I segreti del “lavoro leggero” dell’industria moderna

Come dice il proverbio, “Le arti marziali del mondo sono solo veloci e indistruttibili”. una parte indispensabile.

Dopo che l’eroe nella penna dell’autore ha acquisito il Qinggong, il suo corpo è leggero come una rondine e non è un problema volare sopra la grondaia e camminare su per la montagna e giù per il mare. E spesso il livello del gong luminoso può semplicemente riflettere la profondità del suo gong.

Tornando al mondo reale che enfatizza la logica e la scienza, in molti casi, per perseguire più velocemente e più forte, il “Qinggong” non è solo un corso obbligatorio, ma più leggero lo fai, più profondi saranno i tuoi risultati.

Per molto tempo, l’aerospazio è stato il settore principale che guida e guida lo sviluppo di nuovi materiali e nuovi processi.La realizzazione di materiali leggeri ad alte prestazioni è anche la forza trainante per gli scienziati nello sviluppo di nuovi materiali. I segreti per far correre più veloci gli esseri umani, far raggiungere più velocemente le auto sportive a velocità estreme e far durare sempre più a lungo gli aerei sono naturalmente inseparabili dai materiali leggeri e ad alta resistenza.

Con la continua innovazione degli esseri umani nel campo dei materiali leggeri e ad alta resistenza, anche i materiali leggeri e ad alta resistenza hanno iniziato a spostarsi dal campo aerospaziale a quello civile e i prodotti correlati sono entrati nelle case della gente comune. Successivamente, diamo un’occhiata a tre materiali leggeri ad alta energia relativamente comuni.

Fibra di carbonio: sinonimo di leggerezza e alte prestazioni

Credo che molte persone sappiano che fu Edison ad accendere la prima luce elettrica pratica per l’umanità. Ma poco noto è che i filamenti nelle prime lampade a incandescenza erano fatti di filamenti di bambù carbonizzati, che sono considerati i primi materiali di “fibra di carbonio”.

Dopo diversi miglioramenti, Edison produsse nel 1880 una lampada a filamento di bambù carbonizzato che durò 1.200 ore. I filamenti di carburo non sono stati sostituiti da filamenti di tungsteno fino all’inizio del XX secolo.

Poiché il filamento di bambù carbonizzato non è più un materiale ideale per la produzione di filamenti e le sue proprietà meccaniche sono basse e difficili da applicare all’industrializzazione in quel momento, questo primo materiale in fibra di carbonio è stato lasciato al freddo.

Come si suol dire, “Sono nato con i materiali devono essere utili.” La fibra di carbonio, che è stata trascurata per molti anni, è stata finalmente riconosciuta per il suo valore ed è stata la prima scelta dagli scienziati aerospaziali.

Nel contesto dell’era della “corsa allo spazio” negli anni ’50, gli scienziati avevano urgente bisogno di un nuovo tipo di materiale con un’elevata resistenza specifica, un modulo specifico elevato e una resistenza alle alte temperature per costruire veicoli spaziali.

Per ogni chilogrammo di peso del veicolo spaziale, il carico del veicolo di lancio può essere ridotto di 500 chilogrammi e l’aumento è il tasso di successo della missione spaziale.

Di conseguenza, la base dell’aeronautica militare Wright-Patterson negli Stati Uniti ha prodotto con successo un materiale composito in fibra di carbonio utilizzando la fibra di viscosa come materia prima e lo ha utilizzato come materiale di ablazione per ugelli di razzi e ogive. La fibra di carbonio ha soddisfatto le aspettative e ha ottenuto buoni risultati, che non solo possono soddisfare l’elevata resistenza dell’ablazione ad alta temperatura, ma anche raggiungere lo scopo di veicoli spaziali leggeri.

Dopo anni di sviluppo e iterazione, oltre il 90% dei materiali compositi in fibra di carbonio sul mercato sono principalmente fibre di carbonio a base di PAN.

