從古至今，咱中國(guó)人就沿用著用稻草或麥秸和上粘土泥巴蓋房子，這用現(xiàn)在的話(huà)來(lái)講就是一種復(fù)合材料，從泥瓦磚木，到銅鐵鋁鋼，再到碳纖維、石墨烯，伴隨著文明和科技的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)材料開(kāi)發(fā)利用的廣度和深度逐步加大加深。新材料技術(shù)的突破，正伴隨著新一輪產(chǎn)業(yè)革命，改變我們的生活和所處的這個(gè)世界。今天要給你講的材料的秘密絕對(duì)讓人漲知識(shí)，看完以后沒(méi)準(zhǔn)你也靈光一現(xiàn)，創(chuàng)造出什么新材料也不一定噢！

    【“中國(guó)草”能變身小提琴？】

    這把小提琴，是意大利的經(jīng)典樣式。不過(guò)它可不是一把普通的木質(zhì)小提琴，它有一個(gè)特殊的名字——碳麻琴。

    益小蘇，就是這把小提琴的設(shè)計(jì)者，他被譽(yù)為航空新材料的魔法師。現(xiàn)在，他要讓航空材料的高端技術(shù)用于民用領(lǐng)域，為民品帶來(lái)巨大的升級(jí)空間。

    兩年多以前，益小蘇發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一種用純碳纖維材料生產(chǎn)的小提琴。碳纖維材料高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕，可以規(guī)避傳統(tǒng)木質(zhì)小提琴受氣溫、濕度影響導(dǎo)致音色出現(xiàn)差別的難題，重量也能減小3/4，還能節(jié)省大量木材。

    但純碳纖維的小提琴，卻有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。碳纖維的琴它的剛度很高，就意味著它尖音很尖，用純碳纖維的琴去演奏一個(gè)很歡快的高音的曲子非常好，但是如果拉舒緩的《梁祝》那就不行了，低音和中音都不夠。

    什么材料能解決純碳纖維的這個(gè)缺陷呢？利用在航空材料領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，益小蘇在不同的材料間反復(fù)嘗試，最后他發(fā)現(xiàn)，最理想的材料就是中國(guó)傳統(tǒng)的苧麻。全世界苧麻的90%以上產(chǎn)自中國(guó)，也被稱(chēng)作中國(guó)草。因?yàn)轭伾珴嵃祝薪z樣光澤，在古代，苧麻不但是生產(chǎn)服裝的高檔原料，也被作為珍貴的貢品。

    把麻纖維做成織物，與碳纖維復(fù)合，益小蘇生產(chǎn)出了目前全世界唯一一把碳麻復(fù)合材料制作的小提琴。

    這種材料同時(shí)規(guī)避了木質(zhì)小提琴和純碳纖維小提琴的缺陷，不會(huì)隨著溫度、濕度發(fā)生變化，狀態(tài)十分穩(wěn)定。為了讓這把小提琴更加完美，益小蘇還與多位小提琴演奏家反復(fù)溝通研究，對(duì)于他們的不同需求了如指掌后，他開(kāi)始通過(guò)調(diào)節(jié)碳纖維和麻纖維的比例，來(lái)調(diào)節(jié)小提琴的音色。

    今年下半年，第一批碳麻琴就將正式推向市場(chǎng)。除了音樂(lè)領(lǐng)域，益小蘇還嘗試將這種新材料應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。滑雪板的固定器，用碳麻復(fù)合材料做成的自行車(chē)。未來(lái)將會(huì)有更多節(jié)能環(huán)保的材料應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品中。

    【飛機(jī)零件是“布”做的？】

    這里是航空碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)車(chē)間。

    每隔四五天，女工馬海艷都要將新的纖維軸仔細(xì)地掛在軸架上。每個(gè)紗束里有3000多根絲束。纖維在走的過(guò)程中，不能斷紗，不能劈絲。這是碳纖維復(fù)合材料制造的第一步。

    生產(chǎn)復(fù)合材料原材料的這臺(tái)設(shè)備看上去更像是個(gè)織布機(jī)，經(jīng)過(guò)整紗、導(dǎo)引、梳理，600多根纖維紗排成一張布的形態(tài)，加入一種樹(shù)脂，通過(guò)設(shè)備上下膠膜定型，便完成了預(yù)浸料的生產(chǎn)過(guò)程。

    一張預(yù)浸料最薄的只有0.1毫米厚，要想最終變成復(fù)合材料，做飛機(jī)或輪船的零部件，需要層層鋪疊。有的甚至需要鋪疊三百多層。

    做好的預(yù)浸料是寬帶狀的，更適合制造平面結(jié)構(gòu)的零部件，但飛機(jī)的零部件有大量的類(lèi)似這樣的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，這又是如何完成的呢？

    鋪絲鋪帶車(chē)間里，一臺(tái)大型的機(jī)械手正在按設(shè)定的程序自動(dòng)鋪疊。要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的制造，必須得采用這種自動(dòng)化的設(shè)備，才能保證鋪放的路徑跟當(dāng)初設(shè)計(jì)的路徑完全一致，而且達(dá)到穩(wěn)定重復(fù)，這樣才能夠保證飛機(jī)的安全。鋪絲技術(shù)是解決民機(jī)機(jī)身用復(fù)材的最關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)，這個(gè)技術(shù)如果不解決，復(fù)材機(jī)身就根本造不出來(lái)。

    為了制造不規(guī)則形狀或曲面結(jié)構(gòu)的零部件，帶狀的預(yù)浸料被切成6.35毫米的帶絲，一卷卷帶絲通過(guò)這臺(tái)鋪絲機(jī)按照設(shè)定的程序進(jìn)行自動(dòng)鋪疊。

