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            教育科技
            飛機零件是“布”做的
            2018/6/28 21:33:27  轉載自: 互聯網  
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              從古至今,咱中國人就沿用著用稻草或麥秸和上粘土泥巴蓋房子,這用現在的話來講就是一種復合材料,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步,人類對材料開發利用的廣度和深度逐步加大加深。新材料技術的突破,正伴隨著新一輪產業革命,改變我們的生活和所處的這個世界。今天要給你講的材料的秘密絕對讓人漲知識,看完以后沒準你也靈光一現,創造出什么新材料也不一定噢!
              【“中國草”能變身小提琴?】
             
              這把小提琴,是意大利的經典樣式。不過它可不是一把普通的木質小提琴,它有一個特殊的名字——碳麻琴。
              益小蘇,就是這把小提琴的設計者,他被譽為航空新材料的魔法師?,F在,他要讓航空材料的高端技術用于民用領域,為民品帶來巨大的升級空間。
              兩年多以前,益小蘇發現,市場上已經出現了一種用純碳纖維材料生產的小提琴。碳纖維材料高強度、低密度、耐腐蝕,可以規避傳統木質小提琴受氣溫、濕度影響導致音色出現差別的難題,重量也能減小3/4,還能節省大量木材。
              但純碳纖維的小提琴,卻有一個嚴重的缺點。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很歡快的高音的曲子非常好,但是如果拉舒緩的《梁?!纺蔷筒恍辛?,低音和中音都不夠。
             
              什么材料能解決純碳纖維的這個缺陷呢?利用在航空材料領域積累的經驗和技術,益小蘇在不同的材料間反復嘗試,最后他發現,最理想的材料就是中國傳統的苧麻。全世界苧麻的90%以上產自中國,也被稱作中國草。因為顏色潔白,有絲樣光澤,在古代,苧麻不但是生產服裝的高檔原料,也被作為珍貴的貢品。
              把麻纖維做成織物,與碳纖維復合,益小蘇生產出了目前全世界唯一一把碳麻復合材料制作的小提琴。
              這種材料同時規避了木質小提琴和純碳纖維小提琴的缺陷,不會隨著溫度、濕度發生變化,狀態十分穩定。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溝通研究,對于他們的不同需求了如指掌后,他開始通過調節碳纖維和麻纖維的比例,來調節小提琴的音色。
              今年下半年,第一批碳麻琴就將正式推向市場。除了音樂領域,益小蘇還嘗試將這種新材料應用到更廣泛的領域?;┌宓墓潭ㄆ?,用碳麻復合材料做成的自行車。未來將會有更多節能環保的材料應用到工業產品中。
              【飛機零件是“布”做的?】
              這里是航空碳纖維復合材料的生產車間。
             
              每隔四五天,女工馬海艷都要將新的纖維軸仔細地掛在軸架上。每個紗束里有3000多根絲束。纖維在走的過程中,不能斷紗,不能劈絲。這是碳纖維復合材料制造的第一步。
              生產復合材料原材料的這臺設備看上去更像是個織布機,經過整紗、導引、梳理,600多根纖維紗排成一張布的形態,加入一種樹脂,通過設備上下膠膜定型,便完成了預浸料的生產過程。
              一張預浸料最薄的只有0.1毫米厚,要想最終變成復合材料,做飛機或輪船的零部件,需要層層鋪疊。有的甚至需要鋪疊三百多層。
              做好的預浸料是寬帶狀的,更適合制造平面結構的零部件,但飛機的零部件有大量的類似這樣的復雜曲面結構,這又是如何完成的呢?
              鋪絲鋪帶車間里,一臺大型的機械手正在按設定的程序自動鋪疊。要實現精準的制造,必須得采用這種自動化的設備,才能保證鋪放的路徑跟當初設計的路徑完全一致,而且達到穩定重復,這樣才能夠保證飛機的安全。鋪絲技術是解決民機機身用復材的最關鍵的基礎技術,這個技術如果不解決,復材機身就根本造不出來。
              為了制造不規則形狀或曲面結構的零部件,帶狀的預浸料被切成6.35毫米的帶絲,一卷卷帶絲通過這臺鋪絲機按照設定的程序進行自動鋪疊。
              用手工鋪疊制造產品,材料利用率在百分這五十和六十左右,而用自動鋪絲技術,材料利用率在90%以上。
              層層疊加而成的復合材料在使用的過程中可能會出現劈裂或起層,給飛機造成安全隱患,解決這個問題的關鍵是要用這個大縫紉機將幾十層幾百層的復合材料縫合起來。
              在這個車間里,工人正在穿針引線。線是這是凱夫拉纖維,大多用來做防彈衣上的玻璃鋼線??p合好的材料加入樹脂固化成型后,就變成這樣一個飛機上的制件。
              用縫合來代替鉚接,不但起到加強加固的作用,還會降低制造的成本。而原本軟軟的材料是如何固化成為具有剛度和強度的飛機零部件呢?
              工人們正在吊裝的是一個無人機的機翼,今天要送進高溫高壓熱壓罐中進行固化。
              將這樣一個大型的飛機零部件固化定型,溫度的均勻性至關重要,零部件在罐體內的擺放就很講究,是放在罐頭還是罐尾,高度多少,都要經過精密的設計。
             