Il suo metodo di produzione utilizza principalmente fibre organiche contenenti carbonio (come filati di nylon, filati acrilici, rayon, ecc.) come materie prime e combina fibre organiche con resine plastiche per carbonizzare, ottenendo così materiali compositi in fibra di carbonio. Tuttavia, il processo di produzione ha requisiti elevati in termini di materie prime, processi e consumo di energia, motivo per cui il costo di produzione dei materiali in fibra di carbonio rimane elevato.

Il materiale composito in fibra di carbonio ha due caratteristiche di forte resistenza alla trazione e fibra morbida e può essere lavorato.Come nuovo materiale con eccellenti proprietà meccaniche, è un importante materiale strategico per l’industria aerospaziale e militare.

Le ali del caccia J-20 di quinta generazione del mio paese sono realizzate con materiali compositi in fibra di carbonio a base di resina.Il diametro della fibra di carbonio è di soli 5 micron, che equivale a dieci a un dodicesimo di un capello, ma la forza è in lega di alluminio 4 volte di più. Usandolo per realizzare le ali, puoi facilmente ottenere una riduzione del peso di oltre il 30% in cambio di una maggiore manovrabilità e una maggiore durata della batteria.

Alle 12:13 del 7 dicembre 2021, il razzo vettore Ceres-1 (Yao-2) è stato lanciato con successo dal Jiuquan Satellite Launch Center, inviando con successo cinque satelliti commerciali in un’orbita sincrona con il sole di 500 km. Il suo esclusivo guscio esterno nero è stato aggiornato da materiali metallici a materiali compositi in fibra di carbonio, la freccia completa del razzo è stata ridotta di 1310 kg e la capacità di carico del satellite è stata aumentata di 100 volte.

Con la maturazione della tecnologia, anche i materiali in fibra di carbonio hanno iniziato a emergere nei prodotti di livello consumer.

Nel 2013, la BMW ha prodotto in serie il modello elettrico puro i3. Il suo abitacolo era realizzato in materiale composito in fibra di carbonio CFRP ultraleggero e ad alta resistenza. Questo è stato il primo modello prodotto in serie con una carrozzeria in fibra di carbonio.

Rispetto ad altri materiali metallici comunemente usati, la resistenza del materiale in fibra di carbonio CFRP sviluppato da BMW è 10 volte quella dei comuni materiali in acciaio. La struttura della cabina integrata in fibra di carbonio non solo rende più rigida la cabina equipaggio dell’i3, ma consente anche all’i3 di ottenere facilmente il design della porta.

D’altra parte, il peso del materiale in fibra di carbonio CFRP è la metà del peso dell’acciaio dello stesso volume.La leggerezza della carrozzeria può ben compensare il peso della batteria e del motore integrato nel telaio.Ridurre il peso dell’auto significa anche migliorare la durata della batteria puramente elettrica dell’intero veicolo.

Sebbene sia raro che l’intera carrozzeria bianca sia realizzata con materiali compositi in fibra di carbonio come la BMW i3, ma basandosi sulle caratteristiche di leggerezza, i materiali in fibra di carbonio appariranno spesso su auto ad alte prestazioni e supersportive, riducendo il peso della auto Può ottimizzare il condotto dell’aria. Nel tempo, la fibra di carbonio è diventata progressivamente sinonimo di leggerezza e prestazioni elevate.

Vale la pena ricordare che a causa del processo complesso e del costo elevato, l’uso di materiali in vera fibra di carbonio è un prodotto costoso con un posizionamento molto alto. Ci sono molti oggetti nella vita quotidiana, anche se sembra un classico motivo a intreccio con fibra di carbonio, potrebbe essere solo un adesivo con un motivo in fibra di carbonio.

Fibra aramidica: detta fibra “tuttofare”.

Rispetto alla fibra di carbonio, un materiale leggero e più comune nella nostra vita quotidiana è in realtà la fibra aramidica. È solo che l’aspetto della tessitura della fibra aramidica è molto simile alla trama della tessitura della fibra di carbonio, quindi le persone spesso le confondono.

