书城科普读物科技万事通(时尚生活指南)
17069500000034

第34章 地学(20)

高性能工程塑料

塑料自20世纪初问世以来,发展极为迅速,是有机高分了材料中的·支主力军。1979年美国的塑料年产量(容积)首次超过了钢。尽管如此,塑料新品种仍不断涌现。如近年来开发出的高性能工程塑料,具有重量轻、强度高、耐磨损、不生锈、成本低的优点,将在汽车工业塑料化的进程中显示出良好的应用前景。

高分子材料

高分子材料也叫高分子聚合物,就是由高分子组成的化合物。在我们日常生活中,高分子材料随处叮见,比如丝、麻等物质,它们的分子量高达几万至几十万,甚至上百万。我们平时食用的粮食、蔬菜、鱼、肉也都是高分子材料,它的分子依照一定的方式连接而成的大分子,很像一根长长的链条,分了之问相互绕结,紧密贴近。因此,分子之间结合得十分紧密,很难将它们分开,又小易断裂,这止是高分子材料结实、耐用、弹性大的原因。

人工合成的高分子材料制品被广泛应用于现代社会的各个生产、生活部门。

高吸水性树脂

高吸水性树脂是近年来开发研究和应用的高科技产品。高吸水性树脂无毒无味尢色,具有松散网状结构,含有低联系、强吸水基团的功能高分子材料。产品具有广泛的用途,无论是农、林、园艺、石油化学工业、日用品化学工业还是建筑材料工业、医疗卫生、交通运输等都在应用。现已渗入到各个领域,特别是在农业上,用来拌种、育苗和作土壤的保湿剂,油井和建筑工程的堵水剂。高吸水树脂使用量最大的是儿童尿布、病床衬垫、卫生用品等。

高分子粘合剂

高分子粘合剂可以把不同的材料牢固地粘结在一起,甚至比某些材料本身还结实,所以又称万能胶粘剂。它特别适合飞机和宇宙飞船的金属部件的粘合,可改变过去一直采用的传统的铆、焊连接工艺,既方便,又减轻了飞机的重量。

新型复合材料

玻璃钢、碳纤维、陶瓷复合材料是近年来发展较快的新型复合材料。这三类新型复合材料具有强度高、耐有记忆能力的合金高温、耐腐蚀、刚性好、重量轻等优良性能。因此适应了航空、航天等高新技术产业的需要,受到航空、航天界的欢迎。

金属泡沫材料

20世纪80年代后期,国际上迅速兴起了一种物理功能与结构一体化的新型工程材料,它就是金属泡沫或金属多孔材料。它所具备的多种优异物理性能特别是阻尼性能已引起广泛关注,并在消声、减震、分离工程、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域获得了厂一泛应用。金属泡沫材料因为具有以上优点而受到科学家和国防工业部门的高度重视。90年代起,民用工业,尤其是建筑业已开始组织生产,目前日本已上市供应大块泡沫铝材。

隐形材料

隐形材料又称隐身材料、吸波材料、吸收屏蔽性功能复合材料。它是由吸波材料与有机或无机胶粘剂按一定工艺制成的复合材料。高损耗吸波材料有铁氧体、羧基铁、碳黑及导电金属纤维材料等,也有用辉绿岩屑在水蒸气中加热到1050℃再急冷粉碎制得的粉末。胶粘剂可采用油漆、橡胶、塑料、磷酸盐、水玻璃及水泥等。主要用作飞机、导弹等表面涂层或结构材料,用以摆脱雷达和红外探测器新型材料铸件的追踪。吸波材料的颗粒很小,电磁波碰到它以后,就在小颗粒之间形成多次不规则的反射,转化成热能被吸收了。这样,对方雷达就收不到反射波,也就发现不了飞行器。

记忆合金

当我们用力将一根铁丝折弯,超过一定的程度后,它就不会再恢复到原来的状态了,而只是保持变形后的状态。但是,记忆合金经过一定的塑性变形后,能在一定的条件下,比如再给它加热,它就会自动地恢复到原来的形状。那么,这种记忆合金为什么会具有这样的本领呢?这是因为受力时合金的内部组织为菱形晶格(处在这种状态的合金具有一定的记忆变形的能力)。而在加热时,合金内部组织就转变到受力前的正方形晶格的状态,从而恢复了原来的形状。这有点像是在拉弹簧,只要是不超过弹簧的弹性形变的范围,弹簧总能够恢复到原来的状态。记忆合金已在工业生产、航天、家电、医疗等各方面都得到了广泛的应用。

