走近纳米阀门：纳米科技有神奇

人类在不断进化，不断认知新世界。20世纪90年代，纳米产品闯进世人生活，不断有大量信息向人们展示纳米技术给生活带来的奇妙变化。正如中国科学院纳米科技项目首席科学家白春礼院士所说，“一个崭新的纳米的世界提供给人类的将是不同于以往任何经验的东西”。

纳米技术是21世纪国内外关注的重大关键技术之一，也是信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等研究的技术基础。在西方，美国人认为纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机。而根据德国科技部的预期，到2010年纳米技术的市场会达到1.4万亿美元这么大的一个潜在市场。

其实，纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，1nm＝10－9m，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1 ～100 nm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应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。纳米作为一种介观尺度，介于原子与分子之间。纳米科技进入到非常小的尺度，被认为在节约资源、减少生态环境压力、实现可持续发展方面有着巨大潜力。同时，纳米科技对实现我国传统产业的升级换代，也起着很重要的作用。

目前，科学家研究最多的是纳米材料，这也是可以和机械产品紧密结合的研究内容。纳米材料指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1～100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米材料包括纳米粉体、纳米线材料、纳米管、纳米建材、纳米薄膜与纳米块体材料等。由于纳米的这种介观尺度，纳米材料有着许多特殊性能，如一般纳米材料都具有巨大表面化介面，由小尺寸所产生的量子尺寸效应，产生特殊的光、电、热等。例如，纳米材料有着更强的力学性能（如强度和韧性等），对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。

纳米材料应用装备制造的研究在中国起步较晚，但令人兴奋的是2003年中国科学院金属研究所卢柯所长领导的研究小组，利用金属材料的表面纳米化技术在解决金属材料表面氮化这一重大技术难题上取得突破性进展。卢柯领导的研究小组先对纯铁进行表面纳米化处理，在几十微米厚的表面层中获得纳米晶体组织。然后利用常规气体氮化处理在300℃保温9h后成功地实现了表面氮化，获得10微米厚的氮化物层，其性能测试结果表明形成的表面氮化层具有很高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

铁岭阀门放“卫星”

2003年，铁岭市加大的对市内企业改革的力度，要求铁岭阀门股份有限责任公司围绕污水处理用大口径低压阀门进行技术改造，开发新产品，提高产品质量，完善企业产权制度改革，在发展壮大基础上组建集团，重振铁岭阀门在全国的市场地位。规划期末，实现年销售收入5亿元。

同时，要求企业加快用高新技术改造传统产业步伐，提高传统产业技术装备水平。到2010年三大产业综合技术水平达到国际90年代初期水平；加快高新技术产业化进程。规划期内，高新技术创造产值占工业总产值的20％，高新技术产品出口占工业制成品的15％；达到适度规模的高新技术成果转化率15％；新产品产值占工业总产值的20％。

市政府明确要求抓好精工集团、铁岭阀门两个省级技术中心建设，力争加入省级高标准、示范性企业技术中心行列，为铁岭市机械制造业的技术开发，科技攻关，科技信息传递服务。

铁岭阀门股份有限公司也是快马加鞭，不负众望，频频放出新品上市的“小卫星”。2月份，铁岭阀门承揽的2台高压闸门目前已生产组装完毕，启运到缅甸邦郎水电站，这一合同额达600多万元。铁阀公司承担邦朗水电站1号导流洞内2台底孔高压闸门生产，现场安装后其总高度为24m，宽度为7 m，长度为5.7m，由超厚复合钢板焊接而成，其重量为146t。闸门的开关通过350t液压启闭机操作。它的精度、表面质量要求高，制造难度大，加工工期短，任务十分艰巨。为保证产品质量和交货期，公司成立了邦朗水闸领导小组，由公司董事长恒力任组长，总经理刘铁南任常务组长，先后召开专题会12次，解决生产技术问题48项，在制造中采用了多项新工艺和先进的制造手段，从而保证了闸门生产顺利完成。经专家鉴定，认为铁阀公司的这一制造技术填补了国内空白，其爆炸成形复合板材料在我国也是首次使用。铁岭阀门已具备了生产大型深水位高压复合板闸门的条件，并跻身超大型闸门的世界制造先进行列。

9月份，中国创新科技网又爆出新闻：铁岭阀门公司应用纳米技术开发蝶阀产品远销海内外。铁岭阀门股份有限公司与中科院金属研究所共同研制开发的耐泥沙冲蚀蝶阀正在进行生产组装，这一应用纳米技术的新产品的开发成功使铁阀公司的科技进步工作又上了一个新台阶。然而，纳米材料与装备制造的结合并非易事。铁岭阀门吴宏年副总经理向我们透露，纳米阀门为铸铁锻造，表面采用激光熔覆技术，全现代化设备制造。阀门表面硬度为HRC35～40，但很耐磨，预计寿命比以前提高3～4倍。阀门要在宁夏引黄工程中校核一年，如果没有出现问题才算试制成功。现阶段，整体铸铁的熔覆为技术攻关难点。

