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资源的开发和利用

小明的增高垫 发表于 2019-3-19 00:32:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
  橡胶的发现

  橡胶是一种高弹性聚合物,其分子链可以交联,交联后的橡胶受外力作用发生变形时,具有迅速复原的能力,并具有良好的物理力学性能和化学稳定性。

  天然橡胶随着硫化橡胶的发明和工业的发展,橡胶成了不可或缺的材料现在,它已经广泛地应用于工业、国防、交通、医药卫生领域和日常生活等方面,用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他橡胶制品。

  橡胶登上人类历史舞台

  现代考古学家的发掘表明,最早发现和使用橡胶的是南美洲人。早在11世纪,南美洲人就已经把从橡胶树上流出的汁液做成橡胶球进行游戏或者当成祭品了。

  1493年哥伦布发现美洲,从印第安人手中得到了橡胶并将其带回欧洲。

  1763年,法国人麦加发现松节油可作橡胶的溶剂。从这时起,橡胶才慢慢登上人类历史的舞台。

  1770年,英国人普里斯特发现橡胶能擦掉铅笔字迹,于是发明了橡皮。

  1823年,美国人麦金托什将橡胶涂抹在布上,制造出了橡胶雨衣。

  硫化橡胶的问世

  1839年的一天,美国人查尔斯·古德伊尔在进行实验时,一边将橡胶和硫磺、松节油混溶在一起,倒入带把的锅内,一边拿着锅和朋友聊天。突然,锅从手中脱落,锅中的混合物掉在烧得通红的炉子上。他以为这块橡胶受热后一定会融化,但奇怪的是,它却保持着原有形态被烧焦。古德伊尔认为,如果能在适当的时候制止它烧焦,那一定会形成不黏的橡胶混合物。此后,古德伊尔经过多次实验,最终发明了硫化橡胶。

  硫化橡胶克服了天然橡胶遇冷后变硬、加热后融化等缺点,使得橡胶具有较高的弹性和韧性,也使天然橡胶真正成为重要的工业原料,同人类的生活紧密联系在一起,更为日后汽车的出现打下了基础。

  供不应求的橡胶原料

  橡胶按其原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶主要来源于三叶橡胶树,当这种橡胶树的表皮被割开时,就会流出乳白的汁液,称为胶乳,胶乳经凝集、洗涤、成型、干燥即得天然橡胶。橡胶树原产于巴西亚马孙河流域马拉岳西部地区,现已布及亚洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲的40多个国家和地区。

  从20世纪初开始,橡胶在世界范围内的需求量与日俱增。虽然各国都在想方设法种植橡胶树,但橡胶始终供不应求。第二次世界大战中,所有参战国都将橡胶列为战略资源。

  1884年,蒂尔登通过分解松节油蒸气的方法得到了异戊二烯,从而完成了人工合成橡胶的技术攻关。此后,顺丁橡胶、氯丁橡胶等相继问世,有效地解决了天然橡胶的原料危机。

  橡胶地砖

  人类每年废弃的旧轮胎多达数亿个,橡胶地砖就是将这些旧轮胎粉碎后,加入化学黏合剂,以高温硫化的方式制成的一种新型地面铺设材料,有防滑、减震、耐磨、抗静电、不反光、疏水性和耐候性、抗老化、寿命长的特点。

  它克服了各种硬质地面和地砖的缺点,让使用者在行走和活动时能始终处于安全舒适的生理和心理状态,脚感舒适,身心放松。

  用橡胶地砖铺设的运动场地能更好地使竞技者发挥技能,还能将跳跃和器械运动等可能对人体造成的伤害降到最低限度。在老年和儿童活动场所,它的使用对老人和儿童起到了良好的保护作用。混凝土地砖铺就的人行道会压迫树根,在树木生长的时候,树根会把人行道向上推挤,破坏人行道。而橡胶人行道既不会压迫树根,又能避免人行道遭到破坏。

  收放自如的橡胶坝

  橡胶坝是20世纪50年代末,随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种新型水工建筑物,有充水式和充气式两种。它是将胶布按照规定的尺寸锚固在底板上形成的封闭状、用水(气)充胀的挡水坝。

