中國製造2025系列M之二：高檔數控機床和機器人
2018-10-22
所謂的「高檔數控機床和機器人」，其實跟我們常聽到的「智能製造」脫離不了關係。原因在機器人是集現代製造技術、新型材料技術和信息控制技術為一體，是「智能製造」的代表性產品，其研發、製造、應用成為衡量一個國家科技創新和製造業水平的重要標誌，自然引起了世界製造強國的高度重視。先來談談高檔數控機床吧！
數控機床是現代製造業的主流設備，使體現現代機床技術水平、現代機械製造業工藝水平的重要標誌，是關係國計民生、國防尖端建設的戰略物資。從 2002 年開始，中國已成為世界機床消費第一大國和機床進口第一大國。且國產高檔數控機床配套的數控系統 90% 都從國外進口，整個高端數控系統市場基本上都被法那科和西門子等廠家壟斷。具體而言，中國發展五軸聯動高檔數控機床已經迫在眉睫，此處所謂的高檔是指高性能，也就是高精、高細、高速、柔性、智能、高可靠性、高重複性、低故障率等。未來幾年我國數控機床市場需求量將繼續以年均 10-15% 的速度增長，根據國家科技重大專項之<高檔數控機床與基礎製造裝備>要求，到 2020 年，國產中、高檔數控機床用的國產數控系統市場佔有率達 60% 以上，也代表有 12 萬台的替代空間，未來行業空間巨大！據統計，2014-2016 年，我國數控機床銷售收入均超過 2,400 億元；2016 年，我國數控機床銷售額為 2,732.3 億元，同比增長 7.69%。2017 年銷售額約為 3,060.3 億元，首次超過 3,000 億元。數控機床技術水平主要指標見表 1。
接下來，我們就來探討機器人產業。機器人產業發展包括研發試驗、機器人本體和零部件產業化、系統集成技術、服務等，每一個環節都很重要。我國機器人產業鏈的發展是一個任重道遠的過程，整體來看，目前中國大部分機器人企業集中在集成領域，加工組裝企業占多數。在核心及關鍵技術的原創性研究、高可靠性基礎功能部件、系統工藝應用解決方案以及主機批量生產等方面，距離發達國家還有相當的差距。關鍵部件方面，精密減速器、伺服電機及驅動器等關鍵部件大量依賴進口。雖然多年來國家對這方面也做了較大的投入支持，由於原來市場規模和產業化程度不高，不足以帶動核心部件的發展，致使效果不理想。
隨著我國工廠自動化的發展，工業機器人在其它工業行業中也將得到快速推廣，如電子、金屬製品、橡膠塑料、食品、建材、民爆、航空、醫藥設備等行業。目前，工業機器人市場前 10 名都是外資，份額都不大，並維持平均增長率 25% 左右，到 2018 年工業機器人的市場規模接近 11 萬台。至於服務機器人的應用範圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護以及醫療、養老、康復、助殘等工作。服務機器人是一種新型智能化裝備、一項戰略性高技術產品，在未來具有比工業機器人更大的市場空間。中國工業機器人市場佔有率見表 2。
那究竟高檔數控機床與機器人與什麼技術有關？就舉中信重工開誠的排爆機器人為例，整個系統包括：電氣系統、電機系統、驅動系統、計算機控制系統、光學與感測器系統等五大部分。而這五大部分就涉及了導電、導熱、潤滑、塗料、高分子、合金、感測、電磁、光電、半導體及成像等類別，追根究底都能跟石墨烯沾上關係！上一篇新一代信息技術我們已經探討了部分的光電及半導體，而"電磁"這部分準備放在「航空航天裝備」這篇來談，這篇我們就來探討合金與感測吧！
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，金屬基複合材料構件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據。在各種技術領域及不同的工況條件下，我們將金屬基複合材料區分為「結構件」及「功能件」，所謂「結構件」一般要求高的比強度和比剛度，有高的結構效率，因此大多選用鋁及鎂兩類合金作為基體；而「功能件」主要用於電子封裝和熱沉材料、高導熱、耐電弧燒蝕、耐高溫磨損材料及耐腐蝕材料等，主要選用鋁、銅、銀、鉛、鋅等合金作為基體 (見表 4)。其次，金屬基體的選擇對複合材料的性能有決定性的作用，金屬基體的密度、強度、塑性、導熱、導電、耐熱、抗腐蝕等特性，將直接影響複合材料的比強度、耐高溫、導熱及導電等性能。按理說石墨烯加入金屬該有不錯的表現，但實際試驗中卻往往無法盡如人願，最重要的因素還是在「分散性」及「潤濕性」，而前者影響著後者，所以我們首務之急在解決兩界面間之」潤濕性「。更精準地說，就是要解決石墨烯與各類金屬間的「相容性」。
