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线散热快,能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。因此近年来铝
导线数量显著增加。在现代集成电路生产中,人们也用真空刻蚀铝膜来联接
各元件。
铝的导热性能好,几乎是铁的 4 倍,因此在工业上多被用于生产热交换
器和散热器,铝制餐具也大量面市。你天天都在用铝,对吗?
铝容易加工成型,可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表
面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定,有较强的抗腐蚀能力,因而适
用于制造防腐设备。
铝反光能力强,可制作反射镜。
铝是非磁性金属,可作为防磁的罗盘盒。
铝没有毒性,是良好的食品包装材料。
铝和铝合金用途很广泛,是一种神通广大的材料,随着科学的发展,铝
的家族还会不断增加新成员。不信,咱们走着瞧!
钛
钛在地壳中含量约为 0.6%,仅次于铝、铁、镁,居金属含量的第四位。
1791 年英国化学家格雷戈尔就发现了钛元素,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
的高温化学性质活泼,所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼,在
真空或惰性气体中提纯。因为冶炼技术困难,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。它熔点高,比黄金还高 600℃左右。如此优异的综合性能在金属
中少见,因此钛受到重视。
钛是属于太空时代的金属。它的高强度、小比重的性能,特别适用于生
产超音速飞机和航天器。美国 70%的钛用于航空航天,美国 YF—12A 型战斗
机,用钛量达 93%。
钛的耐高温性能好,是制造涡轮喷气发动机的理想材料,它几乎可以取
代不锈钢和铝合金。利用钛合金代替不锈钢,可使发动机的重量减轻 40%~
50%。
由于钛的抗腐蚀性能好,可用它制造深海潜艇,去探索海底的秘密。钛
也可用于生产化工行业的反应器等设备。
钛目前存在的问题是冶炼困难,产量低。如果在冶炼技术上取得突破,
钛就有可能代替钢铁。因而它被称为“21 世纪的金属”。
形状记忆合金
1961 年,美国海军研究所的一个研究小组领取了一批弯弯曲曲的镍钛合
金丝,人们把它们一根根拉直以便使用。但当它们偶然接近火时,又恢复了
原来的弯曲状态。人们经过研究,搞清了这是材料的一种新效应——形状记
忆效应。后来人们又发现了金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金、铜锡合金等
都具有记忆效应。
为什么会出现形状记忆效应呢?原来每种形状记忆合金都具有一定的转
变温度。在转变温度以上,金属晶体结构是稳定的;在转变温度以下,晶体
处于不稳定结构状态,一旦加热升温到转变温度以上,金属晶体就会回到稳
定结构状态时的形状。
形状记忆合金可以 100%恢复形状,并且反复变形 500 万次,也不会产
生疲劳断裂,因而具有许多奇妙的用途。
为了在月球上收集资料,人们需要有一架像大伞似的天线。而宇宙飞船
的空间有限,怎样才能把它带上天呢?可以用形状记忆合金做成天线,然后
在其转变温度以下叠成一个小球团,带到月球上后,经太阳光加热升温,它
就会像荷花一样徐徐展开成天线。多棒呀!
用形状记忆合金的制成玩具,即使不小心弄变形了,只要用火一烤,它
就会恢复原状。如果用形状记忆合金制造人造关节、人造骨骼等,即使发生
了变形,只要用火一烤就能恢复原状,而不用去找医生了。
还有一种设想是用形状记忆合金制造新型发动机:先让合金记住线圈的
形状,在常温下把它制成电线,把这条电线接在大小不同的两个圆盘上,在
圆盘的一侧加热水,另一侧加冷水。浸在热水中的合金要恢复线圈状,就要
收缩,于是带动圆盘旋转,把热能直接变成机械能,并且水越热,旋转的次
数就越多。用这种方法可以利用工厂、发电厂的废热水来做功,因而前景广
阔。
形状记忆合金开发利用面临的难题是:价格高,加工难。如果未来的研
究解决了这些问题,许多奇妙的产品就会出现在我们面前。
非晶态合金
把粘浆状的熔融金属高速冷却,就可得到性能与一般金属大相径庭的非
晶态合金。普通金属是原子排列很规则的晶体结构,而非晶态合金由于快速
冷凝,原子排列很不规则,不能形成晶体结构,因此它具有奇妙的特性。它
有良好的耐腐蚀性和电磁特性,并且是很好的超导材料和贮氢材料,因而被
称为“梦幻般的金属”。
由于非晶态合金具有优秀的电磁特性而又十分坚硬的特点,特别适于生
