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          2. 大纖維與編材制造:一場基于纖維的新工業革命

            ?????? 來源: 中國冶金報?中國鋼鐵新聞網 ???????發布時間:2019-08-07


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            大纖維是基于材料、信息、機電、生物、能源等學科領域的技術突破與交叉融合,以智能,超能,綠色為特征,具有多功能、多結構、多組分特性,對眾多產業集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維(見《大纖維產業技術發展白皮書》,20189月)。

            目前,一個以先進纖維材料為基礎,具備多組分、多結構和多功能特點,能夠感知、計算、儲能、通信、執行的新型智能纖維家族已經開始出現并走向市場,復旦、浙大、東華等高校和研究機構均有類似技術和產品研發,甚至有人已經注冊公司進行小規模制造。比如,中科院蘇州納米所李清文團隊正在研發基于碳納米管的高性能納米纖維,致力于使用新的具備超級性能的纖維品種取代被日本壟斷的碳纖維。另外,香港理工大學陶肖明團隊正開發基于纖維的智能可穿戴技術,致力于通過纖維解決發電、傳感和通信問題,下一代可穿戴設備將在高性能織物里面集成這些功能,從而實現從外掛到內嵌再到內生的跨越。

            大纖維:

            跨領域、跨學科的交叉融合特性

            大纖維具有與生俱來的跨領域、跨學科的交叉特性。其理論基礎和技術路線也呈現百花齊放的勃勃生機。如在結構優化理論指導下,發展基于光纖的多材料、多結構的多功能智能纖維;在納米理論指導下,發展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維;在高分子設計理論指導下,從分子結構上開發超高性能纖維;在合成生物學理論指導下,通過轉基因技術創造高性能生物纖維等。

            跨領域、跨學科的交叉融合將誕生許多完全嶄新的纖維品種,其中有相當大比例的纖維品種有著巨大的商業價值,給下游許多產業帶來深刻的影響,并從根本上改變這些產業的生態,從而誕生一個龐大的新興產業集群。我們把大纖維相關技術、產品和圍繞下游豐富應用所形成的新產業集群叫作大纖維產業。

            近年來,大纖維產業發展勢頭初現,跨領域、跨學科的新型智能纖維家族正在不斷增員中。MIT(美國麻省理工學院)陳剛教授開發的高導熱率纖維顛覆了傳統高分子材料絕熱理論,通過拉伸重構,使纖維中聚合物鏈有序排列,獲得了具有理想單晶結構和高導熱率的纖維;斯坦福大學的教授從功能需求出發,基于物理原理研發出由硅納米線電池負極、納米高分子纖維制作的PM2.5過濾膜和納米多孔聚乙烯布料;長勝紡織科技發展(上海)有限公司釆用冷轉印技術精確定量以印代染,顛覆了幾千年來大量使用稀釋染液的印染工藝,實現基本無水耗、無排放印染,而且可直接在織物上印染高精密功能線條和圖案,成為發展智能化電子織物產業化的平臺級技術。

            同時,大纖維技術突破了原有技術的制造瓶頸。幾十年來,蜘蛛絲用傳統化學合成理論和方法一直無法制造出來。如今,應用生物合成理論,通過蜘蛛基因調控家蠶和細菌的蛋白質分子,高性能的蜘蛛絲已經實現量產。這被認為是自尼龍問世以來最重要的紡織材料進步。

            相比鋼材、塑料等傳統材料,大纖維在柔韌性、輕量化、多功能、高性能、綠色化和智能化等方面有明顯的差異化優勢。在汽車和飛機制造等高性能鋼材的傳統優勢應用領域,為達到更高的柔韌性、輕量化和高能效,纖維復合材料所占比例已越來越高。2018年底,有媒體報道了一個智能碳纖維汽車車身的實例,既實現車身輕量化,又能根據風阻變形。碳纖維車身用3D技術(完全省掉了裁剪、沖壓、焊接等金屬加工工序)復合制成,并在織物中混合了具有太陽能發電功能的纖維,可取代部分電池,多功能碳纖維的采用使整車性價比大大提高。這是很典型的大纖維部分取代傳統材料的應用案例。

            實際上,歷次工業革命都離不開對人和人造系統關系的重新定義,圍繞以人為本展開。眾所周知,人體70%以上的組織由纖維構成。擁有生物相容性的綠色纖維疊加了智能和多功能要素之后,所形成的新一代智能可穿戴系統或人體植入式系統,可以以最安全、最輕便、最有效的方式采集人體數據、監測人體健康、施加有效影響并幫助人提升健康和運動水平?;谒杉臄祿纬傻?span lang="EN-US">“數字人,將成為人工智能社會里最重要的資產之一。只有到了這個階段,社會數字化才真正實現,而大纖維將成為人體世界、實體物理世界和虛擬信息世界之間最佳的橋梁。

