Os segredos do “trabalho leve” da indústria moderna

Como diz o ditado, "As artes marciais do mundo são apenas rápidas e inquebráveis." Nos romances de artes marciais representados por Jin Yong, se você quer se tornar um herói e seguir o caminho de perseguir mais rápido e mais forte, praticar Qinggong parece ser uma parte indispensável.

Depois que o herói na pena do autor adquiriu Qinggong, seu corpo é leve como uma andorinha, e não há problema em voar sobre os beirais e subir a montanha e descer o mar. E muitas vezes o nível de gong de luz pode apenas refletir a profundidade de seu gong.

Voltando ao mundo real que enfatiza a lógica e a ciência, em muitos casos, para perseguir mais rápido e mais forte, "Qinggong" não é apenas um curso obrigatório, mas quanto mais leve você fizer, mais profundas serão suas conquistas.

Por muito tempo, o setor aeroespacial tem sido o principal líder e impulsionador do desenvolvimento de novos materiais e novos processos.A realização de materiais leves de alto desempenho também é a força motriz para os cientistas desenvolverem novos materiais. Os segredos de fazer os humanos correrem mais rápido, fazer carros esportivos atingirem velocidades extremas mais rápido e fazer aeronaves durarem cada vez mais são naturalmente inseparáveis ​​de materiais leves e de alta resistência.

Com a inovação contínua dos seres humanos no campo de materiais leves e de alta resistência, materiais leves e de alta resistência também começaram a mudar do campo aeroespacial para o campo civil, e produtos relacionados entraram nas casas das pessoas comuns. Em seguida, vamos dar uma olhada em três materiais leves e de alta energia relativamente comuns.

Fibra de carbono: sinônimo de leveza e alto desempenho

Acredito que muitas pessoas sabem que foi Edison quem acendeu a primeira luz elétrica prática para a humanidade. Mas pouco conhecido é que os filamentos das primeiras lâmpadas incandescentes eram feitos de filamentos de bambu carbonizados, que são considerados os primeiros materiais de "fibra de carbono".

Após várias melhorias, Edison produziu uma lâmpada de filamento de bambu carbonizado em 1880 que durou 1.200 horas. Filamentos de carboneto não foram substituídos por filamentos de tungstênio até o início do século 20.

Como o filamento de bambu carbonizado não é mais um material ideal para a fabricação de filamentos, e suas propriedades mecânicas são baixas e difíceis de aplicar na industrialização da época, esse material de fibra de carbono mais antigo foi deixado de lado.

Como diz o ditado, “nasci com materiais que devem ser úteis.” A fibra de carbono, que foi negligenciada por muitos anos, foi finalmente reconhecida por seu valor e foi a primeira preferida pelos cientistas aeroespaciais.

No contexto da era da "corrida espacial" na década de 1950, os cientistas precisavam urgentemente de um novo tipo de material com alta resistência específica, alto módulo específico e resistência a altas temperaturas para construir veículos espaciais.

Para cada quilograma de peso da espaçonave, a carga do veículo lançador pode ser reduzida em 500 kg, e o aumento é a taxa de sucesso da missão espacial.

Como resultado, a Base Aérea de Wright-Patterson nos Estados Unidos produziu com sucesso um material composto de fibra de carbono usando fibra de viscose como matéria-prima e o usou como material de ablação para bicos de foguetes e cones de nariz. A fibra de carbono atendeu às expectativas e alcançou bons resultados, que podem não apenas atender à alta resistência à ablação de alta temperatura, mas também atingir o objetivo de naves espaciais leves.

Após anos de desenvolvimento e iteração, mais de 90% dos materiais compostos de fibra de carbono no mercado são principalmente fibras de carbono à base de PAN.

Seu método de produção utiliza principalmente fibras orgânicas contendo carbono (como fios de nylon, fios acrílicos, rayon, etc.) como matérias-primas e combina fibras orgânicas com resinas plásticas para carbonizar, obtendo assim materiais compósitos de fibra de carbono. No entanto, o processo de produção tem altos requisitos de matérias-primas, processos e consumo de energia, razão pela qual o custo de produção de materiais de fibra de carbono permanece alto.

O material compósito de fibra de carbono tem duas características de forte resistência à tração e fibra macia e pode ser processado. Como um novo material com excelentes propriedades mecânicas, é um material estratégico importante para a indústria aeroespacial e militar.

As asas do caça J-20 de quinta geração do meu país são feitas de materiais compostos de fibra de carbono à base de resina. O diâmetro da fibra de carbono é de apenas 5 mícrons, o que equivale a dez a um décimo segundo de um fio de cabelo, mas a força é em liga de alumínio 4. vezes mais. Usando-o para fazer asas, você pode facilmente obter mais de 30% de redução de peso em troca de maior capacidade de manobra e maior vida útil da bateria.

