TE 观点

先进材料的承诺

作者:Phil Gilchrist,通讯解决方案部门副总裁兼首席技术官

未来的材料正在掀起一场最小尺度的产品革命,远远超过我们的眼睛从光学显微镜下所能看到的。 一种材料能做什么?在过去,这个问题要靠“发现”来找到答案。譬如,当船的橡木板断裂时,于是我们“发现”了橡木板的强度。

 

如今则不同,TE 及其合作伙伴的科学家们可以发明“非天然”的材料。得益于纳米技术、计算机建模、人工智能驱动的材料信息学和受自然启发的设计的进步,工程师可以用不久前还像是魔术的方式来操控产品的特性和功能。

 

我们对材料的了解程度已经使我们能够在分子水平上将功能和特性编排到看似惰性的物体中来满足我们的需求。

 

在每种可以想象的产品中,以及在每种对材料不友善的环境中,TE 都能制造出高度工程化的基本组件和子系统:从厨房中的洗碗机,到您的新的 EV、人体,再到您借助其阅读本文的接入卫星的数据中心。所以,材料对于 TE 来说关系重大。它们是我们借以改善世界的可持续发展的方式,是我们模仿优雅的自然设计的方式,也是我们改变制造业面貌的方式。

 

一些公司已经意识到先进材料蕴含的指数级增长潜力,他们开始开发产品和制造流程,以帮助自己在竞争中胜出。为了帮助您了解先进材料的可能性,请考虑这三个创新领域。

碳密集型材料的可持续替代品

几乎每个生物都需要氧气,并且几乎每个材料制造过程都会排放温室气体。 我们希望在生产世界所需的东西的同时减少二氧化碳排放,然而这样的现实却对我们提出了挑战。不幸的是,单靠回收利用实现不了我们的目标 - 因为这些材料通常较难获得,成本较高,并且必须经过严格的再加工过程。此外,我们需要了解材料的整个生命周期,而不仅仅是一个阶段。

 

答案的一部分是从可再生的特定生物质衍生成分和许多(创造性)选项中寻找新的材料。举一个别出心裁的例子,那就是 Shrilk 塑料中的生物塑料单体。Shrilk 的主要成分是壳多糖,这种物质使昆虫和甲壳类动物(如虾)具有硬壳。壳多糖是地球上第二丰富的有机物质,可以加工成一种称为壳聚糖的类似塑料的材料。当壳聚糖与称为丝素蛋白的天然丝蛋白结合时,就会形成一种比铝还要强的层压材料。

 

制造商可以通过升级再造来减少对石油衍生材料的依赖。在升级再造中,在低等级的回收材料中添加新成分,以将其转化为更有价值的东西。每年生产的 100 亿个水瓶就是一个很好的例子。假设我们解聚这些水瓶(即将它们分解成基本单体)。在这种情况下,我们可以添加新的材料成分,然后重新聚合(即再次将所有基本单体结合在一起)新配方,就会创造出一些独特的东西。可能性是无穷的;那些升级再造的塑料瓶可以变成枕套或者数据中心的高速连接器。

在 TE 材料科学实验室工作的 TE 工程师
TE 科学家在研究材料科学项目

使用智能材料的先进产品 – 大自然拥有专利组合

我们期待看到提供更高水平功能的“智能”材料问世。 智能材料能够感知外部刺激(如温度、张力或电流),进而通过改变形状、颜色或其他属性来作出反应。

 

考虑一种像混凝土一样无处不在的材料。尽管混凝土具有良好的强度和多功能性,但随着时间的推移,仍然会出现裂缝,因此需要定期维护结构以保持完整性。科学家们现在发明出一种新型智能混凝土,可以通过嵌入的细菌进行自我修复。当细菌遇到水时,它们会产生一种石灰石状的物质来填充裂缝。

 

大自然是寻找智能材料灵感的很好的来源。毕竟,大自然在数百万年的进化中已经发展出了自己的无数的专利组合。

 

一个例子就是蜻蜓翅膀的表面,从显微镜下观察蜻蜓翅膀表面,可以看到上面布满了极细小的尖刺。当细菌落到上面时,这些尖刺会刺破它们,进而杀死它们。

 

受此启发,TE 正在开发一种机械杀菌材料表面,利用类似的毛刺来杀死接触的细菌。包裹购物车或机场火车栏杆手柄的材料采用了抗菌塑料,因此它们尽管经常被触摸,却永久无菌。这种表面设计可作为对抗医疗或食品相关产品感染的一种新型武器。

TE 材料科学实验室中的生产机器。

先进打印材料和以自然为本的大规模定制时代

3D 打印的发展已经改变了制造和工程过程,但是 3D 打印材料的新进展将开启更多创新。 例如,新的高级 3D 打印材料能够承受高达 850 摄氏度的温度,因此可以按需制造更广泛的产品,提高了在高成本地点制造产品的灵活性和可行性。

 

此外,能够以新的设计自由度更快地制造产品。从计算机屏幕打印物件比用一块坚硬的钢做出模具来要快得多。

 

新的材料工程将加速 3D 打印的采用,并最终开启材料与设计合作的柔性生产和大规模定制的新时代。产品设计人员将汲取大自然的经验,结合弯曲的表面和微妙的、经过进化验证的拓扑形状来优化热交换。当我们能够像大自然一样进行设计和制造时,我们将到达一个新的阶段,而结合了新材料的 3D 打印就是实现这一目标的手段。

在 TE 材料科学实验室工作的 TE 工程师
中国的 TE 科学家们在使用材料科学设备

让您的业务实现指数增长

人类的历史和材料的历史是共同进化的。 然而,直到最近,我们才通过在我们制造的东西中测试天然材料和它们的特性来“发现”它们。在铁器时代,通过使用圆形房屋,人们发现了哪种茅草屋顶可以承受欧洲多雨的冬天,而用来制造出即使在今天看来也无与伦比的巨大高架桥的混凝土,则是罗马人的偶然发现。如今完全不一样了。我们想象使用场景,然后设计材料来支持这些场景,因为我们对材料世界的了解和对材料的操控能力呈指数式发展。这将使一切变得不同。TE 希望塑造未来,用 3D 打印未来,借助伟大的科学来解决最棘手的问题,在重塑我们的世界中尽一份绵薄之力。

关于作者

Phil Gilchrist, Vice President and Chief Technology Officer, Communications Solutions

Phil Gilchrist

Phil Gilchrist 是 TE 通讯解决方案部门的副总裁兼首席技术官。他负责为数据和服务以及家用电气业务部门的全球工程和产品研究及创新制定战略方向。在担任现职之前,Phil 曾是 TE 数据和设备业务部门的副总裁兼首席技术官。在他的职业生涯开始时,他是质量软件基金会的联合创始人,之后,他在摩托罗拉担任过多个高级技术领导和高管职务。Phil 拥有苏格兰斯德灵大学计算机科学学士学位。