激光晶体

激光晶体是一种非常重要的晶体,它吸收足够的能量之后能发出激光,所以这种晶体叫做激光晶体。

现在人们已研制出数百种激光晶体。其中,红宝石晶体是最引人注目0的一种。美国科学家梅曼曾在1960年抗冲击的汽车新型材料利用这种晶体获得了一项举世瞩目的重大科学成就——研制出世界上第一台激光器。

今天,这些激光晶体在军事技术、宇宙探索、医学、化学等众多领域内都已得到了广泛的应用。例如,激光电视、激光彩色立体电影、激光雷达、激光手术刀等都是激光晶体在这些领域内成功应用的结果。又如水中通信,由于海水对红光产生强烈的吸收,而对蓝、绿光则吸收得较少。因此,蓝、绿光在海水中能够传播较远的距离。利用这一特性,人们就可以利用激光晶体产生的蓝、绿光进行水中通信和探索。

半导体晶体

由半导体晶体硅和锗做成的各利晶体管,取代了原来的电子管,在无线电子工业上有着极其广泛的应用。它们的出现使电子产品的体积大大獭小,成本大幅度降低。此外,光纤通讯技术也离不开半导体晶体。利用这种晶体做光源,人们就能在一根头发丝般的光导纤维中传递几十万路电话或几千路电视,从而大大提高了信息传递的数量和质量。

此外,还有许多晶体,如光折变晶体、电光晶体、声光晶体、压电晶体、热释电晶体、磁性晶体、超硬晶体等,它们在不同的技术领域中也起着重要的作用。

智能航空材料

科学家们正在研究一种智能型的材料,具备这种材料的飞机上的关键结构都有自己的“神经系统”、“大脑”和“肌肉”,它们能感觉到即将出现的危险并及时向操作人员发出警告。具体的设计构思是:在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤,它们能像人的神经网络一样不断地感受到外界的各种压力,在外界压力极端的情况下,光纤会自动断裂,光传输就会中断,从而向系统发出警报。目前这些研究还只是处于实验阶段,还不能立即应用于实际中。

聚合物膜

为了使残疾人能够重新站立起来,科学家们想方设法地人工合成人造肌肉。科学家们指出:指挥肌肉发生运动的神经生物电使肌肉收缩和放松。当人触电时,肌肉就会因为紧张而自动地收缩,神经生物电所起的也就是这个作用。人造肌肉正是通过这一原理,合成出一种材料,它遇到外界刺激时能够自动地收缩或放松。

西班牙圣塞瓦斯蒂巴斯克大学的奥特罗和他的同伴们研究出了一种银塑料膜,它能够模拟人的肌肉纤维功能。它是由两种聚吡咯银和一种能导电的塑性材料组成的。当有电流通过时,根据电流的大小来决定人造肌肉的弯曲程度和变化的速度。

不断发展的新材料料

新材料是指最近发展或正在发展之中的、具有比传统材料更为优异的性能的一类材料。目前世界上传统材料已有几十万种,而新材料的品种还在以每年大约5%的速度继续增长。世界上现有800多万种人工合成的化合物,而且还在以每年25万种的速度递增,其中相当一部分具有发展成为新材料的潜力。按照大的类别来说,可以把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料四大类。

新材料的开发与利用

长尺寸二硼化镁超导线材

二硼化镁超导体是日本科学家秋光纯在2001年初发现的。这种材料的超导临界温度为零下234摄氏度,但它像钻石一样坚硬,无法使用通常的方法加工。日本物质和材料研究机构为此开发了用高强度的金属包覆和压轧二硼化镁粉末制作二硼化镁超导线材的枝术。

日立公司还开发了独特的连续压轧加工技术,具体程序是:在金属管里填充二硼化镁粉末,然后使它通过有沟槽的滚轧机,在这个过程中沟槽逐渐缩小宽度,最后把它压轧为所需要的线材。使用这种方法,二硼化镁微粒的方向一致,密度高,制作出来的线材长达12米,厚度为0.3毫米,宽度为2.7毫米,而且,不需要热加工处理。

该公司还使用这种超导线材制造了小型超导线圈,在零下269摄氏度的液氦中对它进行技术特性评估的结果是它能够产生0.13特斯拉的磁场和105安培的临界电流。这一指标创立了新的世界纪录。

日本开发出“智能”玻璃

日本富士XEROX公司宣布,他们已成功地开发出根据气温变化调节透明度的“智能”玻璃。据悉,这种新研制的“智能”玻璃在气温上升时透明度降低,当气温下降时透明度加大。这种玻璃用在建筑物窗户上能提高空调器的工作效果,达到节能目的。

“智能”玻璃的结构实际上是在两个玻璃层之间填入一种带颜料的高分子微小颗粒。这种微小颗粒可随着温度的变化改变自己的体积,当温度上升时,其体积最大可增大30倍,当温度降低后又可恢复原状。

