王曉安

小學(xué)自然課本上有一篇科學(xué)作文《沒(méi)有摩擦的世界》,這篇科普文章的趣味性讓我們記憶深刻。事實(shí)上沒(méi)有摩擦是不可能的。現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中,恰恰因?yàn)槟Σ撂蠖a(chǎn)生了各種問(wèn)題,所有機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中都會(huì)因齒輪、滾軸等部件的摩擦過(guò)大而影響工作效率,增加損耗。這種微小的摩擦給經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。

國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)算:世界一次性能源的30-50%消耗在摩擦損失上,機(jī)械設(shè)備損壞和失效約80%是摩擦磨損造成的,而且50%以上的機(jī)械裝備的惡性事故都是起因于潤(rùn)滑失效造成的過(guò)度磨損。

中國(guó)工程院《摩擦學(xué)科學(xué)及工程應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究》報(bào)告指出:“2006年我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域因摩擦磨損造成的損失約9,700億元人民幣,歐美發(fā)達(dá)國(guó)家因摩擦磨損造成的損失約占其國(guó)民生產(chǎn)總值的2%-7%。目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式還比較粗獷,資源浪費(fèi)嚴(yán)重,該領(lǐng)域的損失遠(yuǎn)高于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。”

潤(rùn)滑油就是為了解決這一問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生的。潤(rùn)滑油的作用機(jī)理是在零件表面形成潤(rùn)滑油膜,減小摩擦。問(wèn)題的解決顯然還有另一種思路:能不能從機(jī)械零件本身入手,比如讓零件表面改性,使其更加光滑、更加堅(jiān)硬來(lái)減小摩擦和損耗呢?

答案是肯定的。清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生導(dǎo)師、俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士、白俄羅斯工程技術(shù)科學(xué)院外籍院士金元生教授提出的金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的科學(xué)概念和理論體系(Auto-Reconditioning Technology for Worn Metals,簡(jiǎn)稱ART)就是從上述第二種思路出發(fā)的。根據(jù)這一理論體系形成的專利技術(shù)已被授予國(guó)家發(fā)明專利,專利號(hào):ZL 200610075832.5。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)運(yùn)用,相應(yīng)產(chǎn)品——強(qiáng)效金屬磨損自修復(fù)制劑已由北京金颯新材料科技有限公司投入生產(chǎn)。

摩擦的克星 — 金屬磨損自修復(fù)技術(shù)

金屬磨損自修復(fù)技術(shù)的機(jī)理是利用制劑與摩擦金屬表面的相互作用,形成與基體冶金結(jié)合的保護(hù)層,沒(méi)有明顯的物理界面,不會(huì)脫落。保護(hù)層具有超滑、高硬、耐腐蝕的特性,磨損率極低,摩擦系數(shù)極低,從而克服摩擦帶來(lái)的磨損和能耗。

顯然,這種金屬磨損自修復(fù)制劑的作用與潤(rùn)滑油有著本質(zhì)的區(qū)別,它能使金屬摩擦表面原位改性,是一種表面工程領(lǐng)域的創(chuàng)新性技術(shù)。其突出特點(diǎn)是在機(jī)器不解體的運(yùn)行狀態(tài)下,以潤(rùn)滑劑為載體將制劑帶入摩擦副表面,通過(guò)力化學(xué)作用選擇性地原位修復(fù)磨損表面,優(yōu)化機(jī)械元件配合間隙,恢復(fù)原設(shè)計(jì)尺寸,達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦副表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)有離線強(qiáng)化預(yù)處理和解體后離線修復(fù)的后處理兩種途徑。與此不同,金屬磨損自修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原位修復(fù)可以簡(jiǎn)化維修過(guò)程,降低成本,提高機(jī)器在線使用率。同時(shí),由于形成的自修復(fù)保護(hù)層具有的優(yōu)異性能,能達(dá)到節(jié)能、減排、延壽的目的。

在試驗(yàn)測(cè)試中,采用金颯金屬磨損自修復(fù)制劑處理的機(jī)床,零部件的更換頻率從兩三年提高到十年,并且制造精度提高、噪音降低、能耗減小。在汽車應(yīng)用方面,金颯公司先后在北京汽車能源檢測(cè)中心、清華大學(xué)汽車研究所、云南玉溪進(jìn)行了3次實(shí)車檢驗(yàn)。一臺(tái)已運(yùn)行13萬(wàn)公里,缸壓降至8.2左右的捷達(dá)轎車缸壓恢復(fù)至12,綜合節(jié)油率提升了3.1%-3.7%,CO2排放降低了24%,HC + NOx排放降低了23%。2008年2月28日～5月13日,清華大學(xué)汽車研究所503室汽車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上,一臺(tái)接受試驗(yàn)的索納塔轎車CO2排放降低20%,另一臺(tái)帕薩特轎車的CO2瞬間排放濃度曲線平滑下降。2008年12月31日,在云南玉溪進(jìn)行夏利、長(zhǎng)安奧拓、切諾基、斯巴魯?shù)?1臺(tái)高中低檔汽車的實(shí)車檢驗(yàn)結(jié)果表明,所有實(shí)驗(yàn)車型汽油機(jī)平均排放降低率為HC 23.7%, CO2 32.6%,柴油機(jī)煙度平均降低率為11.45%,油耗均明顯降低。

