第2章 金屬材料(2)(1 / 2)

一架波音747客機用鈦達3600kg,一架F-15戰鬥機的用鈦大約為7000kg,一架B-l轟炸機的用鈦量更是高達70000kg,而超音速飛機上鈦合金幾乎占總機體重量的95%。對飛機來說,使用鈦合金使飛機重量減少,就可節省燃料,加快速度和延長航程。對遠程導彈來說,減少重量就意味著射程的增加,例如:導彈每減輕1kg,大約可增射程7.7m。

(2)航海工業。對材料來說,在海洋中最難過的是腐蝕關,而鈦在海水中幾乎不受腐蝕,有人曾通過實驗和計算得出,鈦盤在海水中浸泡1千年,表麵腐蝕掉的鈦大約為0.02mm厚。用鈦和鈦合金製造軍艦、潛艇,不僅可以減少腐蝕,還可以減少重量,增加速度和攻擊力,增加潛水艇的潛水深度,例如出事的俄羅斯核潛艇“庫爾斯克號”的外殼就是用鈦合金製成的。今後,隨著鈦的產量的提高,鈦一定會從“空間金屬”發展成為“海洋金屬”。

(3)醫療領域。用鈦製的“人造骨骼”替不鏽鋼,可留在人體內,可避免接骨愈合之後,需重新進行手術取出鋼片的麻煩和痛苦。所以鈦又被人們讚譽為“親生物金屬”。

另外,鈦還可用來製造高級金屬工藝品和日用品。鈦的氧化物二氧化鈦是現在世界上已知的最白的物質,且無毒,廣泛用來塗漆飛機、汽車等,1g二氧化鈦就可以把450多cm2的麵積塗得雪白。鈦的氯化物四氯化鈦,由於通水蒸氣可水解產生濃煙,可做煙幕彈。

貯氫合金

我們知道氫氣是一種最理想的能源。它的來源廣泛,燃燒產物是水,既不汙染又可重複利用。現在之所以沒有得到廣泛應用,主要原因有兩方麵:一是製氫工藝,用電解水和熱化學法製氧的能耗大,成本較高,而利用太陽能進行光分解法製氫的研究還剛剛起步,還沒有取得突破性進展。二是氫氣的貯存,這是一個更大的難題,現在氫一般是在150個大氣壓下貯存在鋼瓶內,即使如此,氫的質量也僅占鋼瓶質量的1%~2%,且不安全,因此無法在工業和生活上大量使用。如果在低溫下使用氫液化來貯存,需要降到-253℃以下,本身又要消耗大量能源,而且還需極好的絕熱材料來維持低溫,所用絕熱材料的體積往往比貯氨設備的體積還要大。比如,宇宙火箭上貯存液氫和液氧的貯箱,占了火箭一半以上的空間。

為了解決氫的貯存問題,科學家們進行了艱苦的探索,終於在1968年發現了鎂-鎳合金具有貯氫機能。既能大量吸收氫氣,又能把氫氣“吐”出來。人們把它叫做貯氫合金,後來又陸續研製出了鈦一鐵、鎳一鈦等貯氫合金。

貯氫含金為什麼能貯存氫氣呢?原來氫氣與某些金屬之間存在如下變化:2M十xH22MHx+Q這個平衡受溫度、壓強及合金成分的控製,在一定溫度和壓強下,氫氣與金屬反應生成金屬氫化物而貯存氫,由於氫是以原子形式貯存於合金中,氫原子密度比同樣條件下的氫氣大1000倍,相當於貯存1000個大氣壓的高壓氫氣。在使用時,隻要稍改變一下壓強和溫度,就可使反應逆向進行,氫氣重新放出。

到目前為止,雖然發現的貯氫合金已不下百種,但並不是都適宜作貯氫材料。這是因為作為能夠實際應用的貯氫材料應具備:貯氫量大、易活化(吸氫、放氫的條件容易達到)、吸氫與放氫的速度快、重量輕、成本低、壽命長。現在,性能優良的貯氫材料還沒有找到,總的來說,還處於實驗室探索階段。例如,1980年我國研製出一輛氫能汽車,貯氫箱重90kg,乘員12人,以50km/h速度行駛了40多公裏,雖然成績不是很理想,但可以看出貯氫合金的潛在功能。貯氫合金的使用前景是十分誘人的,在21世紀一旦研究取得突破,必將對人類的生產、生活帶來深刻的影響。

超導材料

我們知道金屬通常總是有電阻的,當電流通過金屬時,金屬會發熱,像電爐就是利用電阻絲發熱製成的。電阻的存在使電流通過時受到一些損耗,這種情況在許多場合是人們所不希望的。如何使導體的電阻降低甚至消失是人們長期以來夢寐以求的願望。

1911年荷蘭一個名叫昂尼斯的物理學家在研究水銀的導電性能時,發現水銀溫度降到-269℃時,電阻突然完全消失,這時撤去電源,電流在和外界隔絕的閉合電路中,仍能長久流動而不衰減。這個奇怪的現象轟動了物理學界,後來科學家把這種現象叫超導現象,把電阻等於零的材料叫超導材料。目前已發現了8000多種超導材料,使這門新興技術得到了飛速發展,但由於出現超導現象時的溫度大都極低(接近-273℃),因此,沒有太大的實用經濟價值。為了尋找在較高溫度下的超導材料,世界上無數科學家為之努力奮鬥,直到20世紀90年代才取得了重大突破,發現了接近於100K(0K=-273℃,下同)的超導材料。我國科學家在1988年研製出了轉變溫度在120K的超導材料鈦鋇鈣銅氧化物,1990年初又研製出了臨界溫度132K的超導材料,這是當時世界公認的最高溫度,顯示我國在超導材料研究方麵,已躋身於世界先進行列。