从制造业创新中心看美国侧重哪些新材料的创新

【编者按】没有人会否认制造业对于一个国家的重要性，同样也不会有人否认创新对于制造业的重要性，但并没有多少国家真正把制造业当做根基看待。本文以美国为范例，看看他们在新材料创新中，有哪些独到之处。

没有人会否认制造业对于一个国家的重要性，同样也不会有人否认创新对于制造业的重要性，但并没有多少国家真正把制造业当做根基看待。即使是美国，目前的制造业也正在经历”颓废“。为了重振“重振制造业”，奥巴马政府逐步开启了制造业创新网络计划。这个创新计划，旨在推动高校、企业、政府三者通力合作，缩小科研与商业之间的差距，促进新技术、生产工艺、产品和教育项目的开发，振兴美国制造业（有木有觉得跟我国所提的产、学、研三者结合思想很相像？）。为此，美国计划兴建15家制造业创新研究所，目前已完成5家。其中，涉及到材料的有哪些？他们都是专注于哪些材料？一起来关注一下！

3D打印机技术

美国设立的第一个制造业创新中心是2012年8月组建的国家3D打印机制造创新研究所。该创新中心由国防部、能源部、商务部、国家科技基金会、国家航空航天局等政府部门，以及俄亥俄州、宾夕法尼亚州等地企业、学校共同出资8500万美元组建。

3D打印技术，又称增材制造技术，运用粉末状金属或塑料( 包括热塑性塑料及光敏树脂) 等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印在工业上应用已有几十年之久，并不是一项最新发现的技术，但的确是在这几年开始火起来的。在前些年，3D打印甚至被热炒成“第三次工业革命”，引起了不少的争议。不可否认的是，3D打印成果也层出不穷

不管是质疑也好，力捧也好，3D打印必然会在将来的制造业担当一个重要而特殊的角色。

轻量及现代金属制造

2014年2月，美国国防部牵头底特律组建轻量及现代金属制造创新研究所。该研究所共计由包括全球著名的铝合金、钛合金、高强钢制造商、材料提供商在内的36家公司，12家高校及实验室，18家组织机构参与建设，资金投入7000万美元。轻量及现代金属制造创新研究所将注重于促进在风力涡轮机、飞机框架、医药设备、武装车辆等等领域上使用的轻量化合金制造。

经过材料人网行业探讨栏目多篇文章的探讨，想必大家对轻量化或者轻合金并不陌生。对于交通工具和机械制备来说，轻量金属可以提高性能，增强安全性，提高燃油效益等等。例如大范围使用铝合金，福特2015款F-150皮卡，比2014款足足轻了700磅。

当然，现在轻质合金还存在一些技术壁垒，例如价格仍然较高，能耗较大，应用还比较局限。而该研究所的中心目的就是通过解决制造的技术障碍来使新一代的轻质金属及合金获得市场。

下一代电力电子制造

2014年1月，美国政府宣布由北卡罗来纳州立大学领衔，共计5所大学、2家美国国家实验室，以及18家企业组建“下一代电力电子制造创新研究所。该研究所获得了美国能源部以及工业方面的7000万美元的资金支持。该研究所的使命是促进新一代半导体芯片及设备的开发、设计、制造。具体而言，在未来五年内，该研究所将致力于推进以氮化镓和碳化硅为基础的宽带隙半导体电力电子器件化，降低其成本，以取代目前广泛使用的硅基半导体。

一般而言，室温下带隙大约2.0ev的半导体材料被称之为宽带隙半导体，例如氮化镓、碳化硅、氧化锌。宽带隙半导体有很多优点，能够在更高的温度（例如碳化硅的工作温度可达600度）、更高电压以及更极端的环境下运行，具有极大提升电力电子产品能源使用效率和可靠性的潜力。目前宽带隙半导体比较成熟的应用是在LED照明上。

但是，宽带隙半导体难以长成块体材料，需要其他材料作为衬底。例如LED半导体芯片，基本上采用蓝宝石或者碳化硅衬底外延生长氮化镓。不过这种制备工艺也存在很多问题，例如衬底材料与半导体热膨胀系数不匹配、外延生产造成缺陷、加工及刻蚀困难等等。

先进复合材料制造

2014年2月，奥巴马政府宣布在南卡罗来纳州组建先进复合材料制造研究所，将由美国能源局等机构在五年期间向该研究所投资7000万美元。该研究所将首要关注于较低成本以及使制造过程更加节能地制造碳纤维和玻璃纤维复合材料，以便满足纯动力车及混动车、风力涡轮、天然气储存罐等能源方面的需求。

先进复合材料有很多种，其中应用最广、最成熟的属以碳纤维、玻璃纤维为代表的纤维增强复合材料。纤维增强塑料是以碳纤维或者玻璃纤维为增强材料，聚合物为基体的复合材料，其最大的特点恐怕是高强质轻。运用纤维增强塑料，可以制备出燃效更佳的轻质汽车，更轻更强的风力涡轮叶片以及其他更轻、更节能的工业装备。

例如，先进复合材料可以降低乘用车约50%的重量，从而提高约35%的燃效，而并不损害汽车的性能和安全性。如果按照当前的油价计算，经过整个使用期的汽车可节省大约5000美元的燃料。在风能业中，使用先进复合材料，其涡轮叶片可以做得更长、更轻、更强，也就可以捕捉到更多的风能。

但是，纤维增强塑料目前存在着成本高昂，制造过程需要大量的能量，难以回收等问题，制约其广泛应用。按照能源局既定的计划，先进复合材料制造研究所将在10年内将纤维增强塑料生产成本下降50%，生产过程能耗下降75%，回收利用率达到95%。

此外，剩下的一家创新中心是数字制造与设计创新中心，总部位于芝加哥,由UI实验室主导,73个企业、大学、非盈利组织和试验室组成。

从上面的介绍，我们可以看到，目前已经宣布成立的5家制造创新研究所，4所与材料密切相关（除了3D打印还涉及其他外，另外3所可以说是新材料创新研究所），材料创新被摆在了一个极为重要的地位。

另外，创新中心所专注的材料也是相当务实的。轻质合金、复合材料及半导体材料已经在工业生产中有了较为成熟的应用，只是仍然存在着技术上的难题，阻碍了它们的更大范围的应用。在这些领域发力，比之在一些前沿新材料上，可能更有成效。

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