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新材料是第四次工业革命的基础

www.cechina.cn2019.01.31阅读 13319

  智能时代:第四次工业革命奇点将至
  人类历史的发展,从农业社会进入工业社会,钢铁及其他金属材料的出现,开启了工业1.0时代,即由蒸汽机、内燃机的发明而进入机械化时代;随着电磁、导电、绝缘材料的出现,电及电机的发明开启了工业2.0电气化及初级自动化时代,这标志着机器代替部分人的体力劳动;由电子管、半导体等材料的出现,导致发明晶体管、通讯技术、计算机等,以至于硅基材料的出现发明了集成电路,由此诞生现代通讯技术、互联网等,进入工业3.0信息化(即数字化、网络化)时代;而大数据、超级计算机及人工智能等的出现,则开启了工业4.0智能化时代。
  在第四次工业革命的智能化时代,超级计算机、大数据、人工智能装备,是感知、学习、存储、运算、决策等的载体,这些智能装备的制造,必须要有更新型的材料支持。例如纳米材料、稀土材料、覆合材料、定制有机材料及多元合金,甚至单原子、单晶的金属丝,单原子的石墨烯等;同时需要提升新的制备工艺及方法,如PVD、CVD、PCVD、磁控溅射、元素共渗、辐照、金属表面改性、离子注入、新型的电镀、涂装、热喷涂、冷喷涂、转化膜等工艺技术和加工方法层出不穷地出现。只有这样,才能在新材料产业化与规模化应用的基础上,推进现代工业向4.0时代发展。
  极端制造:功能性新型材料不可或缺
  最近,笔者发表了一篇名为《极端制造体现国家竞争力》的文章,这是应邀参加“中铁高新工业川藏铁路极端制造装备研制誓师动员大会”上的讲话稿,其中阐明:极端装备是指“极大或极小的极端尺度范围内,面向极端任务,工作于极端环境运行的技术装备”;“川藏铁路施工需要的,适应极端气候条件、高山、高海拔、深峡谷、高寒、冻土层及最复杂的横断山脉地质条件的桥梁装备、掘进装备、高寒高原凿岩、湿喷台车等特种装备等”,“扩大到其他领域,包括‘深空’‘深海’‘深地’‘极寒’‘超高速’‘超高精度’等的一批极端装备。”这些装备都需要特种新型材料及特种新型的表面工程涂层技术,以抵抗高温、低温、高湿、辐射及各种射线、高速、高压、摩擦、高强度,并需要极轻量化等装备,保证在极苛刻的环境下安全、可靠地运行。
  作为表面工程领域的工作者,要扩大眼界,扩大服务领域,积极研发新材料,发明新工艺,为极端装备制造,发展军民两用的装备及器具作出不可或缺的新贡献。
  自组定制:自感知表面工程谜之猜想
  近日读到《表面工程与再制造》2018年第5期刊载一篇由刘仁志撰写的“自组装与表面处理技术”,这是一篇极为重要的文章,文中指明了表面工程技术发展方向之一。
  读罢该文,收获不小。过去笔者只知道汽车喷涂涂层在轻微划伤时,可以有“自修复”功能。另外,按照常理,只有人体有机细胞构成的皮屑有自修复功能。奇怪的是,无生命的有机物也可能有“自修复”功能!这很值得有机化学专家及材料学教授们深入研究其“机理”,有可能对表面工程技术产生颠覆性的革命。
  由此联想起10年前,温州的一位老朋友给我配的一副能变色的有机玻璃眼镜,估计在有机玻璃中就加入了某些可变色透明的物质,当阳光直射时,激发这些物质元素结构变化,致其能量不同,而引发不同程度的暗色,既轻巧,又可保护眼睛,这不就是符合有机物的“自修复”或“自适应”的性能吗?笔者是学“机械”的,说不清楚其机理,这涉及有机分子学、材料学。人也是由有机物构成的,经过长期发展,从无生命到有生命,从植物发展到动物,从单细胞生物发展到多细胞生物,从低级软体动物发展到高等灵长类动物,最后出现了“智人”及“人”。这是生物经过“达尔文”进化演变,发生多次质的飞跃而形成的。人类的DNA、ANA也是由地球上的元素形成有机物构成的。
  “人工智能”具有自感知、自学习、自记忆、自思考、自决策、自执行、自适应等特征。而“自修复”材料也可能有某种外因刺激,由“自感知”造成有机物分子结构的变化,而自修复并达到“自适应”的目的,这仅是笔者的猜测与“科幻”而已,但科幻也是基于一定科学常识演化而来,虽不能登学术的“大雅之堂”,却对推动创新思维是有启发作用的。
  另外,前不久笔者到武汉吉和昌新材料股份有限公司参观学习,启示颇多。曾与公司董事长宋文超讨论过新材料的“定制化”问题,有机化合物按分子量区分,分高分子、中分子、小分子,其中很多结构是C与H的单键或共键结合,或-OH基及其他元素键合而形成。具有不同性能的高分子有机化合物材料,却可以采用人工合成法制备,为了适应某些极端环境或工况的需要,能否定制具有某种特性的新型材料呢?包括自修复材料,或随环境变化或工况变化而使其材料特性有所变化呢?从而自适应某些工况的要求,这是笔者的一种幻想吧!或算是一种预测吧!科学进步需要有一些幻想,与空想不同之点,在于“幻想”有一定的科学道理而已。
  未来展望:无愧于工业新时代的到来
  “定制化+自组装”的新材料,是表面工程技术在工业4.0时代中的重要发展方向之一;再者,新材料的表面工程技术+智能制造技术+清洁生产,是推动表面工程技术迅速发展的三驾马车。
  这些带有幻想性的观点,希望引起表面工程界的讨论,即我们在迎接工业4.0时代的到来,表面工程行业的同仁们应该注意些什么,做些什么,才能无愧于工业4.0时代的到来!