新材料與制造工藝“参考系”

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2013年2月28日，在康宁公司北京液晶显示器玻璃出產厂拍摄的不怕刻画的“大猩猩”玻璃样板今朝，全世界新質料和制造工藝龙头企業重要集中在美國、欧洲和日本。

文／唐见茂

人類社會200多年来的工業化過程表白，質料历来都是支持新兴財產成长和科學技能前進的物資根本和前提包管。

與質料自己同样，制造工藝也是質料工程的一個首要范畴，二者瓜葛慎密，互相支持、互相提高。可以说，質料的機能和寿命，一方面取决于質料自己化學成份和组织布局，另外一方面，也取决于制造工藝的成熟性和先辈性。

進入新世纪，以新能源和新質料為主导的新一轮科技和工業革命即第四次工業革命已强势拉開序幕，而处在今世高技能成长前沿的新質料已進入全新的成长阶段，正在實現從根本到倾覆的超過。

将来質料和工藝

前沿新質料是指处在新質料新成长尖端前沿，具备超天然優秀機能或超凡态特别功效的一類質料，如以石墨烯為代表的二维質料；支持人工智能和呆板人的智能仿生質料；激發醫療行業庞大變化的智能醫療、生物芯片、细胞醫治等生物醫療質料；以散布式能源為主流，激發能源布局變化的干净可再生能源質料；能扭转光的傳布特征的隐身超質料；在機電、磁悬浮運输、受控热核反响、储能等方面具备廣漠利用远景的超导質料；可用于柔性可穿着電子通信和人工智能装备的液體金属質料；和實現人類社會可延续成长的绿色生命周期的情况質料等。

質料扭转将来。前沿新質料将為人類展示全新世界的廣漠远景，加强人類扩大本身保存與成长空間的信念，對人類認知、思惟、價值理念、業态及市場設置装备摆設、財產分派、糊口方法以致社會形态等都将發生倾覆性的變化。

是以，發財國度都将前沿新質料的@钻%R7Sr6%研和利%2L4Xi%用@作為新一轮科技和工業革命的切入點，纷繁制订各類成长規劃，整合優化資本設置装备摆設，加大經费支撑。出格是指导和鼓動勉励質料行業的大型龙头企業實現强强结合，或構成跨范畴跨行業的计谋同盟，@構%a1Lbb%成對全%8dWza%世%8dWza%界@市場新的垄断。

制造工藝偏重钻研質料的制造加工和终极利用效能的瓜葛，重要根据質料的成份、構成布局、機能特色，依照產物設計的利用效能请求，選擇和钻研優化的制造成型工藝和装备、最好工藝線路和工藝前提、成型工藝質量節制等，以获得终极產物或制件最好的利用機能、質量和寿命。

現實上，付與質料某種產物或制件的優秀@機%Sp6W6%能或特%K8Vm9%别@功效，其質料组织布局特色的構成，不少环境下是經由過程優化工藝線路和工藝前提来實現的。比方質料的结晶举動，包含金属質料和高份子質料，分歧的工藝前提會激發分歧的结晶進程和结晶举動，而致使質料最后晶态特性和宏觀機能的大不不异，以是質料结晶举動的節制，终极将落實到優化温度和時候等工藝前提上。

新質料的制造工藝現已成為新質料開辟和利用必不成少的首要分支范畴，出格是计较機数字化和信息化的推行，敏捷鞭策制造工藝向主動化、数字化、智能化、加强虚拟、增材制造（3D打印）等標的目的敏捷成长。

今朝，全世界新質料和制造工藝龙头企業重要集中在美國、欧洲和日本。

各范畴领头羊

以高份子質料開辟和利用為主打范畴的陶氏和杜邦，是美國百年化工老企業。陶氏化學（Dow Chem.）建立于1897年，营業范畴包含功效產物、高新質料、根本質料、康健和农業科技等。杜邦（Du Pont）建立于1802年，营業包含電子質料、電子通信、高份子質料等。

2015年，陶氏化學和杜邦归并建立新公司陶氏杜邦，成為全世界最大的化工企業，重要產物為新型高份子質料，包含新型塑料、橡胶、油漆、涂料、纤维等，此中，芳纶是上世纪60年月由杜邦開辟的一種高機能特種纤维，遍及利用于复合質料、特種防护打扮、電子装备等范畴，至今陶氏和杜邦對该產物的市場占据率仍处于全世界垄断職位地方。

在金属質料范畴，美铝公司是世界铝出產制造業的领跑者，致力于出產遍及利用且可收受接管再生的可延续性铝制產物，產物上风包含铝成品压延件、锻件、紧固件、轮毂件、紧密铸件，還成长钛、镍超等合金等其他轻金属，用于航空航天范畴的高端制造。

美铝的AmpliforgeTM工藝，是采纳美铝設計和3D打印零件，然后采纳更傳统的制造工藝，即锻压，将其终极制造完成。美铝的钻研成果已证明，與没有進一步锻压处置的平凡增材技能制造的零件比拟，這類新的技能提高了3D打印零件的機能，如硬字幕機,度和强度。美铝公司還说，與傳统的锻压工藝比拟，Ampliforge技能削減了質料损耗并简化了出產進程。

