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納米工藝在冶金中的主要應(yīng)用

發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司bt990.com.cn 更新時(shí)間：2016-01-05

?1?納米工藝的目標(biāo)

　　實(shí)際的納米工藝計(jì)劃解決2個(gè)主要問題。

　　首先，它們可能使設(shè)備和儀器進(jìn)一步微型化。特別是借助不同組織或用噴涂獲得極薄的薄膜，可以在很小的體積內(nèi)形成要求的性能。移動(dòng)電話就是很好的例子。這些多功能設(shè)備能進(jìn)行攝像和攝影，進(jìn)行聲波記錄等。納米工藝在醫(yī)學(xué)中的任務(wù)同樣重要。有可能制造新一代的診斷儀器：微型傳感器，甚至特定類型的微型計(jì)算機(jī)。它們能移動(dòng)到人體內(nèi)，以便傳遞內(nèi)部器官狀態(tài)最準(zhǔn)確可靠的信息。應(yīng)用藥劑的納米脈沖和納米劑量，預(yù)示著成功醫(yī)治最復(fù)雜的和現(xiàn)今的不治之癥。

　　尺寸效應(yīng)在電子學(xué)和光學(xué)儀器中會(huì)產(chǎn)生巨大優(yōu)勢。航天和航空技術(shù)裝備應(yīng)用納米材料和納米工藝很有前景。因?yàn)?，這些地方設(shè)備的重量和尺寸問題具有決定意義。

　　第2個(gè)任務(wù)是獲得具有全新性能的材料，它們是用傳統(tǒng)方法不能獲得的。表面、晶間及相間界面，對于很小尺寸的致密微粒或相，起著特別重要的作用。它們可能占總體積的50%，甚至占物質(zhì)的主要重量。在許多情況下，微?；蚣{米晶體的發(fā)達(dá)表面，會(huì)在質(zhì)量上產(chǎn)生新的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。納米微粒組成的材料，特別是在一定的條件下，顯示出全新的導(dǎo)電、磁性、光學(xué)及其他特性。例如，納米粉末開始自然發(fā)光，另外與周圍環(huán)境相互作用，甚至能改變自己相成分。借助納米工藝可以目標(biāo)明確地利用性能的這種突變效應(yīng)。

2?納米工藝發(fā)展

　　采用常規(guī)的工藝也可以獲得納米效應(yīng)。例如，俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所用大的總壓下量多次軋制方法，獲得由幾千層極?。?0nm）層組成的、銅和鈮復(fù)層帶材試樣，具有極好的超導(dǎo)性能。由此可以得出結(jié)論：現(xiàn)代冶金設(shè)備（軋機(jī)、熱處理爐等）能獲得納米材料產(chǎn)品。

　　生產(chǎn)的納米產(chǎn)品有80%以上是納米粉末。在20世紀(jì)50年代，就已經(jīng)開始得到應(yīng)用，在采用“納米”術(shù)語前稱為超細(xì)度粉末。在俄羅斯，首先是М、И、特魯索夫等對這方面的發(fā)展作出了強(qiáng)有力的貢獻(xiàn)。他們在制造钚的工藝過程中能夠獲得小于100nm的微粒。

　　現(xiàn)代納米材料可以分成幾類：納米晶組成的物質(zhì)；很小厚度的納米表層；納米尺寸微粒組成的納米粉末。這不是現(xiàn)代納米材料的全部類型。

　　應(yīng)指出具有很小尺寸，即小于100nm，不是確定某一具體工藝為納米工藝的充分理由。在很久以前，納米工藝就已得到應(yīng)用。在中世紀(jì)制造帶彩色繪畫的玻璃時(shí)，使用添加超細(xì)度金屬微粒的方法，達(dá)到改變玻璃顏色的目的。神奇的大馬士革鋼獨(dú)特的性能，應(yīng)歸功于按一定制度鍛造產(chǎn)生的納米組織；而著名的金箔實(shí)質(zhì)就是由實(shí)體材料制成納米薄膜鍍層。目前使用術(shù)語“納米組織材料”，表示這種材料成分中有相應(yīng)尺寸的微?；蚱渌M織元素（不必是晶粒）。例如，在高速切削鋼中，形式上也可以說是納米微粒的超細(xì)碳化物保證了強(qiáng)化效應(yīng)。然而，性能的變化，顯然才是某種材料和工藝可以確定為“納米”的決定標(biāo)準(zhǔn)。

