论文部分内容阅读
钢铁研究总院从上个世纪60年代起就开始了纳米材料的研究并取得了具有世界一流水平的成果。先后开发出纳米金属及陶瓷类粉末，并以此材料为基础研制出核武器用关键材料——纳米分离膜材料，为我国第一颗原子弹的成功爆炸做出极其重要的贡献，该技术及材料相继获国家发明一、二、三等奖;进入80年代以后，为适应国防及国民经济建设的需要，钢铁研究总院投入大量人力、物力进行纳米材料及技术的研究，在纳米技术、纳米材料和应用、纳米材料评价技术等方面取得巨大的进展，获各类专利40余项，并形成一支老、中、青相结合的强大研究和开发队伍。
随着纳米新材料技术的不断涌现，钢铁研究总院各领域纳米材料技术研究力量不断增强，已形成了一支科学研究和产业化开发的技术力量。2001年，总院为了进一步系统推进纳米材料技术的科研和产业化工作，组建了“钢铁研究总院纳米材料工程技术研究中心”(以下简称“中心”)，以便对钢铁研究总院纳米技术研究系统化、集成化，使纳米技术的基础研究成果与应用技术相衔接，并向工程化、产业化发展，从而整体推动钢铁研究总院乃至冶金行业纳米材料技术进步，增强未来的科技和经济竞争力，保障可持续发展。
1、研究领域及水平
1.1、纳米材料
(1)纳米材料制备技术
钢铁研究总院60年代就开始利用Carbonyl法制备纳米粉体材料的研究，并建立了一条年产20吨纳米粉体材料Carbonyl法生产线，该技术及工艺于1984年获国家发明三等奖。目前，钢铁研究总院能制备包括金属、氧化物及陶瓷在内的球形、针状等形态复杂的多种纳米粉体材料。在纳米粉体材料的成型技术上，开发了纳米粉体的轧制技术及电火花烧结技术。
(2)纳米晶合金及其制品
经过十余年的科学研究，钢研院和安泰科技在纳米晶带材及其制品的研究开发和推广应用方面已经取得重要成果。在制造装备方面，已经自主设计、建成了纳米晶合金带材和铁芯中试线;在材料研究方面，已经掌握了纳米晶合金带材成分、性能的分析及制造工艺;在应用开发方面，形成了自己的特色，例如，纳米晶铁芯在逆变焊机、电力互感器、三相漏电保护器等领域获得大量应用;在自主知识产权方面，已经申请了大量专利，并拥有多项专有技术。目前纳米晶带材的年销量已经达到200吨，增长率为100%。纳米晶逆变电源铁芯和互感器铁芯年销量达到100万支。
在电子信息领域中的应用开发相对薄弱，主要原因在于国内现有设备和技术尚无法批量生产带厚小于20μm的高质量薄带。目前国家非晶微晶合金工程技术研究中心正在加紧技术攻关，已经掌握了关键生产技术，希望通过国家项目支撑积极推进产业化。
(3)纳米粉体功能材料
钢研院和安泰科技凭借其在纳米粉体材料制备和分散技术方面的综合优势，尤其在长期研究纳米材料中积累的丰富的分散技术与经验，开展了多项纳米粉体功能材料的研究，其中主要包括:纳米金属分离膜、纳米隐身材料，纳米润滑剂、磁性液体及纳米功能织物。研制出核武器用关键材料——纳米分离膜材料，为我国第一颗原子弹的成功爆炸做出极其重要的贡献，该技术及材料相继获国家发明一、二、三等奖;在纳米隐身材料方面，通过“六五”、“七五”、“八五”及“九五”国家科技攻关和863计划的支持，采用金属纳米粒子和MC纳米复合粉体，成功地研制出集抗可见光、抗近红外、抗热红外、抗雷达波(包括厘米波、毫米波)功能于一体的多频谱隐身材料及隐身网，并成功在潜艇、导弹运输车上得到应用，该技术被国家列为863计划新材料领域15年主要成果之一，获国家发明三等奖1项，部级科技进步奖一、二等奖四项和五项国家发明专利;在纳米润滑剂方面，成功研制出具有超级润滑、抗磨、修复及散热功能的纳米润滑添加剂，而在纳米功能织物方面，成功开发出抗紫外线抗可见光功能织物、红外功能织物、电磁防护织物及伪装功能织物，其中“纳米润滑及纳米功能织物添加剂”被列入国家高技术产业发展项目计划新材料专项(国家发展计划委员会高技术发展司高技函『2000』155号);在磁性液体方面，通过“八五”冶金部科技攻关项目的支持和“九五”国家863计划的支持，成功研制出900高斯的金属磁性液体和1270高斯的氮化铁磁性液体，在国内处于领先地位，达到国际先进水平。