瑞典的山除臭芳香球,特维克（Sandvik）团體是全世界领先的先辈質料產物制造商，重要营業包含超硬質料金属切削东西、修建及采矿業装备、高档不锈钢、特種合金、钛材、金属及陶瓷電阻質料制成的高附加值產物，和工藝體系。

在玻璃質料范畴，美國的康宁公司（CORNING）是特别玻璃和陶瓷質料的全世界领军企業。其三重汽車借款免留車,產物上风在于柔性显示屏、特種功效陶瓷等挪動互联網装备、電信和生命科學范畴產物的關头器件。在光電技能范畴，它現已成為全世界最大的光纤出產商之一。

康宁公司近日推出其在半导體玻璃载體行業内的最新冲破——先辈封装载體。该先辈玻璃载體晶圆针對扇出工藝這一行業领先的半导體封装技能做出優化，旨在為消费電子、汽车和其他互联装备供给更小、更快的芯片。

康宁的先辈封装玻璃载體具备三大显著改良：在较廣范畴内供给了多種热膨胀系数（CTE）選擇；高硬度组分；快速样品交貨周期。

這些特征對付利用扇出型封装的客户来讲相當首要：多種热膨胀系数使客户可以或许自由選擇封装產物所需，尽量削減封装工藝進程中的晶元變形，是以精准的系数将有助于客户收缩產物開辟周期；康宁先辈封装载體具有的高硬度组分一样有助于進一步削減封装工藝進程中的晶元變形，最大限度地提高芯片封装的制品率；快速样品交貨周期也有助于收缩開辟周期，使客户可以或许更快投入量產。

日本的旭硝子（AGC）玻璃股分有限公司是全世界第二大玻璃成品公司，其產物為各類玻璃成品與半制品，及少许化學產物，今朝贩賣工具為液晶显示器制造厂，和汽车業、灯具業、修建業等。

旭硝子公司不久前颁布發表開辟出了用于深紫外LED的石英透镜，将石英窗口質料和镜头整合在一块儿，不必要透明胶。同時，旭硝子開辟的“特别焊接”可讓客户經由過程在大气中简略地加热和加压，而不必要大范围的脱氧装备。

别的，因為封装與窗口之間的热膨胀系数差别，“特别焊料”很柔嫩，可以減缓热应力，是以不會决裂或漏气。經由過程這些手腕，深紫外LED制造工藝可以大大简化，投資可以削減。

法國的圣戈班公司（Saint-Gobain）的主打質料包含平板玻璃和高機能質料，辦事范畴包含汽车玻璃、玻璃包装、保温隔音材，玻璃加强纤维、陶瓷塑料、磨料磨具、管道體系及修建質料等。

在電子質料范畴，美國的利用質料公司（Applied Materials）是一家半导體和显示制造装备公司，重要营業為半导體、先辈显示器、太陽能光伏制造、柔性镀膜、主動化軟件等新兴技能與產物。

利用質料公司近日公布的信息显示，行業龙头企業正利運動彩券線上投注，用其10.5代線全套出產装备出產更傳神、更光鲜、色采更丰硕的大尺寸8K電视。10.5代線是全世界最大尺寸玻璃基板（3370妹妹×2940妹妹）的出產線，可高效操纵几近整块玻璃基板，每片基板最高可產出8块65英寸或6块75英寸電视面板。

利用質料公司的10.5代線全套装备經由過程實現關头薄膜（比方金属氧化物）的優秀沉积平均度，出產出更小更快的薄膜晶體管（TFT），從而提高低一代显示面板的辨别率和機能来驱動高清楚度電视。

该套装备包含两個用于薄膜晶體管（TFT）阵列制程的高產品理沉积體系（PVD）——AKTPiVot體系，和用于出產彩色滤光片的AKT-NAR3000 PVD體系，别的還包含業界独一一款颠末出產验证的等离子體加强化學气相沉积體系AKT-100K PECVD，该體系颠末優化并合用于在10.5代線基板上沉积金属氧化物。

日本的信越（Shinetsu）是全世界最大的半导體硅片供给商之一，其以硅元素為焦點的產物系列還包含有機硅系列。信越仍是硬盘驱動（HDD）等用稀土磁铁、半导體用光刻胶、环氧模塑料及液态环氧封装質料等的首要供给商。

作為IC電路板硅片的主导企業，信越始终处于大口径化及高平直度的最尖端。其最先研制樂成尖真個300妹妹硅片，并實現了SOI硅片的量產和不乱供给；同時，一向化出產發光二极管中的GaP（磷化镓）、GaAs（砷化镓）、AIGaInP（磷化铝镓铟）系化合物半导體单晶與切片。

信越可以或许制造出具备11個9（99.999999999%）的纯度與平均的结晶機關的单晶硅，在全球处于领先程度，其工藝可以将单晶硅切成薄片并加以研磨而構成硅片，其概况平展度在1微米如下。