科学家守口如瓶

中国科学院金属研究所创建于1953年，是材料科学与工程，腐蚀科学与防护领域国内一流的研究所。研究所坚持材料科学与工程研究的科研方向定位，以高性能金属材料、新型无机非金属材料和先进复合材料等为主要方向，研究这些材料的结构、性能、使役行为及其相互关系以及防护技术、并注重材料制备与加工及工程化研究。研究所与通用机械制造业有着密切的合作，尤其在防腐材料领域的研究卓有成效。例如磷酸料浆泵耐蚀合金、热采井口闸阀密封面耐磨蚀复合镀层等技术。

参与铁岭纳米阀门研究的中国科学院金属研究所负责人是所里三室材料环境腐蚀试验研究中心的王茂才博士。王茂才毕业于美国伊利诺伊大学，对鈦复合材料和复合材料涂层熔覆工艺进行了多年的研究。但王茂才对纳米阀门的相关报道并不赞赏。“现在要做的踏踏实实进行研究，进行技术攻关。我们还在试制阶段，蛋孵出鸡来之前先不要想着数个数。神五上天，那才叫成功。欢迎随时来金属所。”

虽然采访无法进行，但我心中十分高兴，高兴我们有这样严谨、低调、直爽、平和的科学家。我们的装备制造业太需要这样进行基础研究的科学家；通用机械太需要他们的科研能转化为现实的成果。

不过，我还是了解到激光熔覆技术的相关知识。激光熔覆技术包括外加颗粒法和原位合成法。通过激光熔覆工艺获得复合材料涂层，其基体组织结构随表层预置合金粉末成分的变化而改变。获得成功的激光熔覆工艺是将金属粉末于150℃烘干2 h，预置于基材上，预覆厚度0.7～0.8mm，放入一个特制可控气氛加工室中，抽真空后充入氩气，以保证在激光处理时合金粉末不被氧化。

利用JJ－D－400型Nd：YAG固体脉冲激光加工机进行激光熔覆处理，从而获得耐磨、耐腐蚀的金属表面。熔覆工艺条件为单脉冲量50J，频率4Hz，脉宽5ms，焦距200mm，光斑直径2mm，扫描速度1.1~5.0mm/s。

结合纳米材料，有关专家认为，材料的表面氮化温度可以利用表面纳米化技术而大幅度下降，从而使表面氮化技术的适用面大大拓宽；同时也说明通过表面纳米化技术可以实现材料表面结构选择性化学反应。这一成果显示了纳米技术对传统产业技术的升级改造具有重要的推动作用。

编后语感悟多多

在众多的先进制造技术中，此次应用于铁岭阀门的制造技术只是精密成形技术中表面工程技术。然而每一点加工技术和工艺的前进都渗透着科学研究人员的汗水。在中国两院院士联合打造“中国制造”蓝皮书中指出了中国先进制造技术的发展现状。

计算机辅助设计（CAD）技术得到了普及；快速原型制造技术应用初具规模；精密成形与加工技术水平大幅提高；热加工工艺模拟化技术取得重要进展；激光加工产业应用获得经济效益；数控技术国内市场占有率有所提高；现场总线智能仪表研究开发获重要进展；微型机械研究进展迅速；现代集成制造系统（CIMS）研究和应用取得突破；新生产模式推动制造技术进步和管理现代化。

成果众多固然令人欣喜，但在看到这么多成果的同时，我们也要发现我们存在的问题。在国外，工程人员可以把细微的观察应用到现实的科技开发当中。比如当人们发现鲨鱼的身体表面并不光滑，而有许多突起，但鲨鱼在水中游得很快，于是经过研究发现，粗糙的表面比光滑的表面更易于流体的运动。美国人把研究应用的飞机的机翼材料表面，飞机飞行得更平稳，而且节能1％。此发现用于泵内流道或阀门内流道又有什么结果呢？金属所同样有仿生技术的研究，但在原创性设计技术方面，通用机械产品引进的多而自主开发的少。还有在制造工艺与装备方面、制造过程自动化技术反面，中国制造业还处于少量拥有，低水平使用。

另外，国外应用的准时生产、精益生产、敏捷制造、绿色制造等管理思想和技术在中国制造业中还没有得以推广使用。此时我对王茂生博士的话有了更深地理解：“现在要做的踏踏实实进行研究，进行技术攻关。”

美国米顿罗计量泵（MiltonRoy）：GM0002、GM0005、GM0010、GM0025、GM0050、GM0090