            編材制造:

            從原子到超系統的多層次創新制造技術

            美國物理學家費曼提出過一個著名的問題:假如原子能夠按照我們設想的方式來排列,那么材料將有怎樣的性質?這個問題啟示高分子科學家們要走出傳統高分子的范疇,將可控的分子不均一性及其相關的精確結構引入合成高分子,拓展合成高分子的基本結構,實現更為精密的功能化。在美國工程院程正迪院士等人撰寫的《巨型分子:化學、物理學和生物科學的交匯》一文中提出“From structure to function(從結構到功能)的觀點,提示我們要從結構思考發展到關于功能性的考量。比如,紗布過去只是用于包扎傷口,但用大纖維來開發的智能紗布除了包扎傷口之外還有消炎、治療功能,并可與遠程醫療系統連接,在線監測病人情況。

            上述兩位科學家的思想啟示我們,在物理層次上,關于大纖維的討論絕不應僅僅著眼于纖維和織物這樣的中觀層面,還應該向微觀進發,下探到分子和原子的基本層次,同時向宏觀擴展,上升到器件和系統、甚至超系統(系統之系統)的層次。因此,大纖維的物理層次包括7層,分別是:原子分子(鏈)纖維織物器件系統超系統。

            過去,我們較多從纖維的結構特點和彼此之間的聯結關系出發指向具體功能?,F在,我們則從需求出發,確定功能性,再來設計纖維結構,必要時可以多組分、多結構融合獲取所需要的功能。

            大纖維兼具材料技術革命與制造技術革命的雙重意義。其充分利用現有的紡織和其他先進制造技術,并不斷發展出新的制造技術,在從原子到超系統的各個層面進行制造活動。如在原子和分子層面的基因編輯技術或生物合成技術,雜化和各類聚合物分子合成技術(纖維和基質用聚合物、碳纖維前體、陶瓷纖維、纖維素和生物高聚物等);在纖維和紗線層面,有濕式或干式紡技術、熔融紡技術、雙組分紡技術、非織造技術、短纖維技術和精密卷繞技術等;在織物和結構層面,有間隔技術、編織、編帶、機織、針織、編織連接、組織工程、膜技術、編織擠拉、結構卷繞技術等;在功能化和器件層面,有溶膠-凝膠技術、染整技術、數字印刷技術、納米技術、物理和化學方法、涂層、電子元件集成、傳感和執行特性的開發等;在智能系統和超系統層面,有建模仿真、虛擬化、自動化與機器人、3D打?。ㄔ霾闹圃欤?、數字化、智能化、綠色和可持續制造技術等。

            此外,大纖維對沿襲了幾千年的紡織及其制造工藝具有顛覆性意義,如多材料智能纖維可用紡紗手段制造,多功能織物可用織造和印刷手段制造,高性能織物可以用復合和混合手段制造。

            大纖維所對應的制造工藝技術體系,容納了紡織工程常見的等材制造方法、常規材料加工所用的減材制造方法、以3D打印和機器人為代表的增材制造或數字建造方法。另外,還有許多非常規的創新的制造工藝和方法有待我們進一步研究和開發。

            可以說,基于大纖維的從原子到超系統的新制造技術體系極大地豐富了制造手段,有望成為繼以機床為代表的減材制造和以3D打印為代表的增材制造之后的,又一類有著重要意義和極高價值的制造模式。大纖維產業工作組的專家們首次創新地稱之為編材制造。 這個字,既反映了傳統意義上的纖維和紗線層面上的紡制和編織,又反映了在分子甚至原子層面的編輯和剪裁;既反映了在織物和器件層面上的集成和結構化,又反映了在系統和超系統層面上的多維數字化編程,賦予對象自動化和智能化的屬性。

            與大纖維相關的以編材制造命名的新制造技術體系,不僅涵蓋了常規的等材制造、減材制造和新興的數字化增材制造技術,而且包含了大量創新的尖端的制造工藝和技術。所謂一代材料、一代工藝、一代裝備,對編材制造工藝技術的研究和掌握,以及相應研發、制造、測試和驗證裝備的開發,是大纖維最終走向產業應用的必由之路,同時也是一片新的制造業藍海。

            (作者系中國科技自動化聯盟秘書長、大纖維產業工作組組長)

             

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