院士讲材料——纳米金属材料和工程材料纳米化、纳米摩擦材料及应用

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1、主持人：观众朋友，欢迎您来到CETV学术报告厅，十分巧合，我现在所处的地方就是科技会堂里 的学术报告厅，中国工程院关于纳米材料与技术的工程科技论坛，于8 月 29号在这里举行。 纳米是一个长度单位，也叫毫微米，它相当于一米的十亿分之一，纳米材料可以理解成由纳 米尺寸的微小颗粒所组成的材料，它诞生于80 年代，具有奇异的性能和广阔的应用前景，纳 米技术有可能成为下个世纪前20 年的主导技术，世界各国都给予高度的重视，美国今年年初 启动了一项新的国家计划，把纳米技术作为下一个世纪工业革命的核心。我国对纳米材料技 术的开发与研究，也取得了重要的进展。为了使观众朋友对纳米技术有更多的了解，我们为 您选

2、这次工程科技论坛的部分学术报告，下面请您收看。卢柯：我们现在工程上用的材料，更通俗一点我们的钢到底跟纳米材料有哪些结合，就是这方 面现在不光是我们在做出什么事情，我想对国内这个领域大家一些思考和一些尝试，我都把 它们放在一块，做一下介绍。就是说现在我们大多数的材料，金属也好，陶瓷也好，都是多晶体材料，就是说你看它 的微观结构，它实际上里面都是由晶粒组成的，那么晶粒晶粒之间，在晶粒里边原子排列是 完全有序的，周期性排列的，但是这个晶粒之间呢它有可能存在一个界面叫晶界，为什么这 里要谈到晶界呢?因为材料的很多性能与晶界有关系，这个晶界的多少直接影响材料的性能， 像力学性能，电磁、光等等都和它发生关

3、系，那么晶界的多少呢，大家在教科书上都能看到 有这样一个公式：跟它的晶粒尺寸成反比，也就是说晶粒越小，晶界含量越大，那么大概把 这关系画出来是这样的，就是说如果我们从毫米级的晶粒，那么晶粒尺寸不断减少，晶界的 体积分数越来越多，那么只有到了纳米量级，体积分数才剧烈地上升，所谓剧烈地上升，以 前几乎等于没有，因为你除以大晶粒的尺寸的话，大概是ppm量级的，到了微米也都是不到 百分之一，而只有到了纳米级这个的百分含量才可以到相当大的量，比如说10%50%，那么 这样的话，实际上整个材料的性能就取决于晶界了，而不一定跟晶内有关。就是说你把这个 材料做到这种程度，它的很多性能就跟原来的大块的晶体完全不

4、一样了，这是它最基本的想 法，这个想法在 80 年初期的时候一个叫 Herbert Gleiter 的一个德国教授提出来的，他给出 了大概这样一个模型，这个材料会是什么样子，这个材料会变成这样一种样子，因为大多数 的原子都处在原子的晶界上，晶内的原子与晶界原子基本相当，那么这个时候材料会有什么 性质呢?大家考虑最多的就是力学性能，这个材料的强度会不会提高?因为提高材料的强度，提高 它的韧性是我们做传统材料的最关心的问题，那么强度怎么提高呢?我们首先看它最基本的想 法，也就是说我们按照以前材料的变形机理，设一个位错运动机理，这里边根据位错机理， 位错运动导致材料变形，会有两个结论：一个会有形变强

5、化，就是说产生位错然后它在积累 到了这儿，然后把这个材料搞硬，也就是说我们大家通常都知道的，你把一个材料这么加工 几下以后，它就马上变硬，硬了也就脆了，最后就断了；另外一个是小晶粒尺寸时，晶粒越 小，强度越高，大家都知道的 Hall-Petch 关系，那么从韧性方面来讲，它的变形机理就是晶 界的这种扩散蠕变行为，那么这也跟晶粒尺寸有关，晶粒越小，材料越容易变形.那么变形这 件事情对材料的加工特别是对工程加工是非常重要的一件事情，由于材料的成本很大一部分 来自于加工，这个变形越容易成本越低，你像在这里晶粒尺寸小到一定程度,它的应变速率非 常大的，它是按照103的量级在增加，也就是说，当时Glei

