2018-10-22

所谓的《高档数控机床和机器人》，其实跟我们常听到的「智能制造」脱离不了关系。原因在机器人是集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体，是「智能制造」的代表性产品，其研发、制造、应用成为衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志，自然引起了世界制造强国的高度重视。先来谈谈高档数控机床吧！

数控机床是现代制造业的主流设备，使体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。从 2002 年开始，中国已成为世界机床消费第一大国和机床进口第一大国。且国产高档数控机床配套的数控系统 90% 都从国外进口，整个高端数控系统市场基本上都被法那科和西门子等厂家垄断。具体而言，中国发展五轴联动高档数控机床已经迫在眉睫，此处所谓的高档是指高性能，也就是高精、高细、高速、柔性、智能、高可靠性、高重复性、低故障率等。未来几年我国数控机床市场需求量将继续以年均 10-15% 的速度增长，根据国家科技重大专项之<高档数控机床与基础制造装备>要求，到 2020 年，国产中、高档数控机床用的国产数控系统市场占有率达 60% 以上，也代表有 12 万台的替代空间，未来行业空间巨大！据统计，2014-2016 年，我国数控机床销售收入均超过 2,400 亿元；2016 年，我国数控机床销售额为 2,732.3 亿元，同比增长 7.69%。2017 年销售额约为 3,060.3 亿元，首次超过 3,000 亿元。数控机床技术水平主要指标见表 1。

接下来，我们就来探讨机器人产业。机器人产业发展包括研发试验、机器人本体和零部件产业化、系统集成技术、服务等，每一个环节都很重要。我国机器人产业链的发展是一个任重道远的过程，整体来看，目前中国大部分机器人企业集中在集成领域，加工组装企业占多数。在核心及关键技术的原创性研究、高可靠性基础功能部件、系统工艺应用解决方案以及主机批量生产等方面，距离发达国家还有相当的差距。关键部件方面，精密减速器、伺服电机及驱动器等关键部件大量依赖进口。虽然多年来国家对这方面也做了较大的投入支持，由于原来市场规模和产业化程度不高，不足以带动核心部件的发展，致使效果不理想。

随着我国工厂自动化的发展，工业机器人在其它工业行业中也将得到快速推广，如电子、金属制品、橡胶塑料、食品、建材、民爆、航空、医药设备等行业。目前，工业机器人市场前 10 名都是外资，份额都不大，并维持平均增长率 25% 左右，到 2018 年工业机器人的市场规模接近 11 万台。至於服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护以及医疗、养老、康复、助残等工作。服务机器人是一种新型智能化装备、一项战略性高技术产品，在未来具有比工业机器人更大的市场空间。中国工业机器人市场占有率见表 2。

那究竟高档数控机床与机器人与什么技术有关？就举中信重工开诚的排爆机器人为例，整个系统包括：电气系统、电机系统、驱动系统、计算机控制系统、光学与传感器系统等五大部分。而这五大部分就涉及了导电、导热、润滑、涂料、高分子、合金、传感、电磁、光电、半导体及成像等類別，追根究底都能跟石墨烯沾上关系！上一篇新一代信息技术我们已经探讨了部分的光电及半导体，而"电磁"这部分准备放在“航空航天装备”这篇来谈，这篇我们就来探讨合金与传感吧！

在石墨烯合金項目上，研究人員大多投入在鋁、銅、鎳這三個金屬，見表 3。

首先，金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。在各种技术领域及不同的工况条件下，我们将金属基复合材料区分为“结构件”及“功能件”，所谓“结构件”一般要求高的比强度和比刚度，有高的结构效率，因此大多选用铝及镁两类合金作为基体；而“功能件”主要用于电子封装和热沉材料、高导热、耐电弧烧蚀、耐高温磨损材料及耐腐蚀材料等，主要选用铝、铜、银、铅、锌等合金作为基体 (见表 4)。其次，金属基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用，金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电、耐热、抗腐蚀等特性，将直接影响复合材料的比强度、耐高温、导热及导电等性能。按理说石墨烯加入金属该有不错的表现，但实际试验中却往往无法尽如人愿，最重要的因素还是在「分散性」及「润湿性」，而前者影响着后者，所以我们首务之急在解决两界面间之「润湿性」，更精准地说，就是要解决石墨烯与各类金属间的「相容性」。