Às 12h13 de 7 de dezembro de 2021, o foguete transportador Ceres-1 (Yao-2) foi lançado com sucesso do Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan, enviando com sucesso cinco satélites comerciais para uma órbita síncrona do sol de 500 km. Seu exclusivo invólucro exterior preto foi atualizado de materiais metálicos para materiais compostos de fibra de carbono, a flecha completa do foguete foi reduzida em 1310 kg e a capacidade de carga do satélite foi aumentada em 100 vezes.

À medida que a tecnologia amadureceu, os materiais de fibra de carbono também começaram a surgir em produtos de consumo.

Em 2013, a BMW produziu em massa o modelo elétrico puro i3. Seu compartimento de passageiros foi feito de material composto de fibra de carbono CFRP ultraleve e de alta resistência. Este foi o primeiro modelo produzido em massa com corpo de fibra de carbono.

Comparado com outros materiais metálicos comumente usados, a resistência do material de fibra de carbono CFRP desenvolvido pela BMW é 10 vezes maior que os materiais de aço comuns. A estrutura da cabine de fibra de carbono integrada não apenas torna a cabine da tripulação do i3 mais rígida, mas também permite que o i3 obtenha facilmente o design da porta.

Por outro lado, o peso do material de fibra de carbono CFRP é metade do peso do aço do mesmo volume. A leveza da carroceria pode compensar bem o peso da bateria e do motor embutido no chassi. Reduzindo o peso do carro também significa melhorar a vida útil da bateria elétrica pura de todo o veículo.

Embora seja raro que todo o corpo em branco seja feito de materiais compostos de fibra de carbono como o BMW i3, mas contando com as características leves, os materiais de fibra de carbono geralmente aparecem em carros de desempenho e superesportivos, reduzindo o peso do carro. carro.Pode otimizar o duto de ar. Com o tempo, a fibra de carbono tornou-se gradualmente sinônimo de leveza e alto desempenho.

Vale ressaltar que devido ao processo complexo e alto custo, o uso de materiais reais de fibra de carbono é um produto caro com um posicionamento muito alto. Existem muitos objetos no dia a dia, embora pareça um padrão de tecelagem clássico com fibra de carbono, pode ser apenas um adesivo com um padrão de fibra de carbono.

Fibra de aramida: chamada de fibra "all-round"

Comparado com a fibra de carbono, um material leve e mais comum em nossa vida diária é, na verdade, a fibra de aramida. É só que a aparência de tecelagem da fibra de aramida é muito semelhante à textura de tecelagem da fibra de carbono, então as pessoas muitas vezes as confundem.

A fibra de aramida está entre as três principais fibras de alta tecnologia do mundo (fibra de carbono, fibra de aramida, fibra de polietileno de alta resistência e alto módulo), sua resistência é 5-6 vezes maior que o aço de alta qualidade, seu módulo é 2-3 vezes a do aço ou fibra de vidro, e sua tenacidade é 2 vezes o peso do aço, mas apenas 1/5 do peso do aço. Possui excelentes propriedades, como alta resistência, boa tenacidade, peso leve, resistência a altas temperaturas, resistência a baixas temperaturas, resistência à corrosão, resistência ao desgaste, etc., por isso também é chamado de "fibra completa".

Como uma das fibras de aramida mais conhecidas, a aramida 1414 chamada "Kevlar" foi inventada pela química polonesa-americana Stephanie Kwolek enquanto trabalhava na DuPont.

Sua equipe queria criar uma nova fibra leve e forte para pneus, mas acidentalmente sintetizou uma solução leitosa única, de textura leve e no processo. Esta solução permite que as fibras obtenham resistência e rigidez ultra-altas, o que levou ao nascimento dos produtos de fibra de Kevlar.

As fibras de aramida logo foram usadas no campo aeroespacial. O traje espacial da Apollo para o pouso na lua tem um total de 21 camadas de tecidos, e o produto de fibra de aramida da DuPont Kevlar Kevlar é usado na camada restritiva do traje espacial, proporcionando ao traje espacial alta resistência e flexibilidade.

A fibra de aramida, que possui resistência ao desgaste, resistência à corrosão e retardamento de chama, tornou-se gradualmente um dos principais materiais de produção de produtos como coletes à prova de balas, aeronaves aeroespaciais, eletromecânica, construção, automóveis de alta qualidade e artigos esportivos.

