小荷才露尖尖角—纳米材料

1、走进水泥金属耐磨材料急行军之第十五天小荷才露尖尖角纳米材料若非亲眼所见，别说非专业人士，即便是业内权威都很难相信眼前这令人惊异的一幕。4月的沈阳，空气中处处洋溢着浓浓的春意。在一家生产装甲运兵车的民营军工企业实验室内，一块看起来与其它并无二致的W18Cr4V合金钢块，在硬度计上生生打出了HRC76这个闻所未闻的超高硬度，直让栏主瞪圆了眼睛。随后，又是一连串不同常规钢种，在试验机上，测出如变戏法般的性能参数，令人眼花缭乱、心跳加速。末了，最后登场的是一块灰不溜秋、怎么看都不起眼的铝试棒，竟一下子拉出了令人匪夷所思的800MPa的超高强度，这意味着比重不及钢铁一半的轻金属铝，已大大超过水泥行业用来

2、制造窑、磨等机械装备的钢铁主材强度。换个咱们水泥行业的角度打个比方，这相当与在立窑上烧出了强度超过200个MPa的“梦幻”级熟料。栏主使劲揉了揉眼，又狠狠的在亲大腿上掐了一把，眼前这一幕绝非梦境。它，就是当今自然科学三大支柱之一的材料科学皇冠上最闪亮的明珠纳米材料。纳米材料作为纳米科技的一个重要组成部分，已成为现代材料研究中无论怎么形容其重要性都不过分的最前沿、最尖端、意义最重大的学科。早在1958年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖的获得者，理查德·费曼曾预言“当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围。”时光转眼流逝到上世纪80年代末期，一门旨在研究由尺

3、寸在0.1100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际运用中的技术问题的科学。说得直白点，就是通过直接操作和安排原子、分子，创新新物质的学科纳米技术，诞生了。1990年，在美国巴尔的摩召开了首届国际纳米科学技术会议。在会上，来自世界各国的科学家，对纳米科技（主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学）的前沿领域和发展前景进行了热烈讨论和激动人心的展望。并决定，以后每两年举办一届（其中1996年在我国召开了第四届纳米科技学术会议）。会议同时决定出版三种杂志：纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术。纳米这个词，最早于1974年底出

4、现在日本，但是以尺度在1100纳米颗粒来命名纳米材料则是在80年代。目前，在尖端材料科技领域，纳米材料已显示了极其强大的技术优势。特别是发现了许多传统材料不具备的奇异特性，这引起了科学家的极大兴趣。德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温显示良好的韧性，在180度经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增加韧性奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望。英国著名材料科学家卡恩在“Nature”杂志上撰文：纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。倘若有一日，这种陶瓷开始大工业化生产，那将是对水泥金属耐磨材料是一个何等的冲击，又将产生何等巨大的震荡。届

5、时我们只要随时随地，将这些耐磨性轻易超过高铬铸铁十几倍乃至几十倍的，具有超高韧性、超高强度的陶瓷随心所欲地通过粘贴、熔铸、机械等方法结合在需要的部位，真正实现金属与陶瓷这种廉价超级复合材料，那将是耐磨材料技术的革命性飞跃。这一点正如我国著名科学家钱学森预言“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。”不是栏主狭隘的民族主义作怪，其实早在1000多年前，我国劳动人民即已掌握了一些原始的纳米技术，并用之改良生产。像栏主这个年纪的人，小学时候，没有什么电玩、网游、魔兽世界，倒是常常在每周的某一天，书包里总要带上简易学生砚台和一块墨，来到学校练

6、习毛笔字。这块墨，便是最原始的纳米材料。“嘻嘻感到惊奇了吧？别急，且听栏主慢慢道来。”我国古代民间早期的墨大多是采用天然墨、半天然墨，甚至一些天然矿物。这种墨往往因品位、质地原因，所研出墨汁书写起来生、涩、暗、哑。到了汉代，开始采用松烟，即松木燃烧所凝之墨灰，这些墨灰粒，经现代技术测试，其尺度在10100个纳米间，是典型的纳米材料。配合牛皮胶、冰片、模压锤砸制成。外表漱金、漆边，便成了文房四宝中的一宝墨。我国皖南山区遍布苍松翠柏，质地优良，是制造上等松烟的优质原料。自唐代起，便以古徽州（今歙县），所出“徽墨”以“落墨如漆，万载存真”而闻名于世。这便是勤劳、智慧的我国古代劳动人民运用纳米技术改良