“智能”玻璃在气温超过30摄氏度时透明度降低,可把80%的光遮蔽掉;若气温在30摄氏度以下时,80%的光则可通过。气温到底超过多少度才开始遮光,这可通过对材料处理后自行设定。

日本已开发出用电调控光的玻璃。2000年世界调光玻璃市场规模已达20000亿日元,日本国内就已达1300亿日元。而这次开发的智能玻璃与调光玻璃相比,其结构更加简单,成本只是调光玻璃的1/4。

目前,日本富士XEROX公司计划在两年后将这种“智能”玻璃投放市场。

金属玻璃

金属和玻璃的最大的差别在于:金属在从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点,原子按一定的规律排列,形成晶体;而玻璃从液态到固态是连续变动的,没有明确的分界线,即没有固定凝固点。因此,金属是一种典型的晶体材料,它的许多特性是由其内部晶体结构决定的;而玻璃却是一种非晶体材料,固态玻璃和液态玻璃内部原子呈无序紊乱排列。

1960年,美国科学家皮·杜威等首先发现某些液态贵金属合金(如金硅合金)在冷却速度非常快的情况下,当金属内部的原子来不及“理顺”位置,仍处于无序紊乱状态时,便马上凝固了,成为非晶态金属。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征,故又称为“金属玻璃”。金属玻璃的问世打破了建立在金属晶体结构基础上的传统金属学研究方法,它的许多独特而且宝贵的性能使之在实际应用中初露锋芒。

目前生产中制备金属玻璃的方法具有高弹性的金属玻璃还和30年前皮·杜威的方法相似,以105~106℃/秒的速度将金属液体急冷、凝固,就形成了金属玻璃。考虑到对冷却速度的要求和非晶态结构的稳定性,目前用于制备金属玻璃的材料多是铁-钴-镍合金。

有机世界的强者——ABS树脂

ABS树脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的热塑性共聚物,ABS是其英文缩写。ABS树脂在发生塑性形变时通常不断裂,有较好的形稳性和较高的冲击强度,并且易于加工成型,故应用十分广泛。挤出热成型的ABS树脂常用于家电设备的壳体和内衬等,如电冰箱、吸尘器、电吹风、电话机以及电动工具的许多部件都是由ABS树脂制造的,目前我们使用的大多数行李箱也是由ABS树脂制造的。阻燃级ABS树脂则用于电子计算机的壳体、控制台、电信、光盘音响设备、彩电机壳等。另外,ABS树脂还常用于汽车的仪表盘、托架、散热器格栅板、遮光板、反射镜壳体以及建筑用导管和管接头等。

制造飞机机翼的新材料

俄罗斯科学家研制出一种用于制造飞机机翼的新材料,使用这种新材料造出的飞机不但机身轻,而且即使机翼出现裂缝时仍可安全飞行。

据俄《科学与生活》月刊报道,这种新材料是向通常制造机翼的轻金属铝中加入金属锂后获得的。米格-29战斗机的机翼就是采用全俄航空材料采用新材料制成的俄罗斯米格-29战斗机研究所和乌克兰国家科学院电焊研究所的科学家研制出的这种新材料,它的机身重量较过去同类飞机减轻了24%。

俄航空制造专家指出,采用新材料制造的飞机,当飞机在飞行过程中机翼突然出现长度达300毫米的裂缝时,仍能保障飞行安全。在多次飞行以及在飞行时上下剧烈波动的情况下,机翼上裂缝扩大的幅度不会超过2毫米。当然,机翼出现裂缝还是需要及时修理的。

高性能的太阳热反射涂料问世

一种能够降低物体表面温度的太阳热反射涂料最近问世。这种太阳热反射涂料由北京海泰科涂料有限公司研制,可以涂刷在石油化工容器、集装箱和桥梁等的金属外表面,以及粮库、冷库、食品药品厂房、民居和办公楼房的屋顶、墙壁等各种需要空调降温的地方。除了具有普通外用涂料的特性以外,这种太阳热反射涂料具有的一个突出特点是能够降低物体的表面温度。

在太阳持续照射产生的高温下,一些非金属类材料难以保持其良好的机械、化学性能;高温会使某些石油化工容器内部温度升高,造成泄露或其他事故;高温会增加桥梁等线型材料的热胀冷缩程度,加速粮食、蔬菜、水果和药品的衰败过程。但如果涂上太阳热反射涂料,就会使物体的表面温度大大降低。与没有涂刷过太阳热反射涂料的屋顶表面温度相比,涂刷后可降低温度20℃左右。