  橡胶坝主要由土建部分、坝袋、锚固件、充排水(气)设施及控制系统等部分组成。它的作用与水闸相似,用于防洪、灌溉、发电、供水、航运、挡潮等工程中。由于它结构特殊和使用的材料新颖,在其建设和管理中又不同于水闸。它具有造价低、施工期短、维修少、寿命长和管理方便等优越性。由于坝体为柔性软壳结构,因此它还能抵抗波浪冲击、地震等。

  橡胶坝主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程。不需要挡水时,只要放空坝袋内水(气)就可恢复原有河渠、堤防断面形状。

  塑料的诞生

  塑料是人类历史上第一种人工合成的高分子化合物,是以高分子量的合成树脂为主要成分,加入适当添加剂固化交联形成的刚性材料。

  由于塑料具有可塑性强、硬度大、绝缘性好、质量轻等特点,它被广泛用于家电产品、汽车、家具、包装用品、农用薄膜等许多方面。它不仅给人们的生活带来了诸多便利,还极大地推动了工业的发展。

  塑料的诞生

  1872年,德国化学家拜耳首先发现苯酚和甲醛在酸性条件下加热时能结成黏稠物,但由于他无法用经典方法将其纯化,故没有白色污染进行下一步实验。

  1904年,化学家贝克兰和他的助手开展了一项新的研究,试图找到一种能够替代天然树脂的绝缘漆。1907年,他们制造出了这种绝缘漆。而在这三年的实验过程中,贝克兰也注意到拜耳之前发现的现象。贝克兰试着用高温烘烤这种反应的胶状物,胶状物反而变成了硬块。这种胶状物独特的属性启发了贝克兰,他将这种黏稠的胶状物进行模压后,制成了塑料的鼻祖——酚醛塑料,这项发明被冠以“20世纪炼金术”的美誉。

  各显神通的塑料

  塑料有通用塑料、工程塑料和特种塑料之分。特种塑料一般是指具有特种功能,可用于航空、航天等特殊领域的塑料。如氟塑料和有机硅塑料具有耐高温、自润滑等特殊功用;增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能。

  增强塑料原料在外形上可分为粒状、纤维状、片状三种。泡沫塑料主要有硬质、半硬质和软质之分。硬质泡沫塑料没有柔韧性,压缩硬度很大,只有达到一定压力值才变形,压力解除后不能恢复原状;软质泡沫塑料富有柔韧性,压缩硬度很小,很容易变形,压力解除后能恢复原状;半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质泡沫塑料和软质泡沫塑料之间。

  奇特的淀粉塑料

  淀粉塑料是能被迅速溶解,在光降解、生物降解或燃烧时不产生有害气体的塑料。塑料的生物降解性是指在生物作用下发生的降解和分化。对塑料起作用的生物主要是真菌和细菌,水解和氧化分解作用可促进塑料的生物降解。

  淀粉塑料的主要品种有生物降解塑料、光降解塑料、光和生物双降解塑料等。它们是以淀粉或变性淀粉为原料,采用机械或化学方法生产的。

  塑料发展新趋势

  在汽车、机械以及产品包装市场上,制造加工业总是在寻找可以代替传统物料的新型材料,这些新材料以工程热塑料为主,包括一些新型的热塑性弹性体材料(TPE)和聚丙烯材料。

  新型热塑料具有多种优良的结构特性,例如表面修饰品质为A级,在线喷漆时的耐热性能好,在高达205摄氏度下进行电子涂层时仍具有很高的抗腐蚀性能等。它还可以替代钢板或者热固性树脂材料,因而有希望成为新型的车身面板材料。

  白色污染

  早在20世纪60年代中期,人们就发现,聚氯乙烯塑料中残存的氯乙烯单体能引起名为“肢端骨溶解症”的怪病。

  另外,当人们接触氯乙烯单体后就会患皮肤硬化症,同时还有人出现脾肿大、胃及食道长静脉瘤、肝损伤、门静脉压亢进等症状。

  由于塑料制品在动物体内无法被消化,所以误食塑料会引起胃部不适、生育繁殖能力下降,甚至死亡。1970年到1987年间,人们调查了太平洋海域的543只白额鹱等大型海鸟,竟在其中458只的胃中找到了塑料类物品。