6、ter自己估计按照金属材料的参 数估计如果把晶粒尺寸做到10个纳米的话，那么这个材料应该在室温下就可以超塑变形，或 应该能够达到超塑变形，这个应该说无论是对工业上还是对科学上都是一个非常重要的问题。 那么他当时 80 年代初期提出这个问题，一直到 80 年代发表的一些文章包括在 Nature 上发展 的文章，预测陶瓷也有可能通过晶粒细化提高它的韧性，实际这个是真正引起材料界重视的 非常重要的一件事情。那么下边我们看一下到底可以做什么呢?就是根据这些变形基理大概按 照我们传统的理论想象一下，如果把一个材料晶粒尺寸做小，它会变成什么样呢?它会既提高 它的强度又会提高它的韧性。既能提高强度又能提高韧

7、性这种技术，实际上不多的，那么还 可以降低超塑变形的温度，这个刚才我讲了对工业很有影响。另外它的晶粒很小，就有可能 没有加工硬化，那么另外还有一些非常特殊的物理特性，非常特殊化学特性，像化学反应等 等，通俗一点讲呢，至少可以做成这几件事情。对于结构材料来说，第一个可以把金属做的更强，做得更硬，做得强度高，这个我刚才 已经讲了；另外可以把陶瓷做的更韧，就是说韧化陶瓷；另外它的所谓的加工性可能会大幅 度的提高。我想由于今天时间原因，我只能局限在工程材料之上，我想这三个问题实际上是 目前做纳米结构材料里面最关心的三个问题也是工作最多的，你去看文章的百分之七八十都 集中在这些问题上。那么现在做到什么程

8、度呢?比如说这个铝合金，大家都知道铝合金非常好， 但是它最大的缺点就是太软了，俗话说太软了，它到底软到什么程度呢？我们纯铝特别地软， 它的强度也就是两三百个MPa。普通的纯铝大概是在毫米量级厘米量级这样的晶粒尺寸，如 果我们把晶粒尺寸降低到微米量级，它基本上属于超高强铝合金了。超高强度铝合金它可以 达到五六百个MPa，也就是五六十公斤的强度。这跟钢的强度差不多，这个实际上在工业可 以做到。同时实际上我们把铝合金如果做到纳米级，晶粒尺寸做到10个纳米左右的话，它的 强度已经能达到1500MPa以上，1500MPa实际上比我们现在的超强钢还要高，但是铝的密度 只有钢1/4到 1/3。如果你考虑一下

9、比强度的话，也就是单位密度的强度的话，那么这个材 料已经跟陶瓷的性能差不多了，我这是画了一个简单的密度和强度的关系，我们普通的材料 无论是从钢还是钛合金、镁合金到聚合物，这是密度越来越小，强度也越来越低，基本上在 一条线上，那么跟这不在一条线上的是陶瓷，陶瓷强度是非常高的，它强度是非常高，但陶 瓷就是有韧性的问题，那么铝合金更高，它的密度在这个点，如果铝合金能够做到 1500MPa 的话，相当于把铝合金在同样密度的条件把它的强度提高到这一带，那么现在也有人提做出 了镁合金也可以提高到lOOOMPa。你把这条线再连起来的话，你会发现接近纳米金属，如果 把镁合金铝合金钛合金包括钢都做到纳米级的话，

10、它的强度整个会上一个档次上。但是上到 什么档次上？到了跟工程陶瓷的强度和密度比在一个档次上。但是金属有非常大的优点，就 是它的可加工性和再生性，所以这个在工程上我觉得做纳米金属的工程合金的确有非常潜在 的非常巨大的应用前景。那么钢这件事情，我们大概估算了一下，如果按照铝合金这种情况 的话，如果经过纳米化以后，钢的最后的强度呢的确也可以大幅度提高。那么现在大家都知 道前阶段做的最热闹的是超级钢计划，这是在日本提出的，它们的核心之一就是要把某一类 钢的晶粒尺寸降低到一个微米以下，这是达到现在超级钢目标一个最核心的技术，现在几十 个微米它是可以很容易做到的，那个一个微米以下这个强度和它整个的性能会大

