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圆珠笔尖上的“黑科技”

人们也许还记得一年多以前曾引起热议的“圆珠笔之问”:中国作为世界制造业大国和钢铁大国,造得出高铁和火箭,为何无法实现小小圆珠笔头材料的完全自主研发和生产?现在,中国技术人员终于攻克了圆珠笔头生产技术难关,将迎来中国圆珠笔头国产化的新时代。那么,圆珠笔尖上有什么不得不说的“黑科技”呢?

改变世界的圆珠笔

圆珠笔作为现代社会的一种大众书写工具,如今在世界上应用极广。英国一家报纸曾评选出101项改变世界的小发明,排在第9位的就是圆珠笔。


圆珠笔的发明可以追溯到19世纪80年代,一个叫约翰·劳德的美国人提出了关于圆珠笔的设计方案,并于1888年10月30日进行了专利登记。约翰·劳德发明的这种笔,已经具备了圆珠笔的基本要素,如笔尖带有一个可以旋转的圆珠,通过从墨水囊中不断获得墨水而进行书写。尽管约翰·劳德发明的这种圆珠笔在皮革上比较好用,但是仍然存在漏墨水的弊端。约翰·劳德的发明专利由于技术问题并没有最终形成自己的圆珠笔品牌。

我们现在广泛使用的圆珠笔是由匈牙利人约瑟夫·比罗于1938年发明的。由于编辑职业的缘故,比罗对旧式墨水笔的弊端熟记于心,再加上速干墨水的出现,让他萌生了一个新创意,那就是在自来水笔胆管里装上这种特殊的墨水,这样写出来的字就会迅速干燥了。比罗的兄弟是一位化学家,他帮助比罗解决了圆珠笔墨水的最佳黏稠度问题。比罗由此制作出了第一支名为“油溶笔”的圆珠笔。1938年6月15日,比罗兄弟俩在英国申请了圆珠笔专利。之后,他们对圆珠笔进行多次改进,并先后向多个国家递交专利申请。比罗发明的圆珠笔具备了现代圆珠笔的雏形,在一根灌满速干墨水的管子顶端嵌装上一粒滚珠,借助滚珠的转动把墨水书写在纸张上

比罗的圆珠笔在高空中也有很好的书写性能,因此受到英国皇家空军的青睐。一时间,比罗的名字在英国广泛传播,并成为圆珠笔的代名词。1944年,美国商人雷诺兹购买了比罗的圆珠笔专利,并很快建立了“雷诺兹”圆珠笔品牌。从此,圆珠笔开始在全世界普及流行。

圆珠笔虽说是一个小发明,但对人类文明的影响却是非常深远的。在阿根廷,为了纪念比罗在圆珠笔发明中的贡献,人们把圆珠笔称为“比罗笔”,并把比罗的生日9月29日设定为该国的“发明家节”。

美妙绝伦的“书写点”

圆珠笔的“书写点”为一个直径为0.5~1.0毫米的圆珠。比罗发明的圆珠笔改进了自来水笔的吸管,并把笔尖改成小圆珠。由于小圆珠能够任意转动,因此可以把墨水均匀平滑地书写在纸面上。为了适应圆珠笔“书写点”的变革,比罗把笔芯设计成“螺旋状”,从而通过控制气压来控制墨水的流量。

那么,圆珠笔的“书写点”是如何工作的呢?原来,人们在用圆珠笔进行书写时,在大气压力与油墨重力的双重作用下,分布在笔芯内的油墨便会流向笔头的珠座体中,并黏附在“书写点”(球珠)上。书写时由于球珠的滚动而使油墨附着在纸面上,从而形成清晰、鲜艳、整洁的字迹


由于圆珠笔的“书写点”在书写时需要承受很大的压力,所以笔尖的球珠需要用坚硬耐磨的材料制成。最初推向市场的圆珠笔是十分昂贵的,这是因为作为书写点的球珠成本很高。当时的球珠是用铬和钢的合金制成的,具有很好的耐压耐磨性能。后来,碳化钨成为球珠制造的常用材料。碳化钨硬度与金刚石相近,化学性质稳定。用碳化钨制成的球珠具有更长的寿命,书写起来也更加流畅。

圆珠笔笔尖上的“皇冠”

圆珠笔的笔头包括球座体和球珠两个主要部件。其中的球座体被誉为圆珠笔笔尖上的“皇冠”,一向是少数国家垄断的核心机密

球座体并不是一个简单的与球珠相扣的连接体,而是具有精妙结构的功能体。在球座体的内部设置有五条引导墨水的沟槽,对加工工艺的要求极其苛刻,加工误差不能超过0.003毫米笔尖的开口口径不到0.1毫米,还要考虑到书写角度和压力,与球珠、墨水沟槽位必须搭配得天衣无缝。看来,要生产高品质的球座体,不仅需要超精密的加工设备和工艺,而且更重要的是需要制造笔头的易切削的不锈钢原材料。

现在,中国每年生产400多亿支圆珠笔,是世界上最大的圆珠笔生产国。但长期以来,笔尖上的球座体核心机密都掌握在瑞士、日本等国家手中。无论是球座体生产设备还是原材料,中国都无法生产,长期以来一直依赖进口,每年需要用每吨12万元的价格进口1000多吨生产笔尖的钢材。

2011年,科技部启动“制笔行业关键材料及制备技术研发与产业化”国家科技支撑计划重点项目,目标是三年内通过技术攻关,给数百亿支中国制笔安上“中国珠芯”。该项目分为三个子项目,即圆珠笔墨水的研发与产业化、笔头线材及其装备技术的研发与产业化以及笔头与墨水匹配等瓶颈问题。技术人员经过大量的实验室研究和中试试验,获取了一系列关键数据,掌握了笔头用不锈钢的特性和制笔行业对材料性能的要求。

近日,我国科学家成功研发出圆珠笔头球座体所用的“超易切削钢丝”,其工艺技术及产品实物质量达到国际先进水平,目前已实现量产并投放市场。届时,中国的圆珠笔将实现真正的“国产化”。

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