(4)特种功能材料
近几年来，钢研院和安泰科技开展了“纳米晶贮氢合金”、“双相纳米晶永磁材料的结构与磁性”、“低温烧结法制备纳米稀土永磁材料”、“超高磁能积纳米永磁体”及“实用纳米晶软磁巨磁阻抗薄膜磁敏传感器研制”的研究，并取得了较大的进展，尤其在“纳米晶贮氢合金”研究中，在国内率先开展了用快淬工艺制备纳米1:5贮氢合金（863项目)的研究，并取得了非常好的结果，由于晶粒细化，与传统的铸态贮氢合金相比，纳米晶贮氢合金具有较高的循环寿命，内阻和内压都降低，平台性能明显改善。此外，相关实验室具备研究、测试、中试用的最基本设备和条件，如快淬设备，磁控溅射设备及相关材料制造设备等。
(5)纳米生物材料
钢研院和安泰科技于80年代开始了生物靶向释放材料——纳米磁载体与磁控药物制剂的研究，初步探讨了纳米磁性颗粒在动物体内的排泄途径、血管内聚集可能性与毒性问题。初步研究结果表明:以纳米铁合金颗粒作为微载体所制成的制剂，注射到大白鼠及犬的静脉后，纳米磁性颗粒均可通过肾及胆道排出体外;纳米铁合金颗粒无毒或毒性极低，大白鼠及犬注射该纳米磁性药剂后，其体温、呼吸、心率、尿量、饮食、活动、反应等均未出现异常;动物解剖后在心、肺、肝、脾、肾、脑、胃肠、膀胱、肾上腺及胆囊等未见纳米颗粒沉积或聚集，未发现功能异常和病理组织学改变。
此外，在“863”计划的BMP生物活性复合材料的研究中，利用高分子降解材料PLGA作为载体，与BMP复合制成纳米微囊和亚微米微囊，作为一种新剂型，用于骨缺损的非手术修复与治疗。
(6)纳米结构材料
钢铁材料以其相变的多样性和组织结构的多层次性导致了性能的多样性，从而成为目前和未来的主要结构材料。钢铁材料从百微米级晶粒发展到今天工业生产的十微米级晶粒，国际上大范围内研究的微米亚微米级晶粒钢，预示着纳米级钢铁材料研究的发展。钢铁研究总院通过国家863计划及973计划的支持，在新型纳米结构钢铁材料的设计、加工制备等方面，取得较大的进展，部分钢材的强度和韧性，接近铁的理论强度，制备出“超级钢”。
(7)纳米陶瓷材料
钢铁研究总院和安泰科技1995年起开始采用高能高效球磨法、等离子法、蒸镀法、溶胶-凝胶法生产硅烷类、碳化物、氮化物、氧化物类纳米粉末。目前可以生产氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钛、碳氮化钛、铟锡氧化物纳米复合粉。研制出的纳米及亚微米氮化硅粉体已得到广大企业的普遍欢迎，烧结温度比一般粉体下降100度~200度，性能提高10%~20%。在自蔓燃高温合金制粉技术上处于国内领先地位，国际先进行列。
(8)纳米材料基础研究
近年来在国家科技部、国家计委、国家自然科学基金委的资助下，钢铁研究总院以数种金属功能材料为研究载体，以探索其丰富的物理内涵为研究对象，在理论及实验研究两方面均取得了可喜的成绩。主要包括:A.在微观结构的理论研究方面:“材料的宏观物性及跨尺度关联”(微观-介观-宏观)等方面取得了高水平的研究结果，处于国际先进水平。特别是在材料缺陷体系，尤其是在团簇结构(纳米尺度)的热力学、动力学及其与宏观物性相关机制研究方面，积累了丰富的研究经验和结果，为材料的成份选择打下良好的基础。B.在理论研究的基础上，对几种稀土金属功能材料，如快淬储氢合金、磁性液体、双相纳米永磁及薄膜材料等，从不同的角度作了深入细致的研究，取得了突出的成绩，具有国内领先和国际先进水平。