11、幅度提高。所以就整个纳米金属的发展看，如果单从强度上看是会要走到这条线上，那么现在看看 到目前为止能做到什么程度，我们已经做了这几十年了，应该说是十多年了，能做到什么程 度，看看在实验室里的最简单的实验。美国人做的这个铜，它做了一个30纳米的铜，与50 个微米普通的铜比较，这是它的拉伸曲线，你可以看到很明显的强度提高，这当然是实验室 的结果了，它的样品非常的小，用大概只有一个厘米大小的小样品来测的，我们现在把它做 到更大一样，做铝合金的强度，就是纯铝，纳米纯铝，这在我们实验室做的，蓝颜色的拉伸 曲线是普通铝的，它的强度非常的低，如果做到纳米铝的话，它的强度强可以提高接近一个 量级吧，而且它还有

12、比较好的韧性，可以达到接近 10%左右的延伸率，这是因为这个样品也 很大的，已经到了几个厘米了，所以得到的性能现在大家认为是比较可信的性能。所以说强 度的提高看来是肯定了。但是现在大家看一看韧性并不是特别好，我后边还要讲韧性的问题。那么强度的提高是不是按照我们传统的那个关系来走呢？是不是晶粒越小强度就一直会 升上去呢？这方面实际上前十多年做的最多，但发现并不完全是这样，有的材料呢，就是晶 粒越小强度的确是越来越高，有的材料呢晶粒小到一定程度，强度还掉下来，就是说它在这 儿有一个弯折，那么这个级就非常有意思。我们并不是一味地去追求晶粒尺寸的减小来得到 强度，而是在某一个地方的时候会有一个最佳值，

13、那么这个给我们做材料的人来说就提供了 一个思考的机会。就是说我们一味追求什么，比如追求纯度一直要非常的纯，追求晶粒小就 一直要晶粒小。只有在一定的晶粒尺寸的时候才会表现的最佳，所以现在强度和硬度它的性 能有这种行为。那么如果在其他的性能里面应该也有这种行为的话，我们就应该去把我们要 用什么性能我们就把它的晶粒尺寸调节到什么范围，而这种调节呢是不需要增加化学成分的， 只需要调节晶粒尺寸，所以这个对做材料研究的人又是一个新的问题。这方面最近做的比较 多，就是说真正“理想”的纳米材料是很难做到。你做的材料总是不是有这个缺陷，就是有 那个缺陷，有孔隙啊，有杂质啊，现在做的比较多呢就是从材料科学的角度讲

14、就是做模拟， 就是在计算机里构成这样一个材料，然后我们来看这个材料到底是怎么变形的。因为纳米材 料不同的性能呢，它表现出完全不同的力学行为，那么用计算机里模拟发现，在室温下这种 纳米材料的变形已经不再是位错控制，就是说我们传统的理论已经不再发生了，而是大量的 晶界的行为运动，这个就是超塑变形的机制，也就是在理论上在室温下有很好的超塑变形性。那么在计算机上做拉伸曲线，发现就是Hall-Petch关系也是反常的，晶粒越小它的强度 越来越低。因为它做的晶粒非常的小，它做不太大，从3 个纳米到7 个纳米，因为这个晶粒 要做大的话，计算机的容量已经是不得了的。但最近听说瑞士他们可以做到15 个纳米，那么

15、 15 个纳米已经接近于实验室的规模，实验室做纳米金属大概可以做到十多个纳米到二十个纳 米，所以下边理论跟实践的接结合点可能就要多一些，还有一个问题就是我刚才讲到它的超 塑变形温度要降低，这个也是奋斗了十多年一直找不到这样的体系，一直到了99 年的时候， 美国人和俄罗斯人合作在这个体系里找到一些非常好的结果。它用电解沉积的金属材料来做 的这个实验，因为纯金属的超塑变形温度通常是在熔点的一半的左右才有可能，就是到很高 的温度下才可以超塑变形，这就是我们加工的时候总要到高温下去加工，但它现在呢它可以 在熔点的 36%的时候就可以发现有超塑变形。这里面你看一下，这个 36%就是这条线，你看一 下这个

16、样品的确是变形非常明显的。那么这个真正是通过降低样品晶粒尺寸大幅度的降低超 塑变形温度，这个对于节能同，对于它的加工很有效。因为现在很多加工不能做，不能进行 超塑加工，你能加热到这个温度，它里边组织已经变了，所以大家都不敢用它来做加工。现 在它可以降低温度，虽然是一点点Nature也登这篇文章，他的文章主要核心就是说明它对材 料工业的发展、对材料的加工具有十分重要的意义。下边一个例子是我们去年做的，就是说 纯金属到底室温下能不能超塑变形，这也是我们一直想要知道的。那我们做了一个电解沉积的铜，大概晶粒尺寸是30 纳米，这个30 纳米的铜我们把它切 下了一块，因为这个是目前国际上做的最大的一块的纳

