如何將“一盤散沙”凝聚起來，形成一種造福人類的“力量”？

近日，由廣州市科學技術(shù)局主辦，廣東科學中心和羊城晚報社聯(lián)合承辦的珠江科學大講堂第128講，邀請了廣東省科學院新材料研究所副所長劉辛走進了廣州科學城中學，為師生們作《凝聚粉末的力量》的科普講座。

可用不同的方式制備金屬粉末

劉辛說，本質(zhì)上來說，沙子是粉末的一種表現(xiàn)形式，而在科學上，對于粉末的定義是：尺寸小于1毫米的離散顆粒的集合體。在日常生活中，粉末是無處不在。譬如說面粉、奶粉、藥物等。而在工業(yè)領(lǐng)域，金屬粉末可是一類極其重要的工業(yè)原材料。根據(jù)統(tǒng)計，70%以上的工業(yè)成品或者中間品是以顆粒形式存在的。

無論是哪種粉末，在其堆積的狀態(tài)時都呈現(xiàn)為松散的圓錐體，通過微觀觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同的粉末顆粒有各種各樣的形狀，譬如球形、圓柱形、針狀等。

在工業(yè)應(yīng)用上，可以用不同的方式去制備金屬粉末。

劉辛介紹說，*種簡單而“粗暴”——就是用機械的方式進行粉碎，將一塊整體的金屬材料變成不規(guī)則的粉末，用這樣的方式來制備粉末產(chǎn)量大，成本也較低，但是問題就在于形狀不規(guī)則。

第二種方式則是化學的方法，利用還原劑將金屬氧化物和金屬鹽類還原。而這一方法也是目前工業(yè)生產(chǎn)中比較常見的方法。*后一種方式則采用了物理的方法，如工業(yè)上經(jīng)常使用二流霧化法去制備球形粉末，所謂的“二流”是指用高壓水或者氣體擊碎金屬的液流，得到球形的粉末。

劉辛說，目前，金屬粉末呈現(xiàn)了高純化發(fā)展的趨勢，對于粉末的純度要求越來越高，其中*大的挑戰(zhàn)就是要在控制其中的氧含量。

此外，粉末的尺寸也在變得超細化（納米化）。對此，劉辛進一步解釋道，納米粉末在未來會有非常廣泛的應(yīng)用場景，譬如在芯片中就會用到納米鎳粉或者納米銀粉。

“納米粉末能夠極大提升材料或者器件的性能。并且，科學家們也在不斷探索將粉末進行復(fù)合化�！眲⑿琳f，復(fù)合化就是用兩種以上的材料復(fù)合在一起，帶來更多功能化的作用。譬如，在碳化鎢粉末的表面包裹上一層鎳粉，可以提升材料的耐磨性，因此在鉆頭等耐磨材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

用粉末冶金技術(shù)凝聚成可用材料

雖然通過各種方式得到了金屬粉末，但是畢竟“一盤散沙”依然沒法使用，那么， 如何將粉末變成具有一定強度和性能的工業(yè)零部件？劉辛說，這就需要用到粉末冶金技術(shù)。

劉辛說，傳統(tǒng)的制造工藝往往是以金屬錠為原料，通過熔煉、鑄造、鍛造、機械加工等手段來制造出所需要的零部件。但這樣的方法整個流程很長，而且許多原材料被浪費了，其浪費的成本甚至可以達到總成本的80%以上。而通過粉末冶金技術(shù)，將作為原料的金屬粉末，經(jīng)過成形燒結(jié)后，制造出金屬零部件。這樣的方式，大大節(jié)約了原材料，而且生產(chǎn)流程也大大縮短，同時還能制造出一些結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的零部件。

在粉末冶金流程中，有一個非常重要的環(huán)節(jié)“燒結(jié)頸”，通過，在微觀尺度上實現(xiàn)了粉末顆粒之間的相互緊密連接，凝聚成堅固可用的材料。

劉辛說，其實粉末冶金技術(shù)的歷史非常悠久，3000年前的古埃及人就曾經(jīng)用碳還原鐵的方法制備出了海綿鐵。在20世紀初，發(fā)明家愛迪生采用了粉末冶金技術(shù)制造出了電燈的鎢絲后，才將人類帶入了電氣照明的時代。

應(yīng)用：*大的應(yīng)用市場在汽車領(lǐng)域

劉辛說，粉末冶金技術(shù)*大的應(yīng)用市場其實是在汽車領(lǐng)域，在汽車的零部件中，超過半數(shù)都是利用粉末冶金技術(shù)制造出來的。有數(shù)據(jù)顯示，美國生產(chǎn)的一輛普通的轎車中，至少要使用230種、近750個粉末冶金的零件。從20世紀90年代開始，粉末冶金鈦合金構(gòu)件也已經(jīng)開始出現(xiàn)在了汽車生產(chǎn)中，相比起鋼質(zhì)構(gòu)件，這種鈦合金構(gòu)件的重量可以減輕55%，而強度更大，堪稱“超級鋼”。如果了解電動汽車，會聽到“永磁電機”的概念，劉辛說，這個“永磁”材料的學名叫鋁鐵硼，同樣是用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的原材料。

近十年來，3D打印技術(shù)成為一項非常熱門的領(lǐng)域，并被認為是推動人類第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)。劉辛說，3D打印技術(shù)的原理是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過逐層堆積的方式，將二維材料“堆”出三維的材料。

將這一技術(shù)與粉末冶金技術(shù)相結(jié)合，形成金屬粉末3D打印技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域大顯身手。

劉辛說，這一技術(shù)已經(jīng)在火箭發(fā)動機、人體植入物等多方面得到了應(yīng)用。

“在商業(yè)航天領(lǐng)域，火箭發(fā)動機的很多零部件都可以用3D打印技術(shù)來制造。相比起傳統(tǒng)生產(chǎn)流程，其效率是驚人地提升�！眲⑿琳f，在2003年，美國的一家公司成功發(fā)射了一艘箭體均由3D打印而成的火箭。而根據(jù)統(tǒng)計，3D打印技術(shù)可以使零件的質(zhì)量和成本降低30%。

劉辛還介紹說，其所在單位和醫(yī)院合作，以鉭合金粉為原材料，利用3D打印技術(shù)打印出人體的髖關(guān)節(jié)，并完成了國內(nèi)首例的置換手術(shù)。鉭比鈦合金對人體的生物相容性更好，被認為是人體*親和金屬。

劉辛還特別提到，除了3D打印技術(shù)外，還有一項被稱為“粉末注射成形”的技術(shù)，也特別適合制作一些復(fù)雜的零部件。

“華為剛剛推出了三折疊手機，這部折疊手機的轉(zhuǎn)軸，其實就是用了粉末注射成形技術(shù)來實現(xiàn)的。這一技術(shù)比3D打印技術(shù)的效率更高，產(chǎn)量更大，而且成本更低。”

相關(guān)新聞