把覆蓋智能手機(jī)顯示屏表面的保護(hù)玻璃換成塑料(樹(shù)脂)，制造更輕的智能手機(jī)；把汽車的車窗玻璃、齒輪和軸承等使用的鋁合金也換成樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)輕量化，從而延長(zhǎng)純電動(dòng)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(jī)械)

如今，有助于發(fā)掘新材料、促進(jìn)上各種設(shè)備和部件進(jìn)化的制造技術(shù)朝著實(shí)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(shí)，混合不同材料的“高剪切成型加工技術(shù)”。采用這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同聚合物材料的納米級(jí)混合，使填料均勻、各向同性分布。這種新型樹(shù)脂復(fù)合材料有可能具備前所未有的全新特點(diǎn)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(diǎn)的新型復(fù)合材料。其應(yīng)用范圍廣泛，包括智能手機(jī)、汽車、可穿戴部件、太陽(yáng)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(xiàng)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(kāi)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(jī)的輕量化。這項(xiàng)加工技術(shù)有助于開(kāi)發(fā)出可替換光學(xué)鏡頭玻璃的透明樹(shù)脂，還可用于開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的電極材料以及染料敏化型太陽(yáng)能電池的對(duì)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(jī)材料能取而代之，不僅可以穩(wěn)定電極材料的采購(gòu)，還能降低成本。

既透明又結(jié)實(shí)的樹(shù)脂是怎樣制作出來(lái)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(jī)保護(hù)玻璃和汽車車窗玻璃的透明樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)為例進(jìn)行介紹。

作為此類透明樹(shù)脂的候選，聚碳酸酯(PC)和PMMA(聚甲基異丁烯酸，俗稱有機(jī)玻璃)一直是討論的焦點(diǎn)。不過(guò)，聚碳酸酯雖然耐沖擊性強(qiáng)、不易受損，但缺乏硬度，而PMMA雖然堅(jiān)硬，但容易受損。因此，從很早以前，研發(fā)人員就開(kāi)始開(kāi)發(fā)聚碳酸酯與PMMA的復(fù)合材料。方法之一是對(duì)聚碳酸酯和PMMA進(jìn)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(huì)產(chǎn)生曲翹。

于是，人們又開(kāi)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(shù)脂并不透明，而是白濁狀，無(wú)法替代玻璃。呈現(xiàn)白濁是因?yàn)榉稚⑾嗟念w粒過(guò)大，達(dá)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(zhǎng)的10nm到幾十nm，光線就能穿透，樹(shù)脂也就會(huì)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(shí)進(jìn)行混合，分散相可以縮小到幾十nm以下。

這項(xiàng)加工技術(shù)還可以用來(lái)在聚合物中均勻地、各項(xiàng)同性地加入碳纖維等填料，提高材料的機(jī)械強(qiáng)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(shù)脂和具備導(dǎo)電性的橡膠等。而且，對(duì)于前面所講的用來(lái)替代玻璃的透明樹(shù)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(jī)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(jìn)了一大步，要?dú)w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(jī)的面世。東芝機(jī)械與研發(fā)型風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)HSP Technologies合作開(kāi)發(fā)了這種加工機(jī)的試制機(jī)(圖2)。

圖2：開(kāi)發(fā)連續(xù)式高剪切成型加工機(jī)

東芝機(jī)械與HSP Technologies合作開(kāi)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(jī)的試制品。東芝機(jī)械在2014年5月22～24日的內(nèi)部展覽會(huì)上展示了這臺(tái)試制機(jī)(a)。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理，試制機(jī)采用了全新開(kāi)發(fā)的螺桿(b)。((a)攝影：東芝機(jī)械提供，(b)圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)該公司資料制作)

過(guò)去的高剪切成型加工機(jī)是間歇地吐出加工好的復(fù)合材料，無(wú)法連續(xù)處理。因此，單位時(shí)間的處理量非常少，只停留在研究用途。而此次兩公司開(kāi)發(fā)出的連續(xù)式加工機(jī)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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