制造商正在越来越多地研发能够改变行业面貌的新材料。
它足够小，可以放在掌心里，看起来像一块不起眼的穿有小孔的金属，但是非常难制造。因为它必须在1 600°C的高温高压下每分钟旋转12 000次，这个高温比它的原材料的熔点还要高出200°C。它还必须在这个折磨人的炼狱中存活足够久，得在它被换掉之前推动一架班机飞行2 400万公里。总共有66片这样短而粗的叶片被用在劳斯莱斯遄达1000发动机的后涡轮机上，这家英国公司每年生产成千上万个这种叶片。
美国和欧洲的公司找到了把高端制造业从廉价产品的猛攻中拯救出来的方法，这越来越需要对材料进行创新。本文将论述一些这样的创新，包括劳斯莱斯涡轮叶片的特殊浇铸系统以及碳纤维的使用、塑料废品的回收、新的电池技术等。
随着发展中国家的经济变得越来越富裕，科技发展变得越来越尖端，他们也想制造飞行器、喷气式发动机和高性能跑车。在有些情况下，西方的公司会把一部分生产任务转包给试图建立自己工业能力国家的公司，特别是那些签大宗订单的国家。但是，有些东西是不能共享的，因为那些东西对于维持一个产品的竞争优势而言太重要了。
对于劳斯莱斯而言，涡轮叶片是一个核心技术。制造它们的魔法依赖于对材料科学和生产技术的深刻理解。经过浇铸之后金属会固化，通常会包含许多微小的晶体。这将使金属对于大多数东西来说都足够坚硬，但是在涡轮叶片中这却是一个潜在的弱点。所以劳斯莱斯使用一种独特的系统，在一种有连续不间断的结晶结构的镍基高温合金中浇铸叶片。这确保了叶片不会有结构缺陷。
空气穿过叶片中空的中心，并从精确定位的小孔中出来，这些小孔是经一种特殊的电子工艺加工而成的，因为传统的钻孔不够精确。这些小孔创建了一层流过叶片表面的空气薄膜以防止叶片熔化。叶片还覆盖有一层耐热的陶瓷涂层。制造商之所以费这么大的劲是因为一个坚固的耐热的叶片能使喷气式发动机跑得更热，改进燃烧效能，减少燃料消耗。
时不我待 大胆创新
英国德贝的新工厂――劳斯莱斯制造涡轮叶片的地方，也有点不同寻常。设计师、工程师和全体生产员工住在同一个屋檐下，而不是分散在不同的大楼甚至不同的国家。他们被集合到一起是因为劳斯莱斯相信位置接近将有利于员工增进对彼此职责的理解，带来更大的创造性。这将是未来几年的关键，劳斯莱斯的制造工程负责人哈米德·莫卧儿（Hamid Mughal）说：“产品技术是生存的关键，而卓越制造提供了未来的一个最大机遇。”莫卧儿先生相信，那种组合是保持不断取得突破的唯一方法：“渐进式增长是做不到这一点的。”
差不多同样的想法在通用电气公司也能找到。通用电气公司也制造喷气式飞机，业务范围包括能源、照明、铁路和卫生保健。“很多年前，我们就清楚我们需要整合材料研究和制造技术，”其首席研究员伊戴奇科（Idelchik）先生说，过去的新产品生产从设计开始，接着是材料选择，然后是制造，“现在，这些流程是同步进行的。”
这些努力的一个产品是一种新的工业电池。这始于使电池足够耐用以适用于混合动力机车的研究。基于镍和盐的化学提供了电池所需的能量密度和强度。但是，在实验室里实现这种电池是一码事，而涉及到把大规模生产这种电池的复杂工序进行商业化则又是另外一码事。所以，通用电气公司建立了一条试验生产线以在建工厂前先了解如何实现有希望的想法。一些想法在这个试验阶段失败了，而另一些则成功了。
