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TRIZ理论对新材料业务战略的启示

作者:    分类:TRIZ    时间:2020-02-20 10:07:06

新材料研发的基本路径


国内新材料产业,自从政府提出“中国制造2025”与国家新材料“十三五”发展规划等顶层设计以来,已经成为中国制造业热度最高的产业门类之一。在包括基础材料先进电子材料材料基因工程纳米材料与器件先进结构材料先进功能材料等重点领域,政府都在推动产业的战略布局。一时间资源要素趋之若鹜,负面现象也开始显现,跟班随大流多、高端原创新少。这除了中国产业发展阶段固有的内在因素外,缺乏创新的理念、思路与工具也是影响产业原创新的原因之一。

TRIZ理论对新材料业务战略的启示

国内新材料发展路径一般是“产业链”模式,化工新材料尤为如此。基于油气基、煤基和生物基等,从单体原料到中间体合成、再到多元多品种延伸。近年也确实形成以“甲醇”等重要基础化学品为平台的新材料制备模式。虽然理论上,碳氢氧可以制备任何一种有机物,但有效的商业化合成工艺流程受制于目前的技术能力。因此,市场资源要素在有限的产业链节点上出现“拥堵”也就可以理解了。


笔者近期对TRIZ理论框架进行了浅显研究,感觉其原理、模式和工具对企业层面的新材料业务策略很有启示意义,有助于产业打开思路、独辟蹊径开发业务新方向。事实上,社会当下热度很高的石墨烯、碳纤维、微观材料等技术体系,冥冥之中都与TRIZ理论相关联、甚或受其影响。


六十多年前创立的TRIZ理论


所谓“TRIZ”是俄语“发明问题解决理论”的词头缩写,由苏联发明家和工程师根里奇·阿奇舒勒及助手们基于数百万专利成果研究、于1956年创立,成为经典TRIZ理论系统。苏联解体后,相关专家移民欧美逐渐传播开来、形成现代TRIZ理论体系。


经典TRIZ理论由九项主要内容构成,对新材料领域创新最有现实意义的当属“进化法则”。这也是TRIZ理论体系的核心。它指出,技术系统的演变不是随机的过程、而是遵循一定的规律。新材料产业从原料制备到材料合成,本身就是典型的技术系统,应该适用于这个进化法则。它帮助人们在寻求技术及工程系统创新时有规律可循、成为产业链路径之上的策略补充,甚至是产业竞争中的优选策略。也正因为有了TRIZ理论,使得很多叹服埃隆·马斯克的普通人们也有了实现创新的信心和希望,对中国社会推进“双创”战略也具有现实意义。


TRIZ理论在应用层面也为后人准备了务实的方法论。它把所有在实践中需要解决的实际问题分成了“管理问题”、“技术问题”和“物理问题”三种类型。这种简约的划分,与企业日常生产运营活动可形成一一对应关系。举例说,如果谈战略问题,应该是个管理问题;如果说工艺话题,更多是技术问题;若是某种材料的功能开发,多半是物理问题或者是物理+技术问题。“结构性思维”、大胆假设·认真求证,是很多优秀工具和模型共通的要诀,TRIZ理论也不例外。


伴随TRIZ理论影响力的扩大,在发达经济体中很多大企业,过往几十年都曾引入过TRIZ理论及实践,如通用电气、三星、西门子等。在中国,十几年前政府已经在相关省市开展TRIZ应用试点。神华集团、华谊集团等大型企业也都先后开展过TRIZ应用实践活动。

 

TRIZ理论的主体内容

1. 进化法则

4. 39个工程参数和矛盾矩阵

7. 标准解法

2. 最终理想解

5. 物理矛盾的分离原则

8.发明问题解决算法

3. 40个发明原理

6. 物-场模型

9. 知识效应库



TRIZ进化法则与

新材料研发问题解决


作为TRIZ理论体系之首的技术进化法则,有业者指出,其与达尔文的生物进化论、斯宾塞的社会达尔文主义并称为“三大进化论”,评价之高可见一斑。TRIZ技术进化法则由10条子法则构成:


1. 系统完备性法则

6. 子系统不均衡进化法则

2. 系统能量传递法则

7. 协调-失调性进化法则

3. 提高理想度法则

8. 提高动态性和可控性进化法则

4. S-曲线法则

9. 向微观级进化法则

5. 矛盾产生及克服法则

10. 向超系统进化法则

 

在此仅探讨第9、第10条法则对新材料产业创新的前瞻和引领意义。第9条“向微观级进化法则”指出,技术系统的进化特征之一是沿着减少其元件外观尺寸方向发展的。手机,是最易理解的进化案例。法则所指的“外观尺寸减少”涵盖如下四种情景:


规模微观化:元件及物品的尺寸向原子、基本粒子的尺寸进化。这可以看作是纳米技术、石墨烯技术、生物电池、芯片及集成电路等前沿微观科技出现的理论基础。


增加离散度:改变物质的关联性、加大物质的分散程度,向多孔、毛细管等物质性态转变、加大中空度。联想到气凝胶这种新兴特种功能材料,不正是“增加离散度”最好例子吗?!


引入空洞:通过引入其它材料或空洞到单块物料中、减轻物料重量;而且空洞本身也可以填入某种材料实现特定功能。已经实际应用的多孔多腔轮胎、多孔材料、发泡水泥、以及发泡金属板材(用于汽车轻量化),都是“空洞”原理在材料领域的现实案例。笔者曾接触的德国产灌装珍珠岩页岩砌块也是“引入空洞”理念在建材领域的具体应用;即使国内建筑行业也有灌注EPS的建筑砌块制品。


场的应用:以“场”作为某种介质物质,使体系向“场+物质”转变。磁悬浮技术中的“磁场”正是连接车轮与轨道之间的介质物质吧。中国的人造太阳“东方超环”EAST中的超级磁场也不失为一种连接体系的特殊介质材料。

提示1:依据TRIZ技术系统进化法则,新材料企业大可不必“你有我有”地开展业务同质化的竞争,完全可以剑走偏锋、以市场应用及刚需为导向、从新材料向微观级进化这个“物理问题”为视角、对既有材料开展新功能的深入开发。


TRIZ技术系统进化法则第10条“向超系统进化法则”,是指一个系统发展到极限时(比如材料性能发挥),系统将于其它体系联合、向超系统和更高水平、更多系统功能方向发展进化。这个进化法则在化工新材料领域很多,包括合成树脂材料的共混改性、不同性态或功能结合而成的复合材料等。在军工、航空航天、交通等领域这些应用较为突出。还有风电机组扇叶片、新一代作战飞机部件、工民液化天然气钢瓶缠绕涂覆等等,这些对材料有更高性能要求的场合,都呈现不同材料的组合、集成、形成更高性能的所谓超系统。

提示2:向超系统进化法则也告诫扎堆新材料产能构建的企业们,与其抢着千把吨的量产,不如潜心于高精尖的复合与集成应用研发,也许更具产业的先进性和商业操作性。


同时我们注意到,向微观级进化法则与向超系统进化法则,正好是一对互为反向的体系。这正好体现了TRIZ理论的唯物辩证思维的魅力和它的生命力。

提示3:沿着上述思路思考当下新能源汽车的发展路径,产业新来者要么聚焦于系统集成、向上占据产业“超系统”架构能力;要么向下实施系统微观级的解析、专注车用材料品质功能升级。


事实上,如果分析埃隆·马斯克的产业投资逻辑,也无不闪烁TRIZ理论的亮点。他的火箭、储能电站、电动汽车和下一步的新材料甚至糖果公司,都有TRIZ技术系统进化论的影子,核心都围绕着实现人类深空梦的目标。


初识TRIZ理论,尚难理解其全貌、也难免偏颇。一种理论最大价值就是让其迅速与现实互动、产生价值。这既符合当前中国社会和产业发展需要、也促进TRIZ理论再完善更丰富、反过来指导产业更进一步。欢迎商榷。

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