?3?俄羅斯在納米領(lǐng)域的研究

納米工藝的有效應(yīng)用，可以改善結(jié)構(gòu)材料的性能。例如，借助納米工藝可以保證材料表面強(qiáng)化效應(yīng)，能獲得表面很強(qiáng)而核心具有韌性的材料。同時(shí)鍍層的厚度能控制在很窄范圍內(nèi)。莫斯科鋼鐵和合金學(xué)院以E.A.列瓦紹夫教授為首的研究組，別爾哥羅德國立大學(xué)以Ю、Р、科洛博夫教授為首的納米工藝科學(xué)中心集體在這方面達(dá)到較大成就。

　　最近幾年，發(fā)現(xiàn)了碳的新變體Фумерены，在其基礎(chǔ)上可以制造全新的材料。例如，Фумерен變體納米管具有超過金剛石強(qiáng)度幾倍的強(qiáng)度，可以用作復(fù)合材料加強(qiáng)纖維，以及作為高效反射鍍層基體等。這個(gè)方面的進(jìn)一步發(fā)展是獲得硅的類似效應(yīng)，研制納米管合金化的方法。據(jù)專家的觀點(diǎn)，應(yīng)用這些納米組份，在制造新的結(jié)構(gòu)和功能材料中，能保證質(zhì)量上的飛躍。

　　因?yàn)榻M織中必須具有很小尺寸的相位組份：碳化物或金屬間化合物（合金鋼），所以具有確定條件的典型鋼可以列入納米材料。

　　馬法航空工業(yè)大學(xué)在Р.З.瓦利耶夫教授領(lǐng)導(dǎo)下，俄羅斯科學(xué)巴伊科夫冶金和金屬學(xué)研究所在C.B.多巴特金教授領(lǐng)導(dǎo)下，進(jìn)行了引人注目的工作。用大壓下量強(qiáng)塑性變形方法，獲得鋼的納米組織結(jié)構(gòu)以及具有極好強(qiáng)度特性的鈦、鋁和銅合金。

　　冶金生產(chǎn)中已有實(shí)際應(yīng)用納米工藝的例子。如阿沙冶金廠按工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)5NbCuSiB合金，是巴爾金中央黑色冶金科學(xué)研究所研制，由非晶相（20%）和尺寸約5nm~10nm納米晶（80%）組成。合金具有極好的磁導(dǎo)率，同樣重要的是較低的價(jià)格。在Г.格良伊德爾教授使“納米”術(shù)語通用以前，就已研制了這種合金。如今這種產(chǎn)品廣泛而成功地用于生產(chǎn)各工業(yè)部門的電子設(shè)備、繼電器、隨動(dòng)系統(tǒng)組元。

