王勝剛 龍康

新材料在人類文明進程中起到了非常重要的作用。納米材料作為20世紀80年代提出的新概念，在人們的思想觀念、生活和工作中產(chǎn)生了深遠的影響。世界各國提出了不同領(lǐng)域的納米技術(shù)發(fā)展規(guī)劃并投入巨資開展納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。2001年至今，筆者開展了深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬材料產(chǎn)業(yè)化和該技術(shù)制備的納米晶金屬材料相關(guān)性能及其機理的基礎(chǔ)性研究工作。通過這些工作，筆者不斷地探索如何提高深度軋制技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化程度、降低成本和拓展該制備技術(shù)制備納米晶金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合這2方面的工作進展，筆者介紹深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料應(yīng)用前景。

一、深度軋制技術(shù)簡介

深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材是基于制備技術(shù)產(chǎn)業(yè)化理念，根據(jù)金屬材料形變理論和金屬材料加工企業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀提出[1，2]。深度軋制技術(shù)主要工藝過程包括軋前熱處理、熱軋、冷軋和軋后熱處理。如果在金屬材料冶煉后采用深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材，可以減少軋前熱處理環(huán)節(jié)，降低納米晶金屬板材的生產(chǎn)成本。深度軋制技術(shù)中關(guān)鍵的工藝參數(shù)包括熱軋溫度、熱軋形變速率、金屬板材溫度變化、冷軋形變速率、熱軋和冷軋形變量等。納米晶金屬板材的加工性能、機械性能和相關(guān)的物理與化學(xué)性能依賴于這些加工參數(shù)的變化。如果這些加工工藝參數(shù)選取不當(dāng)，雖然也可以生產(chǎn)納米晶金屬板材，但其機械性能、加工性能、物理與化學(xué)性能可能惡化（與相應(yīng)的普通金屬材料相比），失去金屬材料納米化的價值和意義。深度軋制技術(shù)可以在普通金屬加工企業(yè)實現(xiàn)，制備納米晶金屬板材的尺寸取決于軋制設(shè)備、軋前普通金屬材料的尺寸和軋制工藝，可以根據(jù)納米晶金屬板材的材質(zhì)和尺寸確定軋制設(shè)備需要相關(guān)工藝參數(shù)和軋前普通金屬材料尺寸。由于不同金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)和變形機理不同，不同金屬材料的深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材具有不同軋制工藝參數(shù)和材料尺寸要求。深度軋制技術(shù)能夠生產(chǎn)多種納米晶金屬板材，包括純金屬和合金材料。理論上，能夠進行壓力加工的金屬材料可以利用深度軋制技術(shù)生產(chǎn)納米晶金屬板材。

二、深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材在海洋材料領(lǐng)域應(yīng)用

深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬板材，與相應(yīng)的普通金屬材料相比，屈強比提高，彈性應(yīng)變增加、延伸率雖然降低，但不低于35%。圖1和圖2分別為納米晶304不銹鋼（BN-SS304）和普通304不銹鋼（CP-SS304）不同應(yīng)變速率時屈服強度和延伸率。中性和酸性含有氯離子（Cl-）的溶液中，深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬板材耐均勻腐蝕和局部腐蝕阻力提高[3-7]；室溫低周疲勞強度和壽命同時提高；酸性含有Cl-的溶液中，耐應(yīng)力腐蝕性能提高。圖3為納米晶和普通304不銹鋼鹽酸溶液中室溫浸泡30天后腐蝕表面形貌的掃描電子顯微鏡照片。

深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料在海洋用金屬材料領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。例如，如果將目前使用的普通金屬船板納米化，由于納米晶金屬板材強度和耐腐蝕性能提高，能夠減少船體自身質(zhì)量、增加船舶有效載荷、減少能耗，減少船體表面涂裝成本、減少表面涂裝引起的海洋污染、減少由于金屬材料腐蝕引起的維護成本、增強船體的沖撞能力等。在海洋石油鉆井平臺方面，將現(xiàn)有石油鉆井平臺用的金屬材料利用深度軋制技術(shù)納米化處理后替換原有的金屬材料，能夠提高鉆井平臺結(jié)構(gòu)的安全性和服役壽命，減少鉆井平臺由于腐蝕和疲勞引起的突發(fā)事故發(fā)生。海洋環(huán)境中建筑用的普通金屬材料，如果利用深度軋制技術(shù)將部分金屬材料納米化，能夠提高建筑物的結(jié)構(gòu)強度和服役壽命。對于裸露于海洋大氣中的金屬建筑材料和設(shè)備，能夠提高這些金屬材料的耐大氣腐蝕能力，減少腐蝕防護成本、提高建筑或者相應(yīng)設(shè)備的可靠性。

