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納米工藝在冶金中的主要應用
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2016-01-05
冶金生產中已有實際應用納米工藝的例子。如阿沙冶金廠按工業規模生產5NbCuSiB合金，是巴爾金中央黑色冶金科學研究所研制，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率，同樣重要的是較低的價格。
?1?納米工藝的目標
實際的納米工藝計劃解決2個主要問題。
首先，它們可能使設備和儀器進一步微型化。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形成要求的性能。移動電話就是很好的例子。這些多功能設備能進行攝像和攝影，進行聲波記錄等。納米工藝在醫學中的任務同樣重要。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算機。它們能移動到人體內，以便傳遞內部器官狀態最準確可靠的信息。應用藥劑的納米脈沖和納米劑量，預示著成功醫治最復雜的和現今的不治之癥。
尺寸效應在電子學和光學儀器中會產生巨大優勢。航天和航空技術裝備應用納米材料和納米工藝很有前景。因為，這些地方設備的重量和尺寸問題具有決定意義。
第2個任務是獲得具有全新性能的材料，它們是用傳統方法不能獲得的。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%，甚至占物質的主要重量。在許多情況下，微粒或納米晶體的發達表面，會在質量上產生新的物理、化學和力學性能。納米微粒組成的材料，特別是在一定的條件下，顯示出全新的導電、磁性、光學及其他特性。例如，納米粉末開始自然發光，另外與周圍環境相互作用，甚至能改變自己相成分。借助納米工藝可以目標明確地利用性能的這種突變效應。
2?納米工藝發展
采用常規的工藝也可以獲得納米效應。例如，俄羅斯科學院固體物理研究所用大的總壓下量多次軋制方法，獲得由幾千層極薄（10nm）層組成的、銅和鈮復層帶材試樣，具有極好的超導性能。由此可以得出結論：現代冶金設備（軋機、熱處理爐等）能獲得納米材料產品。
生產的納米產品有80%以上是納米粉末。在20世紀50年代，就已經開始得到應用，在采用“納米”術語前稱為超細度粉末。在俄羅斯，首先是М、И、特魯索夫等對這方面的發展作出了強有力的貢獻。他們在制造钚的工藝過程中能夠獲得小于100nm的微粒。
現代納米材料可以分成幾類：納米晶組成的物質；很小厚度的納米表層；納米尺寸微粒組成的納米粉末。這不是現代納米材料的全部類型。
應指出具有很小尺寸，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用。在中世紀制造帶彩色繪畫的玻璃時，使用添加超細度金屬微粒的方法，達到改變玻璃顏色的目的。神奇的大馬士革鋼獨特的性能，應歸功于按一定制度鍛造產生的納米組織；而著名的金箔實質就是由實體材料制成納米薄膜鍍層。目前使用術語“納米組織材料”，表示這種材料成分中有相應尺寸的微粒或其他組織元素（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碳化物保證了強化效應。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”的決定標準。
?3?俄羅斯在納米領域的研究
納米工藝的有效應用，可以改善結構材料的性能。例如，借助納米工藝可以保證材料表面強化效應，能獲得表面很強而核心具有韌性的材料。同時鍍層的厚度能控制在很窄范圍內。莫斯科鋼鐵和合金學院以E.A.列瓦紹夫教授為首的研究組，別爾哥羅德國立大學以Ю、Р、科洛博夫教授為首的納米工藝科學中心集體在這方面達到較大成就。
最近幾年，發現了碳的新變體Фумерены，在其基礎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度幾倍的強度，可以用作復合材料加強纖維，以及作為高效反射鍍層基體等。這個方面的進一步發展是獲得硅的類似效應，研制納米管合金化的方法。據專家的觀點，應用這些納米組份，在制造新的結構和功能材料中，能保證質量上的飛躍。
因為組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。
馬法航空工業大學在Р.З.瓦利耶夫教授領導下，俄羅斯科學巴伊科夫冶金和金屬學研究所在C.B.多巴特金教授領導下，進行了引人注目的工作。用大壓下量強塑性變形方法，獲得鋼的納米組織結構以及具有極好強度特性的鈦、鋁和銅合金。
