材料工程放异彩

  • A+
所属分类:科学故事
摘要

现代显微测试技术的迅猛发展,使人们在观测材料的结构时,能从晶体再细微到分辨出原子和电子,因而对材料所具有的独特的物理性质(电学、光学、磁学、热学、能量转换等)能够不断地揭示,给人类提供了设计新材料,改造、利用现有材料的依据。自然科学的进步和高新技术的旋风,为材料工程增添了异彩,已经培育出现代材料科学的灿烂花朵。而且由于高科技的涌现,人们已经制造出了许许多多性能奇妙的新材料,成为材料园地中的佼佼者。用于材料工程上的技术繁多,有离子束、电子束、激光束、电解、电镀、化学镀、高压力、快速冷凝等等,都在制

  现代显微测试技术的迅猛发展,使人们在观测材料的结构时,能从晶体再细微到分辨出原子和电子,因而对材料所具有的独特的物理性质(电学、光学、磁学、热学、能量转换等)能够不断地揭示,给人类提供了设计新材料,改造、利用现有材料的依据。自然科学的进步和高新技术的旋风,为材料工程增添了异彩,已经培育出现代材料科学的灿烂花朵。而且由于高科技的涌现,人们已经制造出了许许多多性能奇妙的新材料,成为材料园地中的佼佼者。用于材料工程上的技术繁多,有离子束、电子束、激光束、电解、电镀、化学镀、高压力、快速冷凝等等,都在制备新材料方面做出了重大贡献。载能束巧夺天工

  载能束指的是电子束、离子束、激光束。将这些具有高能的束流强行注入材料内部,在材料的表层可以迅速加热到高温,也可以实现快速冷却,冷却速度达每秒10摄氏度。这两种作用和载能束的本身都能对材料发挥奇特的作用。载能束本身的离子作为掺杂物质,掺入材料表面,能改变材料表面的成份。快速加热和快速冷却,会引起材料内部的结构变化,使原子重新组合,新的化合物可由此产生。

  1973年,迪利那利发明了用离子注入的方法把晶体合金转变成非晶合金(有关非晶合金的性质,在“繁星闪烁”一章中另行详述),这个方法是事先选择要注入合金晶体的元素,然后,把这些元素放入放电管,在放电管两端加上高电压,放电过程中使放入元素变成离子。这种放电管叫离子源所形成的离子进入磁质量分析仪,通过分析仪选出所需能量的离子,在高电压的电场下加速,使离子具有较高的能量(大约有几十万电子伏特),用这样的离子束流去轰击金属或合金表面。当注入的离子大于金属总原子量的10%时,可以使被注入的金属表面形成一层非晶态膜。非晶态膜比晶态金属的硬度要高几十至几百倍,这样就提高了材料的强度。

  高剂量的离子注入晶态金属或合金,导致晶态金属的结构受到破坏,使晶态表面产生极高的应力密度。因此,在这些非晶化的合金表面,得到高强度、高硬度、高韧性的特性,其成份结构和原来材料截然不同。这叫做材料的表面改性。

  但是,并不是任意注入离子和被注入的金属合金进行任意组合都能使材料表面非晶化。如果用被注入的合金的自身离子束注射,如铜离子注入金属铜,就不能形成表面非晶化。近年来,用离子注入法已制造出的非晶化表面的金属(合金)有:钨离子注入金属铜;钽离子注入金属铜;磷离子注入金属镍;磷离子注入不锈钢;金离子注入铂金;铁离子注入镝金属;镍离子注入镝等等。这些制造成功的金属,引起了人们的注意,有的已在工业生产中获得有效应用。

  离子注入技术可以通过束流的控制,实现金属表面的局部非晶化。使人们能进行随意操作,使用巧妙自如。如采用大面积的扫描离子注入,就可以获得人们梦寐以求的大面积金属表面非晶化的保护层,而且,在室温条件下就可以实现。离子注入的前景是非常美妙的。

  载能束改变材料表面的结构,可以大大提高材料的抗磨损性能。载能束加热的金属,可以在改性材料表面上形成扩散层,增加材料的抗磨、抗腐蚀的性能。如将铝蒸气扩散到钢上,铝的扩散层对钢起着很好的防护作用。1978年,英国哈威尔原子能中心的研究者N·E·W哈特勒公布了用氮离子注入能提高钢的抗磨能力,大大激起了人们的兴趣。目前,用氮离子注入人工髋关节材料钒铝钛(TiALV)进行表面改性,已发现其耐磨性能提高到原来的1000倍,效果特别奇妙。激光表面处理在工业上已获得广泛应用,如对邮票打孔机的滚筒经激光处理之后,把一个滚筒原先只能打印150万张的记录提高到1500万张,就是一个成功的例子。

  载能束的表面改性技术,从精细工艺、精致图案到较大的面积,可以无所不包地解决表面改性问题,其效果被人们称颂不已,真可谓巧夺天上。

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: