As trapaças do “trabalho leve” da indústria moderna

Como diz o ditado, "a única coisa que não pode ser quebrada no mundo é a velocidade", nas novelas de artes marciais representadas por Jin Yong, se você quer se tornar um herói, deve praticar a leveza do kung fu como parte indispensável quando você está no caminho de perseguir mais rápido e mais forte.

Depois que o herói na escrita do autor tem leveza kung fu, ele é leve como uma andorinha, e é fácil voar sobre beirais e paredes, subir montanhas e descer mares. E muitas vezes o nível de leveza do kung fu pode apenas refletir a profundidade do kung fu de alguém.

Voltando ao mundo real que enfatiza a lógica e a ciência, em muitos casos, a fim de perseguir mais rápido e mais forte, o "trabalho leve" não é apenas um curso obrigatório, mas também quanto mais leve, mais profundo a conquista pode ser refletida .

Por muito tempo, o setor aeroespacial tem sido o principal campo que lidera o desenvolvimento de novos materiais e novos processos, e a realização de materiais leves de alto desempenho também é a fonte de energia para os cientistas desenvolverem novos materiais. O truque para fazer os humanos correrem mais rápido, fazer os carros esportivos atingirem a velocidade máxima mais rapidamente e fazer as aeronaves durarem cada vez mais é naturalmente inseparável de materiais leves e de alta resistência.

Com a inovação contínua dos seres humanos no campo de materiais leves e de alta resistência, os materiais leves e de alta resistência também começaram a ser transferidos 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 de alta energia relativamente comuns.

Fibra de Carbono: Sinônimo de Leveza e Alta Performance

Acredito que muitas pessoas saibam que foi Edison quem acendeu a primeira luz elétrica prática para a humanidade. Mas o que pouca gente sabe é que o filamento da primeira lâmpada incandescente era feito de arame de bambu carbonizado, considerado o material mais antigo da "fibra de carbono".

Depois de muitas melhorias, Edison produziu uma lâmpada de filamento de bambu carbonizado em 1880 que poderia durar 1.200 horas. No início do século 20, os filamentos carbonizados foram substituídos por filamentos de tungstênio.

Como o filamento de bambu carbonizado não era mais um material ideal para a fabricação de filamentos, e suas propriedades mecânicas eram muito baixas e era difícil de aplicar à industrialização na época, esse material mais antigo de fibra de carbono foi deixado de lado e deixado de lado.

Como diz o ditado: "Nasci com um material que será útil." A fibra de carbono, que foi negligenciada por muitos anos, foi finalmente reconhecida pelas pessoas 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 alta resistência à temperatura para construir veículos aeroespaciais.

Cada redução de 1 kg no peso do veículo espacial pode reduzir a carga do veículo lançador em 500 kg, e o que aumenta é a taxa de sucesso da missão espacial.

Como resultado, a Base da Força Aérea de Wright-Patterson, nos Estados Unidos, produziu com sucesso um material compósito 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 resultados muito bons. Ela não só pode atender à alta resistência à ablação de alta temperatura, mas também atingir o objetivo de reduzir o peso da espaçonave.

Após anos de desenvolvimento e iteração, mais de 90% dos materiais compósitos de fibra de carbono no mercado hoje são dominados por fibras de carbono baseadas em PAN.

Seu método de produção é principalmente usar fibras orgânicas contendo carbono (como filamentos de nylon, filamentos acrílicos, rayon, etc.) como matérias-primas e combinar fibras orgânicas com resinas plásticas para carbonizar para obter materiais compostos de fibra de carbono. No entanto, no processo de produção, há 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.

Os materiais compósitos de fibra de carbono têm duas características de forte resistência à tração e fibras macias e processáveis.Como um novo material com excelentes propriedades mecânicas, é um importante material estratégico para as indústrias aeroespacial e militar.

As asas do caça de quinta geração J-20 do meu país são feitas de materiais compósitos de fibra de carbono à base de resina. O diâmetro da fibra de carbono é de apenas 5 mícrons, o que equivale a um décimo a um doze avos de cabelo, mas seu a resistência é 4 vezes maior que a da liga de alumínio, mais que o dobro. Usá-lo para fazer asas pode facilmente atingir uma redução de peso de mais de 30%, em troca de maior manobrabilidade e maior duração da bateria.

Às 12h13 de 7 de dezembro de 2021, o foguete transportador Ceres-1 (Yao-2) foi lançado com sucesso no Jiuquan Satellite Launch Center, enviando com sucesso cinco satélites comerciais para uma órbita síncrona de 500 km com o sol. Seu invólucro de aparência preta única foi atualizado de material metálico para material composto de fibra de carbono, a flecha inteira do foguete foi reduzida em 1310 kg e a capacidade de carga do satélite foi aumentada em 100 vezes.