举例来说，发动机是耐热结构材料，要求复合材料零件工作温度为 650-1,200℃，同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性能，铝、镁复合材料一般只能用在 450℃ 左右，而钛合金基体复合材料可用到 650℃，而镍、钴基复合材料可在 1,200℃ 使用，甚至金属间化合物更可作为耐热结构复合材料的基体。但石墨烯的抗氧化温度不超过 650℃，在 450℃ 以后逐渐热失重，除非在真空环境下进行，但相形也增加了很多的成本。金属基复合材料主要制造方法大致可参考表 5。

另外，由于石墨烯与金属粉末密度相差较大，且石墨烯的长径比达 100-1,000，具有很高的表面自由能，极易发生团聚，难以在复合材料基体中均匀分散。加上碳与多数金属溶解度很低，多数只能采用“粉末冶金”法，而无法用一般「熔炼」工艺来制备石墨烯金属基复合材料，通常还要先用湿式球磨方式使两者粒径接近，才能使「界面结合力」更好。为了使复合材料具有良好的性能，需要在增强体与基体界面上建立一定的结合力。「界面结合力」是使基体与增强体从界面结合态脱开所需的作用于界面上的应力，它与界面的「结合形式」有关，并影响复合材料的性能。如碳纤维增强铝基复合材料中，在不同界面结合受载时，如果结合太弱，纤维就大量拔出，强度低；结合太强，复合材料脆断，既降低强度，又降低塑性；只有结合强度适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。

平心而论，石墨烯跟传感就能激荡出更多的火花！电子是石墨烯最大的应用领域，2017 年，除了石墨烯射频标签 (RFID)、石墨烯的电磁干扰屏蔽/静电保护 (EMI/ESD) 元器件等应用，市场上出现了更多的石墨烯电子产品，让石墨烯在各个电子细分市场上的拓展进一步深入。相关新应用的案例包括 Graphenea 成功地将石墨烯应用于逻辑设备 (200mm CMOS-compatible graphene wafers)；Nanomedical Diagnostics 开始出货高灵敏度、小体积的石墨烯生物传感器；Emberion 开发的石墨烯传感器在近红外成像及医疗和工业 X 射线成像等领域得到应用等等。另外，还有多项集成石墨烯材料的气体和湿度传感器产品问世。就目前石墨烯传感研究的项目包括：电化学、气体、生物小分子、酶、DNA 电化学、医药、光电、电场、磁场、机械等，内容真是无远弗届。

就以气体传感器为例，石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点：

① 体积小，表面积大；

② 灵敏度高；

③ 响应时间快；

④ 电子传递快；

⑤ 易于固定蛋白质并保持其活性；

⑥ 减少表面污染的影响。

Kyler. Ratinac 等人 (2010) 综述了几种石墨烯气体传感器的研究状况，指出基于石墨烯的小尺度传感器在环境检测中前景非常好。Rakesh K. Joshi 等人 (2010) 利用 MPECVD（微波等离子化学气相沉积）方法在 Si 基 Ni 涂层上生长出了石墨烯薄膜和纳米带，并利用四点探针技术研究了石墨烯在 25-200°C 之间的电阻-温度变化关系，见图 1。发现石墨烯暴露于 CO 中时，电阻增加；而暴露于 O2 和 NO2 中时，电阻下降。石墨烯薄膜在 100ppm 的 CO 和 100ppm 的 NO2 的传感信号分别为 3 和 35；石墨烯纳米带在 100ppm 的 CO 和 100ppm 的 NO2 的传感信号分别为 1.5 和 18。该气体传感器的机制主要是石墨烯表面吸附气体后引起了电荷输运的改变。基于石墨烯的气体传感器具有耐久性、可靠性和重现性。

Ref.:

宮非：高大上系列L之十九：石墨烯传感器在中红外波段的应用潜力​zhuanlan.zhihu.com

宮非：高大上系列L之十二：基于多电极结构的石墨烯热电太赫兹探测器​zhuanlan.zhihu.com

宮非：高大上系列L之十：石墨烯光电探测器实现宽波段、高敏成像​zhuanlan.zhihu.com

宮非：高大上系列L之三：基于石墨烯-氮化硅谐振腔的电光可调光频率梳​zhuanlan.zhihu.com

宮非：商品化系列C之十：传感篇​zhuanlan.zhihu.com

宮非：商品化系列C之六：复合金属篇​zhuanlan.zhihu.com

7. Environmental Science & Technology, 2010, 44:116.

8. Physics Chem. C, 2010, 114:6610.

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