近幾年來，隨著我國海洋開發(fā)和海洋維權(quán)力度加大，海洋用金屬材料，如船舶、石油鉆井平臺和海島建筑等對金屬材料的需求加大，對海洋用金屬材料提出更嚴格要求。因此，具有高強度、高屈強比、耐疲勞和耐腐蝕，特別是耐局部腐蝕能力提高的納米晶金屬板材未來有望成為海洋裝備工程用金屬材料中具有競爭力的金屬材料。

三、深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材在高溫?zé)岣g環(huán)境中應(yīng)用

空氣、熔鹽、腐蝕性氣體和無機鹽等高溫腐蝕環(huán)境中（溫度范圍：600～900℃），深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料的抗高溫氧化性能優(yōu)于相應(yīng)的普通金屬材料。納米晶金屬材料抗高溫氧化性能表現(xiàn)為氧化速度降低、表面氧化膜先鈍化、氧化膜薄且致密、氧化膜成膜能力強，不易脫落[7，8]。圖4為納米晶和普通304不銹鋼在氣氛氮氣〔（N2）含15%，二氧化碳（CO2）含3.5%，氧氣（O2）含0.1%，二氧化硫（SO2）余量，表面涂抹鹽灰成分三氧化二鐵（Fe2O3）含6%，硫酸鈣（CaSO4）含29%，硫酸鈉（Na2SO4）含2%，硫酸鉀（K2SO4）含2%，氧化鋁（Al2O3）含22%，氯化鈉（NaCl）含1%，二氧化硅（SiO2）余量〕，實驗溫度為750℃時的氧化動力學(xué)曲線。深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料抗高溫氧化性能表明，不僅在室溫條件下，而且高溫環(huán)境中納米晶金屬材料同樣可以替代相應(yīng)的普通金屬材料，這有利于拓展深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域。特別是大量使用金屬材料的行業(yè)或者領(lǐng)域，如石油化工行業(yè)、鋼鐵冶煉、發(fā)電和輸電等行業(yè)，都面臨著由于金屬材料高溫氧化與高溫腐蝕引起的相關(guān)設(shè)備零部件的老化與失效，需要定期頻繁更換或者定期檢修。由于金屬材料腐蝕是一個漸進過程，特別是高溫環(huán)境和野外大氣環(huán)境，監(jiān)測其腐蝕進程難度較大。因此，由金屬材料高溫腐蝕引起的設(shè)備和器件失效難以預(yù)測，容易引起突發(fā)事故發(fā)生，造成人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。如果在這些行業(yè)或者領(lǐng)域中，用納米晶金屬材料替換相同材質(zhì)的普通金屬材料，根據(jù)目前的性能試驗結(jié)果能夠提高相應(yīng)設(shè)備金屬材料零部件的使用壽命，進而減少突發(fā)事故和突發(fā)事故引起的其他不良連鎖反應(yīng)。

四、深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材在機械材料領(lǐng)域應(yīng)用

金屬材料零部件在服役過程中，摩擦磨損是比較常見的現(xiàn)象之一，如工廠中各種機械設(shè)備、礦山機械和其他機械設(shè)備等。有的設(shè)備由于金屬材料的摩擦磨損而失效，例如軸承和大量工程機械設(shè)備等。因此，這些設(shè)備或者器件中金屬材料零部件的摩擦磨損性能是決定這些設(shè)備或者器件的質(zhì)量、產(chǎn)品價格和使用壽命的關(guān)鍵因素。筆者的實驗結(jié)果表明，與普通金屬材料相比，深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料的耐摩擦磨損（油潤滑）提高，主要表現(xiàn)為：室溫時，磨損速率減少、摩擦系數(shù)減少；環(huán)境溫度為150℃時，磨損速率和摩擦系數(shù)仍然同時減少[9]。圖5為納米晶和普通工業(yè)純鐵摩擦磨損（油潤滑）表面形貌的掃描電子顯微鏡照片。如果將這些設(shè)備或者器件中的普通金屬材料利用深度軋制技術(shù)納米化，用納米晶金屬材料代替相同化學(xué)成分的普通金屬材料，能夠提高設(shè)備零部件或者器件的使用壽命（磨損速度減少）、節(jié)約能源和降低能耗（摩擦系數(shù)減少）、提高產(chǎn)品質(zhì)量、高技術(shù)含量和市場競爭力。另外，納米晶金屬材料作為靜電除塵設(shè)備中的集塵電極，不僅能夠提高靜電除塵性能，還可以提高集塵電極的使用壽命（耐腐蝕性能提高）。深度軋制技術(shù)也能夠改變金屬材料的電磁學(xué)性能，這方面工作剛剛起步，目前還沒有系統(tǒng)和深入的研究結(jié)果。