  海洋中的废弃塑料会缠住船只的螺旋桨,损坏船身及机器,引起事故和船只停驶,给航运造成重大损失。

  农田里的废农膜、塑料袋会影响土壤透气性,阻碍水分流动和作物根系发育,使土壤环境恶化,进而威胁人类生存。

  塑料再生技术

  为了较好地治理白色污染,变废为宝,化学家们开发研制出溶解回收聚苯乙烯泡沫塑料的再生技术。这项技术能够大量溶解聚苯乙烯泡沫塑料,并在回收溶剂时同时提取聚苯乙烯,从而避免了二次污染,它具有无毒、成本低、回报率高、不危害环境等特点,是造福子孙后代的伟大发明。

  玻璃的发明

  玻璃是一种质地脆而晶莹剔透的物质,天然玻璃很早就成了远古人类的生产生活工具。随着时代的发展,玻璃被加工成各种器皿、装饰物,一直为人类所喜爱。

  玻璃的发明之谜

  自有历史记载以来,人类就学会了制作玻璃。但是,玻璃究竟是怎样发明的,谁也没有一个明确的答案。

  玻璃的使用最早可以追溯到远古时代,当时人们已经开始使用一种岩浆冷却后形成的名为“黑曜石”的天然玻璃,它的切口非常锋利,原始穴居人把这些玻璃用做武器和工具。

  古埃及人很早就已经开始制作玻璃制品了。考古学家在埃及的古墓中发现了一颗最早的玻璃珠,它约有5500年的历史。

  异彩斑斓的玻璃世界

  关于玻璃加工工艺的记载可追溯到11世纪,修道士西奥菲勒斯写道:“在木板上标出长和宽,在其范围内画上图案。切割玻璃,将其镶嵌在铅条中组成图案,经两面焊接,再将其装在木框中就能得到玻璃窗了。”

  如今,玻璃制品已经多不胜数了,仅玻璃家具就有四大门派:迷人的现代彩绘派、自然华丽的刻花派、分外妖娆的喷砂派和休闲随意的钢化派。

  神奇的安全玻璃

  安全玻璃与普通玻璃相比,具有力学强度高、抗冲击能力强等特点,主要有钢化、夹丝和钛化几种。安全玻璃被击碎时,其碎片不会伤人,兼具防盗、防火的功能,且具有一定的装饰效果。

  安全玻璃通常用在一些重要设施上,如银行大门、贵重物品陈列柜、监狱的门窗等。世界上一些著名文物,如《蒙娜丽莎》和《独立宣言》就是用安全玻璃保护的。

  混凝土的发现

  混凝土是由胶凝材料、水和粗的或细的骨料,按适当比例配合、拌制成混合物,经一定时间硬化的建筑材料。混凝土的出现完美地解决了建筑材料的防水和坚固问题,从而引发了建筑业的革命,推动了近现代建筑业的发展,世界也因此发生了巨变。

  源自古罗马的混凝土

  混凝土看起来很像是一种现代化建筑材料,但实际上却是古罗马人发明的。古罗马人在石灰和沙子的混合物里掺和碎石子制造出混凝土。他们使用的沙子是被称为“白榴火山灰”的火山土,产自意大利的玻佐里地区。在古代,混凝土被用在许多壮观的建筑物上。但在476年以后,古罗马帝国渐渐衰落,制作混凝土的技术也渐渐失传。

  现代水泥的发明

  水泥是常用的混凝土胶凝材料。1756年,英国工程师J.斯米顿在研究时发现:要获得水硬性石灰,必须采用合有黏土的石灰石来烧制;用于水下建筑的砌筑砂浆,最理想的成分是水硬性石灰和火山灰。这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。

  1796年,英国人J帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥,这种水泥外观呈棕色,是采用天然泥灰岩作原料,不加配料直接烧制而成的。

  1824年,英国建筑工人J.阿斯普丁用石灰石和黏土为原料,按一定比例混合后,在类似烧石灰的立窑内将其煅烧成熟料,再经磨细制成水泥。这种水泥建筑性能优良,在建筑史上具有划时代意义。

  钢筋混凝土的诞生

  19世纪60年代,法国花匠约瑟夫·莫里尔为了让混凝土制成的花坛不易碎,在建花坛时往混凝土里加入了铁条,钢筋混凝土由此诞生,人们首先用它建造的是水坝、管道和楼板。1875年,法国建成了世界上第一座钢筋混凝土桥。