7、生产的一个创举。这也是当今典型的纳米材料制取方法之一“气体冷凝法”。“信了吧？呵呵”本文开头所提及的那些令人惊异万分的材料，就是用普通合金钢通过纳米注渗技术，使材料达到了空前的突变，可谓点石成金啊。纳米复合技术加工后的钢材其铸造、锻造、机加、焊接等机械加工性能良好。纳米复合钢的强度较非纳米钢最高可提高250%以上，如15Mn其提高后的抗拉强度可达2100MPa，甚至更高。且无论是常温、高温、低温或在有腐蚀介质的环境中其耐磨性较同类非纳米材料提高510倍，纳米钢对钢的摩擦系数降至0.12左右。并且具有超一流的抵抗变型和破坏的能力。例如，某些规格的装甲板经纳米复合后已经达到世界领先水平。超级金属纳

8、米复合钢在具备超高硬度的同时，弹性模量与其呈相反梯度分布。此状况下，纳米钢在经受高动能外载作用时可吸收更高的冲击能量，表现具有优良动态韧性和相当高的动态抗断裂强度。这尤其对同时要求具有高硬度、高耐磨性兼有高强度、高韧性的耐磨件有利。谁能相信一块普通的低硬度16Mn钢板，经纳米金刚石（一种特殊晶型的碳）处理后，硬度高达HRC73.8。又有谁能相信，它的注渗层可以轻而易举达到几十毫米甚至上百毫米。当我们再看到一个经纳米技术处理的钻头竟轻而易举的在一个啤酒瓶上钻出一个标准光滑的圆孔时不知会做什么感想，而这一切是当今材料理论无论如何也解释不通的。这就是沈阳这家民营军工企业的杰作。当这家企业的xxx总工

9、程师（单位及人名按保密条例恕不便披露）提起十余年间，以一个民营企业创业初期弱小实力和个人微薄积蓄，从事顶尖的纳米科技研究。为了更专心的投入研究辞去了国营大军工企业的处长职务，经费不够，便卖掉自己唯一的住房，妻子癌症十年，而无力照看。除夕之夜，当窗外已是万家灯火，实验室内靠着一包方便面、一个猪蹄子奋战通宵，以这个方式来守岁去迎接更加充满希望与挑战的新年黎明。这样一部辛酸奋斗史，栏主闻之唏嘘不已，并由衷发自内心地敬佩，这才是真正的科技英雄啊！“人是要有点精神的”伟人如是说道。那一日，栏主与这位令人尊敬的总工畅怀述谈，并共同相约，一定想方设法将这项纳米技术尽快在水泥工业投入试验。有朝一日在立磨磨辊、

10、磨盘，辊压机棍子上实现这样一个目标：方便的在廉价的低合金钢坯体上注渗厚达数十甚至上百毫米的纳米梯度复合材料，其硬度超过硬质合金而接近金刚石，同时具有极高的韧性和强度，寿命将数倍于现在的高铬铸铁及堆焊材料，而价格却又显著低于堆焊材料。至于寿命长达数十年的衬板，更新一代的寿命超过郑州鼎盛最新研发成功、投放市场的“二代大金牙”数倍甚至更多的“纳米超级大金牙”锤头，借用一句时下流行的广告语:“一切皆有可能！”屈指数来，走进水泥金属耐磨材料之急行军已高强度的行进了十五天，大家一定是很辛苦了。的确，在朋友们的大力支持下，咱们一起分享了，材料与磨损基本原理和典型耐磨材料介绍两大板块知识，有了这两块基础垫底，从下讲起进入最后的水泥行