2018-10-22

所謂的《高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人》，其實(shí)跟我們常聽到的「智能制造」脫離不了關(guān)系。原因在機(jī)器人是集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體，是「智能制造」的代表性產(chǎn)品，其研發(fā)、制造、應(yīng)用成為衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，自然引起了世界制造強(qiáng)國(guó)的高度重視。先來談?wù)劯邫n數(shù)控機(jī)床吧！

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的主流設(shè)備，使體現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)水平、現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)工藝水平的重要標(biāo)志，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生、國(guó)防尖端建設(shè)的戰(zhàn)略物資。從 2002 年開始，中國(guó)已成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)和機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)。且國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng) 90% 都從國(guó)外進(jìn)口，整個(gè)高端數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)基本上都被法那科和西門子等廠家壟斷。具體而言，中國(guó)發(fā)展五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)迫在眉睫，此處所謂的高檔是指高性能，也就是高精、高細(xì)、高速、柔性、智能、高可靠性、高重復(fù)性、低故障率等。未來幾年我國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)需求量將繼續(xù)以年均 10-15% 的速度增長(zhǎng)，根據(jù)國(guó)家科技重大專項(xiàng)之<高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備>要求，到 2020 年，國(guó)產(chǎn)中、高檔數(shù)控機(jī)床用的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)占有率達(dá) 60% 以上，也代表有 12 萬臺(tái)的替代空間，未來行業(yè)空間巨大！據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014-2016 年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床銷售收入均超過 2,400 億元；2016 年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床銷售額為 2,732.3 億元，同比增長(zhǎng) 7.69%。2017 年銷售額約為 3,060.3 億元，首次超過 3,000 億元。數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平主要指標(biāo)見表 1。

接下來，我們就來探討機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展包括研發(fā)試驗(yàn)、機(jī)器人本體和零部件產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)集成技術(shù)、服務(wù)等，每一個(gè)環(huán)節(jié)都很重要。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的過程，整體來看，目前中國(guó)大部分機(jī)器人企業(yè)集中在集成領(lǐng)域，加工組裝企業(yè)占多數(shù)。在核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高可靠性基礎(chǔ)功能部件、系統(tǒng)工藝應(yīng)用解決方案以及主機(jī)批量生產(chǎn)等方面，距離發(fā)達(dá)國(guó)家還有相當(dāng)?shù)牟罹唷ｊP(guān)鍵部件方面，精密減速器、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵部件大量依賴進(jìn)口。雖然多年來國(guó)家對(duì)這方面也做了較大的投入支持，由于原來市場(chǎng)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化程度不高，不足以帶動(dòng)核心部件的發(fā)展，致使效果不理想。

隨著我國(guó)工廠自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在其它工業(yè)行業(yè)中也將得到快速推廣，如電子、金屬制品、橡膠塑料、食品、建材、民爆、航空、醫(yī)藥設(shè)備等行業(yè)。目前，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)前 10 名都是外資，份額都不大，并維持平均增長(zhǎng)率 25% 左右，到 2018 年工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模接近 11 萬臺(tái)。至於服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)以及醫(yī)療、養(yǎng)老、康復(fù)、助殘等工作。服務(wù)機(jī)器人是一種新型智能化裝備、一項(xiàng)戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)品，在未來具有比工業(yè)機(jī)器人更大的市場(chǎng)空間。中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)占有率見表 2。

那究竟高檔數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人與什么技術(shù)有關(guān)？就舉中信重工開誠(chéng)的排爆機(jī)器人為例，整個(gè)系統(tǒng)包括：電氣系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、光學(xué)與傳感器系統(tǒng)等五大部分。而這五大部分就涉及了導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤(rùn)滑、涂料、高分子、合金、傳感、電磁、光電、半導(dǎo)體及成像等類別，追根究底都能跟石墨烯沾上關(guān)系！上一篇新一代信息技術(shù)我們已經(jīng)探討了部分的光電及半導(dǎo)體，而"電磁"這部分準(zhǔn)備放在“航空航天裝備”這篇來談，這篇我們就來探討合金與傳感吧！

在石墨烯合金項(xiàng)目上，研究人員大多投入在鋁、銅、鎳這三個(gè)金屬，見表 3。

首先，金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在各種技術(shù)領(lǐng)域及不同的工況條件下，我們將金屬基復(fù)合材料區(qū)分為“結(jié)構(gòu)件”及“功能件”，所謂“結(jié)構(gòu)件”一般要求高的比強(qiáng)度和比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此大多選用鋁及鎂兩類合金作為基體；而“功能件”主要用于電子封裝和熱沉材料、高導(dǎo)熱、耐電弧燒蝕、耐高溫磨損材料及耐腐蝕材料等，主要選用鋁、銅、銀、鉛、鋅等合金作為基體 (見表 4)。其次，金屬基體的選擇對(duì)復(fù)合材料的性能有決定性的作用，金屬基體的密度、強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐熱、抗腐蝕等特性，將直接影響復(fù)合材料的比強(qiáng)度、耐高溫、導(dǎo)熱及導(dǎo)電等性能。按理說石墨烯加入金屬該有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但實(shí)際試驗(yàn)中卻往往無法盡如人愿，最重要的因素還是在「分散性」及「潤(rùn)濕性」，而前者影響著后者，所以我們首務(wù)之急在解決兩界面間之「潤(rùn)濕性」，更精準(zhǔn)地說，就是要解決石墨烯與各類金屬間的「相容性」。