　　研究超細(xì)度組織，可以認(rèn)為是納米工藝和納米材料領(lǐng)域開拓的前提，永遠(yuǎn)是中央黑色冶金科學(xué)研究所金屬學(xué)和金屬物理研究所的一個(gè)主要研究方向。原先金屬學(xué)和金屬物理研究所的創(chuàng)始人，Г、В、庫爾久莫夫院士對彌散硬化理念做出了巨大貢獻(xiàn)。實(shí)際上，建立了獲得高強(qiáng)馬氏體納米鋼的科學(xué)基礎(chǔ)。金屬學(xué)和金屬物理研究所的專家繼續(xù)這些研究，研制了強(qiáng)度超過3500MPa馬氏體時(shí)效鋼，成功地用于航天器的能量機(jī)械儲(chǔ)存器結(jié)構(gòu)中，依靠析出尺寸幾十納米的金屬間化合物，加強(qiáng)馬氏體的強(qiáng)化效應(yīng)。這種材料達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用。與傳統(tǒng)方向一樣，研究所進(jìn)行了熔體超速淬火，獲得非晶態(tài)和納米晶材料的研究。這些材料新的改進(jìn)型態(tài)，具有高的機(jī)械性和磁性。除淬火外采用強(qiáng)度變形方法，以及在低溫條件下低溫變形的新方法，從而獲得具有納米馬氏體組織的鋼，強(qiáng)度提高4倍~5倍。中央黑色冶金科學(xué)研究所粉末冶金研究所，成功地進(jìn)行了獲得納米組織粉末的工作。
　　最新的研究有中央黑色冶金科學(xué)研究所、中央金屬結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所“Прометей”和謝韋爾鋼切列波維茨鋼鐵公司，聯(lián)合研制大口徑鋼管用強(qiáng)度級達(dá)X100新耐寒微合金鋼。以前通常借助昂貴的合金化達(dá)到這些鋼的強(qiáng)化效應(yīng)和使用壽命。在現(xiàn)在的“Метам”設(shè)計(jì)中，研究所的科學(xué)家在Ю、Д、莫羅佐夫領(lǐng)導(dǎo)下，依靠析出鉬、釩、鉻的碳氮化物納米相，選擇形變熱處理的最佳溫度制度，達(dá)到增強(qiáng)強(qiáng)化的效應(yīng)。推薦小費(fèi)用的工業(yè)煉鋼工藝，按照國際標(biāo)準(zhǔn)已通過了鑒定試驗(yàn)。維克薩冶金廠用這些工藝制造的工業(yè)批量鋼管，在實(shí)際使用條件下試驗(yàn)成功。耐寒鋼也能用于造船、海洋平臺(tái)、貯油罐、海洋碼頭等。在溫度達(dá)零下40℃，可能地震、風(fēng)暴和積冰影響條件下，有靜態(tài)、周期性和動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下，這些材料保證在北極大陸架上的安裝和使用。石油運(yùn)輸公司的專家確認(rèn)，在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)完全合格條件下，這種鋼在動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下強(qiáng)度、韌性和抗裂性超過了所有俄羅斯和國外有名的同類產(chǎn)品。因此，甚至在現(xiàn)在特殊的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中央黑色冶金科學(xué)研究所的研制產(chǎn)品也有用戶。

　　研究所成功研制了所謂的梯度納米材料。它們在規(guī)定的工藝制度條件下可以目標(biāo)明確地改變制品不同部分的性能。例如，電動(dòng)機(jī)的電樞利用了這個(gè)性能。用專門的納米組織處理方法，可以改變材料的磁性，產(chǎn)生可調(diào)整性能的“納米區(qū)”。

　　總之，巴爾金中央黑色冶金科學(xué)研究所在E、X、沙赫帕佐夫領(lǐng)導(dǎo)下，保持了在物理材料學(xué)領(lǐng)域重要中心的地位，是推廣冶金納米工藝的主要研究所，是該題目所有科學(xué)論壇和會(huì)議的參加者。

　　從科學(xué)工藝的新穎性和內(nèi)容上看，俄羅斯的科學(xué)家至少不遜色，而且在許多方面甚至超過了西方競爭者。例如，在納米粉末題目的典型研究中，我們的科學(xué)家毫無疑問占居第一位。這既屬于強(qiáng)塑性變形領(lǐng)域，又屬于熔體淬火的研制（例如，5NbCuSiB冶金生產(chǎn)工藝）。

　　俄羅斯許多科研單位都在進(jìn)行納米工藝的研究，實(shí)施不同水平、規(guī)模和重要性的數(shù)百個(gè)規(guī)劃。這些規(guī)劃彼此不可分割，相互配合，總體定位在科學(xué)、組織和金融方面。

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