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新材料與制造工藝“參考系”

關鍵詞 新材料 , 超硬材料|2019-06-26 10:12:11|來源 環球
摘要 人類社會200多年來的工業化進程表明,材料從來都是支撐新興產業發展和科學技術進步的物質基礎和條件保證。與材料本身一樣,制造工藝也是材料工程的一個重要領域,兩者關系緊密,相互支撐、相...

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       人類社會200多年來的工業化進程表明,材料從來都是支撐新興產業發展和科學技術進步的物質基礎和條件保證。

       與材料本身一樣,制造工藝也是材料工程的一個重要領域,兩者關系緊密,相互支撐、相互提高。可以說,材料的性能和壽命,一方面取決于材料本身化學成分和組織結構,另一方面,也取決于制造工藝的成熟性和先進性。

       進入新世紀,以新能源和新材料為主導的新一輪科技和工業革命即第四次工業革命已強勢拉開序幕,而處在當代高技術發展前沿的新材料已進入全新的發展階段,正在實現從基礎到顛覆的跨越。

       未來材料和工藝

       前沿新材料是指處在新材料新發展尖端前沿,具有超自然優異性能或超常態特殊功能的一類材料,如以石墨烯為代表的二維材料;支撐人工智能和機器人的智能仿生材料;引發醫療行業巨大變革的智能醫療、生物芯片、細胞治療等生物醫療材料;以分布式能源為主流,引發能源結構變革的清潔可再生能源材料;能改變光的傳播特性的隱身超材料;在電機、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等方面具有廣闊應用前景的超導材料;可用于柔性可穿戴電子通訊和人工智能設備的液體金屬材料;以及實現人類社會可持續發展的綠色生命周期的環境材料等。

       材料改變未來。前沿新材料將為人類展現全新世界的廣闊前景,增強人類擴展自身生存與發展空間的信心,對人類認知、思維、價值理念、業態及市場配置、財富分配、生活方式以至社會形態等都將產生顛覆性的變革。

       因此,發達國家都將前沿新材料的研究和應用作為新一輪科技和工業革命的切入點,紛紛制定各種發展計劃,整合優化資源配置,加大經費支持。特別是引導和鼓勵材料行業的大型龍頭企業實現強強聯合,或形成跨領域跨行業的戰略聯盟,形成對全球市場新的壟斷。

       制造工藝著重研究材料的制造加工和最終使用效能的關系,主要依據材料的成分、組成結構、性能特點,按照產品設計的使用效能要求,選擇和研究優化的制造成型工藝和設備、最佳工藝路線和工藝條件、成型工藝質量控制等,以得到最終產品或制件最佳的使用性能、質量和壽命。

       實際上,賦予材料某種產品或制件的優異性能或特殊功能,其材料組織結構特點的形成,很多情況下是通過優化工藝路線和工藝條件來實現的。例如材料的結晶行為,包括金屬材料和高分子材料,不同的工藝條件會引發不同的結晶過程和結晶行為,而導致材料最后晶態特征和宏觀性能的大不相同,所以材料結晶行為的控制,最終將落實到優化溫度和時間等工藝條件上。

       新材料的制造工藝現已成為新材料開發和應用必不可少的重要分支領域,特別是計算機數字化和信息化的推廣,迅速推動制造工藝向自動化、數字化、智能化、增強虛擬、增材制造(3D打印)等方向迅速發展。

       目前,全球新材料和制造工藝龍頭企業主要集中在美國、歐洲和日本。

       各領域領頭羊

       以高分子材料開發和應用為主打領域的陶氏和杜邦,是美國百年化工老企業。陶氏化學(Dow Chem.)成立于1897年,業務范圍包括功能產品、高新材料、基礎材料、健康和農業科技等。杜邦(Du Pont)成立于1802年,業務包括電子材料、電子通訊、高分子材料等。

       2015年,陶氏化學和杜邦合并成立新公司陶氏杜邦,成為全球最大的化工企業,主要產品為新型高分子材料,包括新型塑料、橡膠、油漆、涂料、纖維等,其中,芳綸是上世紀60年代由杜邦開發的一種高性能特種纖維,廣泛應用于復合材料、特種防護服裝、電子設備等領域,至今陶氏和杜邦對該產品的市場占有率仍處于全球壟斷地位。

       在金屬材料領域,美鋁公司是世界鋁生產制造業的領跑者,致力于生產廣泛應用且可回收再生的可持續性鋁制產品,產品優勢包括鋁制品壓延件、鍛件、緊固件、輪轂件、精密鑄件,還發展鈦、鎳超級合金等其他輕金屬,用于航空航天領域的高端制造。

       美鋁的AmpliforgeTM工藝,是采用美鋁設計和3D打印零件,然后采用更傳統的制造工藝,即鍛壓,將其最終制造完成。美鋁的研究結果已經證實,與沒有進一步鍛壓處理的普通增材技術制造的零件相比,這種新的技術提高了3D打印零件的性能,如硬度和強度。美鋁公司還說,與傳統的鍛壓工藝相比,Ampliforge技術減少了材料消耗并簡化了生產過程。

