新材料在机械制造领域的应用及影响分析

姚远

摘 要：随着新技术的迅速发展，人们以传统材料为基础，开发出新材料，从而满足新兴产业的发展需求，调整传统产业结构。凭借优异的性能，新材料被广泛应用于机械制造领域。本文从新材料与机械制造的产业现状入手，阐述了新材料在机械制造领域的应用及其影响，以期将新材料更好地应用于机械制造中。

关键词：新材料;机械制造;生产加工

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0054-03

Abstract： With the rapid development of new technologies， people have developed new materials based on traditional materials to meet the development needs of emerging industries and adjust the structure of traditional industries. With excellent performance， new materials are widely used in the field of machinery manufacturing. This paper started with the status quo of new materials and machinery manufacturing， expounded the application and influence of new materials in the field of machinery manufacturing， in order to better apply new materials to machinery manufacturing.

Keywords： new materials;machinery manufacturing;production and processing

新材料是国民经济的先导产业，也是高端制造业和国防工业发展的重要保证。在我国新材料产业的发展过程中，国家给予了大量支持，新材料产业产值（见图1）逐年提高，现已初步形成了比较完整的新材料产业体系。

机械制造行业在我国有着悠久的发展历史，行业运行规范。随着新工艺的探索以及新装备的不断涌现，机械制造行业正快速汲取高新技术的营养成分，由传统的“技术”产业导向逐步转变为“技术与科学”并重的新型产业导向。

1 新材料在机械领域中的应用

我国工业的迅猛发展促使社会各界对新型机械设备的需求不断增加，对其产品的性能与质量也有了新的要求。新材料的出现极大地拓展了机械制造的适用范围，而机械设备的更新也使得新材料有了更多的用武之地。

1.1 新型金属材料在机械领域中的應用

当前，机械制造行业在社会经济财富值中的占比极

高。随着我国新型金属材料的开发，一些选择传统钢材作为机械配件的机械制造行业已经逐渐弱化了其在市场中的存在感，而采用新型金属材料的机械制造产业则在发展过程中展现出了新的面貌。新型金属材料具有协调性好、强度高等诸多特性，在与传统金属材料的对比过程中显现出极大的优势[1]。机械钢材领域的高端特钢具有高强度、高韧度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗低温、寿命长、低铁损和高磁感等特征，其品质的高低是衡量一个国家是否能够成为钢铁强国的重要标志。其中，高速钢、精密合金钢、耐蚀钢、高温合金钢和合金工模钢等特钢是机械、军工、交通等行业最主要的需求钢类，如图2所示。

除去耗材的应用，在零部件的生产中，新型金属材料也扮演着重要角色。金属基复合材料在力学方面不但强度高，而且韧性与疲劳强度等综合性能更好，这也就意味着更高的稳定性与更长的使用寿命。以机械内燃机为例，活塞、活塞环与缸壁在高温高压的状态下长期摩擦，传统铸铁材质或铝合金材质的活塞容易发生磨损、变形、疲劳热裂的情况，尤其是一些功率较大的发动机，可采用增强铝镁合金制成的活塞，其耐磨性可比一般金属提升50%左右，耐热性也有极大的提高，同时具有较低的线膨胀系数。

1.2 新型有机高分子材料在机械领域中的应用

有机高分子材料也称高聚合物材料，在机械制造领域中被主要应用于机械零件制造与机械结构件制造两个方面。根据聚合物的用途与性能，有机高分子材料可以分为塑料、纤维、橡胶三个大类。目前，相关产品的研发速度很快，针对某项具体特性与功能而开发的新型高分子材料不断涌现。例如，POM（聚甲醛）是热塑性结晶高分子聚合物，具有突出的机械性能与耐磨性，对金属的同比磨耗量比尼龙还小，可以代替铜、铝等有色金属用于齿轮、凸轮、轴承、导轨以及多种泵体等机械结构件的生产。

除上述内容外，一些新型有机高分子材料在环保性方面也有突出的表现。机械制造领域，目前，对于各行业使用的塑料高分子材料，世界年产量高达2亿t，它已经与钢铁等金属、陶瓷水泥等无机材料并列，成为不可或缺的三大材料之一。但是，塑料、橡胶、复合材料等废旧高分子材料很难老化降解，上百年都难彻底分解[2-3]。而3D打印技术可以进行增材制造，这种技术正在兴起，其所用材料一般具有利用率高、成型快、物理性能好等特点。以PLA（聚乳酸）为例，它是一种新型的完全生物降解材料，使用可再生植物资源所提炼的淀粉原料制成，在使用后可以被自然界的微生物完全降解，转化为无害的水和二氧化碳。

1.3 新型无机非金属材料在机械领域中的应用

无机非金属材料是与金属材料和有机高分子材料并列的三大材料之一。新型无机非金属材料不同于传统的无机非金属材料，具有更为特殊的性能与用途。以新型陶瓷材料为代表，它采用人工合成的高纯度无机化合物作为原料，化学组成和组织结构不同，其拥有的特殊性能也不同，如高硬度、耐磨耗、耐高温、隔热、绝缘和磁性等。其中，工程陶瓷可以忍耐1 900 ℃以上的高温，是军事、原子能、化工等领域的重要材料;而功能陶瓷具有光、电、磁及部分化学功能，在仪器仪表、电子通信、精密机械等领域发挥着重要作用。