在碳纤维范畴，赫克塞尔公司（Hexcel Composites）公司是美國最大的碳纤维和纤维產物出產商，也是全世界高機能复合質料的领先制造公司。其技能上风是開辟制造轻質、高機能的复合質料，包含碳纤维、加强织物、預浸料、蜂窝芯、树脂體系、胶粘剂和复合質料構件，產物利用于民用飞機、宇航、國防和一般工業，是波音公司二级供给商。

日本东丽（TORAY）团體是世界最大的碳纤维供给商之一，主打產物為聚丙烯腈基碳纤维，包含高强、高模多種產物系列。高强碳纤维從最初的T300成长到T800，再到T1200，拉伸强度增长近一倍。碳纤维是一種计谋物質，重要用于各類飞機布局和航天飞翔器布局，具备轻質、高强、節能減排的上风，在B-787和A-350中的用量已别离达50%和52%。

近日，东丽在其官網公布通知布告称，公司已開辟出生避世界上最高程度的氢气提纯聚合物分手膜。這類高份子分手膜可以或许從含氢的夹杂气體當選擇性地和高度地浸透氢。该技能的關头點有两點：耐热耐压多孔基材設計；經由過程紧密孔径節制技能實現氢的高度選擇性和透過性。该公司還宣称，新的分手膜具备的氢气浸透性和選擇分手性，远远跨越了傳统的聚合物膜的機能。

别的，德國的西格里团體（SGL Group-The Carbon Company）是全世界领先的碳素石墨質料和相干產物的制造商之一，具有包含從碳石墨產物到碳纤维及复合質料在内的完备营業链。

综合性领军团

除在各自范畴各有千秋的企業以外，在全世界范畴内，一些综合性質料公司的营業范畴触及能源、生物醫療、信息、航空航天、海洋、情况等所有現代高技能范畴，其在新質料科技立异、新產物研發和利用、日本酵素產品,財產范围、財產技能和全世界市場占据率等方面都处于全世界领先職位地方。

比方，美國3M公司100多年来開辟了以各類質料為根本的近7万種產物，涵盖家居、醫療、教诲、電子、通訊、運输、修建等各個范畴，其產物和技能已深深融入現代技能和人们的糊口。

日本最具代表的综合性質料公司包含三井化學（Mitsui Chemicals）、三菱化學（Mitsubishi Chem.）、日立金属（Hitachi-Metals）等三家。

三井化學是日本最大的化工企業团體之一，重要营業包含增值特别化學品，塑料及其他質料產物的研發、出產和供给，產物面向汽车、醫療、包装、农業、修建、工業、造纸、纺织，和半导體和電子市場。

三菱化學的主打范畴包含功效質料和塑料產物（包含信息及電子產物、專業化學成品、制藥）、煤油化工、碳及农業產物。固然铝、片塑產物和塑料包装等功效質料占其贩賣额的55%以上，但公司仍是把持久方针放在了專業化學成品及制藥上。

三菱化學近两年正就推動海外碳素成品营業開展會商。该公司将煤炭經由過程焦炭炉高温干馏，發生焦油經热处置工藝制成针状焦炭。针状焦炭不但可用作電炉用石墨電极，還能作為锂离子充電電池的负极質料，在市場上具备急迫的需求度。

鉴于日本本土已无原料焦油的增產余地，是以三菱化學但愿在中國、印度等國寻觅到新的原料產地，以進一步扩展其碳素成品奇迹。

日立金属的產物涵盖電子、汽车、機器、修建和情况等范畴，如IT部件和質料、磁性利用部件、平板显示屏、计较機和半导體集成電路器件、汽车零部件和質料、环保體系產物、航空航天和核電工業質料等。

德國的巴斯夫（BASF SE）公司是世界上最大的化工場之一，主流產物以化學品及塑料為焦點，從自然气、石化原料等原料到终极產物的完备財產链，涵盖化學品、醫藥、塑料、环保等技能范畴，在電子通信、航空航天、生物、現代交通、節能环保等范畴具备领先上风。

近日，巴斯夫公司展現了其研發的一系列立异質料，包含隔音阻燃汽车引擎罩盖立异質料、新型聚合物分离體、可延续性涂料等。

操纵立异質料的汽车引擎罩盖，能為车辆带来安谧和恬静。這是一種具备開孔布局的聚氨酯总體泡沫解决方案，這類質料具备重量轻、隔音好、阻燃性高档特征，可以讓车内加倍恬静，并為驾驶者供给更好的车内體验。

巴斯夫還開辟了一種新的聚合物分离體Styrofan PLUS 7552。這類分离體可以提高防水膜的機能，特别是在厨房、浴室和泅水池等情况下，防水膜的機器强度和抗洗涤剂、漂白剂腐化能力都有所提高，從而耽误利用寿命。

别的，荷兰的帝斯曼（DSM）公司是一家國際性的化工原料和醫藥团體，在很多范畴都处于世界领先職位地方。帝斯曼化工產物和复合質料纤维中心體、复合質料树脂等利用于航空航天、汽车、海洋、修建、電子電气、生命防护、替换能源和生物基質料等范畴。

（作者系中國質料钻研學會咨询專家）

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