所謂的《高檔數(shù)控機床和機器人》，其實跟我們常聽到的「智能制造」脫離不了關(guān)系。原因在機器人是集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體，是「智能制造」的代表性產(chǎn)品，其研發(fā)、制造、應(yīng)用成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的重要標志，自然引起了世界制造強國的高度重視。先來談?wù)劯邫n數(shù)控機床吧！
數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的主流設(shè)備，使體現(xiàn)現(xiàn)代機床技術(shù)水平、現(xiàn)代機械制造業(yè)工藝水平的重要標志，是關(guān)系國計民生、國防尖端建設(shè)的戰(zhàn)略物資。從 2002 年開始，中國已成為世界機床消費第一大國和機床進口第一大國。且國產(chǎn)高檔數(shù)控機床配套的數(shù)控系統(tǒng) 90% 都從國外進口，整個高端數(shù)控系統(tǒng)市場基本上都被法那科和西門子等廠家壟斷。具體而言，中國發(fā)展五軸聯(lián)動高檔數(shù)控機床已經(jīng)迫在眉睫，此處所謂的高檔是指高性能，也就是高精、高細、高速、柔性、智能、高可靠性、高重復(fù)性、低故障率等。未來幾年我國數(shù)控機床市場需求量將繼續(xù)以年均 10-15% 的速度增長，根據(jù)國家科技重大專項之<高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備>要求，到 2020 年，國產(chǎn)中、高檔數(shù)控機床用的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)市場占有率達 60% 以上，也代表有 12 萬臺的替代空間，未來行業(yè)空間巨大！據(jù)統(tǒng)計，2014-2016 年，我國數(shù)控機床銷售收入均超過 2,400 億元；2016 年，我國數(shù)控機床銷售額為 2,732.3 億元，同比增長 7.69%。2017 年銷售額約為 3,060.3 億元，首次超過 3,000 億元。
接下來，我們就來探討機器人產(chǎn)業(yè)。機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展包括研發(fā)試驗、機器人本體和零部件產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)集成技術(shù)、服務(wù)等，每一個環(huán)節(jié)都很重要。我國機器人產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展是一個任重道遠的過程，整體來看，目前中國大部分機器人企業(yè)集中在集成領(lǐng)域，加工組裝企業(yè)占多數(shù)。在核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高可靠性基礎(chǔ)功能部件、系統(tǒng)工藝應(yīng)用解決方案以及主機批量生產(chǎn)等方面，距離發(fā)達國家還有相當?shù)牟罹唷ｊP(guān)鍵部件方面，精密減速器、伺服電機及驅(qū)動器等關(guān)鍵部件大量依賴進口。雖然多年來國家對這方面也做了較大的投入支持，由于原來市場規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化程度不高，不足以帶動核心部件的發(fā)展，致使效果不理想。
隨著我國工廠自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人在其它工業(yè)行業(yè)中也將得到快速推廣，如電子、金屬制品、橡膠塑料、食品、建材、民爆、航空、醫(yī)藥設(shè)備等行業(yè)。目前，工業(yè)機器人市場前 10 名都是外資，份額都不大，并維持平均增長率 25% 左右，到 2018 年工業(yè)機器人的市場規(guī)模接近 11 萬臺。至於服務(wù)機器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事維護保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護以及醫(yī)療、養(yǎng)老、康復(fù)、助殘等工作。服務(wù)機器人是一種新型智能化裝備、一項戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)品，在未來具有比工業(yè)機器人更大的市場空間。
那究竟高檔數(shù)控機床與機器人與什么技術(shù)有關(guān)？就舉中信重工開誠的排爆機器人為例，整個系統(tǒng)包括：電氣系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、光學(xué)與傳感器系統(tǒng)等五大部分。而這五大部分就涉及了導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤滑、涂料、高分子、合金、傳感、電磁、光電、半導(dǎo)體及成像等類別，追根究底都能跟石墨烯沾上關(guān)系！上一篇新一代信息技術(shù)我們已經(jīng)探討了部分的光電及半導(dǎo)體，而"電磁"這部分準備放在“航空航天裝備”這篇來談，這篇我們就來探討合金與傳感吧！
