電器設備中的新材料金屬玻璃金屬玻璃又叫非晶態金屬或無定形金屬。一般金屬由融熔狀態冷卻時,都變成固態結晶,其內部的原子排列具有一定的次序。如果把金屬加熱熔化以後,使金屬的內部的原子像玻璃體一樣處於高度無序狀態,然後突然冷卻凝固,這樣金屬原子來不及重新有次序地排列,其內部就是一種微觀無序結構,原子排列仍保持液態時的雜亂無章狀態,這就是所謂“非晶態金屬”即金屬玻璃。金屬玻璃兼有玻璃和金屬的性能,具有高強度、高硬度、高導電性、良好的導磁率等性能,還有很好的韌性和塑性,化學穩定性好,耐腐蝕性超過不鏽鋼的100倍。由於非晶態金屬材料有著許多特殊的性能,近幾年發展迅速。金屬玻璃在外磁場作用下容易磁化,當外磁場除去後剩磁又很快消失。此外,它還具有多種磁性能,其中一個重要特性是磁阻小,隻有矽鋼片的1/3—1/10,若用它製作變壓器鐵芯,比使用普通變壓器造成的電流損失減少50%—90%。日本每年由於電器設備中鐵芯發熱而損失的電量為80億度,若用金屬玻璃來代替矽鋼片,則可節省3/4。美國1980年由於磁阻造成的鐵芯發熱損失達21億美元,其中配電變電器占4.7億美元,如果用金屬玻璃做配電變壓器,則可節省4億美元。
目前,非晶態金屬材料已成了現代技術中引人注目的材料。在現代金屬材料的研究中,從微觀結構秩序性方麵正向兩個不同的方向伸展。其一是設法研製內部結構高度無序的非晶態金屬;其二是設法消除金屬固溶體中微觀粒子的位錯和畸變,使其微觀結構更加有序化,從而增強金屬的強度。這是現代材料科學技術中的一個極為重要的研究方向。
有記憶能力的金屬早在本世紀50年代,科學家們偶然發現’某些金屬及合金,在某一溫度下給它一個固定的形狀,而在另一種溫度下又變回到原始的形狀,即具有所謂“形狀記憶”的能力,這種所謂的記憶能力可以保持很長時間,並能千萬次重現。
前不久,美國的科學家將一條沒有任何燃料的小輪船放進遊泳池。小輪船竟在遊泳池內轉起圈來。這一現象驚呆了在場的觀眾。小輪船為什麼在無燃料的情況下能夠航行呢?原來這是“記憶金屬”在作怪。
科學家們經微觀研究證明:金屬或合金所以有這種記憶能力,是因為它們的微觀結構因不同的溫度而異。結構變了,它們的性能也會隨之變化。由於溫度的變換使大批微觀原子協調運動,從而使金屬的形狀或性質表現出類似人的記憶一樣的特性。
自從1958年美國海軍軍械局的工程師們發現了鎳鈦合金具有雙重“記憶”以後,人們又陸續發現了數十種具有“記憶”能力的金屬合金。這一發現引起了世界各國科學家的興趣。前麵講到的在遊泳池內航行的小輪船,就是用這種“記憶”金屬做了發條。在較低的溫度下,將船上的發條盤緊,不需要任何齒輪等裝置,隻要將小輪船放到較高溫度的遊泳池內,船上的發條就會自動慢慢放開,帶動螺旋槳,小輪船便自由自在地航行起來。
“記憶金屬”還有能量“淨增加”的現象。在冷水中讓“記憶”金屬彎曲時所消耗的能量,遠遠小於它在熱水中恢複原形時所釋放出的能量。所以,它在能量轉化過程中似乎是“不守恒”的,竟出現了能量的“淨增加”。人們在無法解釋記憶金屬能量的“淨增加”現象時,曾引起科學界的混亂,有些人甚至聲稱能量轉化和守恒定律不成立了。後來,這一能蟄“淨增加”的現象終於被1977年諾貝爾化學獎獲得者比利時科學家普利高津用“耗散結構理論”所解釋。“記憶金屬”的多種性能’使它被應用於電子儀表、醫療器械、航天技術等自動控製的領域中,例如,美國登月飛船上的自展天線就是用⑷―‘.合金製成的,它在轉變溫度以上強度很高,擋溫度低於轉變溫度時則又變得柔軟了;被用於小型發電,其冷熱溫差隻需9七。國外服裝廠用“記憶”金屬代替胸罩內的鋼絲襯托乳房,使胸部線條更加優美。