  钢筋混凝土的发明及19世纪中叶钢材在建筑业中的应用使高层建筑与大跨度桥梁的建造成为可能。

  陶瓷的发明

  陶器是人类第一次利用天然物料,按照自己的意愿创造出来的一种崭新的东西。它的发明改善了人类的生活条件,揭开了人类利用自然、改造自然的新篇章,标志着新石器时代的开端。

  中国是瓷器的故乡,瓷器的发明是中华民族对世界文明的伟大贡献之一。在英文中,“瓷器”“中国”同为一词,这充分说明精美绝伦的中国瓷器完全可以作为中国的标志。

  陶器的发明之谜

  陶器制作是怎样开始的,目前还缺乏可靠的说明材料。但可以断定的是,人类的祖先是在漫长的实践过程中发现陶器的制作方法的,即黏土被水浸湿后具有黏性和可塑性,晒干后会变得坚硬,而被火烧后,则变得更加结实、坚硬,并能防水。

  恩格斯在《家庭、私有制和国家的起源》一书中指出:

  陶器并不是某一个地区或某一个部落古代先民的专利品,任何一个古代农业部落和人群都能各自独立地创造出陶器。

  源远流长的中国制陶史

  中国已经有约1万年的制陶史了。已发现的新石器时代早期残陶片大多质地粗糙,厚薄不等,质松易碎,掺杂有大小不等的石英粒。

  在距今约5000年的仰韶文化时期,陶器以红陶为主,灰陶、黑陶次之。最能反映当时制陶水平的是细泥彩陶,其表面呈红色,里表磨光,造型独特。可见当时的制陶工艺已相当成熟。

  瓷器的出现

  多姿多彩的瓷器是中国古代的伟大发明之一,它脱胎于陶器,是中国古代先民在烧制白陶器和印纹硬陶器的过程中,逐步探索出来的。

  早期的瓷器出现在约公元前16世纪的商代中期。该时期的瓷器因为胎体和釉层的烧制工艺都尚显粗糙,烧制温度也比较低,表现出原始性和过渡性,故被称为原始瓷。

  琳琅满目的瓷器世界

  东汉时期,北方人民南迁以及厚葬之风的盛行,促进了中国制瓷技术的发展。以中国浙江上虞为中心的地区,因其得天独厚的条件成为中国瓷器的发源地,著名的青釉水波纹四系罐就是这里出土的。

  唐代瓷器的制作工艺高度成熟;宋代制瓷业蓬勃发展,名窑涌现;明清时代从制坯、装饰、施釉到烧成,技术上都超过前代。

  清朝时,彩瓷的种类很多,从烧造工艺上来区分,除青花、釉里红等釉下彩之外,还可以分为釉上彩和釉上釉下混合彩两大类。

  釉上彩是先烧成白釉瓷器,在白釉上进行彩绘,再入彩炉低温二次烧成。釉上五彩、粉彩、珐琅彩都是釉上彩。釉上釉下混合彩是先烧成釉下彩,即在瓷胎上直接绘画图案,罩透明釉高温一次烧成,然后再在适当的部位涂绘釉上彩,入炉低温二次烧成。青花矾红彩、斗彩、青花五彩都属于釉上釉下混合彩。

  瓷器主要有青花类、色釉瓷类、彩瓷类三大系列。

  陶瓷中的王子——紫砂

  紫砂是一种介于陶器与瓷器之间的陶瓷制品,结构致密,强度较大,构成颗粒细小。它光滑平整的表面,因含有小颗粒状的变化而表现出一种砂质效果。

  紫砂充分体现了泥的本色,它的器形千变万化,但个个都表现出一种色泽温润的儒雅风韵。

  紫砂极其珍贵,在宜兴紫砂器中,最受称颂的是紫砂茶壶。

  紫砂的出名得益于明代一位叫供春的制壶艺人,现在国家博物馆里还珍藏着一把由他制作的紫砂壶。

  高速“繁殖”的特种陶瓷

  特种陶瓷又称精细陶瓷,是在现代化生产和科学技术的推动、培育下发展起来的,并迅速更新,新品层出不穷。它们所用的主要原料不再是黏土、长石、石英,而更多地采用纯粹的氧化物和具有特殊性能的原料。特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它特殊的性质,如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、透光等,广泛应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、核反应、宇航等诸多领域。