电池是成功的一个，除了混合动力机车，它还适用于其他混合动力车辆，例如叉车，以及像为数据中心提供后备电源、为偏远地区的电信桅杆提供电力这样的应用。它将在尼什卡纳附近的一个1亿美元的新工厂进行制造，这样研究人员可以便利地继续进行研发。电池本身由一套标准的电池单元组成，这些电池单元可以根据不同的应用连接在一起。这些电池单元所占用的空间是相等的铅酸电池的一半，而重量只有其四分之一，将能持续使用20年而无需维修，在严寒或极度炎热的环境下也能正常工作，通用电气公司实验室的储能系统负责人格伦·默费尔德（Glen Merfeld）说道。
令通用电气公司和其他制造商特别感兴趣的一种材料是碳纤维，在一些喷气式发动机的前部大扇叶的制造上已使用它。碳纤维原料十分柔韧，但是当碳纤维层灌注以环氧树脂、成形和固化后，它能变得和钢铁一样坚硬，而只有钢铁一半的重量。这种强度来自于碳原子之间形成的强有力的化学键。纤维可以在不同的方向对准，使得发动机能精确调整一个混合结构的强度和弹性。
碳纤维的大规模使用始于航空航天工业，空中客车和波音飞机都广泛地使用它来代替铝。不仅因为它更轻，而且还有一个很大的制造优势：像机翼的主要部分这样的大部件能整块做，而无需把许多单独的元件铆接在一起。
聚焦碳纤维
碳纤维带来的强度、轻巧和潜在减少的手工劳动使得这种材料对许多产品都很有吸引力。迈凯轮车队，英国的一级方程式（F1）车队，最先使用带有碳纤维结构的F1赛车。约翰·沃森（John Watson）驾驶它赢得了1981年英国银石赛道大奖赛。那年晚些时候，当他安然无恙地从蒙扎赛道的撞车事故中走出来时，他以一种戏剧性的方式证明了碳纤维经受撞车的能力。几年之内，每一个F1车队就都使用基于碳的赛车了。但是，制造这种基于碳的赛车，主要是手工的，需要花费3 000个工时。
现在，只需花费4小时就能制造出碳纤维的底盘和MP4-12C的车底，MP4-12C是迈凯轮在2011年推出的与宿敌法拉利在公路和赛道上竞争的一款价值275 000美元的跑车。MP4-12C是在一个新建的非常干净的工厂制造的，这个工厂靠近位于伦敦以西的沃金的迈凯轮基地。最终，公司将使用碳纤维制造各种公路车。多亏在铸模中压制材料并在压力下注入环氧树脂的部分自动化技术的发展，公司将更快地达到这个目标。这项技术是与嘉宝科技（一家专营复合材料的奥地利公司）联合研发的。
与赛车运动开创的许多技术一样，碳纤维现在已从超级跑车流入更多的日常车型。宝马就是其一，正推出一个使用碳纤维车体的电动混合车型新系列。第一辆是一款叫做宝马i3的小型城市电动车，将从明年开始在莱比锡的一个新工厂装配。一辆碳纤维车，重量轻，其电池将比一辆重的钢铁车开出更多的里程。甚至在碰撞测试中，也证明它更坚固。
另一种令人惊讶的坚固材料可以从人们扔掉的废弃物中制造出来。黄谦智，台湾小智研发可持续能源发展公司的创始人之一，在美国接受过设计师的专业训练。他正在从垃圾的再设计中制造建筑材料。其中一个产品，宝特砖，是一块类似方瓶的砖头，由回收的PET塑料制成，PET塑料广泛用于制造食品和饮料容器。因为其形状，宝特砖无需黏合剂就能卡在一起形成类似墙这样的建筑物。黄先生说，这些宝特砖足够坚固能抵挡飓风，却极大地减少了建筑物的碳足迹，其价格是传统建筑材料价格的四分之一。而且，因为它们是半透明的，还能在里面加上LED灯。
纳米技术的优势
黄先生研制的另一种材料是从废弃的稻壳中提取的一种天然的黏接剂。添加它也能帮助凝结混凝土。这个想法不算新，黄先生指出，类似的东西以前曾被添加到建造中国万里长城的砂浆中。他认为中国大陆随着建筑业的繁荣将再次成为这种产品的一个巨大市场。一种相似的材料可以从酿造遗留下来的大麦壳提取。黄先生的想法是把这个系统用于当地社区，变垃圾为有用的产品。
