近日，壓在中國制造業(yè)頭上的小小圓珠筆頭終于取得突破，中國作為世界制造業(yè)大國，多年以來為何卻無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)小小零件的完全自主研發(fā)和生產(chǎn)？“圓珠筆之問”，更是“中國制造業(yè)之問”！
1、我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)展緩慢
眾所周知，經(jīng)過多年的發(fā)展和巨額投資，我國在航空發(fā)動機(jī)技術(shù)方面的突破依然非常有限。中國最重要的軍用飛機(jī)一般都由俄羅斯的系統(tǒng)提供動力，有時(shí)也會使用烏克蘭的系統(tǒng)，而在商業(yè)航空領(lǐng)域，將于2017年首飛的中國旗艦飛機(jī)C-919大型噴氣式客機(jī)使用的是通用電氣公司航空集團(tuán)和賽峰集團(tuán)的合資公司CFM國際公司制造的發(fā)動機(jī)。
2、納米涂層粉體材料是裝備制造的基礎(chǔ)
先進(jìn)飛機(jī)迫切需要高性能的國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)，艦船、電力裝備等迫切需要高性能的燃?xì)廨啓C(jī)。于是最近幾年，國家加快了高端動力裝備發(fā)展的步伐。如今，航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)（2機(jī)）已經(jīng)被列入國家重大科技專項(xiàng)，投入逾千億元資金，成為國家戰(zhàn)略。另一方面，隨著我國增材制造技術(shù)的進(jìn)展，或?qū)⒉捎酶咝阅芡繉硬牧献鳛楹牟模?D打印新型發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)部件。然而，不論是2機(jī)或是3D，其發(fā)展都受到材料瓶頸的制約，都需要先進(jìn)的熱噴涂納米涂層材料或增量耗材。
20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的納米科技，讓人們能夠在原子和分子的水平上控制物質(zhì)，使材料發(fā)揮出新穎、獨(dú)特且極為優(yōu)異的效應(yīng)，也使人類進(jìn)入了納米時(shí)代。納米材料，即具有納米數(shù)量級晶粒尺寸的材料，則能賦予產(chǎn)品奇特而優(yōu)異的性能，如優(yōu)越的強(qiáng)度、硬度、高溫塑性，以及優(yōu)異的耐磨抗蝕性能等。因此，納米材料技術(shù)在高新技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用展示了十分廣闊的發(fā)展前景，也為粉體企業(yè)帶來了生機(jī)。
BCC公司技術(shù)市場研究報(bào)告指出，2012年，北美高性能陶瓷涂層市場高達(dá)19億美元，而熱噴涂約占其中65%以上的市場份額。2012年全球納米涂層行業(yè)市場為20億美元，另據(jù)保守估計(jì)，到2020年將超過68億美元，到2025年至少達(dá)到97億美元。到2025年，全球熱噴涂納米涂層市場會達(dá)到65億美元，其中20%左右的市場份額在中國。
3、什么是熱噴涂納米涂層技術(shù)
納米技術(shù)的不斷完善，使粉體材料正朝著更細(xì)微、更廣泛、更多樣的方向發(fā)展，為改善涂層性能開拓了一個(gè)全新的領(lǐng)域。通過特定的加工技術(shù)或手段，納米粉體涂層可以對基體表面進(jìn)行強(qiáng)化、改性、超精細(xì)加工，從而賦予基體表面新功能。
 熱噴涂納米涂層技術(shù)原理圖
熱噴涂納米涂層技術(shù)是納米材料和熱噴涂技術(shù)相結(jié)合和綜合應(yīng)用的結(jié)果。自熱噴涂納米涂層技術(shù)出現(xiàn)以來，一直作為一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域而受到外國軍方的重視。原因在于，艦船、飛行器和陸上高端裝備等都面臨著極端的服役條件，如嚴(yán)重的腐蝕、磨損、高溫等作用，及由此造成的設(shè)備運(yùn)行故障、預(yù)期壽命下降等問題。由于熱噴涂納米涂層技術(shù)可以更有效地解決上述問題，因此它在軍事上的應(yīng)用范圍越加廣泛。目前，熱噴涂陶瓷納米涂層已成為在軍事上運(yùn)用較為經(jīng)典的范例。
4、納米粉體材料的制備方法
由于納米粉體具有較小的粒徑尺寸（1-100nm），導(dǎo)致其表面曲率較大或比表面積較大，從而產(chǎn)生獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等。研究表明，正是由于這些獨(dú)特效應(yīng)的存在，使得納米粉體制備的涂層比傳統(tǒng)涂層具有較高的硬度、良好的耐磨性、熱障性等。
噴涂所采用的納米粉體對其顆粒度、形狀等有很高的要求，就現(xiàn)有技術(shù)而言納米粉體制備仍存在難度大，成本高等問題，大大地限制了其規(guī)模化生產(chǎn)。
目前，噴涂用納米粉體的制備技術(shù)主要有液相法、氣相法、固相法等。
?。?）液相法制備納米粉體技術(shù)
液相法是目前實(shí)驗(yàn)室和工廠廣泛采用的制備納米粉體的方法，包括液相沉淀法、溶膠凝膠法以及溶劑蒸發(fā)法等，主要用于制備多組員氧化物、陶瓷或硅酸鹽粉體。
液相法制得的納米粉體粒徑較細(xì)，均勻性好，粉體純度高，但耗能較大、成本較高。在噴涂過程中，其顆粒形狀會降低粉體的流動性，進(jìn)而影響所制備涂層質(zhì)量，因此還需對其工藝進(jìn)行優(yōu)化。