  铝——曾经比黄金还贵的金属

  铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅,居第三位,是地壳中含量最丰富的金属元素。铝是当今最常用的工业金属之一,它质地软,强度小,延展性良好,可拉成细丝和轧成箔片,大量用于电线、电缆制造业,无线电工业以及包装业,是国民经济发展的重要基础原材料。

  铝的“出生证”

  铝以化合态的形式存在于各种岩石或矿石里,提炼相当困难。100多年前,铝的价格是黄金价格的三倍,就连拿破仑三世也只有一套铝制餐具。

  17世纪,德国化学家斯塔尔发现明矾内含有一种特别的物质。1754年,他的学生马格拉夫从中分离出了矾土,也就是氧化铝。

  1825年,丹麦科学家奥斯特用钾汞还原无水氯化铝,提取出了不纯的金属铝。

  1827年,德国化学家维勒用金属钾还原氯化铝,终于得到了较为纯净的铝,为铝领到“出生证”。

  铝的批量生产和普及

  1854年,法国人德维尔在炼铝的方法上取得了较大突破,在他的指导下,热维利亚兵工厂终于生产出了第一批铝锭虽然德维尔为铝的批量生产作出了重要贡献,但铝极其昂贵的造价决定了它只能用于打造首饰。直到1886年,两个大学生——美国的豪尔和法国的埃罗分别用电解法制造出了铝,铝的使用才得以普及。

  铝中新秀——铝合金

  铝与其他金属按一定比例混合,形成坚硬的铝合金,这种合金密度低,但比强度高,接近甚至超过优质钢;塑性好,可加工成各种型材;具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。

  据统计,一架飞机大约有50万个铝合金铆钉。用铝和铝合金作为材料制造的飞机元件重量占飞机总重量的70%。

  铁是怎样炼成的

  铁是浩瀚宇宙中普遍存在的一种重要元素,在地球的生物进化过程中也至关重要。目前,铁的主要来源是蕴藏在地表层的铁矿石。生铁冶炼技术是冶铁术的起源,它的出现,为古代人类带来了更新更好的生产工具——铁器,大大提高了生产力,促进了社会的发展。

  生铁是怎样炼成的

  据历史记载,最早的生铁冶炼技术出现在中国的春秋晚期,比欧洲早1900年。冶炼生铁的关键是提高炉温。冶铁者发明了有几个入风口的冶铁炉,用好几只皮囊同时鼓风,把炉温提高到1200至1300摄氏度,使铁矿石化为铁水,再把铁水注入铸范,制成器具。

  到了战国时期,生铁冶炼技术有了进一步提高,规模大的冶炼场甚至有几百名工匠。各国都出现了冶铁中心,最著名的有赵国的邯郸、魏国的棠溪和楚国的宛。约公元前500年,楚国人已经有了“渗碳制钢技术”,使得铁制工具开始被广泛使用。

  随着社会发展的需要,铁的深加工——炼钢业问世,并迅猛发展。钢的含碳量为0.05%至2.0%,它的机械强度和韧性较高,还具有耐热、耐腐蚀、耐磨等特殊性能。

  目前人们习惯将钢与铁合称为钢铁。钢分很多种,按所含成分的不同,钢有碳钢、低合金钢、高合金钢等;按产品形状,钢有形钢、棒钢、板钢等。

  中国是世界第一大钢铁生产国,荷兰的米塔尔钢铁公司则是世界最大的钢铁企业集团。

  钛的利用

  钛是一种用途广泛而又不易冶炼的金属。伴随着科技的进步,钛金属和钛合金的应用更加广泛。钛合金成为制造飞机和航天器的主要材料。

  21世纪的金属

  钛在地壳中的含量约为0.6%,仅次于铝、铁、钙、钠、钾和镁,居金属含量的第七位。1791年,英国化学家格雷戈尔发现了钛元素,但直到1910年,英国人亨特才第一次在爆炸器中用钠还原四氧化钛,制得不到1克的纯金属钛。因为钛在高温下化学性质活泼,所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼,在真空或稀有气体中提纯。由于冶炼困难,所以直到1947年,全世界才生产出2吨钛。