À medida que a tecnologia amadurece, 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, e seu compartimento de passageiros é feito de material compósito de fibra de carbono CFRP ultraleve e de alta resistência como um todo. Este é o primeiro modelo de carroceria de fibra de carbono produzido em massa.

Comparado com outros materiais metálicos comumente usados, a resistência do material de fibra de carbono CFRP desenvolvido pela BMW é 10 vezes maior do que os materiais de aço comuns. A estrutura da cabine de fibra de carbono integrada torna o compartimento de passageiros do i3 mais rígido e, ao mesmo tempo, permite que o i3 obtenha facilmente o design das portas lado a lado.

Por outro lado, o peso do material de fibra de carbono CFRP é metade do peso do aço com o mesmo volume. O peso leve da carroceria compensa bem o peso da bateria e do motor embutidos no chassi. Reduzindo o peso do veículo também significa melhorar a vida útil da bateria do veículo.

Embora toda a carroceria em branco do BMW i3 seja feita de materiais compósitos de fibra de carbono, é raro, mas contando com características leves, materiais de fibra de carbono ainda aparecem com frequência em carros de alto desempenho e superesportivos. Pode otimizar o duto de ar. Com o tempo, a fibra de carbono tornou-se gradualmente sinônimo de peso leve 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 e de alto posicionamento. Na vida cotidiana, a superfície de muitos itens, embora pareça um padrão de tecelagem clássico com fibra de carbono, pode ser apenas um adesivo com padrão de fibra de carbono.

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

Em comparação com a fibra de carbono, um material leve e mais comum em nossa vida diária é, na verdade, a fibra de aramida. Acontece que a aparência de tecelagem da fibra de aramida é muito semelhante à textura de tecelagem da fibra de carbono, então as pessoas costumam confundi-las.

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 alto módulo e alta resistência), sua resistência é 5-6 vezes maior que a do aço de alta qualidade, seu módulo é 2-3 vezes a do aço ou da fibra de vidro, e sua tenacidade é duas vezes maior que a 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 chamada de "fibra versátil".

Como o tipo mais conhecido de fibra de aramida, a aramida 1414 chamada "Kevlar" foi inventada pela química polonesa-americana Stephanie Kwolek (Stephanie Kwolek) enquanto trabalhava na DuPont.

Sua equipe queria criar uma nova fibra leve e forte para pneus, mas no processo sintetizou acidentalmente uma solução única, leve e leitosa. Essa solução pode fazer com que a fibra obtenha resistência e rigidez ultra-altas, o que levou ao nascimento dos produtos de fibra 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. 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.

Fibras de aramida com resistência ao desgaste, resistência à corrosão e retardamento de chama tornaram-se gradualmente um dos principais materiais para produtos como coletes à prova de balas, aeronaves aeroespaciais, eletromecânicas, construção, automóveis de ponta e artigos esportivos.

Como representante de novos materiais de "alta tecnologia", 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 últimas décadas desde a sua introdução, a fibra de aramida passou pelo processo de transição de materiais estratégicos militares para materiais civis. Com o declínio contínuo dos custos de fabricação, as fibras de aramida são frequentemente vistas como ativas na indústria de eletrônicos de consumo.

Por exemplo, nossos smartphones comumente usados ​​são um importante produto de aplicação de fibra de aramida.

Para buscar uma sensação melhor, os fabricantes de celulares nunca pararam de explorar materiais e processos estruturais. Assim, ao longo dos anos, policarbonato, vidro, metal, toras, nylon e outros materiais foram usados ​​em telefones celulares.

Mas para mim, o que não posso esquecer é a fina camada de material de fibra de aramida na parte traseira do Motorola RAZR (XT910).

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

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

Mas felizmente, se você nunca esquecer, haverá ecos. PITAKA, uma nova marca de consumo hard-tech com sede em Shenzhen, China, que é considerada um "teto Kevlar" por inúmeros toners, começou a usar fibra de aramida para fazer capas de celular em 2015 e, em seguida, usou material de fibra de aramida passo a passo Para fabricar mais produtos, como capas para iPad, capas para telefones Galaxy, capas para relógios Apple, docas de carregamento, bancos de energia e muito mais. Parece constituir um conjunto completo de ecologia de produtos feitos de fibra de aramida como material principal.

O que é raro é que, ao expandir a aplicação de materiais de fibra de aramida, a PITAKA também está constantemente explorando novas tecnologias de materiais para trazer opções mais personalizadas aos usuários.

