纳米科学对流体技术未来走向的影响

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1、纳米科学对流体技术未来走向的影响刘长年北京科海高技术集团公司，北京102218Liu.c.n@163.com,010-61760833摘要本文探讨了纳米科学对流体技术未来发展走向的影响。作者首先简介纳米科学的基本概念和流体技术的现状，指出两者之间的内涵关联性。然后从三个方面介绍了纳米技术对液压技术改造的可能性。提出走纳米技术与流体技术中间的边缘路线。认为纳米科学是改进流体技术最有效的一支生力军。关键词纳米科学流体技术表面效应尺寸效应宏观量子遂道效应中图分类号：TH137.3文献标识码：A0引言“纳米

2、”本是一种长度单位，由于它恰好位于微观和宏观之间，因此具有这种长度单位的物质比起具有宏观单位的同一物质产生了一些重大变化。正是这些新特点给有关领域带来了新的变化，给一些过去难以解释的现象找到了答案。纳米材料的应用范围越来越广，目前多用于电子器件、磁性材料、光学材料、热材料、显示与记忆装置、机械材料和医用材料等等。纳米技术对于流体技术也将有很大的影响。这是本文将要讨论的内容。从目前的发展趋势看，大体可分成下列几方面：（1）关键液压部件纳米化。所谓纳米化，即是将过流的关键另件的表面镀上一层纳米材料，使其

3、接触面达到纳米镜面，其间隙也要适当减小；（2）利用纳米磁性液体做旋转轴的动态密封。液压部件的密封一直是个大问题，特别是旋转轴的密封，例如油泵、液压马达等，如果采用纳米磁性油做间隙密封，则可大大减少泄漏、提高效率和寿命；（3）液压油的纳米化，做成这种液压油可以提高液压系统的效率，资料记载可提高7～10%。以上的改进都能大大提高液压系统的效率和增加元部件的寿命。由此推断纳米技术可望使流体技术发生巨大的变化。1纳米理论的几个关键点众所周知宏观领域是指从人的肉眼可以看到的最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙

4、空间，即10-6m～∞；所谓微观领域则是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。在宏观与微观领域中间存在一个所谓的介观领域，它包括微米、亚微米、纳米和团簇（几个到几百个原子以上尺寸）,即开集为10-6～10-12m，其中10-7～10-9m，即100～1nm从介观领域独立出来，构成纳米体系。由于纳米颗粒太小，用肉眼和一般显微镜看不见，相当于红血球和细菌的几分之一，甚至小于一般病毒的大小。当小颗粒尺寸进入纳米量级（1～100nm）时，就产生了所谓量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应〔

5、1，2〕，因而表现出许多特有的效应。例如，由纳米形成的导电物质不再遵守欧姆定律,在力学中的机械特性如弹性模量、弹性系数和摩摖等概念也有本质的变化。从而形成了纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学和纳米材料学。利用纳米电子学可以造出极微小的电子原件，可以造出纳米机器人，其尺寸比人体红血球还小。碳纳米管具有与金刚石一样的力学性质，可将其弯成圆环，当去掉外力后还能恢复原样，而碳纳米管并不破裂。所谓量子尺寸效应是指物资的颗粒尺寸对电子能态分布的影响。对于宏观尺寸的材料，其能态分布是准连续的，当材料尺寸进入（1～

6、100nm）纳米范围时，电子能级的分布便转为离散。根据久保理论颗粒尺寸越小，其自由电子数越少，因而电子能级间的平均差值越大，这便是量子尺寸效应。所谓小尺寸效应主要是指磁效应的变化，对于铁磁体存在一个临界尺寸，当磁体大于临界尺寸，它为多畴体，否则便是单畴体。对于多畴体，磁化过程是通过畴壁位移来完成；而对于单畴体，是以磁畴转动来改变磁化状态。单畴体的矫顽力高于多畴体，而且矫顽力随铁磁体颗粒的减小而增大，但当铁磁体颗粒小到一定程度时，矫顽力反而随之减小，直至完全消失。从而出现全新的超顺磁性。所谓表面效应是

7、指由于材料比表面积的增大给材料带来的影响。例如当铁的粒径为1μm时其比表面积为0.769m2/g,当粒径为10nm时，其比表面积76.9m2/g，当粒径为2nm时，其比表面积猛增至384.6m2/g。这样高的比表面积，使处于表面的原子数越来越多，相反颗粒内部的原子数越来越少，甚至只有几个。处于表面的原子由于存在一些不饱和键或悬挂键，使其具有不稳定的表面能，因此纳米材料比起大块同材料在性能上就发生很多变化。例如纳米材料熔点就比大块同材料低得多，这是可以想见的。所谓宏观量子隧道效应是指当一物体的能量小于

8、面对的势能位垒时，它无法逾越该位垒。但在微观世界中则不同，若一个微观粒子的能量低于面对的势能位垒时，它仍有穿越该位垒的可能，因为其态函数不为零。这就是量子隧道效应。关于纳米基本理论的文章很多〔3～6〕，这里不再赘述。2纳米技术影响流体工程未来走向的几个方面流体技术作为一门应用技术已经比较成熟，因此近年来发展较为缓慢，十年前的液压元部件与现行产品没有太大的差别。虽然随着微电子、计算机、光机电一体化和控制等技术的发展对液压技术产生一定的影响，如数字阀、数字缸以及对系统的故