极端制造基本概念
来源:摘自“IJEM”公众号 浏览次数: 发表日期:2020-04-23
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一、基本概念
      极端制造(Extreme Manufacturing,也称极限制造、超常制造),是指在极端条件或环境下,运用先进制造技术及高端装备,制造极端尺度(极大或极小尺度)、极限精度、极高性能的结构、器件或系统,以及能产生极端物理环境或条件的科学实验装置。
      极端制造的本质特征是尺度效应和环境效应。在极端尺度和极端环境下,材料、构件的物理性能将产生明显的非常规现象,甚至与现有物理学、材料科学和加工制造原理相悖,必须研究相应的新原理、新方法和新技术。极端制造的基本科学问题是研究物质如何通过与能量的复杂、精准的交互作用演变为极端性能产品的科学规律。
      上述极端制造的过程及系统的理论、方法和技术称为极端制造技术科学。

二、重要性

      极端制造是在基础研究重大创新的支撑下,以突破现有制造极限为目标的更高水平制造。极端制造是推动制造装备、制造工艺和相关产业发展最有力、最直接的牵引力和原动力,是制造业未来的重要发展方向。
      极端制造技术已成为高科技领域发展进步的基础和前提。从表面上看,极端制造是产品尺度及环境的极端化,实质上则是集中了多学科多领域的高新科技,具有强的领域带动效应。高性能芯片、空间飞行器、大型火箭、航空母舰、高能量密度物理实验及探测大科学装置等的建造不仅可以锤炼一个国家极端制造及复杂大系统集成制造能力,也必然带动航空航天、动力电子、材料、机械,乃至燃料工业的技术进步。
      任何制造技术的突破源于基础研究,极端制造的关键技术突破同样依赖于极端制造科学的基础研究。

三、极端制造需要探索全新的理论、方法和技术

      现有的材料科学理论、物理学原理及加工成形理论,只适用于一定的条件和环境。在极端尺度和极端环境下,加工制造对象的材料、构件的物理性能将产生明显的非常规变化,有的甚至与现有物理学、材料科学和加工成形原理相悖。
      例如,燕山大学田永君等在高温高压下成形了硬度比金刚石高2倍的超硬材料件;哈尔滨工业大学苑世剑等通过实验发现铝合金在摄氏零下180度成型加工时其延伸率和硬度产生了明显变化;科学家还发现,微流管道的直径减小至一定尺度后,由于表面张力的作用明显增强,伯努利方程不再适用。科学家预测,当芯片线宽达到极限后(5纳米以内),摩尔定律将不再适用,将产生颠覆性理论和定律。
      随着超大规模集成电路、现代深空/深海探测、重型火箭、远程精确制导、高超声速巡航飞行器等领域需求的迅速发展,面临着包括环境效应和尺度效应等在内的材料、工艺、设计、技术和装备前所未有的一系列关键科学技术难题。以前的常规制造的原理、方法和技术在极端尺度(极大或极小)或极端环境下,有的将不再适用,必须探索研究崭新的、甚至是颠覆性理论、方法和技术。

四、极端制造的关键科学问题

      极端制造的尺度效应和环境效应的本质特征为制造科学带来了巨大挑战,必须深入挖掘、提炼和解决极端制造工程中关键科学问题,才能突破和创新关键技术,为极端尺度、极高性能的装备提供新的理论、方法和技术。其中的关键科学问题如下:
      超强能场诱导下多尺度效应,超强加工能场与被加工系统之间能量的传递与转化。例如超大型构件制造、芯片高密度倒装界面的能量传递与转化。极速、极压、极温环境下物理系统的耦合动力学行为及极端环境综合效应。
      微纳极限尺度制造的尺度效应,微纳结构的超精密成形及性能的演变机制,包括微纳生长、微纳成形、微纳去除等制造界面的能量与物质传输机制,微纳制造精度检测及评价。微纳系统的组装与功能形成,包括微纳驱动、微纳操纵、微纳连接、微纳装配等过程中量子力学、分子动力学机理。微纳系统的运行动力学行为及服役规律、微纳构件的特殊物理特性、载荷作用下的微观力学行为等。
      极端制造环境效应,极端制造环境下极端尺度加工成形制造的多场耦合、随机扰动与过程稳定规律。极端环境对材料组织演变、零件形性的极端环境效应;极端尺度系统在服役过程及整个生命周期的功能性能演化规律。极端环境的制造物理量极值的检测及评价。