  钛比重小,仅为钢的一半,但强度比钢高。它抗腐蚀性强,甚至能抗王水的腐蚀;熔点高,比黄金还高600摄氏度左右。综合性能如此优异的金属是极其少见的,因此,钛受到科学家们的重视。钛高强度、小比重的性能,使它特别适合作为超音速飞机和航天器的材料。钛的耐高温性能好,是制造涡轮喷气发动机的理想材料。由于良好的抗腐蚀性能,钛可用来制造深海潜艇,去探索海底的秘密。钛也可用于制造化工行业的反应器等设备。

  但是目前钛的冶炼还很困难,产量很低。如果在冶炼技术上取得突破,钛就有可能代替钢铁成为21世纪应用最广泛的金属,因而它被称为“21世纪的金属”。

  制造飞行器的钛合金

  以钛为基本金属元素加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金,或α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金。钛合金按组织可分三类:钛中加入铝和锡元素;钛中加入铝铬钼钒等合金元素;钛中加入铝和钒等元素。

  钛合金主要用于制作飞机发动机、压气机部件,以及火箭、导弹和高速飞机的结构件。20世纪60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

  钛合金是一种新型结构材料,它具有良好的综合性能,如密度小,抗强度和抗断裂韧性高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,低温韧性良好,抗蚀性能优异等。某些钛合金的最高工作温度为550摄氏度,预期可达700摄氏度。因此,它在航空、航天、汽车、造船等工业部门被日益广泛地应用,是较为理想的航天工程结构材料。全世界钛产量中约80%用于航空和宇航工业,主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件。

  形状记忆合金——“永不忘本”的神奇材料

  形状记忆合金是具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。一般的金属材料在外力作用下会产生永久性的塑性变形。但是形状记忆合金在发生了塑性变形后,加热到一定温度,还会恢复原状。

  目前世界上已经有铜锌、金镉、镍铝等20多种有记忆功能的合金。形状记忆合金已经成为当今世界上最重要的金属材料之一,质轻、高强度和抗蚀等特性使它在各个领域备受青睐。

  形状记忆效应的发现

  1963年,美国海军军械研究室的研究人员在一项实验中需要一些镍钛合金丝,但他们拿到的合金丝都是弯弯曲曲的,使用不方便,于是他们就将这些细丝拉直。但在实验中,当温度升到一定值的时候,这些已经被拉直的镍钛合金丝,突然又全部恢复到原来弯曲的形状,而且和原来一模一样。他们反复做了多次实验,结果都一样。

  科学家们进行深入研究和实验后发现很多合金都有这种本领,并把这种现象叫做“形状记忆效应”。

  是谁赋予合金记忆力

  在记忆合金中,金属原子按一定的方式排列起来。这些金属原子受到一定的外力作用时,可以离开自己原来的位置到另一个位置去;而当这些合金受热升温后,由于获得了一定的能量,这种金属原子又会回到原来的位置。这就是这种合金在加热到一定的温度后又恢复原状的原因。

  工业应用

  几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,理论研究不断深入。同时,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步。

  形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管,然后在液氮温度下将套管扩径约8%,装配时将这种套管从液氮中取出,把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时,套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密,能防渗漏,远胜于焊接,特别适用于核工业及海底输油管道等。

  它还可以广泛地应用于各种自动调节和控制装置中。其典型实例是消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变,启动消防报警装置,达到报警的目的。此外,还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内,用以保持暖房的温度。当温度过低或过高时,阀门自动开启或关闭。

  世界上最伟大的天线

  形状记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中。1969年7月20日,阿波罗11号登月舱在月球着陆,第一次实现了人类登月旅行的梦想,阿姆斯特朗那句“对我个人来说,这只是迈出的一小步;但对全人类来说,这是跨了一大步”的伟大感言和当时的图像,就是通过由形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。它由极薄的记忆合金材料做成。先按预定要求做成一个巨大的半球形,然后将其压成一团带上天。在月球上,随着阳光照射,温度升高,天线又“记”起了自己的本来面貌。

  手术台上“奇兵”

  各类人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线等等,都可以用形状记忆合金制成。与传统的治疗方法相比,用记忆合金支架治疗具有疗效可靠、使用方便、治疗时间缩短和治疗费用减少等优点,为外伤、肿瘤及其他疾病所致的血管、喉、气管、食道、胆道、前列腺等腔道狭窄的治疗开辟了新天地。

