——兼論“功能性材料與技術(shù)是表面工程發(fā)展的重要方向”

       智能時(shí)代：第四次工業(yè)革命奇點(diǎn)將至

       人類歷史的發(fā)展，從農(nóng)業(yè)社會(huì)進(jìn)入工業(yè)社會(huì)，鋼鐵及其他金屬材料的出現(xiàn)，開啟了工業(yè)1.0時(shí)代，即由蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明而進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代;隨著電磁、導(dǎo)電、絕緣材料的出現(xiàn)，電及電機(jī)的發(fā)明開啟了工業(yè)2.0電氣化及初級(jí)自動(dòng)化時(shí)代，這標(biāo)志著機(jī)器代替部分人的體力勞動(dòng);由電子管、半導(dǎo)體等材料的出現(xiàn)，導(dǎo)致發(fā)明晶體管、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等，進(jìn)入工業(yè)3.0信息化(即數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化)時(shí)代;而大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)及人工智能等的出現(xiàn)，則開啟了工業(yè)4.0智能化時(shí)代。

       在第四次工業(yè)革命的智能化時(shí)代，超級(jí)計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、人工智能裝備，是感知、學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)、運(yùn)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(jī)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(shí)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(zhuǎn)化膜等工藝技術(shù)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)?；瘧?yīng)用的基礎(chǔ)上，推進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)向4.0時(shí)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(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力》的文章，這是應(yīng)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(dòng)員大會(huì)”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(wù)，工作于極端環(huán)境運(yùn)行的技術(shù)裝備”;“川藏鐵路施工需要的，適應(yīng)極端氣候條件、高山、高海拔、深峽谷、高寒、凍土層及最復(fù)雜的橫斷山脈地質(zhì)條件的橋梁裝備、掘進(jìn)裝備、高寒高原鑿巖、濕噴臺(tái)車等特種裝備等”，“擴(kuò)大到其他領(lǐng)域，包括‘深空’‘深?！畹亍畼O寒’‘超高速’‘超高精度’等的一批極端裝備?！边@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(shù)，以抵抗高溫、低溫、高濕、輻射及各種射線、高速、高壓、摩擦、高強(qiáng)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(yùn)行。

       作為表面工程領(lǐng)域的工作者，要擴(kuò)大眼界，擴(kuò)大服務(wù)領(lǐng)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(xiàn)。

       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(shù)”，這是一篇極為重要的文章，文中指明了表面工程技術(shù)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(shí)，可以有“自修復(fù)”功能。另外，按照常理，只有人體有機(jī)細(xì)胞構(gòu)成的皮屑有自修復(fù)功能。奇怪的是，無生命的有機(jī)物也可能有“自修復(fù)”功能!這很值得有機(jī)化學(xué)專家及材料學(xué)教授們深入研究其“機(jī)理”，有可能對(duì)表面工程技術(shù)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(jī)玻璃眼鏡，估計(jì)在有機(jī)玻璃中就加入了某些可變色透明的物質(zhì)，當(dāng)陽光直射時(shí)，激發(fā)這些物質(zhì)元素結(jié)構(gòu)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(hù)眼睛，這不就是符合有機(jī)物的“自修復(fù)”或“自適應(yīng)”的性能嗎?筆者是學(xué)“機(jī)械”的，說不清楚其機(jī)理，這涉及有機(jī)分子學(xué)、材料學(xué)。人也是由有機(jī)物構(gòu)成的，經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，從無生命到有生命，從植物發(fā)展到動(dòng)物，從單細(xì)胞生物發(fā)展到多細(xì)胞生物，從低級(jí)軟體動(dòng)物發(fā)展到高等靈長(zhǎng)類動(dòng)物，最后出現(xiàn)了“智人”及“人”。這是生物經(jīng)過“達(dá)爾文”進(jìn)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(jī)物構(gòu)成的。

       “人工智能”具有自感知、自學(xué)習(xí)、自記憶、自思考、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等特征。而“自修復(fù)”材料也可能有某種外因刺激，由“自感知”造成有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的變化，而自修復(fù)并達(dá)到“自適應(yīng)”的目的，這僅是筆者的猜測(cè)與“科幻”而已，但科幻也是基于一定科學(xué)常識(shí)演化而來，雖不能登學(xué)術(shù)的“大雅之堂”，卻對(duì)推動(dòng)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(xué)習(xí)，啟示頗多。曾與公司董事長(zhǎng)宋文超討論過新材料的“定制化”問題，有機(jī)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(jié)構(gòu)是C與H的單鍵或共鍵結(jié)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(jī)化合物材料，卻可以采用人工合成法制備，為了適應(yīng)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(fù)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(yīng)某些工況的要求，這是筆者的一種幻想吧!或算是一種預(yù)測(cè)吧!科學(xué)進(jìn)步需要有一些幻想，與空想不同之點(diǎn)，在于“幻想”有一定的科學(xué)道理而已。

       未來展望：無愧于工業(yè)新時(shí)代的到來

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

       這些帶有幻想性的觀點(diǎn)，希望引起表面工程界的討論，即我們?cè)谟庸I(yè)4.0時(shí)代的到來，表面工程行業(yè)的同仁們應(yīng)該注意些什么，做些什么，才能無愧于工業(yè)4.0時(shí)代的到來!　

