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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 102218
Liu.c.n@, 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：TH 137.3 文献标识码：A
0 引 言
纳米”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〔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（1～100nm）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障诊断等，但总的影响还是不大。一些新的自动控制系统，如最优控制、适应式控制、变结构控制…有时也用到液压系统，但“液压”在此仅作为一种执行机构。液压本身并没有根本的改变。目前液压技术存在的主要问题是效率低和寿命短。如果液压系统的效率达到60%，已经是很高了。柱塞泵的效率从理论讲可以达到92%，实际国内外的泵最高只有85%。 众所周知一台国产柱塞泵的寿命如能达到3000小时就很不错了。这两个缺点都是由于摩擦和间隙引起。摩擦浪费很多能量，这些能量转变成热量，使系统升温，为此又要加冷却器，第二次消耗能量。这是液压系统效率低的主要原因。当然，间隙泄漏造成容积效率低也是一个原因。目前看来在宏观领域内彻底觧决此问题很困难。如果放在介观领域，即放在纳米体系中就有可能得到解决。这就是纳米技术对流体工程领域可能带来的巨大冲击。纳米技术对液压技术未来走向的影响可从下列3方面来阐述。
2.1 关键液压部件（如泵、缸和阀等）纳米化
如前所述液压系统的致命弱点是效率低和寿命短，而其症结所在便是摩擦和间隙。微米下的镜面，在100～1000倍的显微镜下是凸凹不平的，两个平面接触时就会产生摩擦。如果表面镀上一层纳米材料，并进行一定的修整，其光洁度达到纳米镜面，做到“真正”光滑。这样的镜面，在膨胀系数调整好后，其配合间隙又可减小。这可能是从根本上改变液压现状的一条途径。
2.2 利用纳米磁性液体做旋转轴的动态密封
液压系统的关键部件泵、马达都有高速旋转轴，其密封是非常困难的，其摩擦力大、寿命短。如果采用纳米磁性液体密封，是一种间隙密封，没有摩擦力，又不会泄漏。对于提高液压系统的效率和寿命是很有用的。有人采用油酸为表面活性剂，令它包覆在10nm的Fe3O4微粒上，并高度弥散于作为基液的煤油中，从而形成一种稳定的胶体。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包围的液体一起运动，好像整个液体都有磁性，取名为磁性液体（ferrofluig ）〔7〕。为了不让铁磁颗粒沉底或聚团，在铁磁颗粒周围包围（吸附）的表面活性剂应是长链的高分子，当两个或多个磁性颗粒相互靠近时，排斥力大于吸力；另外，高分子链的一端与磁性颗粒化学吸附，另一端则与基液亲和，因此磁性颗粒被均匀分布在基液中。由于磁性颗粒的粒径在10nm以内，因而具有超顺磁性。作为旋转轴的动态密封，即在旋转轴周围安装一个同心环状永磁体，从而在旋转密封部位产生一环状磁场，将磁性液体约束在磁场之中，形成磁性液体的“O”形圈。从而成为一种无接触式密封。
2.3 液压油的纳米化
所谓液压油的纳米化，即在液压油中加入适量的金属或非金属纳米粉。前已述，液压部件中相对运动的表面是微米宏观下的光滑平面。若放在纳米体系中却是凸凹不平的面，因此两个相对滑动的表面还是“粗糙”的摩擦，即便滚珠轴承也一样，因此摩擦力大，磨损利害。如果将纳米颗粒掺进液压油中，这些纳米颗粒进入凸凹不平的地方便都成了“滚珠”，作真正的滚动摩擦，使摩擦力大大地降下来。一般的纳米颗粒在20nm以内大都是球形。有人做过试验1），在汽车的润滑油中加入2～5%的液态纳米溶液，可使汽车的效率提高7～10%。可见其效果是很明显的。如果放在液压油中可能会更好，也有人用同样方法使受损的齿轮泵暂时恢复了青春2）。
具体方法有两种：
（1） 将纳米陶瓷粉直接掺入液压油中
纳米粉虽不溶解于液压油，但液压油被泵搅动得上下翻滚，纳米颗粒也就随着油
在液压系统中流动。这种方法是初步的。实际上由于纳米粉的表面效应会使
纳米颗粒聚成团簇，有可能在小孔处堵塞。另外，这些团簇也会积存在一些具
有沟槽的地方，工作一段时间后会使整个液压油中的纳米效应降低。
（2）对纳米颗粒做表面修饰
纳米颗粒可以按照人的要求加以修饰，即通过范德瓦尔斯力等将异质材料吸附在纳米颗粒的表面，可防止纳米颗粒团聚。所谓异质材料即前面提到的表面活性剂，它的分子中含有两类性质完全不同的官能团。一类是极性官能团，具有亲水性；另一类是非极性官能团，具有亲油性。如果无机纳米粒子在水中分散，表面活性剂的非极性的亲油基吸附到纳米微粒表面，而极性的亲水集团与水相溶，这就制成溶于水的纳米材料，可以在高水基中使用；如将这种纳米粉放在非极性的油中，表面活性剂的极性官能团吸附到纳米颗粒表面，而非极性官能团与油性介质相溶合，这就制成了溶于油的纳米材料。如将这种纳米粉放在液压油中，可以想像会较大地提高液压系统的效率。实际上国内外都有人在做这件事。并已有成品纳米填加剂和纳米陶瓷机油销售1）。
其他方面，有人对纳米流变体作了研究，其原理基本上与磁性液体相似，用它可做成液力变速器或汽车刹车系统。用纳米流变体当然比微米流变体要好得多，有人对此作过比较〔8〕。此外也有人做成“改性纳米金刚石液压导轨油〔9〕。
3 结 束 语
本文仅就纳米技术发展现状，提出在液压领域中应用的几点看法，未必都对。一门技术的发展也常有因相邻学科的发展而获得新生的先例。笔者认为纳米学科从一个侧面讲就是流体技术的相邻学科这个边缘学科的研究应该走下去。
参考文献
〔1〕Halperin W.P. Quantum size effects in metal particles〔J〕, Rev.of Modern Physics.July, 1986, Volume 58,Issue 3.
〔2〕张立德，牟季美 , 开拓原子和物质的中间领域——纳米微粒与纳米固体〔J〕.物理学报，1992，21(3)
〔3〕 Makishima A.Editorial foreword 〔J 〕.Science and Technology of Adwanced
Materials,2003,4（1）.
〔4〕 Hochella M.F.Nanoscience and technology :the next revolution in the earth sciences〔J〕.Earth and Planetary Science Letters ,2002,203（2）.
〔5〕 Rohrer H.The nanometer age :challenge and chance 〔J〕.Microelectronic Engineering ,1995,27:3.
〔6〕Roco M.C.Broader.societal issues of nanotechnology 〔J〕.Journal of Nanoparticle Research,2003,5.
〔7〕张立德著，材料新星---纳米材料科学〔M〕.湖南科学技术出版社（1997）.
〔8〕付华等，纳米磁流变与微米磁流变液之比较〔J〕.机床与液压，2004（7）.
〔9〕 张书达，改性纳米金刚石液压导轨油〔J〕.世界制造技术与装备市场，2006（5）.
【注】
1） 中科院大连物理研究所研制一种“纳米填加剂”可放于润滑油中，经实验可体高主机效率7～10%，另外美国亿邦公司也生产一种“纳米陶瓷机油.”
2） 昆明理工大学流体控制工程研究所，利用掺入纳米粉的液压油使老旧的齿轮泵效率达到新泵的标准。但当用此泵打水时，却又很快恢复到老旧状态。

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