近年来共发表高水平文章40余篇，专著3本，获国家发明奖4项。现正承担7项国家自然科学基金项目和2项国家重大基础研究项目(973)，以及十数项国防军工课题、数项“863”项目和国家计委产业化开发项目，并和国内及国际上一些著名学者、研究小组如美国西北大学物理系、俄罗斯强度物理与重力研究所(托木斯克)、香港大学、浙江大学、香港城市大学等建立起长期的、稳定的和富有成效的合作。该研究组既有多年从事理论研究的高级专业人才，又包含具有丰富实际研究经验的材料专家，主要由40岁以下人员构成，其中中科院院士1名，博士生导师2名、博士及博士后8名。
2、纳米材料表征与评价技术
早在60年代，为表征和评价铀同位素分离膜用纳米铁、镍等金属粉末，钢铁研究总院就开展了利用X射线小角度散射(SAXS)和BET吸附法来表征和评价纳米粉体材料的研究。X射线小角散射(SAXS)，作为发生于原光束附近0至几度范围内的相干散射现象，它是由物质内部1至几百纳米尺度的电子密度起伏引起的。根据这一原理，SAXS技术可以用来表征物质的长周期结构以及测定纳米体系的粒度分布。SAXS方法与其它评价方法相比，参与散射的纳米颗粒数一般在1010个~1013个，统计上有足够的代表性。制样时对颗粒分散的要求也不像其它方法那样高，即使对用常规方法无法分散开的硬团粒，SAXS法的测试结果也对应的是一次颗粒的尺寸，这是其它方法所无法比拟的。在有关测试仪器自动化水平不断提高和计算机日益普及的今天，小角散射的测量和数据处理已相对比较简便，完全可以作为常规的分析手段。由钢铁研究总院起草“X射线小角散射法测定纳米粉末粒度分布”于1991年成为国家标准(GB/T13221-91)，该标准方法于1993年获得了国家技术监督局科技进步一等奖。1994年受ISO国际标准化组织的委托，由钢铁研究总院负责组织制定该方法的ISO标准，经过几次ISOTC24/SC4会议讨论和专家评审，最后由P成员国表决通过。目前ISO/TS13762“粒度分析-X射线小角散射法”技术规范已由ISO中央秘书处出版。
(钢铁研究总院供稿)
随着纳米新材料技术的不断涌现，钢铁研究总院各领域纳米材料技术研究力量不断增强，已形成了一支科学研究和产业化开发的技术力量。2001年，总院为了进一步系统推进纳米材料技术的科研和产业化工作，组建了“钢铁研究总院纳米材料工程技术研究中心”(以下简称“中心”)，以便对钢铁研究总院纳米技术研究系统化、集成化，使纳米技术的基础研究成果与应用技术相衔接，并向工程化、产业化发展，从而整体推动钢铁研究总院乃至冶金行业纳米材料技术进步，增强未来的科技和经济竞争力，保障可持续发展。
1、研究领域及水平
1.1、纳米材料
(1)纳米材料制备技术
钢铁研究总院60年代就开始利用Carbonyl法制备纳米粉体材料的研究，并建立了一条年产20吨纳米粉体材料Carbonyl法生产线，该技术及工艺于1984年获国家发明三等奖。目前，钢铁研究总院能制备包括金属、氧化物及陶瓷在内的球形、针状等形态复杂的多种纳米粉体材料。在纳米粉体材料的成型技术上，开发了纳米粉体的轧制技术及电火花烧结技术。
(2)纳米晶合金及其制品
经过十余年的科学研究，钢研院和安泰科技在纳米晶带材及其制品的研究开发和推广应用方面已经取得重要成果。在制造装备方面，已经自主设计、建成了纳米晶合金带材和铁芯中试线;在材料研究方面，已经掌握了纳米晶合金带材成分、性能的分析及制造工艺;在应用开发方面，形成了自己的特色，例如，纳米晶铁芯在逆变焊机、电力互感器、三相漏电保护器等领域获得大量应用;在自主知识产权方面，已经申请了大量专利，并拥有多项专有技术。目前纳米晶带材的年销量已经达到200吨，增长率为100%。纳米晶逆变电源铁芯和互感器铁芯年销量达到100万支。
