沒(méi)有人會(huì)否認(rèn)制造業(yè)對(duì)于一個(gè)國(guó)家的重要性，同樣也不會(huì)有人否認(rèn)創(chuàng)新對(duì)于制造業(yè)的重要性，但并沒(méi)有多少?lài)?guó)家真正把制造業(yè)當(dāng)做根基看待。即使是美國(guó)，目前的制造業(yè)也正在經(jīng)歷”頹廢“。為了重振“重振制造業(yè)”，奧巴馬政府逐步開(kāi)啟了制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。這個(gè)創(chuàng)新計(jì)劃，旨在推動(dòng)高校、企業(yè)、政府三者通力合作，縮小科研與商業(yè)之間的差距，促進(jìn)新技術(shù)、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品和教育項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，振興美國(guó)制造業(yè)(有木有覺(jué)得跟我國(guó)所提的產(chǎn)、學(xué)、研三者結(jié)合思想很相像?)。為此，美國(guó)計(jì)劃興建15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所，目前已完成5家。其中，涉及到材料的有哪些?他們都是專(zhuān)注于哪些材料?一起來(lái)關(guān)注一下!

　　3D打印機(jī)技術(shù)

　　美國(guó)設(shè)立的第一個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新中心是2012年8月組建的國(guó)家3D打印機(jī)制造創(chuàng)新研究所。該創(chuàng)新中心由國(guó)防部、能源部、商務(wù)部、國(guó)家科技基金會(huì)、國(guó)家航空航天局等政府部門(mén)，以及俄亥俄州、賓夕法尼亞州等地企業(yè)、學(xué)校共同出資8500萬(wàn)美元組建。

　　3D打印技術(shù)，又稱(chēng)增材制造技術(shù)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料( 包括熱塑性塑料及光敏樹(shù)脂) 等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。3D打印在工業(yè)上應(yīng)用已有幾十年之久，并不是一項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)的技術(shù)，但的確是在這幾年開(kāi)始火起來(lái)的。在前些年，3D打印甚至被熱炒成“第三次工業(yè)革命”，引起了不少的爭(zhēng)議。不可否認(rèn)的是，3D打印成果也層出不窮

　　不管是質(zhì)疑也好，力捧也好，3D打印必然會(huì)在將來(lái)的制造業(yè)擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要而特殊的角色。

　　輕量及現(xiàn)代金屬制造

　　2014年2月，美國(guó)國(guó)防部牽頭底特律組建輕量及現(xiàn)代金屬制造創(chuàng)新研究所。該研究所共計(jì)由包括全球著名的鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)鋼制造商、材料提供商在內(nèi)的36家公司，12家高校及實(shí)驗(yàn)室，18家組織機(jī)構(gòu)參與建設(shè)，資金投入7000萬(wàn)美元。輕量及現(xiàn)代金屬制造創(chuàng)新研究所將注重于促進(jìn)在風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)框架、醫(yī)藥設(shè)備、武裝車(chē)輛等等領(lǐng)域上使用的輕量化合金制造。

　　經(jīng)過(guò)材料人網(wǎng)行業(yè)探討欄目多篇文章的探討，想必大家對(duì)輕量化或者輕合金并不陌生。對(duì)于交通工具和機(jī)械制備來(lái)說(shuō)，輕量金屬可以提高性能，增強(qiáng)安全性，提高燃油效益等等。例如大范圍使用鋁合金，福特2015款F-150皮卡，比2014款足足輕了700磅。

　　當(dāng)然，現(xiàn)在輕質(zhì)合金還存在一些技術(shù)壁壘，例如價(jià)格仍然較高，能耗較大，應(yīng)用還比較局限。而該研究所的中心目的就是通過(guò)解決制造的技術(shù)障礙來(lái)使新一代的輕質(zhì)金屬及合金獲得市場(chǎng)。

　　下一代電力電子制造

　　2014年1月，美國(guó)政府宣布由北卡羅來(lái)納州立大學(xué)領(lǐng)銜，共計(jì)5所大學(xué)、2家美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及18家企業(yè)組建“下一代電力電子制造創(chuàng)新研究所。該研究所獲得了美國(guó)能源部以及工業(yè)方面的7000萬(wàn)美元的資金支持。該研究所的使命是促進(jìn)新一代半導(dǎo)體芯片及設(shè)備的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造。具體而言，在未來(lái)五年內(nèi)，該研究所將致力于推進(jìn)以氮化鎵和碳化硅為基礎(chǔ)的寬帶隙半導(dǎo)體電力電子器件化，降低其成本，以取代目前廣泛使用的硅基半導(dǎo)體。

　　一般而言，室溫下帶隙大約2.0ev的半導(dǎo)體材料被稱(chēng)之為寬帶隙半導(dǎo)體，例如氮化鎵、碳化硅、氧化鋅。寬帶隙半導(dǎo)體有很多優(yōu)點(diǎn)，能夠在更高的溫度(例如碳化硅的工作溫度可達(dá)600度)、更高電壓以及更極端的環(huán)境下運(yùn)行，具有極大提升電力電子產(chǎn)品能源使用效率和可靠性的潛力。目前寬帶隙半導(dǎo)體比較成熟的應(yīng)用是在LED照明上。

　　但是，寬帶隙半導(dǎo)體難以長(zhǎng)成塊體材料，需要其他材料作為襯底。例如LED半導(dǎo)體芯片，基本上采用藍(lán)寶石或者碳化硅襯底外延生長(zhǎng)氮化鎵。不過(guò)這種制備工藝也存在很多問(wèn)題，例如襯底材料與半導(dǎo)體熱膨脹系數(shù)不匹配、外延生產(chǎn)造成缺陷、加工及刻蝕困難等等。

　　先進(jìn)復(fù)合材料制造

　　2014年2月，奧巴馬政府宣布在南卡羅來(lái)納州組建先進(jìn)復(fù)合材料制造研究所，將由美國(guó)能源局等機(jī)構(gòu)在五年期間向該研究所投資7000萬(wàn)美元。該研究所將首要關(guān)注于較低成本以及使制造過(guò)程更加節(jié)能地制造碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料，以便滿(mǎn)足純動(dòng)力車(chē)及混動(dòng)車(chē)、風(fēng)力渦輪、天然氣儲(chǔ)存罐等能源方面的需求。

　　先進(jìn)復(fù)合材料有很多種，其中應(yīng)用最廣、最成熟的屬以碳纖維、玻璃纖維為代表的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)塑料是以碳纖維或者玻璃纖維為增強(qiáng)材料，聚合物為基體的復(fù)合材料，其最大的特點(diǎn)恐怕是高強(qiáng)質(zhì)輕。運(yùn)用纖維增強(qiáng)塑料，可以制備出燃效更佳的輕質(zhì)汽車(chē)，更輕更強(qiáng)的風(fēng)力渦輪葉片以及其他更輕、更節(jié)能的工業(yè)裝備。

　　例如，先進(jìn)復(fù)合材料可以降低乘用車(chē)約50%的重量，從而提高約35%的燃效，而并不損害汽車(chē)的性能和安全性。如果按照當(dāng)前的油價(jià)計(jì)算，經(jīng)過(guò)整個(gè)使用期的汽車(chē)可節(jié)省大約5000美元的燃料。在風(fēng)能業(yè)中，使用先進(jìn)復(fù)合材料，其渦輪葉片可以做得更長(zhǎng)、更輕、更強(qiáng)，也就可以捕捉到更多的風(fēng)能。

　　但是，纖維增強(qiáng)塑料目前存在著成本高昂，制造過(guò)程需要大量的能量，難以回收等問(wèn)題，制約其廣泛應(yīng)用。按照能源局既定的計(jì)劃，先進(jìn)復(fù)合材料制造研究所將在10年內(nèi)將纖維增強(qiáng)塑料生產(chǎn)成本下降50%，生產(chǎn)過(guò)程能耗下降75%，回收利用率達(dá)到95%。

　　此外，剩下的一家創(chuàng)新中心是數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新中心，總部位于芝加哥,由UI實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo),73個(gè)企業(yè)、大學(xué)、非盈利組織和試驗(yàn)室組成。

　　從上面的介紹，我們可以看到，目前已經(jīng)宣布成立的5家制造創(chuàng)新研究所，4所與材料密切相關(guān)(除了3D打印還涉及其他外，另外3所可以說(shuō)是新材料創(chuàng)新研究所)，材料創(chuàng)新被擺在了一個(gè)極為重要的地位。

　　另外，創(chuàng)新中心所專(zhuān)注的材料也是相當(dāng)務(wù)實(shí)的。輕質(zhì)合金、復(fù)合材料及半導(dǎo)體材料已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中有了較為成熟的應(yīng)用，只是仍然存在著技術(shù)上的難題，阻礙了它們的更大范圍的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域發(fā)力，比之在一些前沿新材料上，可能更有成效。