越来越多的产品工程设计将从纳米尺度开始。纳米技术已被用来提升某些产品。例如，二氧化钛被用于制造建筑物中的自洁式玻璃。一层只有几纳米厚的二氧化钛膜，薄得足以看透，却足够强大，能与阳光反应分解有机污垢。这种材料还是吸水的，吸引雨水像一张雨布一样擦洗掉污垢残留物。英国的一家公司皮尔金顿，最先在2001年启用使用这项技术的自洁式玻璃。
越来越多的产品工程设计将从纳米尺度开始。对麻省理工学院的研究实验室的一个拉网式搜索，提供了更多未来产品可能使用纳米微粒的例子。克利帕·瓦拉纳西（Kripa Varanasi）和他的同事正在研究的材料中，有一些特别防水的材料。这些防水材料可以用来制作超疏水涂层，这将大大提高如蒸汽涡轮机和海水淡化机这样的机器的工作效率和耐用性，瓦拉纳西先生说。这样的超疏水涂层也能应用于现存的蒸汽涡轮机，它们产生了世界上大部分的电。瓦拉纳西先生估计，这将成为一个大的翻新业务。
自然界已经卓有成效地使用了带有纳米尺度结构的材料。吸引安吉拉·贝尔奇（Angela Belcher）兴趣的化石是大约5亿年前形成的，当时海里的软体生物开始使用矿物来生成贝壳和骨骼这样的坚硬材料。这些天然产品中含有精致的纳米结构，如鲍鱼的虹彩贝壳，贝尔奇说。如果生物有在它们的DNA中制造这样的材料的能力，贝尔奇断言，那么人类应该有可能赶上它们。这是她在MIT的研究组现在正在运用基因工程试图做到的。
尽管看起来似乎很奇怪，贝尔奇女士的其中一个项目涉及到使用病毒制造电池。病毒――通常是感染细菌而对人类无害的那种――是基因工程中相当平常的一种工具。一开始，贝尔奇和她的同事用基因工程技术使病毒与他们感兴趣的材料相互作用或结合。因为他们没有几百万年的时间等待结果，就运用了能发展成高速达尔文过程的东西：一次制造十亿病毒，选择有希望的那些重复这个过程直到他们得到能做他们想做的事情的片段。
贝尔奇女士的研究组开发了能生产诸如阴极和阳极等电池要件的病毒，并用它们制造小的纽扣电池，就像那些给手表供电的纽扣电池，但这个过程有扩大的潜力。是什么使得这项技术这么吸引人呢？贝尔奇说，是因为它便宜，使用无毒材料，环保。
贝尔奇女士创办的两家公司已经在用病毒生产产品。寒武纪技术公司在生产用于触摸屏的透明涂料，志留纪技术公司正使用病毒开发把天然气转化为石油和塑料的催化剂。在太阳能电池、医疗诊断和癌症治疗上也有潜在的应用。所有这些都来源于一个海贝激发的灵感。
贝尔奇在MIT的一个工作伙伴格布兰德·赛德（Gerbrand Ceder）是一位电池专家，他感到应该有一个比目前冗长的过程更简单的方法来研究材料。有关一种材料的十种不同特性的信息可能分散在十个不同的地方。为了把这些分散的信息整合到一起，赛德先生和他的同事，与劳伦斯伯克利国家实验室协力，在去年晚些时候发起了一个叫做“材料项目”的免费网上服务，来为物质的特性编目分类。到今年三月，这个项目已经收集了差不多两万种化合物的特性细节。
设计这个数据库是为了让科学家能快速地识别合适的新材料并预测它们可能会如何在一起反应。这将加速制造业新材料的研发。一些新物质可能需要十年甚至更久才能市场化。“因为研发时间这么久，人们对其投资就很谨慎，”赛德先生说，“所以我们要加快研发进程。”
资料来源 The Economist
责任编辑 彦 隐