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

A PITAKA foi pioneira na combinação de tecnologia de tecelagem tradicional chinesa e materiais de fibra de aramida de alta tecnologia. Ao ajustar a sequência alternada de tecelagem radial e de trama de fibras de aramida de diferentes cores primárias, dois ou mais métodos de tecelagem diferentes podem ser combinados na mesma tecelagem. O O tear é exibido na mesma peça de tecido de fibra de aramida, de modo que o tecido possa produzir dois ou mais padrões de tecelagem diferentes, arranjos tridimensionais e efeitos multicoloridos na mesma superfície.

Na experiência real, o invólucro protetor da tecnologia de tecelagem flutuante percebe as linhas de cores em relevo na superfície do invólucro preto e cinza, que não apenas percebe a melhoria visual, mas também através do toque das pontas dos dedos, o usuário pode até sentir a leve ondulação das fibras, sensação côncavo-convexa única. 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 a fibra de aramida 600D com maior custo e fibras cada vez mais finas. Em comparação com o estilo 1500D anterior, a fibra de aramida 600D mais fina e fina tem maior custo de matéria-prima e dificuldade de processamento e, em troca, uma experiência de usuário mais delicada e mais fina. Espessura ultrafina de apenas 0,95 mm e peso leve de 17,3 g. Simplificando, usar uma concha também é leve e delicado.

Como um material polimérico, a fibra de aramida possui alta resistência e peso leve, o que pode proteger o celular contra arranhões sem aumentar significativamente a espessura e o peso do celular e bloquear os sinais. A partir desta perspectiva, a fibra de aramida é de fato um material ideal para fazer capas finas e leves para celulares. Entende-se que, como marca líder no setor, a PITAKA tem realizado a reciclagem e reaproveitamento de materiais por meio do desenvolvimento de novas resinas ecologicamente corretas, o que abriu uma perspectiva mais ampla para a aplicação sustentável desse material.

Liga de titânio: a opção mais Ultra da Apple

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

Por exemplo, a Ford usará Titanium como o identificador do modelo de topo, e a Nvidia sempre se acostumou a usar Ti como o sufixo da versão de alto desempenho do modelo da placa gráfica.

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

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

Em comparação 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 espaçonaves, por isso é frequentemente chamada de "metal espacial" pelos astronautas.

Graças às suas muitas vantagens, o titânio metálico também começou a ser preferido pelos fabricantes tradicionais de relógios, porque o titânio ouro não só reduz significativamente o peso da caixa, mas também garante a textura da aparência e não é fácil de usar.

A Apple também tem uma queda pelo titânio. Antes de o Apple Watch introduzir o titânio, o cartão físico da Apple para o negócio de cartão de crédito Apple Card lançado 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 de ponta serão naturalmente herdados pelo sucessor da série Apple Watch Series 7.

Além da maior dureza, peso mais leve e melhor resistência à corrosão, o motivo pelo qual o titânio é mais preferido pela Apple é por causa de sua melhor biocompatibilidade.

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

Quando o Apple Watch estava produzindo um teste de aço inoxidável, a Apple distribuiu os produtos para alguns funcionários para experimentá-los. Mas a Apple logo descobriu que um número considerável de funcionários desenvolvia alergias depois de experimentá-los. Após pesquisas, a Apple descobriu que na verdade era causado pelo elemento níquel no aço inoxidável. Então a Apple teve que reajustar a proporção de cada elemento de metal na caixa de aço inoxidável.

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

A caixa de titânio com melhor biocompatibilidade é mais amigável para a pele do usuário e menos propensa a causar sensibilidade.

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 é equipado com uma caixa de titânio, ganha naturalmente as características de anti-queda e durabilidade.

De acordo com um colega que usou o Apple Watch Ultra profundamente por quatro dias e três noites em atividades de caminhada em terra de ninguém, mesmo tendo caído acidentalmente na estrada lamacenta no primeiro dia de caminhada e acordado a detecção de queda do relógio, o relógio As bordas do corpo também estavam cobertas por uma camada de lama. Após um breve enxágue com água, não havia lodo nos orifícios nas laterais do relógio, e o relógio ainda parecia novo da tela para os lados.

Por outro lado, também foi relatado recentemente que a Apple usará liga de titânio como estrutura de metal na série iPhone 15. O uso de titânio permitiria que o iPhone fosse mais leve do que o aço inoxidável usado nos modelos Pro atuais, além de melhorar a durabilidade e a resistência a arranhões do iPhone.

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

O rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia promoveu a inovação contínua de materiais, e novos materiais e tecnologias de processo geralmente trazem inovações e descobertas.

Na história do desenvolvimento da ciência de materiais ao longo do século passado, cada geração aprofundou a pesquisa e a aplicação com base no conhecimento dos predecessores. À medida que a compreensão da humanidade sobre a ciência dos materiais continua a se aprofundar, o potencial para aplicações que melhoram 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 residências.

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