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新材料与制造工艺“参考系”
  新华网 ( 2019-07-02 07:19:51 ) 来源: 《环球》杂志
 

  目前,全球新材料和制造工艺龙头企业主要集中在美国、欧洲和日本。

文/唐见茂

  人类社会200多年来的工业化进程表明,材料从来都是支撑新兴产业发展和科学技术进步的物质基础和条件保证。

  与材料本身一样,制造工艺也是材料工程的一个重要领域,两者关系紧密,相互支撑、相互提高。可以说,材料的性能和寿命,一方面取决于材料本身化学成分和组织结构,另一方面,也取决于制造工艺的成熟性和先进性。

  进入新世纪,以新能源和新材料为主导的新一轮科技和工业革命即第四次工业革命已强势拉开序幕,而处在当代高技术发展前沿的新材料已进入全新的发展阶段,正在实现从基础到颠覆的跨越。

未来材料和工艺

  前沿新材料是指处在新材料新发展尖端前沿,具有超自然优异性能或超常态特殊功能的一类材料,如以石墨烯为代表的二维材料;支撑人工智能和机器人的智能仿生材料;引发医疗行业巨大变革的智能医疗、生物芯片、细胞治疗等生物医疗材料;以分布式能源为主流,引发能源结构变革的清洁可再生能源材料;能改变光的传播特性的隐身超材料;在电机、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等方面具有广阔应用前景的超导材料;可用于柔性可穿戴电子通讯和人工智能设备的液体金属材料;以及实现人类社会可持续发展的绿色生命周期的环境材料等。

  材料改变未来。前沿新材料将为人类展现全新世界的广阔前景,增强人类扩展自身生存与发展空间的信心,对人类认知、思维、价值理念、业态及市场配置、财富分配、生活方式以至社会形态等都将产生颠覆性的变革。

  因此,发达国家都将前沿新材料的研究和应用作为新一轮科技和工业革命的切入点,纷纷制定各种发展计划,整合优化资源配置,加大经费支持。特别是引导和鼓励材料行业的大型龙头企业实现强强联合,或形成跨领域跨行业的战略联盟,形成对全球市场新的垄断。

  制造工艺着重研究材料的制造加工和最终使用效能的关系,主要依据材料的成分、组成结构、性能特点,按照产品设计的使用效能要求,选择和研究优化的制造成型工艺和设备、最佳工艺路线和工艺条件、成型工艺质量控制等,以得到最终产品或制件最佳的使用性能、质量和寿命。

  实际上,赋予材料某种产品或制件的优异性能或特殊功能,其材料组织结构特点的形成,很多情况下是通过优化工艺路线和工艺条件来实现的。例如材料的结晶行为,包括金属材料和高分子材料,不同的工艺条件会引发不同的结晶过程和结晶行为,而导致材料最后晶态特征和宏观性能的大不相同,所以材料结晶行为的控制,最终将落实到优化温度和时间等工艺条件上。

  新材料的制造工艺现已成为新材料开发和应用必不可少的重要分支领域,特别是计算机数字化和信息化的推广,迅速推动制造工艺向自动化、数字化、智能化、增强虚拟、增材制造(3D打印)等方向迅速发展。

  目前,全球新材料和制造工艺龙头企业主要集中在美国、欧洲和日本。

各领域领头羊

  以高分子材料开发和应用为主打领域的陶氏和杜邦,是美国百年化工老企业。陶氏化学(Dow Chem.)成立于1897年,业务范围包括功能产品、高新材料、基础材料、健康和农业科技等。杜邦(Du Pont)成立于1802年,业务包括电子材料、电子通讯、高分子材料等。

  2015年,陶氏化学和杜邦合并成立新公司陶氏杜邦,成为全球最大的化工企业,主要产品为新型高分子材料,包括新型塑料、橡胶、油漆、涂料、纤维等,其中,芳纶是上世纪60年代由杜邦开发的一种高性能特种纤维,广泛应用于复合材料、特种防护服装、电子设备等领域,至今陶氏和杜邦对该产品的市场占有率仍处于全球垄断地位。

  在金属材料领域,美铝公司是世界铝生产制造业的领跑者,致力于生产广泛应用且可回收再生的可持续性铝制产品,产品优势包括铝制品压延件、锻件、紧固件、轮毂件、精密铸件,还发展钛、镍超级合金等其他轻金属,用于航空航天领域的高端制造。

  美铝的AmpliforgeTM工艺,是采用美铝设计和3D打印零件,然后采用更传统的制造工艺,即锻压,将其最终制造完成。美铝的研究结果已经证实,与没有进一步锻压处理的普通增材技术制造的零件相比,这种新的技术提高了3D打印零件的性能,如硬度和强度。美铝公司还说,与传统的锻压工艺相比,Ampliforge技术减少了材料消耗并简化了生产过程。