17、米铜样品了，我们做这么大一片两个 毫米厚，然后把这个材料在室温下像压面条这样压制，普通的材料你压制几遍以遍就开始裂 了，因为它有硬化就断了，而这个材料你不断的压，它可以一直这样变形，在室温下，室温 相当熔点的 24%，这是在非常低的温度下可以是实现的超塑变形，所以这件事当时做出来以 后，Gleiter马上说这是第一次真正的无孔隙的纳米材料样品的变形，真正告诉大家纳米材 料是怎么变形的，以前没有看到过这样的现象，那么这个可能对后面对它的机理进行研究提 供很多的机会。另外呢，这个样品在整个变形过程中这条红线是它的硬度，几乎没有加工硬 化现象，这也是第一次在这么大变形量的情况下看到的，的确证明了纳米

18、材料没有加工硬化， 之所以这样能够无限延长也了证明没有加工硬化现象。那么，我想我就举这几个典型的例子 来说这种纳米金属材料的确有非常特殊的性能，那么这些性能至少现在可以肯定的是：它的 强度肯定是升高了，超塑性的温度有非常多的事实也证明它是要降低的，而且几乎没有或者 有很低的加工硬化现象，那么这些对于工程都是非常需要的东西。那么下面还有它的制备技 术，你怎么样让它从这到这，因为整个这套制备技术得让工业能够接受，并且它的结构稳定 性要非常的好，否则的话这种材料也没有办法用。另外它的成果我们必须去考虑有没有成本 的问题，就是说不去考虑成本，这个材料也是在工业上难以接受的。另外还有更多像环境的 问题等

19、等，那么现在这些事情由我看，现在来谈纳米材料要做到某个细节尤其是工程材料， 结构材料我觉得还有相当的距离。因为我们现在只是说只是看到这方面的东西，在这方面还 缺乏很多的知识和技术。我想下面要做的事情就是要发展更多的更好的制备技术，同时来认 识这种材料。那么制备技术里边最传统的技术就是惰性气体冷凝法，我这里做个简单的介绍， 让大家有一个印象以及我们下边怎么发展。它首先做成这种纳米粉，然后把这种粉在超高真空系统里面，对金属来说必须是超高真 空系统，把它挤压起来。但这种压的过程，大家都知道纳米颗粒化学活性非常强，它要吸附 很多的东西，等你压起来的时候已经不是这种理想的，干净的样品了，真正做到的样品很

20、难 是干净理想的。还有一种办法就是俄罗斯人发明的这种金属能不能通过这种严重塑性变形来 实现，这个可以做的比较大，它是把一个金属从上面压下来，然后通过这个拐弯的通道在这 一带发生非常大的、严重的塑性变形，这种严重的塑性变形呢，可以导致晶粒细化。它在走 几圈以后就可以晶粒细化了，这可以做出比较大的样品来，但是它这个最小的晶粒尺寸也就 能做到100 个纳米左右，再往下降它的变形就不够了，因为晶粒越小强度越高，模具及整个 这套系统都不行了，那么还有一种技术这是我们发展起来，就是先把它做成非晶样品然后让 它再结晶，从而长出这个小颗粒来，长出这个小粒子以后，它已经有一些很好的性能，像力 学性能和电磁性能，

21、把它接着再长，它可以长成纳米系统，这个的核心呢，是要控制它的大 小跟数量，然后来控制住只要形核而不长大，就是说长大速率非常低，长出了很多的颗粒但 是不长，但是这自然局限在必须在能形成玻璃态的体系里边，你才能走这条，这条走下来非 常密实，非常干净，也是很理想的样品，但是这种材料必须是能够做成非晶，而这种材料实 际上并不多。那么，更通俗的办法现在工业上愿意用的就是把一些材料拿到一块，拿个球磨机一磨就 完了，这个最简单的，但是确实它很有效，它可以磨出来，磨出来的粉末把它压到一块它是 纳米级，但这些东西做完以后，最后做成的材料或多或少有都会有这样那样的缺陷。比如说 这种孔隙，结合部分，非理想结合，杂质

