——兼論“功能性材料與技術是表面工程發(fā)展的重要方向”

       智能時代：第四次工業(yè)革命奇點將至

       人類歷史的發(fā)展，從農(nóng)業(yè)社會進入工業(yè)社會，鋼鐵及其他金屬材料的出現(xiàn)，開啟了工業(yè)1.0時代，即由蒸汽機、內(nèi)燃機的發(fā)明而進入機械化時代;隨著電磁、導電、絕緣材料的出現(xiàn)，電及電機的發(fā)明開啟了工業(yè)2.0電氣化及初級自動化時代，這標志著機器代替部分人的體力勞動;由電子管、半導體等材料的出現(xiàn)，導致發(fā)明晶體管、通訊技術、計算機等，以至于硅基材料的出現(xiàn)發(fā)明了集成電路，由此誕生現(xiàn)代通訊技術、互聯(lián)網(wǎng)等，進入工業(yè)3.0信息化(即數(shù)字化、網(wǎng)絡化)時代;而大數(shù)據(jù)、超級計算機及人工智能等的出現(xiàn)，則開啟了工業(yè)4.0智能化時代。

       在第四次工業(yè)革命的智能化時代，超級計算機、大數(shù)據(jù)、人工智能裝備，是感知、學習、存儲、運算、決策等的載體，這些智能裝備的制造，必須要有更新型的材料支持。例如納米材料、稀土材料、覆合材料、定制有機材料及多元合金，甚至單原子、單晶的金屬絲，單原子的石墨烯等;同時需要提升新的制備工藝及方法，如PVD、CVD、PCVD、磁控濺射、元素共滲、輻照、金屬表面改性、離子注入、新型的電鍍、涂裝、熱噴涂、冷噴涂、轉化膜等工藝技術和加工方法層出不窮地出現(xiàn)。只有這樣，才能在新材料產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模化應用的基礎上，推進現(xiàn)代工業(yè)向4.0時代發(fā)展。

       極端制造：功能性新型材料不可或缺

       最近，筆者發(fā)表了一篇名為《極端制造體現(xiàn)國家競爭力》的文章，這是應邀參加“中鐵高新工業(yè)川藏鐵路極端制造裝備研制誓師動員大會”上的講話稿，其中闡明：極端裝備是指“極大或極小的極端尺度范圍內(nèi)，面向極端任務，工作于極端環(huán)境運行的技術裝備”;“川藏鐵路施工需要的，適應極端氣候條件、高山、高海拔、深峽谷、高寒、凍土層及最復雜的橫斷山脈地質(zhì)條件的橋梁裝備、掘進裝備、高寒高原鑿巖、濕噴臺車等特種裝備等”，“擴大到其他領域，包括‘深空’‘深海’‘深地’‘極寒’‘超高速’‘超高精度’等的一批極端裝備。”這些裝備都需要特種新型材料及特種新型的表面工程涂層技術，以抵抗高溫、低溫、高濕、輻射及各種射線、高速、高壓、摩擦、高強度，并需要極輕量化等裝備，保證在極苛刻的環(huán)境下安全、可靠地運行。

       作為表面工程領域的工作者，要擴大眼界，擴大服務領域，積極研發(fā)新材料，發(fā)明新工藝，為極端裝備制造，發(fā)展軍民兩用的裝備及器具作出不可或缺的新貢獻。

       自組定制：自感知表面工程謎之猜想

       近日讀到《表面工程與再制造》2018年第5期刊載一篇由劉仁志撰寫的“自組裝與表面處理技術”，這是一篇極為重要的文章，文中指明了表面工程技術發(fā)展方向之一。

       讀罷該文，收獲不小。過去筆者只知道汽車噴涂涂層在輕微劃傷時，可以有“自修復”功能。另外，按照常理，只有人體有機細胞構成的皮屑有自修復功能。奇怪的是，無生命的有機物也可能有“自修復”功能!這很值得有機化學專家及材料學教授們深入研究其“機理”，有可能對表面工程技術產(chǎn)生顛覆性的革命。

