刘辛
文/羊城晚报全媒体记者 李钢
图/主办方提供
如何将“一盘散沙”凝聚起来，形成一种造福人类的“力量”？近日，由广州市科学技术局主办，广东科学中心和羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂第128讲，邀请了广东省科学院新材料研究所副所长刘辛走进广州科学城中学，为师生们作《凝聚粉末的力量》的科普讲座。
可用不同的方式制备金属粉末
刘辛介绍，从本质上来说，沙子是粉末的一种表现形式，而在科学上，对于粉末的定义是：尺寸小于1毫米的离散颗粒的集合体。在日常生活中，粉末无处不在，例如面粉、奶粉等。而在工业领域，金属粉末可是一类极其重要的工业原材料。根据统计，70%以上的工业成品或者中间品是以颗粒形式存在的。
无论是哪种粉末，在其堆积的状态时都呈现为松散的圆锥体，通过微观观察可以发现，不同的粉末颗粒有各种各样的形状，有球形、圆柱形、针状等。
在工业应用上，可以用不同的方式去制备金属粉末。
刘辛介绍说，第一种方式简单而“粗暴”——就是用机械的方式进行粉碎，将一块整体的金属材料变成不规则的粉末，用这样的方式来制备粉末产量大，成本也较低，但是问题就在于制成的粉末形状不规则。
第二种方式则是化学的方法，利用还原剂将金属氧化物和金属盐类还原。这一方法也是目前工业生产中比较常见的方法。最后一种方式则采用了物理的方法，如工业上经常使用二流雾化法去制备球形粉末，所谓的“二流”是指用高压水或者气体击碎金属的液流，得到球形的粉末。
刘辛指出，目前金属粉末呈现了高纯化发展的趋势，对于粉末的纯度要求越来越高，其中最大的挑战就是要控制其中的氧含量。
此外，粉末的尺寸也在变得超细化（纳米化）。纳米粉末在未来会有非常广泛的应用场景，例如在芯片中就会用到纳米镍粉或者纳米银粉。
“纳米粉末能够极大提升材料或者器件的性能。”并且，科学家们也在不断探索将粉末进行复合化。刘辛介绍，复合化指的是将两种以上的材料复合在一起，带来更多功能化的作用。比如，在碳化钨粉末的表面包裹上一层镍粉，可以提升材料的耐磨性，这个方法在钻头等耐磨材料领域得到了广泛应用。
用粉末冶金技术将粉末凝聚成可用材料
虽然通过各种方式得到了金属粉末，但是毕竟是“一盘散沙”，依然无法使用，那么，如何将粉末变成具有一定强度和性能的工业零部件？刘辛说，这就需要用到粉末冶金技术。
刘辛说，传统的制造工艺往往是以金属锭为原料，通过熔炼、铸造、锻造、机械加工等手段来制造出所需要的零部件。但这个方法的整个流程很长，而且会造成许多原材料的浪费，其浪费的成本甚至可以达到总成本的80%以上。而通过粉末冶金技术，将作为原料的金属粉末，经过成形和烧结，可以制造出金属零部件。在粉末冶金流程中，有一个非常重要的环节叫作“烧结颈”，通过在微观尺度上实现粉末颗粒之间的相互紧密连接，将粉末凝聚成坚固可用的材料。这种方式大大节约了原材料，也大大缩短了生产流程，同时还能制造出一些结构特别复杂的零部件。
刘辛说，其实粉末冶金技术的历史非常悠久，3000年前的古埃及人就曾经用碳还原铁的方法制备出了海绵铁。在20世纪初，发明家爱迪生采用了粉末冶金技术制造出了电灯的钨丝，将人类带入了电气照明的时代。
最大的应用市场在汽车领域
刘辛说，粉末冶金技术最大的应用市场其实是在汽车领域，超过半数的汽车零部件都是利用粉末冶金技术制造出来的。有数据显示，美国生产一辆普通的轿车，至少要使用230种、近750个粉末冶金的零件。从20世纪90年代开始，粉末冶金钛合金构件已经出现在了汽车生产中，相比起钢质构件，这种钛合金构件的重量可以减轻55%，而强度更大，堪称“超级钢”。此外，如果了解电动汽车，会听说过“永磁电机”的概念，而其中的“永磁”材料的学名叫铝铁硼，同样是利用粉末冶金技术生产的。
近十年来，3D打印技术非常热门，并被认为是推动人类第三次工业革命的代表性技术。刘辛说，3D打印技术的原理是以数字模型为基础，通过逐层堆积的方式，将二维材料“堆”出三维的材料。而将这一技术与粉末冶金技术相结合，形成金属粉末3D打印技术，可以在工业领域大显身手。
刘辛说，这一技术已经在火箭发动机、人体植入物等多方面得到了应用。
“在商业航天领域，火箭发动机的很多零部件都可以用3D打印技术来制造。相比起传统生产流程，其效率能得到惊人的提升。”刘辛说，在2023年，美国的一家公司成功发射了一艘箭体均由3D打印而成的火箭。根据统计，3D打印技术可以使零件的质量和成本降低30%。
刘辛还介绍说，其所在单位和医院合作，以钽合金粉为原材料，利用3D打印技术打印出人体的髋关节，并完成了国内首例的置换手术。钽合金比钛合金对人体的生物相容性更好，被认为是最亲和人体的金属。
刘辛特别提到，除了3D打印技术外，还有一项被称为“粉末注射成形”的技术，也特别适合制作一些复杂的零部件。
“华为刚刚推出了三折叠手机，这部折叠手机的转轴，其实就是用了粉末注射成形技术来实现的。这一技术比3D打印技术的效率更高，产量更大，而且成本更低。”