跨越維度的攜手

邢悅

“寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟?！碧斓亍婧?，都包含著不同的維度空間：零維空間就是一個點;若兩點連成了線，便有了一維空間;兩條線構成的面則被定義為二維空間;如果把面層層堆疊起來，有了高度上的延伸，便形成了體，這就是我們最熟悉的三維空間。天地滄海的維度之中，各項材料的發(fā)明影響著整個人類文明的進步，從原始社會的石器時代到鐵器時代、蒸汽時代，再到出現(xiàn)了計算機的硅時代，如今我們已步入納米材料的新時代。

納米材料中最有代表性的非石墨烯莫屬。它是由碳原子組成的六角型、呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，微觀結構中每個網(wǎng)格的交點便是一個碳原子。它是世界上已知最薄的材料，厚度僅有頭發(fā)絲的二十萬分之一，卻擁有最高的強度，領跑那些我們熟知的高強度材料。石墨烯具有最致密卻又最簡單的平面結構，被人們稱為二維空間的鉆石。

把面層層堆疊起來就構成了體，這便是3D打印技術的工藝原理。3D打印技術是以數(shù)字模型為基礎，通過逐層沉積的方式來構造物體的快速成型技術。當傳統(tǒng)制造工藝暴露出諸多弊端時，3D打印技術脫穎而出。它可以實現(xiàn)小批量、高復雜度的工業(yè)制造，不僅能縮短周期，降低成本，還能實現(xiàn)個性化定制，快速響應市場。雖然很多人說3D打印可打萬物，但這項技術還遠沒有發(fā)展到如此成熟的程度，仍然有很多技術壁壘需要突破。限制3D打印技術發(fā)展主要有三大因素：首先是材料的局限性，目前市場上仍然以消費級低端材料為主，無法滿足高端制造領域的應用要求;其次是設備精度的局限性，分層制造的方式存在著“臺階效應”，而它直接影響了制件的表面精度和層間強度;這也導致了另一個問題，即3D打印工藝特性所引起的力學性能折損。這些問題，都是阻礙3D打印技術實現(xiàn)工程應用的屏障。

科技創(chuàng)新是由一次次發(fā)現(xiàn)和解決問題推動的。為了突破3D打印技術壁壘，我們首次將先進的二維材料石墨烯引入到三維智能制造技術中。通過科研攻關，我們先后實現(xiàn)了多種關鍵技術突破，包括石墨烯改性技術，石墨烯與樹脂均勻分散復合技術，母粒、線材的生產(chǎn)工藝技術和3D打印工藝技術。我們積累了豐富的經(jīng)驗，最終實現(xiàn)了精準、專業(yè)的打印制件。

另一大創(chuàng)新點是我們自主研發(fā)的新型石墨烯特種樹脂基復合材料，首次打破了3D打印制件性能衰減的魔咒，填補了國內外在此領域的技術空白。

拋開量變談質變是不負責任的，我們來看組數(shù)據(jù)，從已報道的研究數(shù)據(jù)來看，與未加石墨烯的同種材料3D打印制件相比，我們的3D打印制件的工藝十分優(yōu)良，同比性能最佳。石墨烯助力了特種樹脂進一步拓展其性能邊界，不僅將折損的力學性能彌補了回來，還令其機械性能、熱力學性能、抗磨損性能都有了大幅的提升。不僅如此，我們材料的環(huán)境耐受度也非常高，防火阻燃達到了最高的航空級別，且兼具優(yōu)異的耐腐蝕、耐輻射、抗老化性能。大家可能想問，這些功能又有何用呢？要知道，大部分國防武器裝備的服役環(huán)境都十分惡劣，可謂“上九天、下五洋、高原馳騁、烈日為伴”，用我們材料制備的3D打印零部件已在某些國防裝備上開始試用。

放眼全球，別人都在做什么？2017年，歐洲空中客車公司推出的A350客機已經(jīng)使用了上千件3D打印的高分子零部件;2019年，牛津性能材料公司已簽署協(xié)議為波音公司定向提供3D打印復合材料管道、風扇出口導向葉片和推力轉向葉柵等零部件。你是否認為這些零部件的應用要求會很低？其實不然！以紅框里的發(fā)動機出口導向葉片為例，當飛機降落、發(fā)動機反推來實現(xiàn)減速時，這里可是要承受高達9.8萬牛頓的力。那么，為何兩大航空巨頭爭相在新機型上采用3D打印樹脂零部件呢？答案的核心是“成本”。以我們自己的試驗件統(tǒng)計來看，3D打印樹脂零部件的裝配，可節(jié)省70%左右的制造成本和周期，單件3D打印部件較傳統(tǒng)部件可減重30%?35%，整體核算下來，每架飛機可節(jié)省上千萬的制造及運營成本。

2020年5月5日，我國成功完成了首次“太空3D打印”，這對于未來中國空間站的建設、長期在軌運行及發(fā)展超大型結構在軌制造，都具有重要意義！未來宇航員可以在失重環(huán)境下自制各類工具、零部件，這將大幅提高空間站實驗的靈活性和維修的及時性，降低空間站對地面補給的依賴性。說到地面補給，2018年，美國SpaceX的無人補給任務耗費約9億元，卻僅僅搭載了2噸物資，而這樣的補給任務平均3?6個月就要進行一次，造成不菲耗費。2019年，SpaceX完成了第18次補給任務，與以往不同的是這次它為空間站送去了一臺3D打印 機。

3D打印技術與我們的生活也是息息相關的。3D打印的手術輔助導板、模型有助于醫(yī)生在術前規(guī)劃手術方案，以提高手術成功率。3D打印技術還可以精準制造術后、骨科等各類康復醫(yī)療器械。3D打印技術在我國和很多西方發(fā)達國家的醫(yī)療應用已經(jīng)非常普遍，然而在我看來，它在一些落后國家和地區(qū)的應用顯得更加耀眼。保加利亞的一位病人接受了聚合物3D打印肋骨植入體，醫(yī)生用3D打印完美地再現(xiàn)了原始肋骨的大小和形狀。中東地區(qū)，因炸彈爆炸而失去四肢的戰(zhàn)爭受害者數(shù)量驚人，當?shù)蒯t(yī)院正在用3D打印假肢為他們提供幫助，這也為他們點燃了生活的希望。3D打印技術能實現(xiàn)低成本、短時效的精準還原！它正在無形中悄然改變著世界，慢慢推動著人類的發(fā)展。

人類探索未來的腳步從未停止過，我們一次次地仰望星空，又一步步地探索科學的真諦，創(chuàng)造出璀璨的文明。幾百年來，“落后就要挨打”的警示深深地刺痛著每一個中華兒女的心，圓明園，就在那里??！今時已不同往日，作為軍工青年我們會肩負起時代的使命，為再造大國利器而擔當奉獻。