       由此聯(lián)想起10年前，溫州的一位老朋友給我配的一副能變色的有機玻璃眼鏡，估計在有機玻璃中就加入了某些可變色透明的物質(zhì)，當陽光直射時，激發(fā)這些物質(zhì)元素結構變化，致其能量不同，而引發(fā)不同程度的暗色，既輕巧，又可保護眼睛，這不就是符合有機物的“自修復”或“自適應”的性能嗎?筆者是學“機械”的，說不清楚其機理，這涉及有機分子學、材料學。人也是由有機物構成的，經(jīng)過長期發(fā)展，從無生命到有生命，從植物發(fā)展到動物，從單細胞生物發(fā)展到多細胞生物，從低級軟體動物發(fā)展到高等靈長類動物，最后出現(xiàn)了“智人”及“人”。這是生物經(jīng)過“達爾文”進化演變，發(fā)生多次質(zhì)的飛躍而形成的。人類的DNA、ANA也是由地球上的元素形成有機物構成的。

       “人工智能”具有自感知、自學習、自記憶、自思考、自決策、自執(zhí)行、自適應等特征。而“自修復”材料也可能有某種外因刺激，由“自感知”造成有機物分子結構的變化，而自修復并達到“自適應”的目的，這僅是筆者的猜測與“科幻”而已，但科幻也是基于一定科學常識演化而來，雖不能登學術的“大雅之堂”，卻對推動創(chuàng)新思維是有啟發(fā)作用的。

       另外，前不久筆者到武漢吉和昌新材料股份有限公司參觀學習，啟示頗多。曾與公司董事長宋文超討論過新材料的“定制化”問題，有機化合物按分子量區(qū)分，分高分子、中分子、小分子，其中很多結構是C與H的單鍵或共鍵結合，或-OH基及其他元素鍵合而形成。具有不同性能的高分子有機化合物材料，卻可以采用人工合成法制備，為了適應某些極端環(huán)境或工況的需要，能否定制具有某種特性的新型材料呢?包括自修復材料，或隨環(huán)境變化或工況變化而使其材料特性有所變化呢?從而自適應某些工況的要求，這是筆者的一種幻想吧!或算是一種預測吧!科學進步需要有一些幻想，與空想不同之點，在于“幻想”有一定的科學道理而已。

       未來展望：無愧于工業(yè)新時代的到來

       “定制化+自組裝”的新材料，是表面工程技術在工業(yè)4.0時代中的重要發(fā)展方向之一;再者，新材料的表面工程技術+智能制造技術+清潔生產(chǎn)，是推動表面工程技術迅速發(fā)展的三駕馬車。

       這些帶有幻想性的觀點，希望引起表面工程界的討論，即我們在迎接工業(yè)4.0時代的到來，表面工程行業(yè)的同仁們應該注意些什么，做些什么，才能無愧于工業(yè)4.0時代的到來!　

       只有想不到，沒有做不到。想象力是科學最重要的一個因素。原機械工業(yè)部副部長沈烈初提出，表面工程發(fā)展的重要方向是極端材料和智能材料，這為中國材料制造業(yè)指出了重要的工業(yè)應用場景。

       日前，美國的湯森路透集團發(fā)布了全球頂尖的100位材料學家名人堂榜單。共有15位華人科學家入選，其中榜單前6名都是華人。但中國材料制造業(yè)的地位與歐美乃至日本比起來都有著不小的差距。我國材料研究的繁榮背后還沒有支撐起相應體量的工業(yè)應用。表面工程就是一個極其重要的工業(yè)應用場景。表面工程是表面經(jīng)過預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學成分、組織結構和應力狀況，以獲得表面所需性能的系統(tǒng)工程。表面工程技術最突出的技術特點是無需改變整體材質(zhì)，就能獲得本體材料所不具備的某些特殊性能。表面技術多獲得的表面覆蓋層厚度一般從幾十微米到幾毫米。沈烈初將新材料與表面工程的發(fā)展相結合，提出了新材料在表面工程中的兩大應用前景：極端制造和極端設備、表面工程的自組裝和定制化。尤其是表面工程的自組裝和定制化具有極強的前瞻性。

