新材料在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用及影響分析

姚遠(yuǎn)

摘 要：隨著新技術(shù)的迅速發(fā)展，人們以傳統(tǒng)材料為基礎(chǔ)，開發(fā)出新材料，從而滿足新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，調(diào)整傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。憑借優(yōu)異的性能，新材料被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域。本文從新材料與機(jī)械制造的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀入手，闡述了新材料在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用及其影響，以期將新材料更好地應(yīng)用于機(jī)械制造中。

關(guān)鍵詞：新材料;機(jī)械制造;生產(chǎn)加工

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0054-03

Abstract： With the rapid development of new technologies， people have developed new materials based on traditional materials to meet the development needs of emerging industries and adjust the structure of traditional industries. With excellent performance， new materials are widely used in the field of machinery manufacturing. This paper started with the status quo of new materials and machinery manufacturing， expounded the application and influence of new materials in the field of machinery manufacturing， in order to better apply new materials to machinery manufacturing.

Keywords： new materials;machinery manufacturing;production and processing

新材料是國民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，也是高端制造業(yè)和國防工業(yè)發(fā)展的重要保證。在我國新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，國家給予了大量支持，新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（見圖1）逐年提高，現(xiàn)已初步形成了比較完整的新材料產(chǎn)業(yè)體系。

機(jī)械制造行業(yè)在我國有著悠久的發(fā)展歷史，行業(yè)運(yùn)行規(guī)范。隨著新工藝的探索以及新裝備的不斷涌現(xiàn)，機(jī)械制造行業(yè)正快速汲取高新技術(shù)的營養(yǎng)成分，由傳統(tǒng)的“技術(shù)”產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹夹g(shù)與科學(xué)”并重的新型產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向。

1 新材料在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

我國工業(yè)的迅猛發(fā)展促使社會(huì)各界對(duì)新型機(jī)械設(shè)備的需求不斷增加，對(duì)其產(chǎn)品的性能與質(zhì)量也有了新的要求。新材料的出現(xiàn)極大地拓展了機(jī)械制造的適用范圍，而機(jī)械設(shè)備的更新也使得新材料有了更多的用武之地。

1.1 新型金屬材料在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前，機(jī)械制造行業(yè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)富值中的占比極

高。隨著我國新型金屬材料的開發(fā)，一些選擇傳統(tǒng)鋼材作為機(jī)械配件的機(jī)械制造行業(yè)已經(jīng)逐漸弱化了其在市場(chǎng)中的存在感，而采用新型金屬材料的機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)則在發(fā)展過程中展現(xiàn)出了新的面貌。新型金屬材料具有協(xié)調(diào)性好、強(qiáng)度高等諸多特性，在與傳統(tǒng)金屬材料的對(duì)比過程中顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)[1]。機(jī)械鋼材領(lǐng)域的高端特鋼具有高強(qiáng)度、高韌度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗低溫、壽命長(zhǎng)、低鐵損和高磁感等特征，其品質(zhì)的高低是衡量一個(gè)國家是否能夠成為鋼鐵強(qiáng)國的重要標(biāo)志。其中，高速鋼、精密合金鋼、耐蝕鋼、高溫合金鋼和合金工模鋼等特鋼是機(jī)械、軍工、交通等行業(yè)最主要的需求鋼類，如圖2所示。

除去耗材的應(yīng)用，在零部件的生產(chǎn)中，新型金屬材料也扮演著重要角色。金屬基復(fù)合材料在力學(xué)方面不但強(qiáng)度高，而且韌性與疲勞強(qiáng)度等綜合性能更好，這也就意味著更高的穩(wěn)定性與更長(zhǎng)的使用壽命。以機(jī)械內(nèi)燃機(jī)為例，活塞、活塞環(huán)與缸壁在高溫高壓的狀態(tài)下長(zhǎng)期摩擦，傳統(tǒng)鑄鐵材質(zhì)或鋁合金材質(zhì)的活塞容易發(fā)生磨損、變形、疲勞熱裂的情況，尤其是一些功率較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用增強(qiáng)鋁鎂合金制成的活塞，其耐磨性可比一般金屬提升50%左右，耐熱性也有極大的提高，同時(shí)具有較低的線膨脹系數(shù)。