在电子信息领域中的应用开发相对薄弱，主要原因在于国内现有设备和技术尚无法批量生产带厚小于20μm的高质量薄带。目前国家非晶微晶合金工程技术研究中心正在加紧技术攻关，已经掌握了关键生产技术，希望通过国家项目支撑积极推进产业化。
(3)纳米粉体功能材料
钢研院和安泰科技凭借其在纳米粉体材料制备和分散技术方面的综合优势，尤其在长期研究纳米材料中积累的丰富的分散技术与经验，开展了多项纳米粉体功能材料的研究，其中主要包括:纳米金属分离膜、纳米隐身材料，纳米润滑剂、磁性液体及纳米功能织物。研制出核武器用关键材料——纳米分离膜材料，为我国第一颗原子弹的成功爆炸做出极其重要的贡献，该技术及材料相继获国家发明一、二、三等奖;在纳米隐身材料方面，通过“六五”、“七五”、“八五”及“九五”国家科技攻关和863计划的支持，采用金属纳米粒子和MC纳米复合粉体，成功地研制出集抗可见光、抗近红外、抗热红外、抗雷达波(包括厘米波、毫米波)功能于一体的多频谱隐身材料及隐身网，并成功在潜艇、导弹运输车上得到应用，该技术被国家列为863计划新材料领域15年主要成果之一，获国家发明三等奖1项，部级科技进步奖一、二等奖四项和五项国家发明专利;在纳米润滑剂方面，成功研制出具有超级润滑、抗磨、修复及散热功能的纳米润滑添加剂，而在纳米功能织物方面，成功开发出抗紫外线抗可见光功能织物、红外功能织物、电磁防护织物及伪装功能织物，其中“纳米润滑及纳米功能织物添加剂”被列入国家高技术产业发展项目计划新材料专项(国家发展计划委员会高技术发展司高技函『2000』155号);在磁性液体方面，通过“八五”冶金部科技攻关项目的支持和“九五”国家863计划的支持，成功研制出900高斯的金属磁性液体和1270高斯的氮化铁磁性液体，在国内处于领先地位，达到国际先进水平。
(4)特种功能材料
近几年来，钢研院和安泰科技开展了“纳米晶贮氢合金”、“双相纳米晶永磁材料的结构与磁性”、“低温烧结法制备纳米稀土永磁材料”、“超高磁能积纳米永磁体”及“实用纳米晶软磁巨磁阻抗薄膜磁敏传感器研制”的研究，并取得了较大的进展，尤其在“纳米晶贮氢合金”研究中，在国内率先开展了用快淬工艺制备纳米1:5贮氢合金（863项目)的研究，并取得了非常好的结果，由于晶粒细化，与传统的铸态贮氢合金相比，纳米晶贮氢合金具有较高的循环寿命，内阻和内压都降低，平台性能明显改善。此外，相关实验室具备研究、测试、中试用的最基本设备和条件，如快淬设备，磁控溅射设备及相关材料制造设备等。
(5)纳米生物材料
钢研院和安泰科技于80年代开始了生物靶向释放材料——纳米磁载体与磁控药物制剂的研究，初步探讨了纳米磁性颗粒在动物体内的排泄途径、血管内聚集可能性与毒性问题。初步研究结果表明:以纳米铁合金颗粒作为微载体所制成的制剂，注射到大白鼠及犬的静脉后，纳米磁性颗粒均可通过肾及胆道排出体外;纳米铁合金颗粒无毒或毒性极低，大白鼠及犬注射该纳米磁性药剂后，其体温、呼吸、心率、尿量、饮食、活动、反应等均未出现异常;动物解剖后在心、肺、肝、脾、肾、脑、胃肠、膀胱、肾上腺及胆囊等未见纳米颗粒沉积或聚集，未发现功能异常和病理组织学改变。
此外，在“863”计划的BMP生物活性复合材料的研究中，利用高分子降解材料PLGA作为载体，与BMP复合制成纳米微囊和亚微米微囊，作为一种新剂型，用于骨缺损的非手术修复与治疗。
(6)纳米结构材料