22、、三叉晶界的孔洞，微观应变等等。把这些材料的 很多性能都掩盖了，就是说大家做了十多年的纳米金属，实际上做下来，都是在play这些参 数。就是说怎么样能够把这些东西搞得更少一些，比如说孔隙度高不好，那么我们搞没有孔 隙度的，我们叫无孔隙的样品，我们的铜就是无孔隙样品，马上就表现出完全不一样的性能。 这里边其实还有很多东西可以做，我觉得从事实角度里还有很多事情可以做，如果想看到更 多的新的信息的话，从这些制备技术上来看，现在实际上目前存在的制备技术要么是这些缺 陷很难排除，要么就是它的制备技术非常复杂，造就它的成本非常的高，另外有的受到材料 的限制、有的材料已经不能做，像非晶晶化，电解沉积，这些都

23、是这样的。那么现在怎么样呢? 实际上大家还都在探索其他的办法，那么在这方面同时大家都想别 的问题。既然这样大块的块状材料这么难做，那么能不能走另外的路子，实际上大家几十年 前就开始做表面改性了，表面改性的基本想法跟现在我们这个也一样，你制备大块的这些整 个工艺过程非常复杂，但是制备表面的就可以相对来说没有那么复杂，而且很多性能只取决 于表面的。比如说摩擦磨损性能、腐蚀的性能、包括疲劳的性能，都取决于表面的性能，我 们想想能不能走表面这条路，实际上也不是我们想，很早就开始有人做，做表面最简单的办 法就是表面涂层，在一个A的材料上涂上一层东西，或者是用流体，液体相应的办法或者直 接通过沉积的办法搞

24、到这么一层东西，把这上层的组织变成纳米级，这样也表现出很好的性 能。比如说加拿大的一个组做的在核电站的管道里面用的是合金，管道内壁的腐蚀非常厉害， 现在把它纳米化后，原来腐蚀以后管道堵死，现在它就把它截住以后，在里面镀一层纳米合 金，比以前的性能更好了，抗蚀性能更好了。他们这层厚度大概是几个纳米到几十个微米。 他们成立一个公司，现在听说是在纳米金属就是结构材料里边为数不多的赚钱的几个公司。 那么还有做硬质涂层的，硬质涂层的里边主要是通过纳米或是陶瓷或者是合金的粒子，以及 中间相来提高寿命，因为做到纳米级以后，它的强韧性配合就比较好，这方面有比较大的前 景。这些我觉得这是做材料和做工艺人的结合点

25、。其实作为功能方面也有很多东西我想就不 用说了，比例说锡铂啊这些等等方面，这些做纳米涂层的都有很大的前景。我们想做的事件， 因为涂层的问题很大的问题是它结合的问题，将这一层和基体结合的问题，在受热受力情况 下结合总是一个弱点。那么现在我们想就在原来材料表面经过一种处理，把这个材料表面的 那一层从原来的那种粗晶组织把它变化到纳米晶组织就是A跟A的结合，这样它就没有结合 的问题，而且工艺上应该还比较简单。说简单一点，就是说我们拿一个钢来，把这个钢经过 一些处理，让它表面生成一层纳米的钢，看看它的性能改善。你也可以做成这个之后你通过 化学成份处理，然后改变它上面的组织，因为整个组织变化是梯度变化的，

26、所以这个结合的 问题得到解决了，我们想这是一种新技术叫自生的纳米化，做了一点点小小的尝试，最近发 现它还是有效果的。我们做的很简单，主要也是把自生纳米材料的想法只用到表面上，比如我们把一个红颜 色的样品放在这，底下用高速的球撞击上去，底下用一个振动器让这个球振动起来，然后打 在这个样品表面，这个球表面局都会产生甚至严重变形。刚才我讲了塑性变形是可以导致晶 粒细化的，那么你就要反复地让它打，这个就反复地变形，理论上它能变到纳米尺寸，我们 看看实验，实验上我们做的比如这是316L不锈钢，它的问题也是耐磨性不好，它是抗腐蚀的， 但是耐磨性跟强度都不是太好，现在我们想知道通过这个打能不能把不锈钢的面打