在石墨烯合金項目上，研究人員大多投入在鋁、銅、鎳這三個金屬，
首先，金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在各種技術(shù)領(lǐng)域及不同的工況條件下，我們將金屬基復(fù)合材料區(qū)分為“結(jié)構(gòu)件”及“功能件”，所謂“結(jié)構(gòu)件”一般要求高的比強度和比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此大多選用鋁及鎂兩類合金作為基體；而“功能件”主要用于電子封裝和熱沉材料、高導(dǎo)熱、耐電弧燒蝕、耐高溫磨損材料及耐腐蝕材料等，主要選用鋁、銅、銀、鉛、鋅等合金作為基體 。其次，金屬基體的選擇對復(fù)合材料的性能有決定性的作用，金屬基體的密度、強度、塑性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐熱、抗腐蝕等特性，將直接影響復(fù)合材料的比強度、耐高溫、導(dǎo)熱及導(dǎo)電等性能。按理說石墨烯加入金屬該有不錯的表現(xiàn)，但實際試驗中卻往往無法盡如人愿，最重要的因素還是在「分散性」及「潤濕性」，而前者影響著后者，所以我們首務(wù)之急在解決兩界面間之「潤濕性」，更精準地說，就是要解決石墨烯與各類金屬間的「相容性」。
舉例來說，發(fā)動機是耐熱結(jié)構(gòu)材料，要求復(fù)合材料零件工作溫度為 650-1,200℃，同時要求復(fù)合材料有良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學(xué)性能，鋁、鎂復(fù)合材料一般只能用在 450℃ 左右，而鈦合金基體復(fù)合材料可用到 650℃，而鎳、鈷基復(fù)合材料可在 1,200℃ 使用，甚至金屬間化合物更可作為耐熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體。但石墨烯的抗氧化溫度不超過 650℃，在 450℃ 以后逐漸熱失重，除非在真空環(huán)境下進行，但相形也增加了很多的成本。金屬基復(fù)合材料主要制造方法大致可參考表 5。
另外，由于石墨烯與金屬粉末密度相差較大，且石墨烯的長徑比達 100-1,000，具有很高的表面自由能，極易發(fā)生團聚，難以在復(fù)合材料基體中均勻分散。加上碳與多數(shù)金屬溶解度很低，多數(shù)只能采用“粉末冶金”法，而無法用一般「熔煉」工藝來制備石墨烯金屬基復(fù)合材料，通常還要先用濕式球磨方式使兩者粒徑接近，才能使「界面結(jié)合力」更好。為了使復(fù)合材料具有良好的性能，需要在增強體與基體界面上建立一定的結(jié)合力。「界面結(jié)合力」是使基體與增強體從界面結(jié)合態(tài)脫開所需的作用于界面上的應(yīng)力，它與界面的「結(jié)合形式」有關(guān)，并影響復(fù)合材料的性能。如碳纖維增強鋁基復(fù)合材料中，在不同界面結(jié)合受載時，如果結(jié)合太弱，纖維就大量拔出，強度低；結(jié)合太強，復(fù)合材料脆斷，既降低強度，又降低塑性；只有結(jié)合強度適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強度和高塑性。
平心而論，石墨烯跟傳感就能激蕩出更多的火花！電子是石墨烯最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2017 年，除了石墨烯射頻標簽 (RFID)、石墨烯的電磁干擾屏蔽/靜電保護 (EMI/ESD) 元器件等應(yīng)用，市場上出現(xiàn)了更多的石墨烯電子產(chǎn)品，讓石墨烯在各個電子細分市場上的拓展進一步深入。相關(guān)新應(yīng)用的案例包括 Graphenea 成功地將石墨烯應(yīng)用于邏輯設(shè)備 (200mm CMOS-compatible graphene wafers)；Nanomedical Diagnostics 開始出貨高靈敏度、小體積的石墨烯生物傳感器；Emberion 開發(fā)的石墨烯傳感器在近紅外成像及醫(yī)療和工業(yè) X 射線成像等領(lǐng)域得到應(yīng)用等等。另外，還有多項集成石墨烯材料的氣體和濕度傳感器產(chǎn)品問世。就目前石墨烯傳感研究的項目包括：電化學(xué)、氣體、生物小分子、酶、DNA 電化學(xué)、醫(yī)藥、光電、電場、磁場、機械等，內(nèi)容真是無遠弗屆。
就以氣體傳感器為例，石墨烯在電化學(xué)傳感器上的應(yīng)用有以下優(yōu)點：
① 體積小，表面積大；
② 靈敏度高；
③ 響應(yīng)時間快；
④ 電子傳遞快；
⑤ 易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性；
⑥ 減少表面污染的影響。