  瑞典的山特维克(Sandvik)集团是全球领先的先进材料产品制造商,主要业务包括超硬材料金属切削工具、建筑及采矿业设备、高级不锈钢、特种合金、钛材、金属及陶瓷电阻材料制成的高附加值产品,以及工艺系统。

  在玻璃材料领域,美国的康宁公司(CORNING)是特殊玻璃和陶瓷材料的全球领军企业。其产品优势在于柔性显示屏、特种功能陶瓷等移动互联网设备、电信和生命科学领域产品的关键器件。在光电技术领域,它现已成为全球最大的光纤生产商之一。

  康宁公司近日推出其在半导体玻璃载体行业内的最新突破——先进封装载体。该先进玻璃载体晶圆针对扇出工艺这一行业领先的半导体封装技术做出优化,旨在为消费电子、汽车和其他互联设备提供更小、更快的芯片。

  康宁的先进封装玻璃载体具有三大显著改善:在较广范围内提供了多种热膨胀系数(CTE)选择;高硬度组分;快速样品交货周期。

  这些特性对于使用扇出型封装的客户来说至关重要:多种热膨胀系数使客户能够自由选择封装产品所需,尽可能减少封装工艺过程中的晶元变形,因此精准的系数将有助于客户缩短产品开发周期;康宁先进封装载体拥有的高硬度组分同样有助于进一步减少封装工艺过程中的晶元变形,最大限度地提高芯片封装的成品率;快速样品交货周期也有助于缩短开发周期,使客户能够更快投入量产。

  日本的旭硝子(AGC)玻璃股份有限公司是全球第二大玻璃制品公司,其产品为各种玻璃制品与半成品,及少量化学产品,目前销售对象为液晶显示器制造厂,以及汽车业、灯具业、建筑业等。

  旭硝子公司不久前宣布开发出了用于深紫外LED的石英透镜,将石英窗口材料和镜头整合在一起,不需要透明胶。同时,旭硝子开发的“特殊焊接”可以让客户通过在大气中简单地加热和加压,而不需要大规模的脱氧设备。

  此外,由于封装与窗口之间的热膨胀系数差异,“特殊焊料”很柔软,可以缓解热应力,因此不会破裂或漏气。通过这些手段,深紫外LED制造工艺可以大大简化,投资可以减少。

  法国的圣戈班公司(Saint-Gobain)的主打材料包括平板玻璃和高性能材料,服务领域包括汽车玻璃、玻璃包装、保温隔音材,玻璃增强纤维、陶瓷塑料、磨料磨具、管道系统及建筑材料等。

  在电子材料领域,美国的应用材料公司(Applied Materials)是一家半导体和显示制造设备公司,主要业务为半导体、先进显示器、太阳能光伏制造、柔性镀膜、自动化软件等新兴技术与产品。

  应用材料公司近日发布的信息显示,行业龙头企业正使用其10.5代线全套生产设备生产更逼真、更鲜明、色彩更丰富的大尺寸8K电视。10.5代线是全球最大尺寸玻璃基板(3370mm×2940mm)的生产线,可高效利用几乎整块玻璃基板,每片基板最高可产出8块65英寸或6块75英寸电视面板。

  应用材料公司的10.5代线全套设备通过实现关键薄膜(例如金属氧化物)的优异沉积均匀度,生产出更小更快的薄膜晶体管(TFT),从而提高下一代显示面板的分辨率和性能来驱动高清晰度电视。

  该套设备包括两个用于薄膜晶体管(TFT)阵列制程的高产物理沉积系统(PVD)——AKTPiVot系统,以及用于生产彩色滤光片的AKT-NAR3000 PVD系统,此外还包括业界唯一一款经过生产验证的等离子体增强化学气相沉积系统AKT-100K PECVD,该系统经过优化并适用于在10.5代线基板上沉积金属氧化物。

  日本的信越(Shinetsu)是全球最大的半导体硅片供应商之一,其以硅元素为核心的产品系列还包括有机硅系列。信越还是硬盘驱动(HDD)等用稀土磁铁、半导体用光刻胶、环氧模塑料及液态环氧封装材料等的重要供应商。

  作为IC电路板硅片的主导企业,信越始终处于大口径化及高平直度的最尖端。其最早研制成功尖端的300mm硅片,并实现了SOI硅片的量产和稳定供应;同时,一贯化生产发光二极管中的GaP(磷化镓)、GaAs(砷化镓)、AIGaInP(磷化铝镓铟)系化合物半导体单晶与切片。

  信越能够制造出具有11个9(99.999999999%)的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅,在全世界处于领先水平,其工艺可以将单晶硅切成薄片并加以研磨而形成硅片,其表面平坦度在1微米以下。