金颯金屬磨損自修復(fù)制劑不僅能應(yīng)用于機(jī)床、起重設(shè)備、燃油泵、空調(diào)裝置、液壓系統(tǒng)、齒輪及蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等傳動(dòng)系統(tǒng),也能應(yīng)用于船舶、機(jī)車、汽車、搬運(yùn)機(jī)械等動(dòng)力機(jī)械。對(duì)于汽車消費(fèi)者,它能夠明顯降低油耗和排放,可大大減少用車使用成本和保養(yǎng)維修成本;對(duì)于整個(gè)社會(huì),它更是符合低碳、節(jié)能、減排、環(huán)保理念的新產(chǎn)品。

坎坷的誕生之路

面對(duì)此項(xiàng)重大發(fā)明,金元生教授向記者講起了該技術(shù)的誕生之路。

大約上世紀(jì)七十年代末至八十年代初,前蘇聯(lián)的地質(zhì)工作者在鉆探作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn),某一地區(qū)鉆具的壽命是其他地區(qū)的6倍,而且鉆具表面異常光滑。該現(xiàn)象引起了前蘇聯(lián)科學(xué)家的注意,經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致鉆具發(fā)生變化的決定性物質(zhì)是蛇紋石,蛇紋石中的某些物質(zhì)能讓鉆具表面更堅(jiān)硬、更光滑,從而減小摩擦,延長(zhǎng)鉆具壽命。

前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)此研究立項(xiàng),以蛇紋石為基材提煉粉體用于機(jī)械潤(rùn)滑,果然取得了一定的效果,當(dāng)時(shí)該技術(shù)只限于在軍事領(lǐng)域運(yùn)用,沒(méi)有大規(guī)模推廣。我國(guó)從2000年前后開(kāi)始關(guān)注此項(xiàng)技術(shù),并且在原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委和哈爾濱市經(jīng)貿(mào)委的支持下在哈爾濱成立了中俄合資企業(yè),進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)工作。由于種種原因,引進(jìn)最終沒(méi)有完成。

“我覺(jué)得太可惜了”金教授不忍對(duì)國(guó)家、對(duì)社會(huì)、對(duì)人民都有巨大潛在價(jià)值的技術(shù)付之東流,于是帶著學(xué)生自主研究,并在2007年成立北京金颯新材料科技有限公司,入駐中關(guān)村科技園,一肩扛起科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化的兩大任務(wù)。

金教授強(qiáng)調(diào),金屬磨損自修復(fù)現(xiàn)象并不是他最先發(fā)現(xiàn)的,俄羅斯人已經(jīng)做出了實(shí)用產(chǎn)品,但并不清楚其中的機(jī)理,他一開(kāi)始只是受國(guó)家有關(guān)部門(mén)的委托,作機(jī)理研究和使用效果驗(yàn)證,后來(lái)根據(jù)機(jī)理的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)并形成了獨(dú)特的制劑制備方法,研發(fā)出新的產(chǎn)品,并且獲得了國(guó)家發(fā)明專利。

“我接觸這個(gè)技術(shù)以后發(fā)現(xiàn)它與傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油添加劑作用原理不同,傳統(tǒng)添加劑都是油溶性的,是對(duì)油品進(jìn)行二次加工以改善和提高油品的理化特性和成膜能力。”“而我們金颯的產(chǎn)品不與潤(rùn)滑劑發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng),不溶于油和脂,只是被潤(rùn)滑劑帶到摩擦表面,與表面發(fā)生反應(yīng)形成保護(hù)層。從這個(gè)角度講,它不是添加劑,這項(xiàng)技術(shù)也不屬于潤(rùn)滑工程,而屬于表面工程?！?/p>

可以預(yù)見(jiàn),如果金屬磨損自修復(fù)技術(shù)得到推廣,將對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)在節(jié)能、減排、延壽、降低成本、提高效率等各方面發(fā)揮重大的作用。令我們擔(dān)心的是,如此利國(guó)利民的新技術(shù),如果不能輔以強(qiáng)大的推廣力度,晚普及應(yīng)用一天,都是全社會(huì)的損失。

幸運(yùn)的是,金子總會(huì)發(fā)光,經(jīng)過(guò)金颯公司全體同仁的不懈努力,該技術(shù)現(xiàn)已獲得科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金的立項(xiàng)扶持,2010年被列入北京市政府采購(gòu)名錄,同時(shí),有遠(yuǎn)見(jiàn)的企業(yè)家也發(fā)現(xiàn)了這一技術(shù)的潛在價(jià)值,2009年北京奇?zhèn)悇?chuàng)業(yè)投資公司攜專業(yè)化管理團(tuán)隊(duì)已融入金颯公司。

不久的將來(lái),“沒(méi)有摩擦的世界”也許會(huì)無(wú)限接近我們。