冶金生產中已有實際應用納米工藝的例子。如阿沙冶金廠按工業規模生產5NbCuSiB合金，是巴爾金中央黑色冶金科學研究所研制，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率，同樣重要的是較低的價格。在Г.格良伊德爾教授使“納米”術語通用以前，就已研制了這種合金。如今這種產品廣泛而成功地用于生產各工業部門的電子設備、繼電器、隨動系統組元。
研究超細度組織，可以認為是納米工藝和納米材料領域開拓的前提，永遠是中央黑色冶金科學研究所金屬學和金屬物理研究所的一個主要研究方向。原先金屬學和金屬物理研究所的創始人，Г、В、庫爾久莫夫院士對彌散硬化理念做出了巨大貢獻。實際上，建立了獲得高強馬氏體納米鋼的科學基礎。金屬學和金屬物理研究所的專家繼續這些研究，研制了強度超過3500MPa馬氏體時效鋼，成功地用于航天器的能量機械儲存器結構中，依靠析出尺寸幾十納米的金屬間化合物，加強馬氏體的強化效應。這種材料達到了工業應用。與傳統方向一樣，研究所進行了熔體超速淬火，獲得非晶態和納米晶材料的研究。這些材料新的改進型態，具有高的機械性和磁性。除淬火外采用強度變形方法，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，強度提高4倍~5倍。中央黑色冶金科學研究所粉末冶金研究所，成功地進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研究所、中央金屬結構科學研究所“Прометей”和謝韋爾鋼切列波維茨鋼鐵公司，聯合研制大口徑鋼管用強度級達X100新耐寒微合金鋼。以前通常借助昂貴的合金化達到這些鋼的強化效應和使用壽命。在現在的“Метам”設計中，研究所的科學家在Ю、Д、莫羅佐夫領導下，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，達到增強強化的效應。推薦小費用的工業煉鋼工藝，按照國際標準已通過了鑒定試驗。維克薩冶金廠用這些工藝制造的工業批量鋼管，在實際使用條件下試驗成功。耐寒鋼也能用于造船、海洋平臺、貯油罐、海洋碼頭等。在溫度達零下40℃，可能地震、風暴和積冰影響條件下，有靜態、周期性和動態負荷條件下，這些材料保證在北極大陸架上的安裝和使用。石油運輸公司的專家確認，在經濟指標完全合格條件下，這種鋼在動態負荷條件下強度、韌性和抗裂性超過了所有俄羅斯和國外有名的同類產品。因此，甚至在現在特殊的經濟環境下，中央黑色冶金科學研究所的研制產品也有用戶。
最新的研究有中央黑色冶金科學研究所、中央金屬結構科學研究所“Прометей”和謝韋爾鋼切列波維茨鋼鐵公司，聯合研制大口徑鋼管用強度級達X100新耐寒微合金鋼。以前通常借助昂貴的合金化達到這些鋼的強化效應和使用壽命。在現在的“Метам”設計中，研究所的科學家在Ю、Д、莫羅佐夫領導下，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，達到增強強化的效應。推薦小費用的工業煉鋼工藝，按照國際標準已通過了鑒定試驗。維克薩冶金廠用這些工藝制造的工業批量鋼管，在實際使用條件下試驗成功。耐寒鋼也能用于造船、海洋平臺、貯油罐、海洋碼頭等。在溫度達零下40℃，可能地震、風暴和積冰影響條件下，有靜態、周期性和動態負荷條件下，這些材料保證在北極大陸架上的安裝和使用。石油運輸公司的專家確認，在經濟指標完全合格條件下，這種鋼在動態負荷條件下強度、韌性和抗裂性超過了所有俄羅斯和國外有名的同類產品。因此，甚至在現在特殊的經濟環境下，中央黑色冶金科學研究所的研制產品也有用戶。
研究所成功研制了所謂的梯度納米材料。它們在規定的工藝制度條件下可以目標明確地改變制品不同部分的性能。例如，電動機的電樞利用了這個性能。用專門的納米組織處理方法，可以改變材料的磁性，產生可調整性能的“納米區”。
總之，巴爾金中央黑色冶金科學研究所在E、X、沙赫帕佐夫領導下，保持了在物理材料學領域重要中心的地位，是推廣冶金納米工藝的主要研究所，是該題目所有科學論壇和會議的參加者。
從科學工藝的新穎性和內容上看，俄羅斯的科學家至少不遜色，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，我們的科學家毫無疑問占居第一位。這既屬于強塑性變形領域，又屬于熔體淬火的研制（例如，5NbCuSiB冶金生產工藝）。
俄羅斯許多科研單位都在進行納米工藝的研究，實施不同水平、規模和重要性的數百個規劃。這些規劃彼此不可分割，相互配合，總體定位在科學、組織和金融方面。
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