27、成纳米化， 那么我们就在这个方向来打，打完以后，里面的晶粒很大，最表层看不到什么晶粒，如果你 仔细来看的话，用透射电镜看的话，它的晶粒已经到了10 个纳米。那么这一层有多厚呢，大 概有30个微米厚，但你可以来调节它，我们通过调节打击的强度，最后可以做到100个微米 厚。那么它的结合处实际是粗晶和细晶混合在一块的，所以也没有一个明显限，不是上面就 是纳米下边就是粗晶。这样样品的结构成分都是梯度变化的，那么实际上是想做到这样一件 事情，在原来的工程材料基础上，通过表面处理，让它表面形成一层跟原来组织成份一样的 纳米结构，中间有一个过渡层，来提高它的性能，提高哪些性能？现在初步实验已经出来， 它的强

28、度硬度大幅度提高这个很明显，它的磨擦磨损性能确实是提高了，抗腐蚀性能提高了， 化学反应活性都有所改变。其实这件事情并不是我们独创的，以前其实他们很早就有喷丸来 处理一些弓箭来提高它的疲劳寿命，但是当时把这些东西把这些东西全部归结在增加了强度， 因为是现在你能仔细看一看，等于它里面有了一层纳米组织。但现在有了纳米的知识以后， 我就可以有意识地去做这个东西，因为纳米的性能非常优异，所以我们就可以有意识地增加 很多纳米层厚度，所以现在我们这个也叫高级喷丸技术，但实际上目的跟以前那种普通的喷 丸完全不一样，而且做下来表面非常的平，非常的光滑，像镜子一样，我想这方面还有很多 的事情可以做，比如说做一个表

29、面处理就可以进行局部的处理，比如说一个轴承或一个弓箭 的局部需要耐磨，我们就可以在局部这一块进行处理变成纳米，那么再对它进行化学处理， 因为纳米材料它有完全不同的化学反应特性，所以在一些条件下，它只跟纳米的部分反应， 跟其他东西不反应，所以整个工艺就会变得优化了。所有这都是一些设想，我想下边就可能 做很多事情，同样一个东西你用不着再进行非常复杂的工艺过程，这里充分利用了纳米的一 些特性来简化我们的工艺制备过程。这方面我们看了一下2001年美国D0D在纳米方面的研究计划，这实际上克林顿出来之前 它们定的计划，当然是它包括很多的东西，如纳米、机械、生物方面的、计算机方面的，跟 材料相关的大概有这么

30、七八项，但是直接跟结构材料相关的主要是两项：一个就是它的变形 机理和损伤机理，这方面的研究实际上是要用我刚开始讲的力学性能，在这儿它专门列出一 项表层纳米的制备与性能优化。这件事情实际上大家已经意识到，实际上DOD它投了很多的 钱在这上面，因为在 99 年时候，冷战结束后，造核潜艇里边的很多部件，都是通过表面处理。 说到表面进行处理，跟我刚才讲的核电站里面的内容是一样的。从科学上跟从技术上在纳米材料尤其是在纳米金属，结构纳米材料方面要做的事情总结 一下，现在大家的目标呢，还是要探索纳米材料本征的结构性能，为什么要强调本征呢?以前 我们看到的东西是有很多东西掺杂在里边的，那么现在能不能发现一些本

31、征的性能，而这些 性能可用来指导我们的材料设计，获得一些优异的性能。它还有什么优异的性能？除了高强 度超延展性，降低了它的变形温度，还有什么东西？我觉得这些是现在做研究的人，应该花 的精力比较多的。另外一方面我专门提出的就是它的制备技术，没有制备技术，一切都是空 的。制备技术的目标是最后应该能够让工程材料能够接受这种技术，就是让我们的工业界能 够采用这种技术来获得工程材料，那么只有这样做才能把纳米材料优异的性能用上。另外跟 这个相平行的还有一方面，就是说我们不能在工程上等着这些工程材料的纳米材料做好了我 们再用，同时应该对传统的工程材料用纳米的技术来想怎么样再来提高它，我觉得这两个问 题对提高

32、传统材料的性能可能更可行些，所以我想在这里只是我个人的一己之见了并不是完 全合理，所以希望大家批评指正，谢谢大家。薛群基：纳米摩擦学实际上主要研究的是纳米尺度分子水平和研究摩擦磨损和润滑的本质，纳米 材料的摩擦特性和润滑左右的机率，现在比较活跃的一个是美国的布桑（音）教授，印度人， 他主要研究磁盘表面的微观摩擦磨损的机率，超薄涂层的表层和磁盘润滑涂层，全浮机米（音） 润滑剂的摩擦化学能，伯克利有几位专家，他们研究纳米尺度下的润滑和摩擦的本质，日本 和欧洲也在纳米摩擦学领域贡献很大的力量，主要目的是解决航天技术、先进制造技术、微 型机械、计算机磁头、磁盘、生物工程和医药卫生当中的微型光子的摩擦、