總之,“記憶金屬”在自控、航天、醫療等領域正在大顯身手。我們相信,隨著對“記憶金屬”不斷深入的開發,它將會為人類作出更多、更奇異的貢獻。
用於飛機製造的碳纖維一架全長為12米、V字形的三角尾翼,其後麵設有螺旋槳的新塑飛機,在跑道上滑行一段後輕輕地離開了地麵,在藍天中盤旋。它幾次降落起飛,靈巧自如。人們以期待的心情緊張地注視著飛機的每一個動作。當飛機終於完成了預定的各種動作之後,平平穩穩地安全著陸時,機場上的人們頓時興奮得歡呼起來。難道人們是在觀看飛機特技表演嗎?不是!人們是在為一種新型飛機的誕生、試飛成功歡欣鼓舞呢
這是一種新型的飛機,這架飛機除引擎和跑輪外,機體和機翼的絕大部分都是用碳纖維製成的。整架飛機重1.9噸,比用鋁製成的同規格飛機輕1噸多,可節省燃料30。
4。這種飛機的麵生,標誌著航空技術進入了一個新的階段。
空間技術要求航空和航天器的材料不僅應有優良的力學性能,還要有良好的耐腐蝕性和化學穩定性,更重要的是重量要輕、密度要小。航空和航天器自身越重,發射和飛行越困難,消耗的原材料、燃料越多。如果使航天器的重量減輕1千克,就可使運載它的火箭減輕500,克。盡管金屬材料已在空間技術中發揮了很大的作用,但它的致命弱點是密度大。而碳纖維的密度遠比金屬材料小,隻有1.6—2.0噸米3。高性能的碳纖維不但強度很高,耐燒蝕,而尤其引人注目的是化學穩定性好,熱膨脹係數小,高溫下強度幾乎卩降。在製造飛機某狴零件時,將碳纖維作為鋼筋混凝土的“鋼筋”。塑料複合可製成任意形狀的部件,不需要螺釘或鉚釘等進行連接,這樣既簡化了生產工藝,降低了成本,又防止了螺釘或鉚釘連接可能引起的部件損壞,消除了由微小損傷而造成的事故隱患,受到航空飛行器設計者的高度評價。如將碳纖維及其複合材料大量用於製造飛機,則飛機的重量可減輕50以七。采用碳纖維複合材料製造火箭發動機殼體,消耗同樣多的燃料,可以使火箭射程增加約960千米。
火箭、宇宙飛船等飛行時都要通過大氣層。飛行器速度愈大,溫度升得愈高。航天飛機在3—4萬米高空中以6倍音速飛行時,機體表麵溫度會高達10001:。宇宙飛行器在返回地麵時,將以高速穿過大氣層,由於空氣動力加熱,使其表麵溫度會高達4000,般鋼鐵熔化溫度才1400,在此情況下如不采取可靠的防熱措施,飛行器也會像隕石一樣有被化為灰燼的危險。
為保證宇宙飛行器正常飛行和返回地麵,就必須在其表麵加防熱結構層。碳纖維複合材料能勝任這項工作。碳纖維複合材料是由高強度的碳纖維和耐熱性好的酚醛樹脂結合在一起做成的。碳纖維是一種“細如蛛絲,強似鋼鐵”的新型工程材料,其抗拉強度比鋼大4倍多,即使在2000以上的高溫情況下,強度也基本保持不變。用這種碳纖維複合材料做成的飛行器外表麵防熱結構層,在高溫下不熔化,不像其它材料那樣容易燒熔流失,隻是從外向裏一層一層地揮發燒蝕,燒蝕速度比較慢。因為宇宙飛行器通常在發射和返回地麵時,經受特別高溫的時間隻有幾十秒,所以防熱層的厚度隻要幾毫米就夠了。這種防熱層還有一個特點,即在它的最外層燒蝕的同時,稍裏層的塑料因受熱就會發生碳化,變成多孔碳和碳纖維的複合材料層。由於它是多孔的,所以就像一個隔熱的屏障,使熱傳不到飛行器裏麵去。因此,飛行器表麵雖然像隕石一樣燃燒著熊熊大火,但裏麵的溫度如常,人和儀器仍然正常地工作。