1.2 新型有機(jī)高分子材料在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

有機(jī)高分子材料也稱高聚合物材料，在機(jī)械制造領(lǐng)域中被主要應(yīng)用于機(jī)械零件制造與機(jī)械結(jié)構(gòu)件制造兩個(gè)方面。根據(jù)聚合物的用途與性能，有機(jī)高分子材料可以分為塑料、纖維、橡膠三個(gè)大類。目前，相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)速度很快，針對(duì)某項(xiàng)具體特性與功能而開發(fā)的新型高分子材料不斷涌現(xiàn)。例如，POM（聚甲醛）是熱塑性結(jié)晶高分子聚合物，具有突出的機(jī)械性能與耐磨性，對(duì)金屬的同比磨耗量比尼龍還小，可以代替銅、鋁等有色金屬用于齒輪、凸輪、軸承、導(dǎo)軌以及多種泵體等機(jī)械結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

除上述內(nèi)容外，一些新型有機(jī)高分子材料在環(huán)保性方面也有突出的表現(xiàn)。機(jī)械制造領(lǐng)域，目前，對(duì)于各行業(yè)使用的塑料高分子材料，世界年產(chǎn)量高達(dá)2億t，它已經(jīng)與鋼鐵等金屬、陶瓷水泥等無機(jī)材料并列，成為不可或缺的三大材料之一。但是，塑料、橡膠、復(fù)合材料等廢舊高分子材料很難老化降解，上百年都難徹底分解[2-3]。而3D打印技術(shù)可以進(jìn)行增材制造，這種技術(shù)正在興起，其所用材料一般具有利用率高、成型快、物理性能好等特點(diǎn)。以PLA（聚乳酸）為例，它是一種新型的完全生物降解材料，使用可再生植物資源所提煉的淀粉原料制成，在使用后可以被自然界的微生物完全降解，轉(zhuǎn)化為無害的水和二氧化碳。

1.3 新型無機(jī)非金屬材料在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

無機(jī)非金屬材料是與金屬材料和有機(jī)高分子材料并列的三大材料之一。新型無機(jī)非金屬材料不同于傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料，具有更為特殊的性能與用途。以新型陶瓷材料為代表，它采用人工合成的高純度無機(jī)化合物作為原料，化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)不同，其擁有的特殊性能也不同，如高硬度、耐磨耗、耐高溫、隔熱、絕緣和磁性等。其中，工程陶瓷可以忍耐1 900 ℃以上的高溫，是軍事、原子能、化工等領(lǐng)域的重要材料;而功能陶瓷具有光、電、磁及部分化學(xué)功能，在儀器儀表、電子通信、精密機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

以新型陶瓷材料為代表的新型無機(jī)非金屬材料在機(jī)械領(lǐng)域中常被用于制造軸承與切削刀具。傳統(tǒng)金屬軸承以油作為潤(rùn)滑介質(zhì)，這就決定了其無法適應(yīng)高溫、高速和有化學(xué)腐蝕的場(chǎng)合。新型陶瓷質(zhì)量遠(yuǎn)低于同體積鋼材的質(zhì)量，這也就意味著能夠減少機(jī)械運(yùn)行時(shí)零件的離心荷載，使零件更好地適應(yīng)高速環(huán)境。同時(shí)，陶瓷摩擦系數(shù)約為鋼材的30%，熱膨脹率約是鋼材的20%，所以機(jī)械運(yùn)行過程中陶瓷零件所產(chǎn)生的熱量較少同時(shí)又能夠適應(yīng)溫度變化很大的環(huán)境。在機(jī)械加工中，刀具的性能是影響切削加工性能、表面質(zhì)量、精度的決定性因素之一。新型陶瓷材質(zhì)刀具具有耐熱性、耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在超硬難材料加工方面比傳統(tǒng)刀具更具優(yōu)勢(shì)。

2 新材料應(yīng)用對(duì)機(jī)械制領(lǐng)域的影響

機(jī)械制造領(lǐng)域，我國經(jīng)歷了引進(jìn)、學(xué)習(xí)、模仿和自主創(chuàng)新的全過程。近年來，我國在機(jī)械制造領(lǐng)域不斷加大投資力度，取得了非常顯著的成果，大量?jī)?yōu)秀人才在機(jī)械領(lǐng)域涌現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)，蓬勃發(fā)展的機(jī)械制造業(yè)為我國經(jīng)濟(jì)與科技的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力保障。與此同時(shí)，越來越多的新材料應(yīng)用出現(xiàn)在人們的日常生活中，新材料行業(yè)已成為投資風(fēng)口，其正在重新定義材料產(chǎn)業(yè)“新版圖”，中國正在“引爆”一場(chǎng)新材料產(chǎn)業(yè)革命[3]。受這樣一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命的影響，機(jī)械制造行業(yè)也呈現(xiàn)出新的態(tài)勢(shì)。