              固化過程要經過18個小時的抽真空和加壓升溫,溫度最高能達到230度。固化成形后,軟軟的布一樣的機翼就變成一個剛度和模量都非常大的一個零件的狀態。
              這個直徑7米,長30米的熱壓罐,也可以為我們國家未來大型寬體客機的部分機身進行整體固化定型。
              【石墨烯手機來了?】
              史浩飛,這位80后的青年學者,是中國石墨烯規?;苽浼夹g的原創發明人之一。
              6年前,為了做研究,史浩飛曾經在美國購買過一片石墨烯薄膜,面積僅有4英寸大小,卻花掉了1000美元。最初的時候,這種石墨烯薄膜只能在實驗室進行制備,所以根本沒有辦法獲取。這個技術也被少數幾個實驗室當做最核心的技術秘密。
             
              這是2013年底,史浩飛團隊研制成功的全世界第一條大規模石墨烯薄膜生產線,年產能為100萬平方米。這里所有生產設備都是中國自主知識產權,因為涉及到大量技術秘密,這條生產線還從未對外界開放。
              這臺設備,是在1000攝氏度的高溫環境中,由碳原子在銅片的襯底上沉積,連接,生長,最終形成一層石墨烯薄膜。
              石墨烯薄膜的大規模生產在全球都是一個難題,在這里實現量產還只是過了第一關,怎么把大面積的石墨烯薄膜從它生長的襯底上揭下來難度更大。薄膜太薄,揭下來容易撕裂,怎么辦?在今晚的《感受中國新動能:新材料的秘密》里將細細道來。
              這條生產線,已經能批量生產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。在另外一件實驗室里,第三代生產線正在研制,能將第二代的生產效率再提升數十倍。
              實驗室里,科學家們已經突破了石墨烯薄膜連續生產和轉移的關鍵技術,但如何開發石墨烯薄膜的應用領域,實現產業化卻是一個急待解決的難題。
              在企業的產品實驗室,工程師張亮正帶領團隊尋找石墨烯薄膜的應用方向。
             
              這是張亮他們最看重的一款新產品原型,用石墨烯材料制作的柔性手機。把它拉直了就變成了一個普通的手機,纏在手上,就是一個可穿戴性的設備。
              手機的顯示屏是石墨烯材料的,非常柔軟、可以隨意卷曲。未來的柔性的屏就能做到像一張紙一樣薄。
              因為石墨烯具有近乎全透明的透光性能,同時兼備了高導電率和很好的柔性,石墨烯將替代現有的透明導電材料,推動現有顯示屏、觸摸屏的升級換代,已經是全球公認的產業方向。
              擺在眼前的問題是,用石墨烯制成的顯示屏和觸控屏,都能單獨地生產出來,但要把這兩個柔性的屏幕完美貼合到一起,生產出真正的柔性手機,卻是一個世界性的難題,LG、三星等行業巨頭目前都瞄準著這一領域卻還未得到突破。
              可是,就在中國的重慶,研發團隊已經在實驗室中制造出了柔性手機屏幕。他們的下一個目標,是在2018年之前,生產出全球第一批石墨烯手機屏。

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