以新型陶瓷材料为代表的新型无机非金属材料在机械领域中常被用于制造轴承与切削刀具。传统金属轴承以油作为润滑介质，这就决定了其无法适应高温、高速和有化学腐蚀的场合。新型陶瓷质量远低于同体积钢材的质量，这也就意味着能够减少机械运行时零件的离心荷载，使零件更好地适应高速环境。同时，陶瓷摩擦系数约为钢材的30%，热膨胀率约是钢材的20%，所以机械运行过程中陶瓷零件所产生的热量较少同时又能够适应温度变化很大的环境。在机械加工中，刀具的性能是影响切削加工性能、表面质量、精度的决定性因素之一。新型陶瓷材质刀具具有耐热性、耐磨性和良好的化学稳定性，在超硬难材料加工方面比传统刀具更具优势。

2 新材料应用对机械制领域的影响

机械制造领域，我国经历了引进、学习、模仿和自主创新的全过程。近年来，我国在机械制造领域不断加大投资力度，取得了非常显著的成果，大量优秀人才在机械领域涌现，产业竞争力不断增强，蓬勃发展的机械制造业为我国经济与科技的进一步发展提供了有力保障。与此同时，越来越多的新材料应用出现在人们的日常生活中，新材料行业已成为投资风口，其正在重新定义材料产业“新版图”，中国正在“引爆”一场新材料产业革命[3]。受这样一场产业革命的影响，机械制造行业也呈现出新的态势。

2.1 推动机械制造业高质量发展

目前，各大院校和科研单位对于新型材料的开发、应用都进行了多方面的探索，也取得了诸多成绩。新型材料的性能优势与功能特殊性必然会催生出全新的产品领域。以稀土新材料为例，永磁材料是稀土应用领域最重要的部分，由于优异的光、电、磁和催化等物理特性，其被应用在新能源汽车、节能电器等电力能源方面。此类新领域的出现使社会对制造业的需求更大，产品的质量要求更高，这也就在客观上推动了机械制造业的发展。不断推出新的产品与技术使机械制造业逐步摆脱单纯追求速度的发展阶段，尤其是近年来，我国在5G通信技术、海军技术、航空航天技术等领域快速发展，需要的零部件也比之前更加精密、更为耐久，这些都促使机械制造业主动关注产品的科技附加值，逐步进入产业的高质量发展阶段。

2.2 刺激机械制造业技术进步

我国拥有庞大的工业用户，市场需求不断变化更新。为了更好地适应市场需求，机械制造产业只能不断调整产业结构，优化生产模式，提高生产技术。只有充分了解行业的新技术、新材料、新动态，才不会被快速發展的市场所淘汰。新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”，材料的创新能够赋予机械制造科学新的内涵，并为其开辟出更广阔的发展空间。新材料的迅猛发展推动了机械制造、航空航天、生物医疗等多个领域的进步，在这样一个工业新时代里，新材料与新技术理应相辅相成，共同发力，单纯地追求速度或数量显然已无法满足整个市场的需求，技术引领生产的格局正在机械制造领域慢慢展开。

2.3 创造机械制造业发展新机遇

目前，我国几乎可以生产并正在生产所有的新型材料，但部分在品质方面仍与国外存在一定差距，在超前的研发与实用性开发方面仍比较落后，同时也缺少相关专利，只能以仿制为主。新材料一直是国际竞争的重点领域之一，发达国家为保证自身科技的领先地位，长久地占据国际产品交易市场的主动权，必然不会将核心的科技分享给中国[4]。以国外一直对中国封锁的超精密加工数控技术为例，直到2018年，我国才完全实现这种发丝直径万分之一的微米级操作，完成对世界一流的追赶。但是，人们应该清醒地认识到，困难即机遇。西方的技术封锁并不可怕，一旦攻克了一批“卡脖子”的技术难题，完成相应的产品创新与技术创新，必然会进一步加快科研技术产业化的速度，使新材料、新技术成为行业升级转型的有力支撑[5]。

3 结语

在当前新一轮科技革命和产业变革的大趋势下，新材料与信息、生物、能源等高技术领域加速融合，为数字经济、生命健康和新能源等战略新兴产业的发展提供强有力的物质基础支撑。我国已经将新材料产业摆在了一个十分突出的位置上，新材料、新技术的创新成果不断涌现。在欣喜的同时，人们应该认识到“无材可用、有材不好用、好材不敢用”等问题的存在。因此，人们应加强科研实力，提升新型材料的质量，推动机械制造的智能化、高效化、质量化发展，建立可靠的产业链与创新链，这样才能使机械制造与新技术、新材料相互融合，从而更好地服务人类。

参考文献：

[1]齐冬梅.机械制造中新型金属材料的应用分析[J].中国机械，2019（4）：58.

[2]贾红兵，宋晔，王经逸.高分子材料[M].南京：南京大学出版社，2019：96.

[3]郭志强.新材料革命蓄势待发 石墨烯等成新风口[J].中国经济周刊，2020（1）：182-183.

[4]王玉萍，叶志镇.关于加速推进我国“十四五”新材料产业高质量发展的几点思考[J].材料科学与工程学报，2021（1）：96-98.

[5]薛红锐.工程机械研究发展趋势与新技术[J].内燃机与配件，2019（9）：30-34.