五、深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材在廚具和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用

廚具和醫(yī)藥行業(yè)大量使用各種不同金屬材料。金屬廚具在不同環(huán)境中，如高溫、高壓、酸性、堿性和含有Cl-（如食鹽）溶液中，重金屬離子溶出進入食物中不可避免。重金屬離子溶出濃度過高，會影響人體健康，長此以往會導(dǎo)致某些疾病發(fā)生。因此，不同金屬廚具對金屬材料的選材有嚴格規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)。筆者的研究結(jié)果表明，深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料在不同環(huán)境（如高溫氧化、熔鹽腐蝕、室溫中性和酸性含Cl-溶液）中耐腐蝕性能好于相應(yīng)的普通金屬材料，也就是說，納米晶金屬材料在上述環(huán)境中所有金屬離子溶出濃度都低于相應(yīng)的普通金屬材料。另外，納米晶金屬材料抗拉和屈服強度都高于相應(yīng)的普通金屬材料。因此，深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料作為廚具用金屬材料，不僅可以提高金屬廚具的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，還可以減少廚具質(zhì)量，節(jié)約金屬材料，最終降低廚具產(chǎn)品的成本和提高金屬廚具的產(chǎn)品質(zhì)量和檔次。

醫(yī)藥行業(yè)用的金屬材料，包括各種醫(yī)療器械和植入金屬材料，對重金屬離子溶出提出了更苛刻的要求。特別是對于植入金屬材料，除了重金屬離子溶出濃度嚴格限定以外，對金屬材料與人體組織的生物學(xué)相容性同樣具有嚴格要求。筆者的工作表明，深度軋制技術(shù)制備的納米晶304不銹鋼適用于醫(yī)用口腔金屬材料（如牙齒矯正用牙套）納米晶304不銹鋼在人工唾液中，鎳離子和鉻離子的溶出濃度分別是普通304不銹鋼的1/5和1/8。毒理學(xué)實驗表明，與普通304不銹鋼相比，納米晶304不銹鋼與不同人體組織細胞具有更好的生物學(xué)相容性[10]。圖6為納米晶和普通304不銹鋼在人工唾液中動電位極化后腐蝕表面的掃描電子顯微鏡照片[10]。納米晶304不銹鋼和其他納米晶金屬材料在醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用廣泛，需要大量和深入的工作研究和開發(fā)納米晶304不銹鋼和其他納米晶金屬材料在醫(yī)藥行業(yè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

六、深度軋制技術(shù)制備納米晶金屬板材在綜合復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用

很多設(shè)備和工程（如橋梁、發(fā)電、輸電、石油化工，制藥工業(yè)）中金屬材料的零部件在多種惡劣環(huán)境中工作，如高溫、高壓、鹽霧或酸霧、冷熱交變、摩擦磨損和機械疲勞等。如果通過某種方法（如納米化方法）強化了金屬材料服役過程中需要的某種性能，但同時惡化了金屬材料服役過程中需要的其他性能，強化了某種性能的金屬材料能否替代原有的金屬材料需要進一步研究。深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料不同于其他納米晶金屬材料的特色之處在于其耐腐蝕、耐磨損和耐疲勞等性能同時提高，這有利于深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料在復(fù)雜環(huán)境中服役。

七、結(jié)語

由于專業(yè)領(lǐng)域的限制，人們提出的各種納米化技術(shù)，大多數(shù)只是為了提高和改進材料在本專業(yè)內(nèi)的相關(guān)性能，而忽視或者未考慮由于納米化引起材料其他性能的變化。對于某一納米晶金屬材料，雖然人們往往很難把握應(yīng)該研究本專業(yè)以外的哪些性能，但是同一材料不同性能的研究有利于貫通不同研究領(lǐng)域，在不同研究領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)更為普適的現(xiàn)象和規(guī)律，促進學(xué)科和專業(yè)領(lǐng)域間的融合與交叉，提高基礎(chǔ)研究的影響力和學(xué)術(shù)水平。然而，學(xué)科間交叉的最終目的是為了提高、兼顧和協(xié)調(diào)金屬材料多種性能，為提高金屬材料復(fù)雜環(huán)境下的服役壽命，提高納米晶金屬材料的產(chǎn)品科技含量和國際競爭力提供理論和實驗依據(jù)。筆者在前期工作基礎(chǔ)上，正在計劃開展深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬板材其他領(lǐng)域的研究，爭取發(fā)現(xiàn)納米晶金屬材料更多優(yōu)異的性能，依此擴大深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬板材應(yīng)用領(lǐng)域，努力實現(xiàn)更深入的基礎(chǔ)研究價值和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價值。

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