       瑞典的山特維克(Sandvik)集團是全球領先的先進材料產品制造商,主要業務包括超硬材料金屬切削工具、建筑及采礦業設備、高級不銹鋼、特種合金、鈦材、金屬及陶瓷電阻材料制成的高附加值產品,以及工藝系統。

       在玻璃材料領域,美國的康寧公司(CORNING)是特殊玻璃和陶瓷材料的全球領軍企業。其產品優勢在于柔性顯示屏、特種功能陶瓷等移動互聯網設備、電信和生命科學領域產品的關鍵器件。在光電技術領域,它現已成為全球最大的光纖生產商之一。

       康寧公司近日推出其在半導體玻璃載體行業內的最新突破——先進封裝載體。該先進玻璃載體晶圓針對扇出工藝這一行業領先的半導體封裝技術做出優化,旨在為消費電子、汽車和其他互聯設備提供更小、更快的芯片。

       康寧的先進封裝玻璃載體具有三大顯著改善:在較廣范圍內提供了多種熱膨脹系數(CTE)選擇;高硬度組分;快速樣品交貨周期。

        這些特性對于使用扇出型封裝的客戶來說至關重要:多種熱膨脹系數使客戶能夠自由選擇封裝產品所需,盡可能減少封裝工藝過程中的晶元變形,因此精準的系數將有助于客戶縮短產品開發周期;康寧先進封裝載體擁有的高硬度組分同樣有助于進一步減少封裝工藝過程中的晶元變形,最大限度地提高芯片封裝的成品率;快速樣品交貨周期也有助于縮短開發周期,使客戶能夠更快投入量產。

       日本的旭硝子(AGC)玻璃股份有限公司是全球第二大玻璃制品公司,其產品為各種玻璃制品與半成品,及少量化學產品,目前銷售對象為液晶顯示器制造廠,以及汽車業、燈具業、建筑業等。

       旭硝子公司不久前宣布開發出了用于深紫外LED的石英透鏡,將石英窗口材料和鏡頭整合在一起,不需要透明膠。同時,旭硝子開發的“特殊焊接”可以讓客戶通過在大氣中簡單地加熱和加壓,而不需要大規模的脫氧設備。

       此外,由于封裝與窗口之間的熱膨脹系數差異,“特殊焊料”很柔軟,可以緩解熱應力,因此不會破裂或漏氣。通過這些手段,深紫外LED制造工藝可以大大簡化,投資可以減少。

       法國的圣戈班公司(Saint-Gobain)的主打材料包括平板玻璃和高性能材料,服務領域包括汽車玻璃、玻璃包裝、保溫隔音材,玻璃增強纖維、陶瓷塑料、磨料磨具、管道系統及建筑材料等。

       在電子材料領域,美國的應用材料公司(Applied Materials)是一家半導體和顯示制造設備公司,主要業務為半導體、先進顯示器、太陽能光伏制造、柔性鍍膜、自動化軟件等新興技術與產品。

       應用材料公司近日發布的信息顯示,行業龍頭企業正使用其10.5代線全套生產設備生產更逼真、更鮮明、色彩更豐富的大尺寸8K電視。10.5代線是全球最大尺寸玻璃基板(3370mm×2940mm)的生產線,可高效利用幾乎整塊玻璃基板,每片基板最高可產出8塊65英寸或6塊75英寸電視面板。

       應用材料公司的10.5代線全套設備通過實現關鍵薄膜(例如金屬氧化物)的優異沉積均勻度,生產出更小更快的薄膜晶體管(TFT),從而提高下一代顯示面板的分辨率和性能來驅動高清晰度電視。

       該套設備包括兩個用于薄膜晶體管(TFT)陣列制程的高產物理沉積系統(PVD)——AKTPiVot系統,以及用于生產彩色濾光片的AKT-NAR3000 PVD系統,此外還包括業界唯一一款經過生產驗證的等離子體增強化學氣相沉積系統AKT-100K PECVD,該系統經過優化并適用于在10.5代線基板上沉積金屬氧化物。

       日本的信越(Shinetsu)是全球最大的半導體硅片供應商之一,其以硅元素為核心的產品系列還包括有機硅系列。信越還是硬盤驅動(HDD)等用稀土磁鐵、半導體用光刻膠、環氧模塑料及液態環氧封裝材料等的重要供應商。

       作為IC電路板硅片的主導企業,信越始終處于大口徑化及高平直度的最尖端。其最早研制成功尖端的300mm硅片,并實現了SOI硅片的量產和穩定供應;同時,一貫化生產發光二極管中的GaP(磷化鎵)、GaAs(砷化鎵)、AIGaInP(磷化鋁鎵銦)系化合物半導體單晶與切片。

       信越能夠制造出具有11個9(99.999999999%)的純度與均勻的結晶構造的單晶硅,在全世界處于領先水平,其工藝可以將單晶硅切成薄片并加以研磨而形成硅片,其表面平坦度在1微米以下。