33、磨损和润滑问题， 纳米摩擦学的特点，润滑空间只有一两个纳米，机体材料主要是硅，还有碳化硅，碳，镍， 这些特殊的金属材料。它在速度很低的情况下，承受很高的压力，运行寿命一般要求10的9 次方的寿命。但是纳米尺寸下，外加力和正力已经起到很小的作用，所以，主要是表面力，静电力，表面粗糙度，像水气在纳米润滑的情况下，是非常重要的影响因素，它和传统的摩 擦模型润滑的比较，传统主要是流体润滑膜，弹性流体润滑，微机电的接触，电解润滑的时 候，主要是表面的牺牲，用一些化学活性的物质，积压成表面抗磨损的薄膜，这个薄膜的厚 度，剪切性能和机械物理性能，表面粗糙度起到非常重要的尺度，到了纳米尺寸以后，主要 是微系统

34、的寿命保证，通过化学控制表面能，另外防止表面受环境因素的影响，最终达到控 制摩擦，防止磨损。微机电系统,MEMS的润滑是一个非常重要的问题，主要是使用集成电路类似的制造技术， 在模仿电子工程、机械工程、生物医学、化工材料、交通运输领域，有很大的应用前景，刚 才已经介绍了。MEMS的润滑问题，直接关系到它的使用寿命和使用性能，这个问题已经成为 MEMS 一个很关键的问题，也是当前和今后一个时期，摩擦、磨损润滑领域一个重要、前沿的 研究方向，这就是在纳米尺寸下的磨损问题，正常情况下，磨损比较大，但是到了纳米尺寸 下，应该磨损比较小，这是在原子粒显微镜下看到的，不同的负荷情况下，表面的划痕的情 况。

35、LB膜的润滑性能。第一种黑的是它的机体，摩擦力，第二个是边上的一些边缘，加了一 个薄膜以后，它的摩擦系数大幅度降低，摩擦力大幅度降低。这个计算机磁头磁盘的润滑，最上面一层是一到四个纳米的润滑剂，下面是它的保护涂 层，大概20到40纳米，这就是它的磁性的涂层， 25到15个纳米，然后是阳极氧化率，铝 镁合金的机体，这上面的润滑问题，是磁盘，尤其是在热状态和零接触的时候，润滑问题已 经成了非常关键，在这种情况下，希望它的磨损是非常低，没有什么磨损，而且运行非常平 稳，只有在这个临接处的情况下，它们的储存量可能大幅度提高，超薄膜的润滑，这就是随 着时间，磨损寿命，摩擦系数，可以看到不同负荷情况下它的

36、寿命变化。第一个只是一个硬 纸刷的薄膜，第二个加上了纳米颗粒，这个纳米颗粒加在超薄膜以后，起到两个作用，一个 作用就是承担负荷，大家可以想像，在一个比较软的刷子里面，两个表面接触的时候，刷子 的毛可以很快就压扁了，出现了表面和表面的接触，假如说，我们当中有一些颗粒，就可以 起到承担负荷的作用，同时，纳米颗粒可以起到微观的稳住的作用。这就是它的摩擦过程当中，LB膜大分子的LB膜向对立面的转移，这是我们用红外研究 的功能，它这里面，从无序化转变为部分分解，形成表面化学的作用，磨损机率是这样的， 如果只是用脂肪刷LB膜，它很快从有序变成无序，最后LB膜大分子的挤出摩擦表面，假如 我们用了纳米微粒，表

37、面，这个过程中，就可以实现从有序，最后到单层的纳米颗粒的薄膜， 这里边既有滚动的作用，又有一个从室温到高温，现在我们把它可以做到500 度，它仍然有 比较好的润滑作用。纳米颗粒制备过程中，我们还用化学的方法，有机化合物，修饰了金属 氧化物，包括硫化物，稀土化合物，纳米颗粒。修饰剂和纳米盒之间是化学键合，我们通过 红外、磁共振，建议的模型是这样的模型，当然理想状态可能不是这么严格，就是硫化铅的 纳米微粒，用这种修饰的方法，可以解决纳米颗粒具结的问题。第三点，提高氧化安定性。大家知道，现在润滑油，一个尽量避免使用活性的一些元素， 像硫磷氯氮，这一类活性元素，因为环境的污染已经提得很高了，第二个，解