       只有想不到，沒有做不到。想象力是科學(xué)最重要的一個(gè)因素。原機(jī)械工業(yè)部副部長(zhǎng)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(guó)材料制造業(yè)指出了重要的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

       日前，美國(guó)的湯森路透集團(tuán)發(fā)布了全球頂尖的100位材料學(xué)家名人堂榜單。共有15位華人科學(xué)家入選，其中榜單前6名都是華人。但中國(guó)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(guó)材料研究的繁榮背后還沒有支撐起相應(yīng)體量的工業(yè)應(yīng)用。表面工程就是一個(gè)極其重要的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。表面工程是表面經(jīng)過預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得表面所需性能的系統(tǒng)工程。表面工程技術(shù)最突出的技術(shù)特點(diǎn)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(shù)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(jié)合，提出了新材料在表面工程中的兩大應(yīng)用前景：極端制造和極端設(shè)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(qiáng)的前瞻性。

       相關(guān)鏈接：目前表面工程領(lǐng)域成果一覽

       美國(guó)密歇根大學(xué)開發(fā)出防雪涂層

       密歇根大學(xué)(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(jī)動(dòng)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(bào)道，該涂層主要由彈性組織構(gòu)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(shí)喪失固定的支撐，因而發(fā)生脫落。

       美國(guó)伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出熱反射薄膜

       據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年從窗戶散失的能量將造成500億美元的經(jīng)濟(jì)損失，為了改善這一問題，伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種選擇性反射玻璃薄膜，該薄膜對(duì)可見光具有透射性，而對(duì)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(huì)散失到屋外。

       美國(guó)NASA開發(fā)出超滑飛機(jī)涂層

       飛機(jī)在大氣中飛行時(shí)，即使極小的顆粒包括昆蟲等都會(huì)使其飛行阻力增大，針對(duì)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(yù)測(cè)，采用這種設(shè)計(jì)的飛起燃料效率將會(huì)至少提高一個(gè)百分點(diǎn)，這將使類似英國(guó)航空公司等大型航空公司每年節(jié)省3500萬美元。

       美國(guó)麻省理工大學(xué)開發(fā)出抑菌薄膜

       麻省理工大學(xué)研究人員利用逐層沉積的方法制備了一種能抑制細(xì)菌的薄膜，該薄膜主要用于幫助骨損傷患者康復(fù)。薄膜的總厚度為0.5～2μm，上層含有抗生素，下層則含有促進(jìn)骨骼痊愈的藥物，這使得該薄膜具有抑菌和促進(jìn)骨骼恢復(fù)雙重功效，這將有助于患者的康復(fù)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(shè)備的外表面常常會(huì)覆蓋一層有機(jī)物涂層，其作用是防止細(xì)菌以及海水有機(jī)物在船舶表面滋生。這層涂層以往常由有毒材料構(gòu)成，而這會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。針對(duì)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?？墒狗锿繉幽湍バ蕴岣咭槐兑陨?/strong>

       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(jí)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(xué)家制備世界最薄鏡頭

       MoS2薄膜具有巨大的光程長(zhǎng)度，其數(shù)值甚至比單層石墨烯膜大一個(gè)數(shù)量級(jí)，正是利用其這一特性，來自澳大利亞國(guó)立大學(xué)(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(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)極大地改變?nèi)祟惖纳睿胂肟苹闷械哪切┘埰愫穸鹊氖謾C(jī)，或許它們離我們真的不遠(yuǎn)了。

       我國(guó)活塞桿表面處理技術(shù)取得重大突　

       全球首條可控離子滲入技術(shù)(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(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)執(zhí)行副會(huì)長(zhǎng)楊學(xué)桐說，這表明我國(guó)活塞桿表面處理技術(shù)取得重大突破，有望打破德國(guó)公司長(zhǎng)期壟斷該領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的局面。可控離子滲入技術(shù)簡(jiǎn)稱PIP，是一種鹽浴復(fù)合處理技術(shù)。負(fù)責(zé)該項(xiàng)技術(shù)的紅宇新材總工程師羅德福說，采用PIP技術(shù)加工的活塞桿，抗中性鹽霧試驗(yàn)已達(dá)816小時(shí)，而之前采用國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)加工的活塞桿最多只有360小時(shí)。