人類在不斷進化,不斷認知新世界。20世紀90年代,納米產品闖進世人生活,不斷有大量信息向人們展示納米技術給生活帶來的奇妙變化。正如中國科學院納米科技項目首席科學家白春禮院士所說,“一個嶄新的納米的世界提供給人類的將是不同于以往任何經(jīng)驗的東西”。
納米技術是21世紀國內外關注的重大關鍵技術之一,也是信息技術、生命科學、分子生物學、新材料等研究的技術基礎。在西方,美國人認為納米科技會成為21世紀經(jīng)濟發(fā)展的發(fā)動機。而根據(jù)德國科技部的預期,到2010年納米技術的市場會達到1.4萬億美元這么大的一個潛在市場。
其實,納米(nm)和米、微米等單位一樣,是一種長度單位,1nm=10-9m,約比化學鍵長大一個數(shù)量級。納米科技是研究由尺寸在0.1 ~100 nm之間的物質組成的體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。可衍生出納米電子學、機械學、生物學、材料學加工學等。納米作為一種介觀尺度,介于原子與分子之間。納米科技進入到非常小的尺度,被認為在節(jié)約資源、減少生態(tài)環(huán)境壓力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面有著巨大潛力。同時,納米科技對實現(xiàn)我國傳統(tǒng)產業(yè)的升級換代,也起著很重要的作用。
目前,科學家研究最多的是納米材料,這也是可以和機械產品緊密結合的研究內容。納米材料指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1~100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小,界面占用相當大的成分。因此,納米材料具有多種特點,這就導致由納米微粒構成的體系出現(xiàn)了不同于通常的大塊宏觀材料體系的許多特殊性質。納米材料包括納米粉體、納米線材料、納米管、納米建材、納米薄膜與納米塊體材料等。由于納米的這種介觀尺度,納米材料有著許多特殊性能,如一般納米材料都具有巨大表面化介面,由小尺寸所產生的量子尺寸效應,產生特殊的光、電、熱等。例如,納米材料有著更強的力學性能(如強度和韌性等),對納米陶瓷來說,納米化可望解決陶瓷的脆性問題,并可能表現(xiàn)出與金屬等材料類似的塑性。
納米材料應用裝備制造的研究在中國起步較晚,但令人興奮的是2003年中國科學院金屬研究所盧柯所長領導的研究小組,利用金屬材料的表面納米化技術在解決金屬材料表面氮化這一重大技術難題上取得突破性進展。盧柯領導的研究小組先對純鐵進行表面納米化處理,在幾十微米厚的表面層中獲得納米晶體組織。然后利用常規(guī)氣體氮化處理在300℃保溫9h后成功地實現(xiàn)了表面氮化,獲得10微米厚的氮化物層,其性能測試結果表明形成的表面氮化層具有很高的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。
科學家守口如瓶
中國科學院金屬研究所創(chuàng)建于1953年,是材料科學與工程,腐蝕科學與防護領域國內一流的研究所。研究所堅持材料科學與工程研究的科研方向定位,以高性能金屬材料、新型無機非金屬材料和先進復合材料等為主要方向,研究這些材料的結構、性能、使役行為及其相互關系以及防護技術、并注重材料制備與加工及工程化研究。研究所與通用機械制造業(yè)有著密切的合作,尤其在防腐材料領域的研究卓有成效。例如磷酸料漿泵耐蝕合金、熱采井口閘閥密封面耐磨蝕復合鍍層等技術。
參與鐵嶺納米閥門研究的中國科學院金屬研究所負責人是所里三室材料環(huán)境腐蝕試驗研究中心的王茂才博士。王茂才畢業(yè)于美國伊利諾伊大學,對鈦復合材料和復合材料涂層熔覆工藝進行了多年的研究。但王茂才對納米閥門的相關報道并不贊賞?!艾F(xiàn)在要做的踏踏實實進行研究,進行技術攻關。我們還在試制階段,蛋孵出雞來之前先不要想著數(shù)個數(shù)。神五上天,那才叫成功。歡迎隨時來金屬所?!?/font>
雖然采訪無法進行,但我心中十分高興,高興我們有這樣嚴謹、低調、直爽、平和的科學家。我們的裝備制造業(yè)太需要這樣進行基礎研究的科學家;通用機械太需要他們的科研能轉化為現(xiàn)實的成果。
利用JJ-D-400型Nd:YAG固體脈沖激光加工機進行激光熔覆處理,從而獲得耐磨、耐腐蝕的金屬表面。熔覆工藝條件為單脈沖量50J,頻率4Hz,脈寬5ms,焦距200mm,光斑直徑2mm,掃描速度1.1~5.0mm/s。
結合納米材料,有關專家認為,材料的表面氮化溫度可以利用表面納米化技術而大幅度下降,從而使表面氮化技術的適用面大大拓寬;同時也說明通過表面納米化技術可以實現(xiàn)材料表面結構選擇性化學反應。這一成果顯示了納米技術對傳統(tǒng)產業(yè)技術的升級改造具有重要的推動作用。
編后語感悟多多
在眾多的先進制造技術中,此次應用于鐵嶺閥門的制造技術只是精密成形技術中表面工程技術。然而每一點加工技術和工藝的前進都滲透著科學研究人員的汗水。在中國兩院院士聯(lián)合打造“中國制造”藍皮書中指出了中國先進制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀。
計算機輔助設計(CAD)技術得到了普及;快速原型制造技術應用初具規(guī)模;精密成形與加工技術水平大幅提高;熱加工工藝模擬化技術取得重要進展;激光加工產業(yè)應用獲得經(jīng)濟效益;數(shù)控技術國內市場占有率有所提高;現(xiàn)場總線智能儀表研究開發(fā)獲重要進展;微型機械研究進展迅速;現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)研究和應用取得突破;新生產模式推動制造技術進步和管理現(xiàn)代化。
成果眾多固然令人欣喜,但在看到這么多成果的同時,我們也要發(fā)現(xiàn)我們存在的問題,在原創(chuàng)性設計技術方面,通用機械產品引進的多而自主開發(fā)的少。還有在制造工藝與裝備方面、制造過程自動化技術反面,中國制造業(yè)還處于少量擁有,低水平使用。
另外,國外應用的準時生產、精益生產、敏捷制造、綠色制造等管理思想和技術在中國制造業(yè)中還沒有得以推廣使用。此時我對王茂生博士的話有了更深地理解:“現(xiàn)在要做的踏踏實實進行研究,進行技術攻關。”