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先进复合材料

正如我在2014年的澳大利亚复合材料大会上学到的，如果我用“碳素纤维”这个词做标题，人们似乎能更好地理解这一章的内容。但事实上除了碳素纤维，还有很多其他可用的纤维和树脂，而且为了让产品具有理想性能，通常也必须用到其他的复合材料。常见的例子是碳素纤维和玻璃纤维的结合。

最近复合材料应用方面取得的成功包括首个碳素纤维轮胎的商品化，这种轮胎目前主要用于高价的快速车或威尔士的一座人行吊桥上。有些领域只能用复合材料，如各种尺寸和型号的船，从游弋的小艇到竞赛用的赛艇，都只能用复合材料。

复合材料在汽车和飞机上的应用不怎么为人熟知，不过这些领域的复合材料零部件数量越来越多。先进复合材料是制造波音787梦幻客机机身的主要材料，其中大约50%是内置复合材料。除了之前提到的轮胎，现在汽车的许多零部件也是由复合材料制成的。许多情况下重量是关键因素（船、飞机）；也有些情况下耐久性是关键因素。汽车零部件需要考虑重量因素，但成本也不容忽视。

先进复合材料产业呈现出多样化的发展趋势。有些制造商可以生产复杂的单个零部件，有些可以生产大批量零部件。有人预测，到2020年，该产业75%的生产会变成自动化模式。这个预测包括了相同零部件的大批量生产。

要使那些生产单个和小批量零部件的公司实现高度自动化，特别是当零部件的重量要精确到克同时要保证强度的时候，挑战较大，但并非不可能实现。自动化方法可以使参数范围内的生产更加简单。

已经有多种技术可以用于复合材料零部件的大规模定制生产，甚至可以用短纤维进行增材制造。不过用这种方法生产出来的产品强度不大。自动纤维铺放技术用机器人铺放连续纤维增强带，在铺放过程中有两种加热方式，要么将热塑带融入其中，然后卷起来，要么直接使用热固化胶带。

在“新南威尔士大学自动化综合研究机构的发展”一文中，A.Beehag等人展示了两个实验室，它们致力于开发复合材料制造的自动化技术。其中一个在英国的布里斯托尔，另一个在德国，当然，全世界还有很多这样的实验室。德国的实验室更偏向航空航天领域，美国橡树岭国家实验室的制造示范基地研究的是更为复杂的复合材料，如3D打印的金属外层，这方面的研究有助于大规模定制的发展。

纳米技术

我不是制造业的万事通，所以不可能讨论所有的新兴技术。这一章的最后一个话题我想留给纳米技术，因为这项技术被公认为是目前工业革命的推动力。詹妮弗·卡恩在2006年曾预测纳米技术将在未来的几十年内飞速发展，其影响力之大会使计算机革命看上去只是个小小的变更。

纳米技术令人感到不可思议，因为在纳米级尺度水平上，所有的物质都表现得不同了。这是因为物质的本质特性是在纳米尺度水平上确定的。碳原子的排列方式决定了你得到的是煤、石墨还是钻石。在纳米级尺度水平上，碳纳米管和石墨烯的结构最令人惊叹。

石墨烯是以单晶质的方式排列的单层碳原子。因为它只有一层原子的厚度，因此完全是看不见的。如果你能够把它造得足够大，你可以用它造个吊床，那么这一层原子的强度就足够承载一只猫了。目前电子产业对石墨烯做了许多研究。比如，如果把石墨烯铺在硼表面，它的晶体结构就会和硼基底匹配对准，电气性质就会发生巨大的变化。这种新材质也叫作“白石墨烯”，它可以使电子几乎垂直地到达指定电场，从而几乎不需要消耗能源。那样的话，我们离美好愿景就更近一步了，有朝一日能造出耗能极少的电子装置，比如能从环境收集能源、状态变化再大也不用频繁通信的微型传感器。

微型传感器即石墨烯的另一应用。石墨烯和其他材料混合起来可以制造一些非常灵敏的传感器，用于医疗设备和其他设备。石墨烯的机械强度令人难以置信，因此将其用于先进复合材料应该大有帮助。目前，许多针对各种电子应用的研究已经在进行中，最近的研究发现石墨烯能够极大地改进燃料电池和其他电池的效能。

碳纳米管是一种新的碳纤维。研究者尝试把它旋转制成长线条，这样一来它的强度可能比凯夫拉纤维（Kevlar）更大。它的强度能达到钢铁强度的100倍，而重量却只有钢铁的八分之一。简单地把纳米管加入环氧树脂就可以使胶水的粘合度增加30%。碳纳米管可以制成片状的编织材料。如果将碳纳米管用于先进的复合材料中，将会变革我们的建筑方式并突破目前建筑能到达的高度。

纳米管和石墨烯的特别之处在于它们自下而上的结构。一方面，石墨烯的单层碳原子表面可以生成电子纳米结构，结果可能产生极其轻薄灵活的电子。另一方面，纳米管可以承载非常高负荷的电力，同时损耗却比使用铜或铝低得多。

纳米技术在生物或医疗方面的应用也有很大的潜力。将其直接用于医疗有一定的危险性，所以可能还要经历数十年的发展。不过，目前正在开发一种用以检测蛋白质的传感器，比如呼吸中的可能预示着癌症的蛋白质。另一个应用是纳滤技术，它在净化水质方面有很大的发展潜力。

目前，绝大多数研究都基于碳相关的纳米技术，但其实还有其他已使入使用物质和技术可以研究。比如，银纳米粒子可以用作抗菌剂，二氧化钛可用在遮光剂中。覆盖有纳米粒子的衣服会变得更耐脏更耐穿。将磷酸铁锂纳米粒子用作电池正极可以极大地改善电池的性能。

最近已经投入商业使用的一项纳米技术就是超级电容器。这些装置可以储存极高电荷的电量。中国已经将这项技术用到电车上。在广州和南京，电车新的行车路线上方没有电线，取而代之的是电车站点的充电站。靠超级电容器的电量，电车可以行使大约2.5英里（4公里），在站点给超级电容器再次充电只需大约30秒。

（本文摘自《智慧工厂：大规模定制带给制造者的机遇、方法和挑战》，【瑞士】汉斯·库尔著，机械工业出版社）

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