La fibra aramidica si colloca tra le tre principali fibre high-tech del mondo (fibra di carbonio, fibra aramidica, fibra di polietilene ad alta resistenza e ad alto modulo), la sua resistenza è 5-6 volte quella dell’acciaio di alta qualità, il suo modulo è 2-3 volte quella dell’acciaio o della fibra di vetro e la sua tenacità è 2 volte il peso dell’acciaio, ma solo 1/5 del peso dell’acciaio. Ha proprietà eccellenti come alta resistenza, buona tenacità, leggerezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alle basse temperature, resistenza alla corrosione, resistenza all’usura, ecc., quindi è anche chiamata “fibra a tutto tondo”.

Essendo una delle fibre aramidiche più famose, l’aramide 1414 chiamata “Kevlar” è stata inventata dalla chimica polacca-americana Stephanie Kwolek mentre lavorava alla DuPont.

Il suo team voleva creare una nuova fibra leggera e resistente per pneumatici, ma durante il processo ha sintetizzato accidentalmente una soluzione lattiginosa unica e leggera. Questa soluzione consente alle fibre di ottenere un’altissima resistenza e rigidità, che hanno portato alla nascita di prodotti in fibra di Kevlar.

Le fibre aramidiche furono presto utilizzate nel campo aerospaziale. La tuta spaziale Apollo per l’allunaggio ha un totale di 21 strati di tessuto e il prodotto in fibra aramidica di DuPont, il Kevlar Kevlar, viene utilizzato nello strato restrittivo della tuta spaziale, fornendo alla tuta spaziale elevata resistenza e flessibilità.

La fibra aramidica, che ha resistenza all’usura, resistenza alla corrosione e ritardante di fiamma, è diventata gradualmente uno dei principali materiali di produzione per prodotti come giubbotti antiproiettile, aerei aerospaziali, elettromeccanici, costruzioni, automobili di fascia alta e articoli sportivi.

In quanto rappresentante del nuovo materiale “ad alta precisione”, la fibra aramidica è considerata dal mondo un’importante pietra miliare nello sviluppo della scienza dei materiali ed è sempre stata considerata un materiale militare e di difesa nazionale molto importante. Nei decenni dalla sua introduzione, la fibra aramidica ha subito il passaggio da materiali strategici militari a materiali civili. Con il continuo calo dei costi di produzione, le fibre aramidiche sono spesso viste attive nell’industria dell’elettronica di consumo.

Ad esempio, i nostri smartphone di uso comune sono un’importante applicazione delle fibre aramidiche.

Alla ricerca di una sensazione migliore, i produttori di telefoni cellulari non hanno mai smesso di esplorare materiali e processi strutturali. Così, nel corso degli anni, nei telefoni cellulari sono stati utilizzati policarbonato, vetro, metallo, legno, nylon e altri materiali.

Ma per me, è il sottile strato di materiale in fibra aramidica sul retro del Motorola RAZR (XT910) che non dimentico mai.

Uno strato di fibra aramidica sottile fino a 0,3 mm non solo raggiunge il corpo ultrasottile e resistente del RAZR 7,1 mm, ma fornisce anche un tocco superiore unico e resistente all’usura.

Sfortunatamente, limitati da fattori come costo, tecnologia e segnale, ci sono sempre meno modelli prodotti in serie che utilizzano direttamente la fibra aramidica come materiale principale sul retro del telefono.

Ma per fortuna, se non lo dimentichi, ci saranno degli echi. PITAKA, un nuovo marchio consumer di tecnologia hard con sede a Shenzhen, in Cina e considerato da innumerevoli toner come un “soffitto in kevlar”, ha iniziato a utilizzare fibre aramidiche per realizzare custodie per telefoni nel 2015, quindi ha gradualmente utilizzato materiali in fibra aramidica Vai a realizzare più prodotti come iPad custodie, custodie per telefoni Galaxy, custodie per orologi Apple, dock di ricarica, power bank e altro ancora. Sembra costituire un intero insieme di prodotti ecologici realizzati in fibra aramidica come materiale principale.

Ciò che è raro è che, mentre espande l’applicazione dei materiali in fibra aramidica, PITAKA esplora costantemente la tecnologia di nuovi materiali, offrendo agli utenti scelte più personalizzate.