钢铁材料以其相变的多样性和组织结构的多层次性导致了性能的多样性，从而成为目前和未来的主要结构材料。钢铁材料从百微米级晶粒发展到今天工业生产的十微米级晶粒，国际上大范围内研究的微米亚微米级晶粒钢，预示着纳米级钢铁材料研究的发展。钢铁研究总院通过国家863计划及973计划的支持，在新型纳米结构钢铁材料的设计、加工制备等方面，取得较大的进展，部分钢材的强度和韧性，接近铁的理论强度，制备出“超级钢”。
(7)纳米陶瓷材料
钢铁研究总院和安泰科技1995年起开始采用高能高效球磨法、等离子法、蒸镀法、溶胶-凝胶法生产硅烷类、碳化物、氮化物、氧化物类纳米粉末。目前可以生产氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钛、碳氮化钛、铟锡氧化物纳米复合粉。研制出的纳米及亚微米氮化硅粉体已得到广大企业的普遍欢迎，烧结温度比一般粉体下降100度~200度，性能提高10%~20%。在自蔓燃高温合金制粉技术上处于国内领先地位，国际先进行列。
(8)纳米材料基础研究
近年来在国家科技部、国家计委、国家自然科学基金委的资助下，钢铁研究总院以数种金属功能材料为研究载体，以探索其丰富的物理内涵为研究对象，在理论及实验研究两方面均取得了可喜的成绩。主要包括:A.在微观结构的理论研究方面:“材料的宏观物性及跨尺度关联”(微观-介观-宏观)等方面取得了高水平的研究结果，处于国际先进水平。特别是在材料缺陷体系，尤其是在团簇结构(纳米尺度)的热力学、动力学及其与宏观物性相关机制研究方面，积累了丰富的研究经验和结果，为材料的成份选择打下良好的基础。B.在理论研究的基础上，对几种稀土金属功能材料，如快淬储氢合金、磁性液体、双相纳米永磁及薄膜材料等，从不同的角度作了深入细致的研究，取得了突出的成绩，具有国内领先和国际先进水平。近年来共发表高水平文章40余篇，专著3本，获国家发明奖4项。现正承担7项国家自然科学基金项目和2项国家重大基础研究项目(973)，以及十数项国防军工课题、数项“863”项目和国家计委产业化开发项目，并和国内及国际上一些著名学者、研究小组如美国西北大学物理系、俄罗斯强度物理与重力研究所(托木斯克)、香港大学、浙江大学、香港城市大学等建立起长期的、稳定的和富有成效的合作。该研究组既有多年从事理论研究的高级专业人才，又包含具有丰富实际研究经验的材料专家，主要由40岁以下人员构成，其中中科院院士1名，博士生导师2名、博士及博士后8名。
2、纳米材料表征与评价技术
早在60年代，为表征和评价铀同位素分离膜用纳米铁、镍等金属粉末，钢铁研究总院就开展了利用X射线小角度散射(SAXS)和BET吸附法来表征和评价纳米粉体材料的研究。X射线小角散射(SAXS)，作为发生于原光束附近0至几度范围内的相干散射现象，它是由物质内部1至几百纳米尺度的电子密度起伏引起的。根据这一原理，SAXS技术可以用来表征物质的长周期结构以及测定纳米体系的粒度分布。SAXS方法与其它评价方法相比，参与散射的纳米颗粒数一般在1010个~1013个，统计上有足够的代表性。制样时对颗粒分散的要求也不像其它方法那样高，即使对用常规方法无法分散开的硬团粒，SAXS法的测试结果也对应的是一次颗粒的尺寸，这是其它方法所无法比拟的。在有关测试仪器自动化水平不断提高和计算机日益普及的今天，小角散射的测量和数据处理已相对比较简便，完全可以作为常规的分析手段。由钢铁研究总院起草“X射线小角散射法测定纳米粉末粒度分布”于1991年成为国家标准(GB/T13221-91)，该标准方法于1993年获得了国家技术监督局科技进步一等奖。1994年受ISO国际标准化组织的委托，由钢铁研究总院负责组织制定该方法的ISO标准，经过几次ISOTC24/SC4会议讨论和专家评审，最后由P成员国表决通过。目前ISO/TS13762“粒度分析-X射线小角散射法”技术规范已由ISO中央秘书处出版。
(钢铁研究总院供稿)