小荷才露尖尖角—納米材料

1、走進水泥金屬耐磨材料急行軍之第十五天小荷才露尖尖角納米材料若非親眼所見，別說非專業(yè)人士，即便是業(yè)內(nèi)權(quán)威都很難相信眼前這令人驚異的一幕。4月的沈陽，空氣中處處洋溢著濃濃的春意。在一家生產(chǎn)裝甲運兵車的民營軍工企業(yè)實驗室內(nèi)，一塊看起來與其它并無二致的W18Cr4V合金鋼塊，在硬度計上生生打出了HRC76這個聞所未聞的超高硬度，直讓欄主瞪圓了眼睛。隨后，又是一連串不同常規(guī)鋼種，在試驗機上，測出如變戲法般的性能參數(shù)，令人眼花繚亂、心跳加速。末了，最后登場的是一塊灰不溜秋、怎么看都不起眼的鋁試棒，竟一下子拉出了令人匪夷所思的800MPa的超高強度，這意味著比重不及鋼鐵一半的輕金屬鋁，已大大超過水泥行業(yè)用來

2、制造窯、磨等機械裝備的鋼鐵主材強度。換個咱們水泥行業(yè)的角度打個比方，這相當(dāng)與在立窯上燒出了強度超過200個MPa的“夢幻”級熟料。欄主使勁揉了揉眼，又狠狠的在親大腿上掐了一把，眼前這一幕絕非夢境。它，就是當(dāng)今自然科學(xué)三大支柱之一的材料科學(xué)皇冠上最閃亮的明珠納米材料。納米材料作為納米科技的一個重要組成部分，已成為現(xiàn)代材料研究中無論怎么形容其重要性都不過分的最前沿、最尖端、意義最重大的學(xué)科。早在1958年，著名的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎的獲得者，理查德·費曼曾預(yù)言“當(dāng)我們得以對細(xì)微尺度的事物加以操縱的話，將大大擴充我們可能獲得物性的范圍?！睍r光轉(zhuǎn)眼流逝到上世紀(jì)80年代末期，一門旨在研究由尺

3、寸在0.1100納米之間的物質(zhì)組成的體系的運動規(guī)律和相互作用，以及可能的實際運用中的技術(shù)問題的科學(xué)。說得直白點，就是通過直接操作和安排原子、分子，創(chuàng)新新物質(zhì)的學(xué)科納米技術(shù)，誕生了。1990年，在美國巴爾的摩召開了首屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議。在會上，來自世界各國的科學(xué)家，對納米科技（主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)）的前沿領(lǐng)域和發(fā)展前景進行了熱烈討論和激動人心的展望。并決定，以后每兩年舉辦一屆（其中1996年在我國召開了第四屆納米科技學(xué)術(shù)會議）。會議同時決定出版三種雜志：納米結(jié)構(gòu)材料、納米生物學(xué)和納米技術(shù)。納米這個詞，最早于1974年底出

4、現(xiàn)在日本，但是以尺度在1100納米顆粒來命名納米材料則是在80年代。目前，在尖端材料科技領(lǐng)域，納米材料已顯示了極其強大的技術(shù)優(yōu)勢。特別是發(fā)現(xiàn)了許多傳統(tǒng)材料不具備的奇異特性，這引起了科學(xué)家的極大興趣。德國薩爾大學(xué)格萊德和美國阿貢國家實驗室席格先后研究成功納米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫顯示良好的韌性，在180度經(jīng)受彎曲并不產(chǎn)生裂紋，這一突破性進展，使那些為陶瓷增加韌性奮斗將近一個世紀(jì)的材料科學(xué)家們看到希望。英國著名材料科學(xué)家卡恩在“Nature”雜志上撰文：納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。倘若有一日，這種陶瓷開始大工業(yè)化生產(chǎn)，那將是對水泥金屬耐磨材料是一個何等的沖擊，又將產(chǎn)生何等巨大的震蕩。屆

5、時我們只要隨時隨地，將這些耐磨性輕易超過高鉻鑄鐵十幾倍乃至幾十倍的，具有超高韌性、超高強度的陶瓷隨心所欲地通過粘貼、熔鑄、機械等方法結(jié)合在需要的部位，真正實現(xiàn)金屬與陶瓷這種廉價超級復(fù)合材料，那將是耐磨材料技術(shù)的革命性飛躍。這一點正如我國著名科學(xué)家錢學(xué)森預(yù)言“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！辈皇菣谥鳘M隘的民族主義作怪，其實早在1000多年前，我國勞動人民即已掌握了一些原始的納米技術(shù)，并用之改良生產(chǎn)。像欄主這個年紀(jì)的人，小學(xué)時候，沒有什么電玩、網(wǎng)游、魔獸世界，倒是常常在每周的某一天，書包里總要帶上簡易學(xué)生硯臺和一塊墨，來到學(xué)校練