38、决它的耐高温 问题，很多专家都清楚，润滑油，正常使用下，也就是一百度左右，二百度以上只有非常短 的时间，假如再高的问题，润滑油就要进行各种氧化、分解。所以说，为了取代一些传统的 添加剂，另外提高润滑油的使用范围，还有一个就是充分利用纳米颗粒，我想纳米摩擦学，它牵涉的不光是润滑剂，还有它抗磨问题，减磨抗磨问题，另外一方面，环境保护的问题。 今后在纳米润滑领域，根据国际上的情况，大家建议的研究内容，主要是纳米颗粒的摩擦化 学和应用的原理，主要是研究纳米颗粒在摩擦过程当中的化学作用，另外探讨它表面的修饰 剂与纳米盒之间的结合与分解机制，与润滑性能的关联性，这个没有纳米颗粒，没有修饰的 话，纳米颗粒容

39、易具结。像最近市场上也出现了添加纳米颗粒的润滑油，可能会有具结问题， 如果放在油箱里面，将来哪一位的汽车油路堵塞，就不是一种正面的效应。第二个就是纳米颗粒和机械传统机件的修复功能，这个修复功能是比较突出的，因为纳 米颗粒在纳米状态下，不完全是靠它的晶体之间的滑移，它主要靠它的小尺寸效应，摩擦表 面的结合和修复功能是比较突出的。第三个就是纳米颗粒和纳米纤维，增强的快体材料和超薄膜的化学和力学作用，它的摩 擦和磨损的影响，因为从摩擦、磨损润滑来说，一个是一维的纳米颗粒，再一个就是二维的 纳米薄膜，刚才也讲了，我提到一部分，实际上，系相（音）层级，包括化学层级和物理系 相层级的负荷薄膜，在纳米机械当

40、中，它的摩擦性能，也是非常突出的。第四点就是纳米颗粒的高温润滑行为和作用本质。刚才谈到了，一直想实现从室温到高 温的连续润滑，固体润滑，像二硫化钼，石墨，包括特富龙这一类东西，它们在室温下的摩 擦系数是比较高的，到了高温以后，又有分解，那么，大家一直的愿望就是实现从室温到高 温的连续润滑，不要停下来换润滑剂，看来纳米颗粒负荷的润滑材料，有希望解决这个问题。还有一点就是谈纳米颗粒的润滑油质和负荷材料。刚才谈到这个负荷材料，它不光是抗 磨，减磨，作为自润滑的轴承材料，都是非常有效的，用纳米颗粒进行负荷和微米颗粒是不 一样的，我们做了碳化硅的微米颗粒，还有更大的颗粒，还有纳米颗粒负荷的，特富龙聚四

41、氟乙烯之类的高分子材料，它的摩擦磨损性能截然不一样，磨损大幅度降低，润滑性能大幅 度提高。最后一点就是纳米润滑膜的研究和应用。一个，为了解决微型机械,MEMS和其他的微机 构它的润滑问题，厚的涂层是不行的，只能用非常薄的薄膜，其中过去认为 LB 膜，吸附膜它 的强度是很低的，在剪切力的情况下，很容易从表面划开，现在希望通过和其他匍匐的方法 结合起来，提高它的润滑性能，提高强度，包括用分子层级膜，在金属和无机材料表面上成 膜，研究它的增强技术，提高它的抗磨和润滑性能，研究薄膜在摩擦过程中的破坏机制和修 复机制，因为MEMS这一类，还有其他微型机构，它的修复和润滑作用是非常困难，所以，希 望能够在摩擦或者它的运转过程中，有自修复的功能。纳米摩擦学当然不光包括这一些，其 中很多技术，包括清华大学还有英国的英国理工学院，他们做纳米润滑薄膜的测量技术，都 是非常精彩，今天因为时间关系我就不再介绍了。谢谢大家。主持人：纳米材料与技术的学术报告为您播送完了，希望能够对我国纳米材料与技术的开发，应 用与研究，起到一定的推动作用。感谢您收看学术报告厅节目，再见。