Como representante do novo material de "alta precisão", a fibra de aramida é considerada pelo mundo como um marco importante no desenvolvimento da ciência dos materiais, e sempre foi considerada um material militar e de defesa nacional muito importante. Nas décadas desde a sua introdução, a fibra de aramida passou pela transição de materiais estratégicos militares para materiais civis. Com o declínio contínuo dos custos de fabricação, as fibras de aramida são frequentemente vistas ativas na indústria de eletrônicos de consumo.

Por exemplo, nossos smartphones comumente usados ​​são uma aplicação importante de fibras de aramida.

Em busca de uma sensação melhor, os fabricantes de telefones celulares nunca pararam de explorar materiais e processos estruturais. Assim, ao longo dos anos, policarbonato, vidro, metal, madeira, nylon e outros materiais têm sido usados ​​em telefones celulares.

Mas para mim, é a fina camada de material de fibra de aramida na parte traseira do Motorola RAZR (XT910) que eu nunca esqueço.

Uma camada de fibra de aramida tão fina quanto 0,3 mm não apenas alcança o corpo ultrafino e resistente do RAZR 7,1 mm, mas também fornece um toque superior exclusivo e resistente ao desgaste.

Infelizmente, limitados por fatores como custo, tecnologia e sinal, há cada vez menos modelos produzidos em massa que usam diretamente fibra de aramida como material principal na parte traseira do telefone.

Mas felizmente, se você não esquecer, haverá ecos. PITAKA, uma nova marca de consumo de tecnologia dura com sede em Shenzhen, China e considerada por inúmeros toners como um "teto de Kevlar", começou a usar fibras de aramida para fazer capas de telefone em 2015 e, em seguida, gradualmente usou materiais de fibra de aramida Vá fazer mais produtos como o iPad capas, capas de telefone Galaxy, capas de relógio da Apple, docas de carregamento, bancos de energia e muito mais. Parece constituir todo um conjunto de ecologia de produtos feitos de fibra de aramida como material principal.

O que é raro é que, enquanto expande a aplicação de materiais de fibra de aramida, a PITAKA também está constantemente explorando a tecnologia de novos materiais, trazendo aos usuários escolhas mais personalizadas.

Na era da série iPhone 13 em 2021, a PITAKA criou sua assinatura "processo flutuante" de fibra de aramida. A cor e a textura tradicionais da tecelagem de fibra de aramida são relativamente únicas, geralmente há apenas uma cor ou textura no mesmo tecido, como a sarja preta e cinza mais comum.

A PITAKA foi pioneira na combinação da tecnologia de tecelagem tradicional chinesa e materiais de fibra de aramida de alta tecnologia. Ao ajustar a ordem alternada de tecelagem radial e de trama de fibras de aramida de diferentes cores primárias, dois ou mais métodos de tecelagem diferentes podem ser tecidos na mesma tecelagem. máquina de pano é apresentada no mesmo pedaço de pano de fibra de aramida, de modo a obter o efeito de dois ou mais padrões de tecelagem diferentes, arranjo tridimensional e multicolorido no mesmo lado do tecido.

Na experiência real, a casca protetora do processo de tecelagem em relevo realiza o padrão de cor em relevo na superfície da casca preta e cinza, que não apenas percebe a melhoria da visão, mas também através do toque da polpa do dedo, o usuário pode até sentir os ligeiros altos e baixos da fibra. , sensação única de côncavo e convexo. Esta é também a sensação delicada e tridimensional que é difícil de imitar com os padrões impressos usuais.

Além das inovações nas técnicas de tecelagem, a PITAKA também introduziu as fibras de aramida 600D, que são mais caras e cada vez mais finas. Comparado com o estilo 1500D anterior, a fibra de aramida 600D mais fina e mais fina tem maior custo de matéria-prima e dificuldade de processamento, e em troca de uma experiência de usuário mais delicada e fina. Apenas 0,95 mm de espessura ultrafina e 17,3 g de peso leve. Simplificando, a casca também é leve e parece mais delicada.

Como material de polímero, a fibra de aramida tem sua própria alta resistência e peso leve, que pode não apenas proteger o celular contra arranhões, mas também não aumentará significativamente a espessura e o peso do celular e bloqueará os sinais. Deste ponto de vista, a fibra de aramida é de fato um material ideal para fazer capas de telefone finas e leves. Entende-se que, como marca líder no setor, a PITAKA tem realizado a reciclagem e o reaproveitamento de materiais através do desenvolvimento de novas resinas ecologicamente corretas, abrindo perspectivas mais amplas para a aplicação sustentável desse material.

Liga de titânio: a escolha Ultra Ultra da Apple

A descoberta do titânio começou em 1791 e recebeu o nome dos Titãs na mitologia grega. A palavra Titanium agora não significa apenas titânio, mas também aparece frequentemente como um adjetivo para "indestrutível", e também foi estendida para um significado referencial de nível superior.