6、習(xí)毛筆字。這塊墨，便是最原始的納米材料。“嘻嘻感到驚奇了吧？別急，且聽欄主慢慢道來?！蔽覈糯耖g早期的墨大多是采用天然墨、半天然墨，甚至一些天然礦物。這種墨往往因品位、質(zhì)地原因，所研出墨汁書寫起來生、澀、暗、啞。到了漢代，開始采用松煙，即松木燃燒所凝之墨灰，這些墨灰粒，經(jīng)現(xiàn)代技術(shù)測試，其尺度在10100個納米間，是典型的納米材料。配合牛皮膠、冰片、模壓錘砸制成。外表漱金、漆邊，便成了文房四寶中的一寶墨。我國皖南山區(qū)遍布蒼松翠柏，質(zhì)地優(yōu)良，是制造上等松煙的優(yōu)質(zhì)原料。自唐代起，便以古徽州（今歙縣），所出“徽墨”以“落墨如漆，萬載存真”而聞名于世。這便是勤勞、智慧的我國古代勞動人民運用納米技術(shù)改良

7、生產(chǎn)的一個創(chuàng)舉。這也是當(dāng)今典型的納米材料制取方法之一“氣體冷凝法”。“信了吧？呵呵”本文開頭所提及的那些令人驚異萬分的材料，就是用普通合金鋼通過納米注滲技術(shù)，使材料達到了空前的突變，可謂點石成金啊。納米復(fù)合技術(shù)加工后的鋼材其鑄造、鍛造、機加、焊接等機械加工性能良好。納米復(fù)合鋼的強度較非納米鋼最高可提高250%以上，如15Mn其提高后的抗拉強度可達2100MPa，甚至更高。且無論是常溫、高溫、低溫或在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中其耐磨性較同類非納米材料提高510倍，納米鋼對鋼的摩擦系數(shù)降至0.12左右。并且具有超一流的抵抗變型和破壞的能力。例如，某些規(guī)格的裝甲板經(jīng)納米復(fù)合后已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平。超級金屬納

8、米復(fù)合鋼在具備超高硬度的同時，彈性模量與其呈相反梯度分布。此狀況下，納米鋼在經(jīng)受高動能外載作用時可吸收更高的沖擊能量，表現(xiàn)具有優(yōu)良動態(tài)韌性和相當(dāng)高的動態(tài)抗斷裂強度。這尤其對同時要求具有高硬度、高耐磨性兼有高強度、高韌性的耐磨件有利。誰能相信一塊普通的低硬度16Mn鋼板，經(jīng)納米金剛石（一種特殊晶型的碳）處理后，硬度高達HRC73.8。又有誰能相信，它的注滲層可以輕而易舉達到幾十毫米甚至上百毫米。當(dāng)我們再看到一個經(jīng)納米技術(shù)處理的鉆頭竟輕而易舉的在一個啤酒瓶上鉆出一個標(biāo)準(zhǔn)光滑的圓孔時不知會做什么感想，而這一切是當(dāng)今材料理論無論如何也解釋不通的。這就是沈陽這家民營軍工企業(yè)的杰作。當(dāng)這家企業(yè)的xxx總工

9、程師（單位及人名按保密條例恕不便披露）提起十余年間，以一個民營企業(yè)創(chuàng)業(yè)初期弱小實力和個人微薄積蓄，從事頂尖的納米科技研究。為了更專心的投入研究辭去了國營大軍工企業(yè)的處長職務(wù)，經(jīng)費不夠，便賣掉自己唯一的住房，妻子癌癥十年，而無力照看。除夕之夜，當(dāng)窗外已是萬家燈火，實驗室內(nèi)靠著一包方便面、一個豬蹄子奮戰(zhàn)通宵，以這個方式來守歲去迎接更加充滿希望與挑戰(zhàn)的新年黎明。這樣一部辛酸奮斗史，欄主聞之唏噓不已，并由衷發(fā)自內(nèi)心地敬佩，這才是真正的科技英雄??！“人是要有點精神的”偉人如是說道。那一日，欄主與這位令人尊敬的總工暢懷述談，并共同相約，一定想方設(shè)法將這項納米技術(shù)盡快在水泥工業(yè)投入試驗。有朝一日在立磨磨輥、

10、磨盤，輥壓機棍子上實現(xiàn)這樣一個目標(biāo)：方便的在廉價的低合金鋼坯體上注滲厚達數(shù)十甚至上百毫米的納米梯度復(fù)合材料，其硬度超過硬質(zhì)合金而接近金剛石，同時具有極高的韌性和強度，壽命將數(shù)倍于現(xiàn)在的高鉻鑄鐵及堆焊材料，而價格卻又顯著低于堆焊材料。至于壽命長達數(shù)十年的襯板，更新一代的壽命超過鄭州鼎盛最新研發(fā)成功、投放市場的“二代大金牙”數(shù)倍甚至更多的“納米超級大金牙”錘頭，借用一句時下流行的廣告語:“一切皆有可能！”屈指數(shù)來，走進水泥金屬耐磨材料之急行軍已高強度的行進了十五天，大家一定是很辛苦了。的確，在朋友們的大力支持下，咱們一起分享了，材料與磨損基本原理和典型耐磨材料介紹兩大板塊知識，有了這兩塊基礎(chǔ)墊底，從下講起進入最后的水泥行