五、极端制造主要研究领域及内容

(一) 极大尺度制造

      大型装备主体结构整体化是实现装备高功能的重要技术因素,但已有制造技术使大型结构的各部分性能差异可高达30~50%,装备服役存在巨大安全风险。以重型运载火箭制造为例:我国十三五期间将开始研制运载能力达100吨级的重型运载火箭,火箭外径为10米级、总长100米级,径厚比高达1000,形成整体高柔性和局部高刚性的复杂结构,使制造与服役中传力路径与形变状态具有强不确定性,结构演变、性能与残余应力也随之呈现随机性;同时还需要服役于极低温度环境(液氢贮箱-252℃、液氧贮箱-183℃)。这类综合高性能超大型构件的制造难度极大,除形状精度难以保证外,还极易产生局部性能弱化和局部形状变异而导致失效。面对这类超大薄壁构件的精密制造,原有常规制造所需的金属和复合材料构件流变科学、相变均匀性理论,以及精度与性能精准技术等不再适用,急需通过极端制造进行原创突破,提出新的理论及技术。
 
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图1  [1]                                                          图2  [2]
 
(二) 极小尺度制造

      微电子、光电子器件由微、纳尺度结构承载与传递信息流,其亚纳米级制造精度极大地影响传输品质,提高极小尺度结构制造品质是信息保真传输的基础和突破口。超大规模集成电路芯片线宽已接近3-5纳米的制造极限,原子、量子制造技术的突破已迫在眉睫。光子集成器件将激光器、调制器、光栅等集成制造在同一芯片上,是应对未来通信速率(>10Gbps)与容量爆炸式增长的必由途径。其极端制造必须解决晶格不匹配导致光功能丧失、晶格匹配制造对器件结构功能的影响、纳米光路异质接口制造与光折射率关联关系等关键科学问题。
 
 
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图3  [3]                                                                  图4  [4] 
 
(三) 超精密制造

      超精密光学元件不断挑战制造精度的新极限。例如,强光光学元件服役于极高功率(10万瓦级)激光辐照环境,是激光武器和惯性约束聚变装置等强光系统的关键。强光光学元件表面为复杂高次曲面,需要纳米级面形精度和亚纳米级粗糙度和近无缺陷表面。例如惯性约束装置中楔形透镜的形位误差<10″,面形精度优于20nmRMS,表面粗糙度优于0.5nmRa。针对此类超高精度复杂曲面的极端制造,现有的纳米级精度的低应力制造、低缺陷研抛机理可能不再适用,需要探索极高精度、近零缺陷复杂曲面制造新原理及关键技术。
 
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图5  [5]                                                     图6  [6] 
 
(四) 极高服役性能的制造

      对产品服役功能的极度高要求,需要综合多学科知识创造全新功能产品。以高超声速巡航飞行器为例:其速度高达8~10马赫,高速飞行时剧烈的气动致热使其界面急剧升温,需要用能承受极高温(高达2300℃)的热防护构件为飞行器主体结构,采用热电转换、微通道传热等新原理与新技术是其重要途径。极高温度、超高速运行环境下飞行器的高性能热电转换结构、蜂窝结构与微通道结构的流体传输、散热设计、精确成形、界面连接等极端制造科学技术均属国内外空白。
 
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图7  [7]                                                         图8  [8]
 
(五) 产生极端物理条件重大装置的制造

      未来的科学技术必将在各种高能量密度环境、物质的深微尺度、各类复杂巨系统中不断有新发现、新发明,极端物理条件产生装置的制造逐渐成为未来科学技术发展的瓶颈。如以X射线自由激光为基础的新一代光源,与传统光源相比功率将由100MW提升到10GW。目前,美国、欧洲等发达国家和地区都在积极建设和规划不同性能级别的实验装置,光子能量都已达到或超过25KeV、重复频率将突破MHz并接近GHz,而且完全具有相干性。在新一代光源系统中,大尺寸X射线反射镜、高能量负载纳米衍射元件、高纯金刚石单晶折射元件和能谱诊断元件等关键元件的设计制造以及超高精度、高光子能量光学检测和X射线波前检测技术等都是尚未取得实质性突破的挑战性制造科学难题。
 
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图9  [9]                                 
                                    图10  [10]
 



【1】图片来源:蝌蚪五线谱
【2】图片来源:长征七号百度图片
【3】图片来源:超大规模集成电路百度图片
【4】图片来源:光学笔记
【5】图片来源:惯性约束聚变百度图片
【6】图片来源:中国科学院上海光学精密机械研究所
【7】【8】图片来源:Newton-科学世界的博客
【9】【10】图片来源:中国激光公众号
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