把覆蓋智能手機顯示屏表面的保護玻璃換成塑料(樹脂)，制造更輕的智能手機；把汽車的車窗玻璃、齒輪和軸承等使用的鋁合金也換成樹脂，實現(xiàn)輕量化，從而延長純電動汽車和燃料電池車的續(xù)航距離、提高汽油車的燃效；使橡膠具備導(dǎo)電性，作為可穿戴部件的可伸縮電極材料，等等。

制造出透明的PC/PMMA復(fù)合材料(攝影：東芝機械)

如今，有助于發(fā)掘新材料、促進上各種設(shè)備和部件進化的制造技術(shù)朝著實用化邁出了一大步。這種制造技術(shù)就是在施加剪切應(yīng)力和壓力等外力的同時，混合不同材料的“高剪切成型加工技術(shù)”。采用這項技術(shù)可以實現(xiàn)不同聚合物材料的納米級混合，使填料均勻、各向同性分布。這種新型樹脂復(fù)合材料有可能具備前所未有的全新特點和功能(表1，圖1)。

表1：應(yīng)用廣泛

利用高剪切成型加工可以制造出具有前所未有的全新特點的新型復(fù)合材料。其應(yīng)用范圍廣泛，包括智能手機、汽車、可穿戴部件、太陽能電池等。標(biāo)紅的部分與電子領(lǐng)域關(guān)系密切。

圖1：利用高剪切成型加工制造出新型復(fù)合材料

高剪切成型加工能夠使混合的聚合物的顆?？s小到10nm到幾十nm，使填料(添加物)均勻、各項同性分散，防止凝聚。從而制造出全新的復(fù)合材料。(圖：HSP Technologies)

高剪切成型加工技術(shù)的應(yīng)用范圍極其廣泛，并不僅限于開篇介紹的那些用途。其中，與電子領(lǐng)域關(guān)系密切的是數(shù)碼相機的輕量化。這項加工技術(shù)有助于開發(fā)出可替換光學(xué)鏡頭玻璃的透明樹脂，還可用于開發(fā)太陽能電池的電極材料以及染料敏化型太陽能電池的對極材料。鉑(Pt)是現(xiàn)在被普遍看好的一種電極材料，如果有機材料能取而代之，不僅可以穩(wěn)定電極材料的采購，還能降低成本。

既透明又結(jié)實的樹脂是怎樣制作出來的？

關(guān)于高剪切成型加工技術(shù)在發(fā)掘新材料方面的效果，下面就以替代智能手機保護玻璃和汽車車窗玻璃的透明樹脂的開發(fā)為例進行介紹。

作為此類透明樹脂的候選，聚碳酸酯(PC)和PMMA(聚甲基異丁烯酸，俗稱有機玻璃)一直是討論的焦點。不過，聚碳酸酯雖然耐沖擊性強、不易受損，但缺乏硬度，而PMMA雖然堅硬，但容易受損。因此，從很早以前，研發(fā)人員就開始開發(fā)聚碳酸酯與PMMA的復(fù)合材料。方法之一是對聚碳酸酯和PMMA進行沉積。但是，由于這兩種材料的膨脹率等性質(zhì)不同，因此復(fù)合材料會產(chǎn)生曲翹。

于是，人們又開始研究將聚碳酸酯和PMMA混合的方法。如果只是單純混合，制造出的復(fù)合樹脂并不透明，而是白濁狀，無法替代玻璃。呈現(xiàn)白濁是因為分散相的顆粒過大，達到了幾μm到十幾μm，光線在界面發(fā)生了散射。如果能使分散相的顆?？s小到小于光線波長的10nm到幾十nm，光線就能穿透，樹脂也就會變得透明。而利用高剪切成型加工技術(shù)，在施加剪切應(yīng)力和壓力等外力的同時進行混合，分散相可以縮小到幾十nm以下。

這項加工技術(shù)還可以用來在聚合物中均勻地、各項同性地加入碳纖維等填料，提高材料的機械強度，或是使材料具備導(dǎo)電性，從而制造出能夠替代鋁的輕量樹脂和具備導(dǎo)電性的橡膠等。而且，對于前面所講的用來替代玻璃的透明樹脂，均勻加入添加劑也可以改善其耐久性和透明性。

可使用連續(xù)式加工機量產(chǎn)

此次，高剪切成型加工技術(shù)之所以成功向?qū)嵱没~進了一大步，要歸功于能大幅提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率的連續(xù)式加工機的面世。東芝機械與研發(fā)型風(fēng)險企業(yè)HSP Technologies合作開發(fā)了這種加工機的試制機(圖2)。

圖2：開發(fā)連續(xù)式高剪切成型加工機

東芝機械與HSP Technologies合作開發(fā)出了適合大量生產(chǎn)復(fù)合材料的連續(xù)式高剪切成型加工機的試制品。東芝機械在2014年5月22～24日的內(nèi)部展覽會上展示了這臺試制機(a)。為實現(xiàn)連續(xù)處理，試制機采用了全新開發(fā)的螺桿(b)。((a)攝影：東芝機械提供，(b)圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)該公司資料制作)

過去的高剪切成型加工機是間歇地吐出加工好的復(fù)合材料，無法連續(xù)處理。因此，單位時間的處理量非常少，只停留在研究用途。而此次兩公司開發(fā)出的連續(xù)式加工機采用了新的裝置結(jié)構(gòu)，采用了全新的高剪切混合用螺桿，能夠連續(xù)吐出加工好的復(fù)合材料。不僅處理量明顯增加，復(fù)合材料的特性也更加穩(wěn)定。

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