舉例來說，發(fā)動(dòng)機(jī)是耐熱結(jié)構(gòu)材料，要求復(fù)合材料零件工作溫度為 650-1,200℃，同時(shí)要求復(fù)合材料有良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學(xué)性能，鋁、鎂復(fù)合材料一般只能用在 450℃ 左右，而鈦合金基體復(fù)合材料可用到 650℃，而鎳、鈷基復(fù)合材料可在 1,200℃ 使用，甚至金屬間化合物更可作為耐熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體。但石墨烯的抗氧化溫度不超過 650℃，在 450℃ 以后逐漸熱失重，除非在真空環(huán)境下進(jìn)行，但相形也增加了很多的成本。金屬基復(fù)合材料主要制造方法大致可參考表 5。

另外，由于石墨烯與金屬粉末密度相差較大，且石墨烯的長(zhǎng)徑比達(dá) 100-1,000，具有很高的表面自由能，極易發(fā)生團(tuán)聚，難以在復(fù)合材料基體中均勻分散。加上碳與多數(shù)金屬溶解度很低，多數(shù)只能采用“粉末冶金”法，而無法用一般「熔煉」工藝來制備石墨烯金屬基復(fù)合材料，通常還要先用濕式球磨方式使兩者粒徑接近，才能使「界面結(jié)合力」更好。為了使復(fù)合材料具有良好的性能，需要在增強(qiáng)體與基體界面上建立一定的結(jié)合力。「界面結(jié)合力」是使基體與增強(qiáng)體從界面結(jié)合態(tài)脫開所需的作用于界面上的應(yīng)力，它與界面的「結(jié)合形式」有關(guān)，并影響復(fù)合材料的性能。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，在不同界面結(jié)合受載時(shí)，如果結(jié)合太弱，纖維就大量拔出，強(qiáng)度低；結(jié)合太強(qiáng)，復(fù)合材料脆斷，既降低強(qiáng)度，又降低塑性；只有結(jié)合強(qiáng)度適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性。

平心而論，石墨烯跟傳感就能激蕩出更多的火花！電子是石墨烯最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2017 年，除了石墨烯射頻標(biāo)簽 (RFID)、石墨烯的電磁干擾屏蔽/靜電保護(hù) (EMI/ESD) 元器件等應(yīng)用，市場(chǎng)上出現(xiàn)了更多的石墨烯電子產(chǎn)品，讓石墨烯在各個(gè)電子細(xì)分市場(chǎng)上的拓展進(jìn)一步深入。相關(guān)新應(yīng)用的案例包括 Graphenea 成功地將石墨烯應(yīng)用于邏輯設(shè)備 (200mm CMOS-compatible graphene wafers)；Nanomedical Diagnostics 開始出貨高靈敏度、小體積的石墨烯生物傳感器；Emberion 開發(fā)的石墨烯傳感器在近紅外成像及醫(yī)療和工業(yè) X 射線成像等領(lǐng)域得到應(yīng)用等等。另外，還有多項(xiàng)集成石墨烯材料的氣體和濕度傳感器產(chǎn)品問世。就目前石墨烯傳感研究的項(xiàng)目包括：電化學(xué)、氣體、生物小分子、酶、DNA 電化學(xué)、醫(yī)藥、光電、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械等，內(nèi)容真是無遠(yuǎn)弗屆。

就以氣體傳感器為例，石墨烯在電化學(xué)傳感器上的應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 體積小，表面積大；

② 靈敏度高；

③ 響應(yīng)時(shí)間快；

④ 電子傳遞快；

⑤ 易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性；

⑥ 減少表面污染的影響。

Kyler. Ratinac 等人 (2010) 綜述了幾種石墨烯氣體傳感器的研究狀況，指出基于石墨烯的小尺度傳感器在環(huán)境檢測(cè)中前景非常好。Rakesh K. Joshi 等人 (2010) 利用 MPECVD（微波等離子化學(xué)氣相沉積）方法在 Si 基 Ni 涂層上生長(zhǎng)出了石墨烯薄膜和納米帶，并利用四點(diǎn)探針技術(shù)研究了石墨烯在 25-200°C 之間的電阻-溫度變化關(guān)系，見圖 1。發(fā)現(xiàn)石墨烯暴露于 CO 中時(shí)，電阻增加；而暴露于 O2 和 NO2 中時(shí)，電阻下降。石墨烯薄膜在 100ppm 的 CO 和 100ppm 的 NO2 的傳感信號(hào)分別為 3 和 35；石墨烯納米帶在 100ppm 的 CO 和 100ppm 的 NO2 的傳感信號(hào)分別為 1.5 和 18。該氣體傳感器的機(jī)制主要是石墨烯表面吸附氣體后引起了電荷輸運(yùn)的改變。基于石墨烯的氣體傳感器具有耐久性、可靠性和重現(xiàn)性。

Ref.:

宮非：高大上系列L之十九：石墨烯傳感器在中紅外波段的應(yīng)用潛力?zhuanlan.zhihu.com宮非：高大上系列L之十二：基于多電極結(jié)構(gòu)的石墨烯熱電太赫茲探測(cè)器?zhuanlan.zhihu.com宮非：高大上系列L之十：石墨烯光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)寬波段、高敏成像?zhuanlan.zhihu.com宮非：高大上系列L之三：基于石墨烯-氮化硅諧振腔的電光可調(diào)光頻率梳?zhuanlan.zhihu.com宮非：商品化系列C之十：傳感篇?zhuanlan.zhihu.com宮非：商品化系列C之六：復(fù)合金屬篇?zhuanlan.zhihu.com

7. Environmental Science & Technology, 2010, 44:116.

8. Physics Chem. C, 2010, 114:6610.

分類：產(chǎn)業(yè)化 >>政策 >>戰(zhàn)略

總結(jié)

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