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纳米技术在钢铁行业中的突破

发布: 2012-5-04 09:11 | 作者: liangshi | 查看: 7次

         西班牙科学研究机构Inasmet Technalia的欧洲项目经理JoseLuis Viviente博士负责纳米技术项目第二阶段,该项目侧重发展纳米技术在健康、航空、太空、汽车、能源等领城的应用。他以纳米技术是钢结构的挑战为题, 介绍了纳米技术的重要性以及在钢结构领域的发展现状,纳米材料、纳米结构涂层、镀膜涂层技术等。纳米源自希腊语的“矮子”,1纳米等于10的负9次方米, 纳米技术是指设计、生产能够将物质结构的外型及尺寸控制在纳米级的装置和系统,其范围界定在0.1~100nm范围内。

    纳米之所以重要主要有两点原因,一是其表面/体积比使其具备了独特的表面特性优势;二是量子效应。目前面对的挑战及需要改进的地方 主要包括:机械和结构特性:硬度、强度、耐磨性;热和化学特性:耐热性、绝缘性、催化性;生物特性:适应性、杀虫特性;电子和光学特性:反射性、透明性 等。乐观的估计,在未来7~8年间纳米技术所创造的价值将达到30亿美元,即使是悲观的估计也可达到10亿美元。

    高速加工已被普遍认为是提高产量、降低制造成本的加工技术。干式加工或微量润滑概念是如今加工业为减少环保及生产成本的主要目标。对钢结构 制造商和涂层供应商而言,最重要的是生产率。切削性能(切削速度,单位时间切削量)提高20%,制造成本将减少15%。越来越严苛的加工要求需要钢结构材 料和涂层进一步发展,改善加工条件及改进钢结构设计。在加工过程中,刀刃处会出现温度和机械力的骤然变化以及剧烈的化学反应.需要采用保护涂层以减少机械 和热负载。近年来,(Ti,Al)涂层的硬质合金钢结构在高性能钢结构市场上已经占据了主导地位。在某些特殊应用场合的高需求促进了特殊涂层或精确涂层的 发展。

    纳米材料和纳米结构材料的主要形式有:原子簇、纳米粒子、纳米层、纳米纤维;多层式(层的厚度在纳术级范围内);纳米结构涂层或纳米涂层;纳米结构的粒状材料等。纳米级涂层:涂层至少有一个尺寸(如晶粒或独立的层)小于100nm。

    纳米晶粒涂层比传统的粗粒涂层具有更低的磨损率、更高的硬度和强度,微小的颗粒尺寸改变了涂层的破裂形式和材料去除机制,但关健问题是在热 应力下保持颗粒的尺寸。纳米混合涂层包含至少两个相位(晶相和非晶相)或两个结晶状态。尺寸、体积和纳米晶粒的分布以及非晶相的厚度需要优化,以找到在超 硬度和强度间的平衡点,需要考虑热稳定性,在涂层过程中及后来的阶段显示出的非混合性、分解拐点和偏析现象。

    纳米多层结构由不同材料的纳米层交替组成,具有各向异性的特性,加强了单层镀层的性能,通过不同的交替层相互辅助,改善了涂层特性。薄膜沉 积技术主要分为物理气相沉积和化学气相沉积,分别具有不同的优势及工艺特点。物理涂层具有高度一致的厚度,可提供理想的化学计量控制和相对低的沉积温度, 允许整个表面同时进行涂层,但需要注意沉积率,控制内应力以限制涂层厚度,以及与基体的粘着力。化学气相沉积则具有一致的厚度和高沉积率,对复杂几何外型 具有一致的沉积性,但其具有温度高、内应力大的问题。

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