       相關鏈接：目前表面工程領域成果一覽

       美國密歇根大學開發(fā)出防雪涂層

       密歇根大學(University of Michigan)研究人員開發(fā)出一種防雪涂層，將該涂層涂敷在機動車玻璃上或是建筑物外墻上，可以有效防止霜雪在其表面的沉積。據(jù)報道，該涂層主要由彈性組織構成，該組織可在極小的外力作用下發(fā)生較大的變形，這便使得霜雪在沉積時喪失固定的支撐，因而發(fā)生脫落。

       美國伯克利勞倫斯國家實驗室開發(fā)出熱反射薄膜

       據(jù)統(tǒng)計，美國每年從窗戶散失的能量將造成500億美元的經(jīng)濟損失，為了改善這一問題，伯克利勞倫斯國家實驗室開發(fā)了一種選擇性反射玻璃薄膜，該薄膜對可見光具有透射性，而對紅外線具有反射性，這意味著在夏天外面的光線不能使室內(nèi)升溫，而冬天室內(nèi)產(chǎn)生的熱量也不會散失到屋外。

       美國NASA開發(fā)出超滑飛機涂層

       飛機在大氣中飛行時，即使極小的顆粒包括昆蟲等都會使其飛行阻力增大，針對于此，NASA研制出了一種超滑薄膜，其表面具有類似蓮花的形貌，這可以使顆粒物迅速劃過。NASA預測，采用這種設計的飛起燃料效率將會至少提高一個百分點，這將使類似英國航空公司等大型航空公司每年節(jié)省3500萬美元。

       美國麻省理工大學開發(fā)出抑菌薄膜

       麻省理工大學研究人員利用逐層沉積的方法制備了一種能抑制細菌的薄膜，該薄膜主要用于幫助骨損傷患者康復。薄膜的總厚度為0.5～2μm，上層含有抗生素，下層則含有促進骨骼痊愈的藥物，這使得該薄膜具有抑菌和促進骨骼恢復雙重功效，這將有助于患者的康復治療。

       新加坡A*STAR研制出環(huán)境友好型抑菌涂層

       船舶等航海設備的外表面常常會覆蓋一層有機物涂層，其作用是防止細菌以及海水有機物在船舶表面滋生。這層涂層以往常由有毒材料構成，而這會對環(huán)境產(chǎn)生影響。針對于此，來自新加坡A*STAR公司的研究人員采用poly(methyl oxa-zoline)制備了新型涂層，該涂層具有柔性、耐氧化等特性，而最重要的是該涂層為環(huán)境友好型。

       芬蘭Carbodeon納米金剛石顆粒可使氟化物涂層耐磨性提高一倍以上

       芬蘭Carbodeon公司日前開發(fā)出一種適于添加到氟化物中的納米級金剛石顆粒，研究人員改變了金剛石顆粒的表面狀況，使得顆粒易于彌散到氟化物中，而不是聚集起來。該納米顆粒直徑只有約10nm，不過其卻可顯著提高氟化物的耐磨性。

       澳大利亞MoS2薄膜助力科學家制備世界最薄鏡頭

       MoS2薄膜具有巨大的光程長度，其數(shù)值甚至比單層石墨烯膜大一個數(shù)量級，正是利用其這一特性，來自澳大利亞國立大學(Australian National University)的研究人員制備了目前世界上最薄的透鏡鏡頭，其厚度僅為6.3nm。研究人員認為這項技術將會極大地改變?nèi)祟惖纳睿胂肟苹闷械哪切┘埰愫穸鹊氖謾C，或許它們離我們真的不遠了。

       我國活塞桿表面處理技術取得重大突　

       全球首條可控離子滲入技術(PIP)生產(chǎn)線在湖南紅宇耐磨新材料股份有限公司投產(chǎn)。中國機械工業(yè)聯(lián)合會執(zhí)行副會長楊學桐說，這表明我國活塞桿表面處理技術取得重大突破，有望打破德國公司長期壟斷該領域先進技術的局面。可控離子滲入技術簡稱PIP，是一種鹽浴復合處理技術。負責該項技術的紅宇新材總工程師羅德福說，采用PIP技術加工的活塞桿，抗中性鹽霧試驗已達816小時，而之前采用國際最先進技術加工的活塞桿最多只有360小時。