  在骨外科治疗领域,形状记忆合金同样有不凡的表现。与传统的不锈钢器械相比,用形状记忆合金制成的记忆合金骨科内固定器械,可以使骨科手术告别钻孔、楔入、捆扎等复杂工序。这种技术大大降低了手术的难度,缩短了将近三分之二的手术时间。由于材料自身的记忆功能十分稳定,良好“抱合力”使病人手术的愈合期也大大缩短。

  高科技应用展望

  21世纪将成为材料电子字的时代。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能,可实现控制系统的微型化和智能化。

  形状记忆合金机器人的活动除温度外不受其他任何环境条件的影响,可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。

  纳米技术的诞生

  纳米是一种长度计量单位,一纳米等于十亿分之一米。纳米技术用来研究尺寸在0.1至100纳米之间的微细粒子即电子、原子、分子的运动规律和特性。

  纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的,它是现代科学和现代技术结合的产物。从20世纪90年代初起,纳米技术得到迅速发展,被世界各国列为21世纪的关键技术之一。科学家预言,未来纳米技术的应用将远远超过计算机工业。

  世界上第一台扫描隧道显微镜

  1959年,著名物理学家理查德·费曼预言:“人类可以用小的机器制造更小的机器,最后将变成根据人类意志,逐个地排列原子,制造产品。”这是关于纳米技术的最早思想。

  1981年,国际商用机器公司(IBM)的两位科学家G.宾尼格和H.洛勒发明了世界上第一台扫描隧道显微镜,它能以原子级的空间尺度来观察宏观块体物质表面的原子和分子,还能在物体表面留下纳米级的细微划痕,并且能搬运原子或分子。它的发明为人类进入纳米世界创造了基础性的技术条件。

  纳米科技的正式诞生

  1984年,德国著名学者格莱特利利用现代技术,将一块6纳米长的铁晶体压制成纳米块,并详细研究了它的内部结构,为纳米技术的兴起开了一个头,从而引发了科学家们对物质在纳米级内物理性能的变化及其应用的广泛研究。

  1990年,IBM的科学家运用扫描隧道显微镜将氙原子拼成了公司的商“IBM”,第一次公开证实了在原子的水平上,有可能以单个原子精确地生产物质同年7月,第一届国际纳米科技大会在美国巴尔的摩召开,标志着纳米科技的正式诞生。

  神奇的纳米机器人

  “纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴,它以分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。

  第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可被注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗,还可以用来进行人体器官的修复工作、做整容手术、从基因中除去有害的DNA,使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接用原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世,将彻底改变人类的劳动和生活方式。

  伪劣产品的拦路虎——纳米防伪技术

  纳米技术被应用于防伪领域是近年来的研究成果。1999年12月14日,该技术获得了美国专利局签发的美国国家专利授权证书,还被列为我国国家标准最高级的防伪技术。它从根本上防止了防伪标志被仿造,是防伪领域具有重大意义的历史性突破。

  具体来说,纳米防伪标志的制作过程是这样的:大量微观带电粒子在加速器的作用下沿同一方向高速运动,利用云母、玻璃、晶体等固体介质截获其瞬间随机信息,形成母版,母版经翻录制成工作版,然后通过专用加密设备在防伪标志介质上进行纳米信息加密,同时再经过封装工艺以保护加工完毕的纳米信息。检测时,通过检测仪器进行图像特征匹配,以辨真伪。

  与传统的油墨、纸张、激光全息等防伪技术相比,纳米防伪技术具有明显的优势。它是唯一的、极其微小的,所以不可能被仿造。

  碎不了的陶瓷——纳米陶瓷

  传统的工程陶瓷属脆性物质,有均匀性差、可靠性低、韧性及强度较差等缺陷,其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用,科学家们计划制作一种纳米陶瓷,它不仅能克服传统工程陶瓷的许多缺陷,还能具有像金属一样的柔韧性和可加工性。

  纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中,晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平,使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响,为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。

  随着高新技术的不断出现,人们对纳米陶瓷寄予很大希望,世界各国的科研工作者正在不断研究开发纳米陶瓷粉体并以此为原料合成高技术纳米陶瓷。





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