造需要大量劳动力,因而价格昂贵,这就使复合材料的使用仅限于少数能使它们的性能优势盖过成本劣势的领域,比如航空航天业。

现在,由于新的制造技术可以又快又便宜地生产出复合材料部件,这一切正在发生改变,有可能产生深远且激动人心的影响。

现代复合材料最早出现在20世纪初,最初面世的是酚醛树脂。此后,其他复合材料被陆续发明出来,到了20世纪90年代末和21世纪初,随着将碳纤维等材料用于飞机机身和风力发电机叶片等巨型结构的自动化工艺达到成熟水平,该行业开始取得长足发展。

就在过去几年,一些初创公司开发了用复合材料制造各种小型物体的工艺,而且速度快、成本低。这些公司包括加州伯克利的Arris Composites、苏黎世的9T Labs和硅谷的Orbital Composites。

将我们制造和使用的大部分材料从钢和塑料转换为复合材料(复合材料是各种纤维的混合物,嵌在各种塑料中),可以创造出新型交通工具、更加可怕的战争武器,还有更轻、更耐用的智能手机、可穿戴设备和其他消费电子产品。

这一切之所以成为可能,是因为复合材料虽然存在一些不足,但其性能往往不亚于高强度金属部件,而重量却比金属轻得多。现代喷气式客机如此省油,要归功于复合材料,而如果没有由复合材料制成的巨大涡轮叶片,就不可能有整个风力发电行业的发展。

复合材料可以用于制造飞机,波音公司(Boeing)在其787飞机上率先采用了这一技术,事实上,这款飞机上几乎每一个可见的表面都是由碳纤维复合材料制成的。不过,用复合材料制造飞机是一回事,大规模生产我们通常用钛或其他金属制造的那种较小的复合材料部件(比如将787飞机组装起来的螺栓和支架)又是另一回事。

与3-D打印等其他先驱制造技术一样,复合材料的主流化更多是一种不断演进的过程,而不是革命性的遽变。

今天,你可以买到初创公司Arris和9T Labs生产的超轻、超坚固部件制造的消费品,包括Brooks跑步鞋、自行车轮辐条和豪华手表。但更精彩的还在后头:空中客车(Airbus)正在测试Arris的技术,以便用新材料代替飞机内部的金属支架,测试这种技术的还有总部位于新加坡的ST Engineering,该公司在美国飞机维修市场占有相当大的份额。

9T Labs还在研究航空航天领域的应用,该公司还希望,到今年年底,至少有一家客户能够推出使用其部件生产的自行车。与此同时,Orbital Composites与美国军方签署了一些合同,以开发适用于卫星、火箭、无人机和高超音速飞机的复合材料制造工艺。

9T Labs的首席执行官马丁·艾森霍夫(Martin Eichenhofer)说,一级方程式赛车外壳或高端竞技自行车车架的制造工艺仍然是劳动密集型的。他的公司以及同行业其他公司的目标是从这一工艺中去除所有密集的熟练手工劳动,使之像近几十年来金属和塑料部件的制造工艺一样实现高度自动化。

复合材料行业媒体Composites World的出版人杰夫·斯隆(Jeff Sloan)说,为了实现这种自动化水平,Arris和9T Labs等公司采用的制造工艺与飞机和风力涡轮机制造商采用的工艺很不一样。

Arris的首席执行官莱利·里斯(Riley Reese)说,Arris使用一种类似把线材折弯(不妨想象一下衣架之类的东西是如何生产出来的)的工艺让碳纤维成型。随后,这些成型的纤维被放入树脂中,由此产生的材料被放入定制模具中,通过加热和加压来进一步压紧、塑造和强化部件。艾森霍夫说,9T Labs采用类似的工艺,但一开始是使用“增材制造”(类似3-D打印),将碳纤维细条铺成特定形状,然后以与Arris的工艺类似的方式使其成型。

Orbital Composites的首席执行官阿莫拉克·巴德萨(Amolak Badesha)说,该公司使用截然不同的工艺。该公司的3-D打印机使用现成的工业机器人和可喷出碳纤维的定制打印头,以类似小男孩哈罗德那支神奇紫色蜡笔(熟悉儿童读物的读者应该知道)的工艺进行3-D打印。不同之处在于,哈罗德可以在三维空间中绘出他喜欢的任何形状,Orbital则在打印过程中使用可移动的模具来支撑碳纤维,以形成各种形状。

这三家公司采用的自动化工艺不尽相同,表明复合材料制造行业尚未形成统一。这还表明,对这些公司来说,有许多条可能通往成功的道路,它们正在探索全新的制造方法——这很像新材料发展史上的另一个时代,彼时许多公司都开发了塑料注射成型或金属锻造加工的工艺。

尽管复合材料看上去是一种颇具未来色彩的技术,但从许多方面来看并非如此,复合材料可以追溯到几百万年前,它贯穿人类历史乃至人类诞生之前的年代。毕竟,木材便是原始的复合材料,因为它由长长短短、被其他物质粘合在一起的纤维构成——跟现代的合成复合材料很像,这些材料通常由被环氧树脂粘合在一起的碳纤维构成。木材是人类进步的主要推动力之一,我们可以从木材中看到复合材料的许多优缺点。

木材重量轻,强度高,能够承受压缩和拉伸,而且很容易加工成其他形状。但它也会沿着与其纹理一致的轴线裂开。同样,复合材料也会出现许多问题,包括出现层间断裂。

ST Engineering的先进材料解决方案主管杰里米·科赫(Jeremy Koh)说,新型复合材料技术迄今面临的最大挑战是,随着时间的推移,它们会因疲劳而崩裂。他的公司目前正在试验用复合材料替代飞机上的钛螺栓,这种复合材料是用Arris的制造工艺生产的。

初步测试表明,新的复合材料螺栓性能与金属螺栓一样好。同时,它们更轻,更容易制造,有可能更便宜,而且不会因为与俄罗斯和中国这两大主要钛供应国有关的地缘政治供应链问题而受到影响。

科赫还不知道这些复合材料螺栓的长期性能如何,这要等他的公司做完多次稳定性测试之后才知道,这些测试是此类部件取得认证所需的必要环节。

另一些运用这些新型复合材料的产品,尤其是消费品不需要等那么长时间就能上市。Arris正在与至少一家公司洽谈在虚拟现实头戴设备中使用其复合材料的事宜,目前重量是普及虚拟现实头戴设备的主要障碍。

目光再放远一点,有朝一日,我们有可能会买到用复合材料而非金属制造的智能手机。汽车也是一样。但里斯说,这样要看消费者的惯性,即使是最好的技术,也无法突破这种惯性——消费者喜欢将金属与质量好联系在一起,哪怕金属其实并不是最坚固、最轻或最适合特定用途的材料。

■ 
                                                                                         
 

读者评论
OR

 

分享:
每日头条
OR
+
最新资讯
OR
+
热门排行榜
OR
+
OR品牌理念
+

■ 或者,  留一段影像,回一曲挂牵。丝丝入扣、暖暖心灵 ,需飘过的醇厚与共。
■ 或者,热烈空雨伴芬芳泥土;绿绿生命缠锐意骄阳。
回望,回望,一马平川红酒飘散断归途。
■ 或者,灰蒙蒙空气重回道指一万四千点。滚动时光,照进现实,流逝过往,回归未来。

■ OR 新媒体是一个提供时政、经济、文化、科技等多领域资讯的平台,旨在为用户提供优质的阅读体验。网站的网址是oror.vip,用户可以通过浏览器在台式电脑 、笔记本电脑 、平板电脑 、手机访问。.......