       在碳纖維領域,赫克塞爾公司(Hexcel Composites)公司是美國最大的碳纖維和纖維產品生產商,也是全球高性能復合材料的領先制造公司。其技術優勢是開發制造輕質、高性能的復合材料,包括碳纖維、增強織物、預浸料、蜂窩芯、樹脂系統、膠粘劑和復合材料構件,產品應用于民用飛機、宇航、國防和一般工業,是波音公司二級供應商。

       日本東麗(TORAY)集團是世界最大的碳纖維供應商之一,主打產品為聚丙烯腈基碳纖維,包括高強、高模多種產品系列。高強碳纖維從最初的T300發展到T800,再到T1200,拉伸強度增加近一倍。碳纖維是一種戰略物資,主要用于各種飛機結構和航天飛行器結構,具有輕質、高強、節能減排的優勢,在B-787和A-350中的用量已分別達50%和52%。

       近日,東麗在其官網發布公告稱,公司已開發出世界上最高水平的氫氣提純聚合物分離膜。這種高分子分離膜能夠從含氫的混合氣體中選擇性地和高度地滲透氫。該技術的關鍵點有兩點:耐熱耐壓多孔基材設計;通過精密孔徑控制技術實現氫的高度選擇性和透過性。該公司還聲稱,新的分離膜具有的氫氣滲透性和選擇分離性,遠遠超過了傳統的聚合物膜的性能。

       此外,德國的西格里集團(SGL Group-The Carbon Company)是全球領先的碳素石墨材料以及相關產品的制造商之一,擁有包括從碳石墨產品到碳纖維及復合材料在內的完整業務鏈。

       綜合性領軍團

       除了在各自領域各有所長的企業之外,在全球范圍內,一些綜合性材料公司的業務范圍涉及能源、生物醫療、信息、航空航天、海洋、環境等所有現代高技術領域,其在新材料科技創新、新產品研發和應用、產業規模、產業技術以及全球市場占有率等方面都處于全球領先地位。

       例如,美國3M公司100多年來開發了以各種材料為基礎的近7萬種產品,涵蓋家居、醫療、教育、電子、通信、運輸、建筑等各個領域,其產品和技術已深深融入現代技術和人們的生活。

       日本最具代表的綜合性材料公司包括三井化學(Mitsui Chemicals)、三菱化學(Mitsubishi Chem.)、日立金屬(Hitachi-Metals)等三家。

       三井化學是日本最大的化工企業集團之一,主要業務包括增值特殊化學品,塑料及其他材料產品的研發、生產和供應,產品面向汽車、醫療、包裝、農業、建筑、工業、造紙、紡織,以及半導體和電子市場。

       三菱化學的主打領域包括功能材料和塑料產品(包括信息及電子產品、專業化學制品、制藥)、石油化工、碳及農業產品。雖然鋁、片塑產品以及塑料包裝等功能材料占其銷售額的55%以上,但公司還是把長期目標放在了專業化學制品及制藥上。

       三菱化學近兩年正就推進海外碳素制品業務展開討論。該公司將煤炭通過焦炭爐高溫干餾,產生焦油經熱處理工藝制成針狀焦炭。針狀焦炭不僅可用作電爐用石墨電極,還能作為鋰離子充電電池的負極材料,在市場上具有迫切的需求度。

       鑒于日本本土已無原料焦油的增產余地,因此三菱化學希望在中國、印度等國尋找到新的原料產地,以進一步擴大其碳素制品事業。

       日立金屬的產品涵蓋電子、汽車、機械、建筑和環境等領域,如IT部件和材料、磁性應用部件、平板顯示屏、計算機和半導體集成電路器件、汽車零部件和材料、環保系統產品、航空航天和核電工業材料等。

       德國的巴斯夫(BASF SE)公司是世界上最大的化工廠之一,主流產品以化學品及塑料為核心,從天然氣、石化原料等原料到最終產品的完整產業鏈,涵蓋化學品、醫藥、塑料、環保等技術領域,在電子通訊、航空航天、生物、現代交通、節能環保等領域具有領先優勢。

       近日,巴斯夫公司展示了其研發的一系列創新材料,包括隔音阻燃汽車引擎罩蓋創新材料、新型聚合物分散體、可持續性涂料等。

       利用創新材料的汽車引擎罩蓋,能為車輛帶來靜謐和舒適。這是一種具有開孔結構的聚氨酯整體泡沫解決方案,這種材料具有重量輕、隔音好、阻燃性高等特性,可讓車內更加安靜,并為駕駛者提供更好的車內體驗。

       巴斯夫還開發了一種新的聚合物分散體Styrofan PLUS 7552。這種分散體可以提高防水膜的性能,尤其是在廚房、浴室和游泳池等環境下,防水膜的機械強度和抗洗滌劑、漂白劑腐蝕能力都有所提高,從而延長使用壽命。

       此外,荷蘭的帝斯曼(DSM)公司是一家國際性的化工原料和醫藥集團,在許多領域都處于世界領先地位。帝斯曼化工產品以及復合材料纖維中間體、復合材料樹脂等應用于航空航天、汽車、海洋、建筑、電子電氣、生命防護、替代能源以及生物基材料等領域。

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