Nell’era della serie iPhone 13 nel 2021, PITAKA ha creato il suo caratteristico “processo flottante” in fibra aramidica. Il colore e la trama tradizionali della fibra aramidica sono relativamente singoli, di solito c’è solo un colore o una trama sullo stesso tessuto, come il più comune twill nero e grigio.

PITAKA ha aperto la strada alla combinazione della tecnologia di tessitura tradizionale cinese e dei materiali in fibra aramidica high-tech. Regolando l’ordine alternato di tessitura radiale e di trama di fibre aramidiche di diversi colori primari, è possibile tessere due o più metodi di tessitura diversi nella stessa tessitura. macchina tessile viene presentata sullo stesso pezzo di tela in fibra aramidica, in modo da ottenere l’effetto di due o più motivi di tessitura differenti, disposizione tridimensionale e multicolori sullo stesso lato del tessuto.

Nell’esperienza reale, il guscio protettivo del processo di tessitura in rilievo realizza il motivo a colori in rilievo sulla superficie del guscio nero e grigio, che non solo realizza il miglioramento della vista, ma anche attraverso il tocco della polpa del dito, l’utente può persino sentire i lievi saliscendi della fibra. , unica sensazione concava e convessa. Questa è anche la sensazione delicata e tridimensionale difficile da imitare con i soliti motivi stampati.

Oltre alle innovazioni nelle tecniche di tessitura, PITAKA ha introdotto anche le fibre aramidiche 600D, che sono più costose e sempre più sottili. Rispetto al precedente stile 1500D, la fibra aramidica 600D, più fine e sottile, ha un costo delle materie prime e difficoltà di lavorazione più elevati e in cambio di un’esperienza utente più delicata e sottile. Solo 0,95 mm di spessore ultrasottile e 17,3 g di peso leggero. Per dirla semplicemente, il guscio è anche leggero e si sente più delicato.

Come materiale polimerico, la fibra aramidica ha la sua elevata resistenza e leggerezza, che non solo possono proteggere il telefono cellulare dai graffi, ma non aumenteranno significativamente lo spessore e il peso del telefono cellulare e bloccano i segnali. Da questo punto di vista, la fibra aramidica è infatti un materiale ideale per realizzare custodie per telefoni sottili e leggere. Resta inteso che, in qualità di marchio leader nel settore, PITAKA ha realizzato il riciclaggio e il riutilizzo dei materiali attraverso lo sviluppo di nuove resine ecocompatibili, aprendo prospettive più ampie per l’applicazione sostenibile di questo materiale.

Lega di titanio: la scelta Ultra Ultra di Apple

La scoperta del titanio iniziò nel 1791 e prese il nome dai Titani nella mitologia greca. La parola Titanio ora non significa solo titanio, ma appare spesso anche come aggettivo per “indistruttibile”, ed è stata anche estesa a un significato referenziale di livello superiore.

Ad esempio, Ford utilizzerà Titanium come identificatore per il modello di punta e Nvidia ha sempre utilizzato Ti come suffisso per i modelli di schede grafiche ad alte prestazioni.

Nel 1948, DuPont negli Stati Uniti ha utilizzato il metodo del magnesio per produrre tonnellate di spugna di titanio: questo ha segnato l’inizio della produzione industriale di spugna di titanio, ovvero il titanio.

Il titanio è un metallo leggero e duro, ampiamente utilizzato nell’industria nucleare, chimica e petrolchimica, aerospaziale, articoli sportivi, odontoiatria e medica grazie alla sua elevata resistenza specifica, buona resistenza alla corrosione e alta resistenza al calore, riparazioni, ecc. I materiali in lega di titanio sono stati anche selezionati come il miglior materiale per sostituire o riparare i tessuti duri danneggiati (applicazioni biomediche strutturali).

Rispetto ai due materiali compositi di fibra di carbonio e fibra aramidica, la lega di titanio è il principale materiale metallico per la produzione di veicoli spaziali, quindi è spesso chiamato “metallo spaziale” dagli astronauti.

