磨損、腐蝕、疲勞是機械零部件的三大主要失效形式。節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、高效、長壽是對機械零部件提出的基本要求。據(jù)統(tǒng)計，80%的機械零部件因磨損失效。我國每年腐蝕損失約1900億元。利用表面工程技術(shù)解決磨損及腐蝕問題是非常行之有效的，但有些表面工程技術(shù)對環(huán)境會造成污染，對操作者的身體健康有負面影響。

如傳統(tǒng)的電鍍硬鉻技術(shù)所得鍍層硬度高、耐磨、耐蝕，并能長期保持表面光亮。然而,電鍍鉻工藝導(dǎo)致嚴重的環(huán)境問題。目前，各國對鍍鉻工藝的限制已越來越嚴。比如，美國已將六價鉻的空氣排放標準從0.1mg/m3降低到0.0050=0.0005mg/m3。其實，電鍍硬鉻鍍層的硬度和耐磨性遠不及一些陶瓷好，其工作溫度也只能低于427℃，難適應(yīng)現(xiàn)代機械高溫、高速下的工作要求。再者，鍍鉻層內(nèi)易產(chǎn)生穿透性裂紋，可導(dǎo)致基體腐蝕，甚至鍍層剝落。

已有一些涂層技術(shù)被證明比電鍍硬鉻更清潔、更有效，諸如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、激光涂層技術(shù)和熱噴涂技術(shù)等。其中廣泛應(yīng)用的熱噴涂技術(shù)具有成本低廉、工藝簡單、適于規(guī)模化應(yīng)用的優(yōu)勢、最被看好作為電鍍硬鉻的替代技術(shù)。

在環(huán)保方面，陶瓷首當(dāng)其沖、功不可沒。隨著納米科技的飛速發(fā)展，世界發(fā)達國家都把納米陶瓷材料列為21世紀新材料，投巨資研發(fā)高強韌性、高耐磨抗蝕性、高耐溫性能的納米陶瓷新材料。鑒于目前具有微米或亞微米級晶粒尺寸的傳統(tǒng)工業(yè)材料幾乎已達到了產(chǎn)品性能的極限，而具有納米數(shù)量級晶粒尺寸的納米材料則能賦予產(chǎn)品以奇特而有用的性能。因此，納米材料為在高技術(shù)和國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用提供了非常廣闊的發(fā)展前景。因為納米陶瓷材料具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等，有著常規(guī)尺度陶瓷材料所不具有的特殊光、電、熱、磁、力學(xué)等特性，可應(yīng)用于光催化材料、光電轉(zhuǎn)換材料、結(jié)構(gòu)功能材料、涂層材料，以及作為環(huán)保材料等。

熱噴涂技術(shù)是表面工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)。如今，納米熱噴涂技術(shù)已成為熱噴涂技術(shù)新的發(fā)展方向。但由于普通納米粉尺寸小、質(zhì)量輕，易被氣流吹散或被高溫火焰燒蝕掉，故不能直接用于熱噴涂。幾年前研究出的納米粉末的再造粒方法，使具有納米結(jié)構(gòu)的粉末材料能夠用于傳統(tǒng)的熱噴涂噴槍上，從而使制備出納米結(jié)構(gòu)熱噴涂涂層成為可能。

然而，目前的陶瓷材料普遍存在著脆性大和熱震抗力低這兩大缺點，限制了陶瓷材料的使用范圍。而作為涂層材料使用，還要考慮到陶瓷涂層與基體材料間的結(jié)合強度以及涂層本身的致密性。

上世紀末，美國英佛曼公司采用王鈾發(fā)明的納米合金化技術(shù)制造出了具有十分優(yōu)異的強韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能的納米陶瓷涂層。如所開發(fā)出的納米結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鈦陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科130涂層具有十分優(yōu)異的強韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能。這一在世界上首獲實際應(yīng)用的熱噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)被美國海軍稱之為一項革命性的先進技術(shù)，并已被廣泛應(yīng)用于軍艦，潛艇，掃雷艇和航空母艦設(shè)備上的數(shù)百種零部件上。2001年，該技術(shù)獲得被美國媒體譽為應(yīng)用發(fā)明諾貝爾獎的世界研究開發(fā)百項獎和美國國防部軍民兩用先進技術(shù)獎。作為一種綠色環(huán)保技術(shù)，這種納米陶瓷涂層是不僅可以替代有污染的電鍍鉻方法，而且可以大幅度提高材料的表面性能，大幅度提高機械裝備的壽命，大大地降低了能耗，因而用途廣泛。

現(xiàn)在，該技術(shù)發(fā)明人王鈾已將先進納米陶瓷涂層技術(shù)帶回移植國內(nèi)并進一步創(chuàng)新。2006年11月30日，中國船舶重工集團公司規(guī)劃發(fā)展部在西安主持召開了“高性能精細納米陶瓷噴涂材料研究”項目驗收暨技術(shù)鑒定會，陜西省發(fā)改委和科技廳有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)出席了會議。以著名科學(xué)家張立同院士為主任委員的項目驗收暨鑒定委員會聽取了項目組的研制工作匯報，審閱了全部技術(shù)文件，評審認為該項目技術(shù)先進，取得了多項創(chuàng)新成果，成功解決了陶瓷涂層韌性低和抗熱震能力差的兩大難題，與處于世界領(lǐng)先水平的美國海軍在用的熱噴涂納米結(jié)構(gòu)陶瓷粉體材料相比，主要性能達到了同等水平。如所開發(fā)出的納米結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鈦陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科130涂層有著高出3-10倍的耐磨性，高出1倍的抗蝕性，高出1倍左右的斷裂韌性，高出1-2倍的結(jié)合強度和抗熱震性能，高出5-10倍的疲勞抗力。

這種納米結(jié)構(gòu)熱噴涂陶瓷涂層用途廣泛，可以應(yīng)用的零部件包括(但不局限于)：潛水艇和艦船零部件、汽車和火車零部件、航空器零部件、金屬軋輥、印刷卷輥、造紙用干燥軋輥、紡織機器零件、液壓活塞、水泵、內(nèi)燃機和汽輪機零部件，閥桿、閥門、活塞環(huán)、汽缸體、銷子、傳動軸、支承軸、支撐板、挺桿、工具模具、軸瓦、重載后軸柄、凸輪、凸桿，密封件等。 

 

 

 負責(zé)人：王鈾教授   E-MAIL:wangyou1954@126.com 

        王鈾，男，漢族，1954年生。現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師。

王鈾教授是280余篇論文的作者，二十余項美國、中國或國際專利的發(fā)明人，數(shù)十篇文章為SCI收錄并為同行在國際雜志引用約2600余次。上世紀末因在摩擦學(xué)和表面工程方面的杰出貢獻被英國劍橋國際傳記中心選入《二十世紀2000杰出科學(xué)家》。

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