产现代化磁头,以便利用高性能的合金磁带。它比一般结晶磁头的耐磨性高
20%,日本 TDK 公司已开始生产这种磁头。
另一个利用方法是用非晶态合金制造变压器的铁芯。普通硅钢铁芯因发
热造成的铁损约每公斤铁芯 1.1 瓦,而非晶态合金仅为 0.4 瓦。但非晶态合
金怕高温,一发热就会变成晶态,影响变压器的性能,各国对此正在研究解
决办法。
氢是最佳的二次能源,广泛使用氢能的一个难题是氢的贮存,而非晶态
合金恰是一种良好的贮氢材料,它吸收和释放氢的速度很快,因而受到重视,
但贮氢量较小,有待进一步改善其性能。
一般材料做成的超导合金,在低温下质地较脆,难以加工,而非晶态合
金却具有适当的韧性和弹性,是一种优异的超导材料。
超导材料
我们日常生活中使用的一切物质都具有电阻,这是一般的常识。但是,
当物体的温度逐渐降低到绝对零度(零下 273.15℃)附近时,其电阻会变成
零。这就是超导现象。
超导现象是 1911 年荷兰科学家温奈斯发现的,他用液氦在零下 269.03
℃下(即绝对温度 4.12K,摄氏 0 度相当于绝对温度 273.15K)冷却水银时,
发现水银电阻完全消失。此时如果在水银中有感应电流,就会一直保持下去。
他还制成了超导磁铁,想产生强磁场。但当电流增加到一定程度时,就破坏
了超导状态。此时的磁场叫临界磁场。此外,超导还有临界温度,临界电流
密度共三个临界约束值。在不超过这三个临界值的状态下,超导现象才会发
生。
由于超导体具有的奇妙特征,人们立即对它产生了浓厚兴趣,发现高临
界转变温度的超导材料的竞赛在各国之间展开。1954 年制成的铌锡合金转变
温度为零下 252.7℃,1975 年制成的铌锗合金转变温度为零下 249.75℃,到
了 80 年代末更是掀起一股超导热潮,超导转变温度的纪录不断被打破。1990
年 9 月中国超导研究中心制成的锑铋系材料的临界温度为零下 151.15℃,为
目前国际最高纪录。在提高转变温度的同时,人们也在研究提高另外两个临
界值。美国阿尔贡国家实验室已使超导体的电流密度提高到 105A/cm2(A 为
安培,cm 为厘米),并且在 30TC(特斯拉)的强磁场中仍具有超导性质(1
特斯拉等于 1 万高斯)。
超导材料具有引人注目的用途。
因为超导体没有电阻,在电流流过时就不会因为发热而损失电能,因此
采用超导电线可以实现远距离无损耗输电,这样电站就可以远离居住区,使
我们的生活区更加洁净。
超导体中每平方厘米可以流过几十万安培的强大电流,因而可产生很强
的磁场而且消耗的电能很少。日本用超导体产生 17.5 万高斯的强磁场,加上
冷却用电也仅为 15KW。这种强磁场是实现受控热核反应的关键之一。
用超导体制成的超导发电机的功率可比目前发电机高 100 倍以上;超导
磁悬浮列车的时速每小时已达 550 公里;高速超导电子计算机的计算速度每
秒可达几百亿次以上。
超导体有可能为我们这个世界带来新的技术革命,所以目前世界各国都
把超导研究列为重点攻关项目,以期早日迈入超导时代。迄今为止,已有 8
位科学家因为研究超导体而获得了诺贝尔奖。
半导体材料
我们日常用的铜、铁、铝等,都很容易导电,因而叫做导体;而橡胶、
塑料等几乎不导电,因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体,那它就一定是
绝缘体吗?答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体,其导电
能力居中,并且随温度升高而增大,随温度下降而减小。
半导体分三种:本征半导体、p 型半导体和 n 型半导体。
不含杂质的纯净半导体叫本征半导体,它的导电能力很差。为了提高纯
质半导体的导电能力,常常在本征半导体中掺入少量杂质。如在硅中掺入硼,
硅原子周围就形成可移动的空穴,这就是 P 型半导体;如果在硅中掺入磷,
材料中就会出现多余电子,这就是 n 型半导体。它们各有自己的特性,常常
联合使用。人们为了获得所需要的半导体,就必须制得纯净的本征半导体。
目前,人们所获得硅的纯度已达 14 个 9,即 99.999999999999%。这是人类
材料史上的一个奇迹。
半导体材料有许多奇妙用途,在各个领域发挥重要的作用,无论是收音
机、电视机,还是大型计算机、工业电气化系统,都离不开半导体材料。
半导体材料是制造电子元件的主要材料,而我们用的收音机、电视机、
电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等,都是由无数的电子元件构
成的。半导体材料制成的电子元件不仅功能强、效果好,而且重量轻、寿命
长、耗电省。1946 年,美国研制出世界上第一台电子计算机,使用了 18000
个真空电子管,1500 个继电器,重量达 30 吨,占地面积 170 平方