Grazie ai suoi numerosi vantaggi, il titanio ha iniziato ad essere prediletto anche dai tradizionali produttori di orologi, perché il titanio può ridurre notevolmente il peso della cassa, pur garantendo l’aspetto materico e non facile da indossare.

Apple ha anche un debole per il titanio: prima che Apple Watch introducesse il titanio, la carta fisica delle attività di carte di credito Apple Card lanciata da Apple nel 2019 era una carta in titanio.

Nel 2020, Apple ha preparato una versione Edition della cassa in titanio per l’Apple Watch Series 6. Questo materiale e questa versione di fascia alta sono naturalmente ereditati dal successore, la serie Apple Watch Series 7.

Oltre alla già citata maggiore durezza, minor peso e maggiore resistenza alla corrosione, il motivo per cui il titanio è il più favorito da Apple è la sua migliore biocompatibilità.

Il team di Apple Watch ha condiviso una piccola storia di sviluppo con Ai Faner:

Al momento della produzione di prova dell’Apple Watch in acciaio inossidabile, Apple ha distribuito questi prodotti ad alcuni dipendenti per provarli. Ma Apple ha presto scoperto che un numero considerevole di dipendenti ha sviluppato allergie dopo averle provate. Dopo la ricerca, Apple ha scoperto che in realtà era causato dall’elemento di nichel nell’acciaio inossidabile. Quindi Apple ha dovuto riadattare le proporzioni degli elementi metallici nella cassa in acciaio inossidabile.

Anche se dopo il riadattamento, la possibilità di allergie è molto bassa, ma ci sono ancora alcuni utenti con pelle più sensibile che saranno “colpiti”.

La custodia in titanio con una migliore biocompatibilità risulta essere più amichevole per la pelle dell’utente e non è facile causare sensibilità.

E quest’anno, Apple non solo ha aggiornato l’Apple Watch Series 8, ma ha anche preparato un Apple Watch Ultra di livello professionale per gli appassionati di sport estremi all’aperto. L’orologio Ultra, anch’esso dotato di cassa in titanio, acquisisce naturalmente le caratteristiche di resistenza alla caduta e costruzione.

Secondo un collega che ha utilizzato Apple Watch Ultra per quattro giorni e tre notti in attività di escursionismo nella terra di nessuno, sebbene sia caduto accidentalmente su una strada fangosa il primo giorno dell’escursione, il che ha risvegliato il rilevamento delle cadute dell’orologio, l’orologio Anche i bordi del corpo erano ricoperti da uno strato di fango. Dopo un breve risciacquo in acqua, non è rimasta alcuna melma nei fori su entrambi i lati dell’orologio.Dallo schermo al lato, l’orologio sembrava ancora nuovo di zecca e impeccabile.

D’altra parte, è stato anche recentemente riferito che Apple utilizzerà leghe di titanio come strutture metalliche nella serie iPhone 15. L’uso del titanio potrebbe rendere l’iPhone più leggero, oltre a migliorare la durata e la resistenza ai graffi dell’iPhone, rispetto all’acciaio inossidabile utilizzato sugli attuali modelli Pro.

Ora che l’Apple Watch Ultra ha una cassa in titanio. Secondo la strategia di posizionamento del prodotto di Apple e questa voce, il corpo in lega di titanio potrebbe anche diventare il vantaggio della serie “Ultra”.

Il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia ha promosso la continua innovazione dei materiali e i nuovi materiali e le tecnologie di processo spesso portano innovazione e scoperte.

Nella storia dello sviluppo della scienza dei materiali da oltre 100 anni, ogni generazione si basa sulla conoscenza dei predecessori, per poi approfondire la ricerca e l’applicazione. Poiché la comprensione da parte dell’umanità della scienza dei materiali continua ad approfondire, il potenziale delle applicazioni per migliorare la vita umana è quasi illimitato.

È prevedibile che i materiali leggeri e ad alta resistenza esistenti continueranno ad evolversi e, man mano che la tecnologia matura, questi materiali leggeri e ad alta resistenza copriranno anche un numero sempre maggiore di beni di consumo ed entreranno in migliaia di famiglie.

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