Por exemplo, a Ford usará Titanium como o identificador do modelo top, e a Nvidia sempre usou Ti como sufixo para modelos de placas gráficas de alto desempenho.

Em 1948, a DuPont nos Estados Unidos usou o método do magnésio para produzir toneladas de esponja de titânio – isso marcou o início da produção industrial de esponja de titânio, ou seja, titânio.

O titânio é um metal leve e duro. É amplamente utilizado na indústria nuclear, química e petroquímica, aeroespacial, artigos esportivos, odontologia e medicina devido à sua alta resistência específica, boa resistência à corrosão e alta resistência ao calor. reparos, etc. Os materiais de liga de titânio também foram selecionados como o melhor material para substituir ou reparar tecidos duros com falha (aplicações biomédicas estruturais).

Comparado com os dois materiais compostos de fibra de carbono e fibra de aramida, a liga de titânio é o principal material metálico para a fabricação de naves espaciais, por isso é frequentemente chamado de "metal espacial" pelos astronautas.

Graças às suas muitas vantagens, o titânio também começou a ser preferido pelos fabricantes de relógios tradicionais, porque o titânio pode reduzir significativamente o peso da caixa, garantindo a aparência de textura e não é fácil de usar.

A Apple também tem um fraquinho por titânio. Antes do Apple Watch introduzir o titânio, o cartão físico da empresa de cartões de crédito Apple Card lançado pela Apple em 2019 era um cartão de titânio.

Em 2020, a Apple preparou uma versão Edition da caixa de titânio para o Apple Watch Series 6. Este material e a versão high-end são naturalmente herdados pelo sucessor, o Apple Watch Series 7 series.

Além da já mencionada maior dureza, peso mais leve e maior resistência à corrosão, a razão pela qual o titânio é mais favorecido pela Apple é sua melhor biocompatibilidade.

A equipe do Apple Apple Watch compartilhou uma pequena história de desenvolvimento com Ai Faner:

No momento da produção experimental do Apple Watch de aço inoxidável, a Apple distribuiu esses produtos para alguns funcionários experimentarem. Mas a Apple logo descobriu que um número considerável de funcionários desenvolveu alergias depois de experimentá-los. Após a pesquisa, a Apple descobriu que na verdade foi causado pelo elemento níquel no aço inoxidável. Então a Apple teve que reajustar as proporções dos elementos metálicos na caixa de aço inoxidável.

Embora após o reajuste, a chance de alergias seja muito baixa, mas ainda existem alguns usuários com pele mais sensível que serão "acometidos".

O estojo de titânio com melhor biocompatibilidade passa a ser mais amigável à pele do usuário e não é fácil causar sensibilidade.

E este ano, a Apple não apenas atualizou o Apple Watch Series 8, mas também preparou um Apple Watch Ultra de nível profissional para entusiastas de esportes radicais ao ar livre. O relógio Ultra, que também está equipado com uma caixa de titânio, adquire naturalmente as características de resistência à queda e construção.

De acordo com um colega que usou o Apple Watch Ultra por quatro dias e três noites em atividades de caminhada em terra de ninguém, embora tenha caído acidentalmente em uma estrada lamacenta no primeiro dia da caminhada, o que despertou a detecção de queda do relógio, o relógio As bordas do corpo também foram cobertas com uma camada de lama. Após um breve enxágue em água, não havia mais lodo nos orifícios em ambos os lados do relógio. Da tela para o lado, o relógio ainda parecia novo e impecável.

Por outro lado, também foi relatado recentemente que a Apple usará ligas de titânio como armações de metal na série iPhone 15. O uso de titânio pode tornar o iPhone mais leve, além de melhorar a durabilidade e a resistência a arranhões do iPhone, em comparação com o aço inoxidável usado nos modelos Pro atuais.

Agora que o Apple Watch Ultra tem uma caixa de titânio. De acordo com a estratégia de posicionamento de produtos da Apple e esse boato, o corpo de liga de titânio também pode se tornar a vantagem da série "Ultra".

O rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia tem promovido a inovação contínua de materiais, e novos materiais e tecnologias de processo muitas vezes trazem inovação e avanços.

Na história do desenvolvimento da ciência dos materiais há mais de 100 anos, cada geração é baseada no conhecimento dos antecessores e, em seguida, aprofunda a pesquisa e a aplicação. À medida que a compreensão da ciência dos materiais pela humanidade continua a se aprofundar, o potencial de aplicações para melhorar a vida humana é quase ilimitado.

É previsível que os materiais leves e de alta resistência existentes continuem a evoluir e, à medida que a tecnologia amadurece, esses materiais leves e de alta resistência também cobrirão cada vez mais bens de consumo e entrarão em milhares de lares.

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