采用溶膠-凝膠法制備的ZrO2和Y2O3納米復(fù)合粉體（簡稱YSZ>，經(jīng)掃描電鏡觀察如下圖所示，YSZ納米顆粒粒徑尺寸為30-50nm，形狀規(guī)則，顆粒表面平坦，但其邊緣有棱角。
以Ti（OC4H9）4、低成本無機(jī)鹽Ca（NO3）2·4H2O）作為先驅(qū)體，采用溶膠凝膠法低溫制備的納米CaTiO3粉體，粒子形狀多為球形，顆粒尺度在20-30nm左右，顆粒均勻性好，但有輕微的團(tuán)聚現(xiàn)象。此方法降低了納米粉體的制備成本，為其進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ)。
?。?）氣相法制備納米粉體技術(shù)
氣相法一般可分為氣相反應(yīng)法和氣體蒸發(fā)法。在氣相反應(yīng)法中使用最多的為化學(xué)氣相沉積法，此方法主要通過氣態(tài)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)來制備陶瓷或金屬納米粉體。
采用激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法利用SiH4分子對二氧化碳激光的強(qiáng)吸收作用，使分子與激光發(fā)生熱解合成反應(yīng)，成核長大，獲得最終非晶態(tài)球形且粒度均勻的氮化硅納米粉體顆粒。
采用氣相法在高溫環(huán)境下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)制備納米TiO2粉體，反應(yīng)方程式為：TiCl4（g）+O2（g）+2H2（g）→TiO2（s）+4HCl（g）。對所制備粉體進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，粉體顆?；緸榍蛐危蟛糠诸w粒粒徑為10-20nm，但也有少量顆粒粒徑尺寸達(dá)到100nm，形狀不規(guī)則。
氣體蒸發(fā)法主要是制備表面污染少、純度較高的金屬或合金納米粉體，但晶粒形狀較難控制、生產(chǎn)效率低。
?。?）固相法制備納米粉體技術(shù)
固相法制備納米粉體一般可分為機(jī)械粉碎法、固相反應(yīng)法和還原法3種。其中，機(jī)械粉碎法是較為常用的方法，是在特定條件下采用機(jī)械研磨、電火花爆炸、超聲波等方法將大塊固體進(jìn)行逐級粉碎直至得到納米級尺度粉體。
按粉碎設(shè)備的不同又可將其分為球磨法、流態(tài)化床氣流磨法、冷流沖擊法。此方法主要適用于脆性金屬、無機(jī)礦物或合金的納米粉體制備，其制備工藝簡單、成本低，可進(jìn)行批量生產(chǎn)，但采用該方法制備的粉體粒徑尺寸較大，易引進(jìn)雜質(zhì)并且粉碎效率低。
5、納米粉體再造粒是熱噴涂納米涂層技術(shù)的關(guān)鍵
由于普通的納米粉尺寸小、質(zhì)量輕，在熱噴涂過程中易被氣流吹散或被高溫火焰燒蝕掉，所以不能直接將普通納米粉體用于熱噴涂技術(shù)。
?。?）什么是納米粉體再造粒
1995年，康州大學(xué)P.R.Strutt教授和羅格斯大學(xué)卡爾B.H.Kear教授研究出了一種納米粉體的再造粒方法，即將普通納米粉制成具有納米結(jié)構(gòu)的微米尺度團(tuán)聚體粉體材料，使普通納米粉能夠被用于傳統(tǒng)的熱噴涂噴槍上。
在熱噴涂納米涂層技術(shù)中，通過球磨混粉、噴霧干燥團(tuán)聚、高溫?zé)Y(jié)致密化等手段，將所需成分組成的納米尺度初始粉體制備成滿足熱噴涂要求的納米結(jié)構(gòu)可噴涂粉體喂料的過程，就是納米粉體再造粒。
?。?）納米粉體的性能對涂層的影響
可噴涂納米粉體的成分、組織結(jié)構(gòu)、致密度和流動性，都將直接影響涂層的最終性能。
致密度：納米粉體喂料的致密度越高，由其制備的涂層越致密，涂層的力學(xué)性能更好。
流動性：納米粉體喂料的流動性還會影響沉積效率。在液料噴涂技術(shù)出現(xiàn)之前，若是沒有納米粉體再造粒技術(shù)，也就不可能得到納米結(jié)構(gòu)的熱噴涂涂層。
成分和微觀組織結(jié)構(gòu)：可噴涂納米粉體的成分和微觀組織結(jié)構(gòu)也可以通過納米粉體再造粒過程進(jìn)行調(diào)控，從而獲得不同性能的納米結(jié)構(gòu)熱噴涂涂層。
采用熱噴涂技術(shù)制備納米涂層，具有制備工藝簡單、沉積效率高、基體和涂層選材范圍大、層厚變化范圍寬、容易形成復(fù)合涂層等優(yōu)點(diǎn)，因而具有極為廣闊的工業(yè)應(yīng)用。
6、發(fā)展納米粉體材料制備技術(shù)意義重大
隨著納米粉體制備工藝的不斷成熟，納米結(jié)構(gòu)涂層是未來高性能涂層的主要發(fā)展方向。中國的航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、3D打印技術(shù)要走自主創(chuàng)新的科技強(qiáng)國之路，就需要通過政產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新，加快納米粉體材料制備技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展新型高性能的熱噴涂納米結(jié)構(gòu)或納米改性涂層，不僅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，更有重要的長遠(yuǎn)意義!
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