2.1 推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

目前，各大院校和科研單位對(duì)于新型材料的開發(fā)、應(yīng)用都進(jìn)行了多方面的探索，也取得了諸多成績(jī)。新型材料的性能優(yōu)勢(shì)與功能特殊性必然會(huì)催生出全新的產(chǎn)品領(lǐng)域。以稀土新材料為例，永磁材料是稀土應(yīng)用領(lǐng)域最重要的部分，由于優(yōu)異的光、電、磁和催化等物理特性，其被應(yīng)用在新能源汽車、節(jié)能電器等電力能源方面。此類新領(lǐng)域的出現(xiàn)使社會(huì)對(duì)制造業(yè)的需求更大，產(chǎn)品的質(zhì)量要求更高，這也就在客觀上推動(dòng)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。不斷推出新的產(chǎn)品與技術(shù)使機(jī)械制造業(yè)逐步擺脫單純追求速度的發(fā)展階段，尤其是近年來，我國在5G通信技術(shù)、海軍技術(shù)、航空航天技術(shù)等領(lǐng)域快速發(fā)展，需要的零部件也比之前更加精密、更為耐久，這些都促使機(jī)械制造業(yè)主動(dòng)關(guān)注產(chǎn)品的科技附加值，逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展階段。

2.2 刺激機(jī)械制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步

我國擁有龐大的工業(yè)用戶，市場(chǎng)需求不斷變化更新。為了更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)只能不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)技術(shù)。只有充分了解行業(yè)的新技術(shù)、新材料、新動(dòng)態(tài)，才不會(huì)被快速發(fā)展的市場(chǎng)所淘汰。新材料技術(shù)被稱為“發(fā)明之母”和“產(chǎn)業(yè)糧食”，材料的創(chuàng)新能夠賦予機(jī)械制造科學(xué)新的內(nèi)涵，并為其開辟出更廣闊的發(fā)展空間。新材料的迅猛發(fā)展推動(dòng)了機(jī)械制造、航空航天、生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步，在這樣一個(gè)工業(yè)新時(shí)代里，新材料與新技術(shù)理應(yīng)相輔相成，共同發(fā)力，單純地追求速度或數(shù)量顯然已無法滿足整個(gè)市場(chǎng)的需求，技術(shù)引領(lǐng)生產(chǎn)的格局正在機(jī)械制造領(lǐng)域慢慢展開。

2.3 創(chuàng)造機(jī)械制造業(yè)發(fā)展新機(jī)遇

目前，我國幾乎可以生產(chǎn)并正在生產(chǎn)所有的新型材料，但部分在品質(zhì)方面仍與國外存在一定差距，在超前的研發(fā)與實(shí)用性開發(fā)方面仍比較落后，同時(shí)也缺少相關(guān)專利，只能以仿制為主。新材料一直是國際競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，發(fā)達(dá)國家為保證自身科技的領(lǐng)先地位，長(zhǎng)久地占據(jù)國際產(chǎn)品交易市場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)，必然不會(huì)將核心的科技分享給中國[4]。以國外一直對(duì)中國封鎖的超精密加工數(shù)控技術(shù)為例，直到2018年，我國才完全實(shí)現(xiàn)這種發(fā)絲直徑萬分之一的微米級(jí)操作，完成對(duì)世界一流的追趕。但是，人們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，困難即機(jī)遇。西方的技術(shù)封鎖并不可怕，一旦攻克了一批“卡脖子”的技術(shù)難題，完成相應(yīng)的產(chǎn)品創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新，必然會(huì)進(jìn)一步加快科研技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的速度，使新材料、新技術(shù)成為行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的有力支撐[5]。

3 結(jié)語

在當(dāng)前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大趨勢(shì)下，新材料與信息、生物、能源等高技術(shù)領(lǐng)域加速融合，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、生命健康和新能源等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的物質(zhì)基礎(chǔ)支撐。我國已經(jīng)將新材料產(chǎn)業(yè)擺在了一個(gè)十分突出的位置上，新材料、新技術(shù)的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。在欣喜的同時(shí)，人們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到“無材可用、有材不好用、好材不敢用”等問題的存在。因此，人們應(yīng)加強(qiáng)科研實(shí)力，提升新型材料的質(zhì)量，推動(dòng)機(jī)械制造的智能化、高效化、質(zhì)量化發(fā)展，建立可靠的產(chǎn)業(yè)鏈與創(chuàng)新鏈，這樣才能使機(jī)械制造與新技術(shù)、新材料相互融合，從而更好地服務(wù)人類。

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