舉例來說，發動機是耐熱結構材料，要求複合材料零件工作溫度為 650-1,200℃，同時要求複合材料有良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學性能，鋁、鎂複合材料一般只能用在 450℃ 左右，而鈦合金基體複合材料可用到 650℃，而鎳、鈷基複合材料可在 1,200℃ 使用，甚至金屬間化合物更可作為耐熱結構複合材料的基體。但石墨烯的抗氧化溫度不超過 650℃，在 450℃ 以後逐漸熱失重，除非在真空環境下進行，但相形也增加了很多的成本。金屬基複合材料主要製造方法大致可參考表 5。
另外，由於石墨烯與金屬粉末密度相差較大，且石墨烯的長徑比達 100-1,000，具有很高的表面自由能，極易發生團聚，難以在複合材料基體中均勻分散。加上碳與多數金屬溶解度很低，多數只能採用「粉末冶金」法，而無法用一般「熔煉」工藝來製備石墨烯金屬基複合材料，通常還要先用濕式球磨方式使兩者粒徑接近，才能使「界面結合力」更好。為了使複合材料具有良好的性能，需要在增強體與基體界面上建立一定的結合力。「界面結合力」是使基體與增強體從界面結合態脫開所需的作用於界面上的應力，它與界面的「結合形式」有關，並影響複合材料的性能。如碳纖維增強鋁基複合材料中，在不同界面結合受載時，如果結合太弱，纖維就大量拔出，強度低；結合太強，複合材料脆斷，既降低強度，又降低塑性；只有結合強度適中的複合材料才呈現高強度和高塑性。
平心而論，石墨烯跟感測就能激蕩出更多的火花！電子是石墨烯最大的應用領域，2017 年，除了石墨烯射頻標籤 (RFID)、石墨烯的電磁干擾屏蔽/靜電保護 (EMI/ESD) 元器件等應用，市場上出現了更多的石墨烯電子產品，讓石墨烯在各個電子細分市場上的拓展進一步深入。相關新應用的案例包括 Graphenea 成功地將石墨烯應用於邏輯設備 (200mm CMOS-compatible graphene wafers)；Nanomedical Diagnostics 開始出貨高靈敏度、小體積的石墨烯生物感測器；Emberion 開發的石墨烯感測器在近紅外成像及醫療和工業 X 射線成像等領域得到應用等等。另外，還有多項集成石墨烯材料的氣體和濕度感測器產品問世。就目前石墨烯感測研究的項目包括：電化學、氣體、生物小分子、酶、DNA 電化學、醫藥、光電、電場、磁場、機械等，內容真是無遠弗屆。
就以氣體感測器為例，石墨烯在電化學感測器上的應用有以下優點：
① 體積小，表面積大；
② 靈敏度高；
③ 響應時間快；
④ 電子傳遞快；
⑤ 易於固定蛋白質並保持其活性；
⑥ 減少表面污染的影響。
Kyler. Ratinac 等人 (2010) 綜述了幾種石墨烯氣體感測器的研究狀況，指出基於石墨烯的小尺度感測器在環境檢測中前景非常好。Rakesh K. Joshi 等人 (2010) 利用 MPECVD（微波等離子化學氣相沉積）方法在 Si 基 Ni 塗層上生長出了石墨烯薄膜和納米帶，並利用四點探針技術研究了石墨烯在 25-200°C 之間的電阻-溫度變化關係，見圖 1。發現石墨烯暴露於 CO 中時，電阻增加；而暴露於 O2 和 NO2 中時，電阻下降。石墨烯薄膜在 100ppm 的 CO 和 100ppm 的 NO2 的感測信號分別為 3 和 35；石墨烯納米帶在 100ppm 的 CO 和 100ppm 的 NO2 的感測信號分別為 1.5 和 18。該氣體感測器的機制主要是石墨烯表面吸附氣體後引起了電荷輸運的改變。基於石墨烯的氣體感測器具有耐久性、可靠性和重現性。
Ref.:
宮非：高大上系列L之十九：石墨烯感測器在中紅外波段的應用潛力
宮非：高大上系列L之十二：基於多電極結構的石墨烯熱電太赫茲探測器
宮非：高大上系列L之十：石墨烯光電探測器實現寬波段、高敏成像
宮非：高大上系列L之三：基於石墨烯-氮化硅諧振腔的電光可調光頻率梳
宮非：商品化系列C之十：感測篇
宮非：商品化系列C之六：複合金屬篇
7. Environmental Science & Technology, 2010, 44:116.
8. Physics Chem. C, 2010, 114:6610.
推薦閱讀：
