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把覆蓋智慧手機螢幕表面的保護玻璃換成塑膠(樹脂),製造更輕的智慧手機;把汽車的車窗玻璃、齒輪和軸承等使用的鋁合金也換成樹脂,實現輕量化,從而延長純電動汽車和燃料電池車的續航距離、提高汽油車的燃效;使橡膠具備導電性,作為可穿戴部件的可伸縮電極材料,等等。

如今,有助於發掘新材料、促進以上各種設備和部件進化的製造技術,邁出了重要一大步。這種製造技術就是在施加剪切應力和壓力等外力的同時,混合不同材料的“高剪切成型加工技術”。採用這項技術可以實現不同聚合物材料的奈米級混合,使填料均勻、各向同性分佈。這種新型樹脂複合材料有可能具備前所未有的全新特點和功能(表1,圖1)。

這個神奇發明,絕對可以讓你的智慧手機更輕、更耐用
表1:應用廣泛 利用高剪切成型加工,可以製造出具有前所未有的新型複合材料。其應用範圍廣泛,包括智慧手機、汽車、可穿戴部件、太陽能電池等。紅色的部分與電子領域關係密切。

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圖1:利用高剪切成型加工製造出新型複合材料 高剪切成型加工能夠使混合的聚合物的顆粒,縮小到10奈米到幾十奈米,使填料(添加物)均勻、各項同性分散,防止凝聚。從而製造出全新的複合材料。(圖:HSP Technologies)

高剪切成型加工技術的應用範圍極其廣泛,並不僅限於開篇介紹的那些用途。其中,與電子領域關係密切的是數位相機的輕量化。這項加工技術有助於開發出可替換光學鏡頭玻璃的透明樹脂,還可用於開發太陽能電池的電極材料以及染料敏化型太陽能電池的對極材料。鉑(Pt)是現在被普遍看好的一種電極材料,如果有機材料能取而代之,不僅可以穩定電極材料的採購,還能降低成本。

既透明又結實的樹脂是怎樣製作出來的?

關於高剪切成型加工技術在發掘新材料方面的效果,下面就以替代智慧手機保護玻璃和汽車車窗玻璃的透明樹脂的開發為例進行介紹。

作為此類透明樹脂的候選,聚碳酸酯(PC)和PMMA(聚甲基異丁烯酸,俗稱有機玻璃)一直是討論的焦點。不過,聚碳酸酯雖然耐衝擊性強、不易受損,但缺乏硬度,而PMMA雖然堅硬,但容易受損。因此,從很早以前,研發人員就開始開發聚碳酸酯與PMMA的複合材料。方法之一是對聚碳酸酯和PMMA進行沉積。但是,由於這兩種材料的膨脹率等性質不同,因此複合材料會產生翹曲。