  在碳纤维领域,赫克塞尔公司(Hexcel Composites)公司是美国最大的碳纤维和纤维产品生产商,也是全球高性能复合材料的领先制造公司。其技术优势是开发制造轻质、高性能的复合材料,包括碳纤维、增强织物、预浸料、蜂窝芯、树脂系统、胶粘剂和复合材料构件,产品应用于民用飞机、宇航、国防和一般工业,是波音公司二级供应商。

  日本东丽(TORAY)集团是世界最大的碳纤维供应商之一,主打产品为聚丙烯腈基碳纤维,包括高强、高模多种产品系列。高强碳纤维从最初的T300发展到T800,再到T1200,拉伸强度增加近一倍。碳纤维是一种战略物资,主要用于各种飞机结构和航天飞行器结构,具有轻质、高强、节能减排的优势,在B-787和A-350中的用量已分别达50%和52%。

  近日,东丽在其官网发布公告称,公司已开发出世界上最高水平的氢气提纯聚合物分离膜。这种高分子分离膜能够从含氢的混合气体中选择性地和高度地渗透氢。该技术的关键点有两点:耐热耐压多孔基材设计;通过精密孔径控制技术实现氢的高度选择性和透过性。该公司还声称,新的分离膜具有的氢气渗透性和选择分离性,远远超过了传统的聚合物膜的性能。

  此外,德国的西格里集团(SGL Group-The Carbon Company)是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一,拥有包括从碳石墨产品到碳纤维及复合材料在内的完整业务链。

综合性领军团

  除了在各自领域各有所长的企业之外,在全球范围内,一些综合性材料公司的业务范围涉及能源、生物医疗、信息、航空航天、海洋、环境等所有现代高技术领域,其在新材料科技创新、新产品研发和应用、产业规模、产业技术以及全球市场占有率等方面都处于全球领先地位。

  例如,美国3M公司100多年来开发了以各种材料为基础的近7万种产品,涵盖家居、医疗、教育、电子、通信、运输、建筑等各个领域,其产品和技术已深深融入现代技术和人们的生活。

  日本最具代表的综合性材料公司包括三井化学(Mitsui Chemicals)、三菱化学(Mitsubishi Chem.)、日立金属(Hitachi-Metals)等三家。

  三井化学是日本最大的化工企业集团之一,主要业务包括增值特殊化学品,塑料及其他材料产品的研发、生产和供应,产品面向汽车、医疗、包装、农业、建筑、工业、造纸、纺织,以及半导体和电子市场。

  三菱化学的主打领域包括功能材料和塑料产品(包括信息及电子产品、专业化学制品、制药)、石油化工、碳及农业产品。虽然铝、片塑产品以及塑料包装等功能材料占其销售额的55%以上,但公司还是把长期目标放在了专业化学制品及制药上。

  三菱化学近两年正就推进海外碳素制品业务展开讨论。该公司将煤炭通过焦炭炉高温干馏,产生焦油经热处理工艺制成针状焦炭。针状焦炭不仅可用作电炉用石墨电极,还能作为锂离子充电电池的负极材料,在市场上具有迫切的需求度。

  鉴于日本本土已无原料焦油的增产余地,因此三菱化学希望在中国、印度等国寻找到新的原料产地,以进一步扩大其碳素制品事业。

  日立金属的产品涵盖电子、汽车、机械、建筑和环境等领域,如IT部件和材料、磁性应用部件、平板显示屏、计算机和半导体集成电路器件、汽车零部件和材料、环保系统产品、航空航天和核电工业材料等。

  德国的巴斯夫(BASF SE)公司是世界上最大的化工厂之一,主流产品以化学品及塑料为核心,从天然气、石化原料等原料到最终产品的完整产业链,涵盖化学品、医药、塑料、环保等技术领域,在电子通讯、航空航天、生物、现代交通、节能环保等领域具有领先优势。

  近日,巴斯夫公司展示了其研发的一系列创新材料,包括隔音阻燃汽车引擎罩盖创新材料、新型聚合物分散体、可持续性涂料等。

  利用创新材料的汽车引擎罩盖,能为车辆带来静谧和舒适。这是一种具有开孔结构的聚氨酯整体泡沫解决方案,这种材料具有重量轻、隔音好、阻燃性高等特性,可让车内更加安静,并为驾驶者提供更好的车内体验。

  巴斯夫还开发了一种新的聚合物分散体Styrofan PLUS 7552。这种分散体可以提高防水膜的性能,尤其是在厨房、浴室和游泳池等环境下,防水膜的机械强度和抗洗涤剂、漂白剂腐蚀能力都有所提高,从而延长使用寿命。

  此外,荷兰的帝斯曼(DSM)公司是一家国际性的化工原料和医药集团,在许多领域都处于世界领先地位。帝斯曼化工产品以及复合材料纤维中间体、复合材料树脂等应用于航空航天、汽车、海洋、建筑、电子电气、生命防护、替代能源以及生物基材料等领域。

  (作者系中国材料研究学会咨询专家)

来源:2019年6月26日出版的《环球》杂志 第13期

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