    用手工鋪疊制造產(chǎn)品，材料利用率在百分這五十和六十左右，而用自動(dòng)鋪絲技術(shù)，材料利用率在90%以上。

    層層疊加而成的復(fù)合材料在使用的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)劈裂或起層，給飛機(jī)造成安全隱患，解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是要用這個(gè)大縫紉機(jī)將幾十層幾百層的復(fù)合材料縫合起來(lái)。

    在這個(gè)車(chē)間里，工人正在穿針引線(xiàn)。線(xiàn)是這是凱夫拉纖維，大多用來(lái)做防彈衣上的玻璃鋼線(xiàn)。縫合好的材料加入樹(shù)脂固化成型后，就變成這樣一個(gè)飛機(jī)上的制件。

    用縫合來(lái)代替鉚接，不但起到加強(qiáng)加固的作用，還會(huì)降低制造的成本。而原本軟軟的材料是如何固化成為具有剛度和強(qiáng)度的飛機(jī)零部件呢？

    工人們正在吊裝的是一個(gè)無(wú)人機(jī)的機(jī)翼，今天要送進(jìn)高溫高壓熱壓罐中進(jìn)行固化。

    將這樣一個(gè)大型的飛機(jī)零部件固化定型，溫度的均勻性至關(guān)重要，零部件在罐體內(nèi)的擺放就很講究，是放在罐頭還是罐尾，高度多少，都要經(jīng)過(guò)精密的設(shè)計(jì)。

    固化過(guò)程要經(jīng)過(guò)18個(gè)小時(shí)的抽真空和加壓升溫，溫度最高能達(dá)到230度。固化成形后，軟軟的布一樣的機(jī)翼就變成一個(gè)剛度和模量都非常大的一個(gè)零件的狀態(tài)。

    這個(gè)直徑7米，長(zhǎng)30米的熱壓罐，也可以為我們國(guó)家未來(lái)大型寬體客機(jī)的部分機(jī)身進(jìn)行整體固化定型。

    【石墨烯手機(jī)來(lái)了？】

    史浩飛，這位80后的青年學(xué)者，是中國(guó)石墨烯規(guī)模化制備技術(shù)的原創(chuàng)發(fā)明人之一。

    6年前，為了做研究，史浩飛曾經(jīng)在美國(guó)購(gòu)買(mǎi)過(guò)一片石墨烯薄膜，面積僅有4英寸大小，卻花掉了1000美元。最初的時(shí)候，這種石墨烯薄膜只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行制備，所以根本沒(méi)有辦法獲取。這個(gè)技術(shù)也被少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)做最核心的技術(shù)秘密。

    這是2013年底，史浩飛團(tuán)隊(duì)研制成功的全世界第一條大規(guī)模石墨烯薄膜生產(chǎn)線(xiàn)，年產(chǎn)能為100萬(wàn)平方米。這里所有生產(chǎn)設(shè)備都是中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因?yàn)樯婕暗酱罅考夹g(shù)秘密，這條生產(chǎn)線(xiàn)還從未對(duì)外界開(kāi)放。

    這臺(tái)設(shè)備，是在1000攝氏度的高溫環(huán)境中，由碳原子在銅片的襯底上沉積，連接，生長(zhǎng)，最終形成一層石墨烯薄膜。

    石墨烯薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)在全球都是一個(gè)難題，在這里實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還只是過(guò)了第一關(guān)，怎么把大面積的石墨烯薄膜從它生長(zhǎng)的襯底上揭下來(lái)難度更大。薄膜太薄，揭下來(lái)容易撕裂，怎么辦？在今晚的《感受中國(guó)新動(dòng)能：新材料的秘密》里將細(xì)細(xì)道來(lái)。

    這條生產(chǎn)線(xiàn)，已經(jīng)能批量生產(chǎn)15英寸直徑的片狀的石墨烯薄膜，成本也壓低到了每張幾十元。在另外一件實(shí)驗(yàn)室里，第三代生產(chǎn)線(xiàn)正在研制，能將第二代的生產(chǎn)效率再提升數(shù)十倍。

    實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們已經(jīng)突破了石墨烯薄膜連續(xù)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵技術(shù)，但如何開(kāi)發(fā)石墨烯薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化卻是一個(gè)急待解決的難題。

    在企業(yè)的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室，工程師張亮正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)尋找石墨烯薄膜的應(yīng)用方向。

    這是張亮他們最看重的一款新產(chǎn)品原型，用石墨烯材料制作的柔性手機(jī)。把它拉直了就變成了一個(gè)普通的手機(jī)，纏在手上，就是一個(gè)可穿戴性的設(shè)備。

    手機(jī)的顯示屏是石墨烯材料的，非常柔軟、可以隨意卷曲。未來(lái)的柔性的屏就能做到像一張紙一樣薄。

    因?yàn)槭┚哂薪跞该鞯耐腹庑阅埽瑫r(shí)兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電率和很好的柔性，石墨烯將替代現(xiàn)有的透明導(dǎo)電材料，推動(dòng)現(xiàn)有顯示屏、觸摸屏的升級(jí)換代，已經(jīng)是全球公認(rèn)的產(chǎn)業(yè)方向。

    擺在眼前的問(wèn)題是，用石墨烯制成的顯示屏和觸控屏，都能單獨(dú)地生產(chǎn)出來(lái)，但要把這兩個(gè)柔性的屏幕完美貼合到一起，生產(chǎn)出真正的柔性手機(jī)，卻是一個(gè)世界性的難題，LG、三星等行業(yè)巨頭目前都瞄準(zhǔn)著這一領(lǐng)域卻還未得到突破。

    可是，就在中國(guó)的重慶，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中制造出了柔性手機(jī)屏幕。他們的下一個(gè)目標(biāo)，是在2018年之前，生產(chǎn)出全球第一批石墨烯手機(jī)屏。

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