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(xué)技術(shù)局主辦，廣東科學(xué)中心和羊城晚報社聯(lián)合承辦的珠江科學(xué)大講堂第128講，邀請了廣東省科學(xué)院新材料研究所副所長劉辛走進了廣州科學(xué)城中學(xué)，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(xué)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(xué)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(xué)家們也在不斷探索將粉末進行復(fù)合化。”劉辛說，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(jì)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(jì)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(xué)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。”

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