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谁曾想到,改变世界的另类超级材料竟以陶瓷、塑料为基础!
2016-09-30 17:05:25 编辑:易小编 浏览次数:1670
【易塑网资讯中心】讯:
未来,将是一个超级材料的时代!
谈到超级材料,大家一般都想到的就是空气合金、超材料、碳纳米管、石墨烯等高端材料,按照材料行业的发展,未来,这些材料确实承受得起“超级材料”的称呼。
然而,我们在日常生活中常见的陶瓷、塑料、复合材料等,经过科学家们的研究与开发,在未来,也许也会成为超级材料。
你想象过有一种泡沫钢材料吗?它与普通钢材一样坚硬,但却又能像泡沫塑料一样浮在水上。
科学家还制造了一类珍贵的记忆形状金属材料,它们能记住自己的形状。若用这种合金制作汽车车身,即使两车相撞,车身稍许凹陷一些,但如果给车身浇上开水,它就会恢复原形。
人们还制造出了隐形材料,用它制成的飞机可以避开雷达的跟踪,用它造飞机库、火箭发射场、坦克阵列,均可在敌机的雷达屏上无迹可寻。在一次演习中,庞大的航空母舰竟在敌国的侦察船、卫星的严密监视中失踪,悄然返回数千公里外的基地,一路未被察觉。
有朝一日,从住宅、汽车到炊具和假牙,再到世界上的任何事物,都将由与今不同的未来材料构成。异乎寻常的陶瓷、塑料和复合材料,将与生物工程和计算机科学一样改变未来地球的面貌。
▶未来超级材料之陶瓷
陶瓷,过去人们一直认为它脆而不坚,无法派上大的用场。但今天人们从宏观水平上对它进行改造以后,已使它易脆的缺陷减到了最小限度,制成了各种新型的比钢铁坚硬也比钢铁耐热的陶瓷材料。
不仅如此,制作陶瓷的原料还遍地皆是。
因为在地壳里埋藏的100多种元素中,氧的含量占第一位,硅占第2位,铁仅占第4位。而主要由硅、氧两种元素组成的硅酸盐陶瓷,漫山遍野的含有硅酸盐的粘土、砂子、石头都是其制作原料。
为此科学家预言,未来陶瓷将代替钢铁材料世界的“霸主”地位,成为材料世界的新一代“霸主”。
这种新型陶瓷材料生产工艺简单,只要将硅酸盐原料磨成细粉,加水拌和,成为柔软的泥沙,用模子塑成所需机器零件形状,用适当的方法烘干后,再放进窑里进行烧结便成了。对那些尺寸要求很准确的零件,再加工磨制一下就成了。
未来这种新型陶瓷材料代替钢铁材料的世界“霸主”地位之后,一切防锈的油料和药剂都将失去市场,因为它不怕雨淋日晒,永远不会生锈。油漆的销路也将会大大减少,因为它们有烧结在身上的各种颜色的“瓷釉”,而且永远不会剥落。
在工业应用中它不怕酸碱腐蚀,不用水冷风冷,即使热到了发红的地步也仍同在室温条件下一样硬朗。同时它还比钢铁轻得多,可以大大减轻机器的重量。
▶未来超级材料之塑料
塑料,也是科学家在先前塑料材料基础上开发出来的新材料。
这类新型塑料中最引人瞩目者,要数工程塑料、导电塑料、磁性塑料、生物塑料以及形状记忆塑料等。
以工程塑料为例,工程塑料按功能可以分为通用工程塑料和特种工程塑料;按其结晶性又可以分为晶体树脂和非晶体树脂。
与金属相比,工程塑料具有重量轻,成型加工性好,耐蚀耐磨,易着色,易复合等优点,因而大量代替金属应用于机械、电子、电机仪表以及航空、国防等尖端技术领域。
当前工程塑料的技术开发十分活跃,主要致力于提高其耐热性和高强韧性。如日本通产省纤维高分子材料研究所开发成功了比铁更坚硬的塑料。铁的硬度为132,其为188,系世界首创。
为此这类塑料已被用于代替钢材造桥、制造溜冰场和汽车发动机部件及直升机旋翼。目前,塑料保险杆和燃油箱,已成为新型汽车的平常部件。
▶未来超级材料之复合材料
复合材料,则是更有发展前途的新型材料。
由于单一材料存在难以克服的局限性,像陶瓷的脆性,有机材料的低模量等。若把不同材料适当地组合在一起,往往可以产生比其组分优越得多的新材料。复合材料就是这样应运而生的。
复合材料一般由基体材料如树脂、金属、陶瓷,与增强剂如连续纤维、晶须、颗粒复合而成。现代复合材料的第一代是玻璃钢,即玻璃纤维与树脂复合,既可代木,也可代钢,已得到普遍应用。
第二代复合材料是树脂与碳纤维的复合,其工作温区为200—350℃。属于高比强度和高比刚度,易于成型,价格也比较便宜,所以除了用于航空航天工业外,也用于汽车、运动器械等。第三代则是正在发展中的金属基、陶瓷基及碳基复合材料,这些材料有着更为广泛的用途。
▶未来超级材料之智能材料
在新材料领域中,一种崭露头角的材料即将走出实验室,投入实际应用。由于这种材料具有应付环境变化的能力,科学家们便命名它为“智能材料”或“机敏材料”。
智能材料可能对航空、宇航、原子能以及原子医学等尖端产业的发展,产生深远的影响。
飞机在万米高空中飞行,其所受到的外力变化是很大的。经过无数次运转、飞行,飞机机体容易积蓄因“疲劳”和“损伤”形成的微小裂纹。这种微小裂纹肉眼看不到,甚至精密仪器也难以辨认,因而潜伏着机毁人亡的危机。
对此,日本正在开发一种叫做“聚偏维尼纶高分子”的智能材料,只需将它在飞机机体——金属表面涂上一薄层,就可以使人眼看不到的裂纹变得一目了然。
这种聚偏维尼纶高分子,实际上就是一种加上外力便产生微量电荷的压电材料,当机体出现微裂纹时,高分子被拉伸而变形,于是产生电荷。裂纹越深,产生的电压越高。因此,只要对电压进行分析,便可探明裂纹的位置和大小。
人体和其他动物,实际上都是由许多智能材料组成的,日本仿效人体胳膊的肌腱,研制了一种由外部温度变化后而发生伸缩的智能材料,这种材料叫做“聚乙烯甲醚高分子”,呈冻胶状,将它加工成直径约0.5mm的细丝,并将1000条以上的这种细丝捆扎成束,当用热水加热其表面时,成束的高分子就像肌肉那样收缩起来。这种智能材料可以使肌肉萎缩者的功能得到恢复。
还有一种智能材料具有自我修复的能力。比方说,宇航器在太空中运行,潜水艇在深水中作业,由于机体某部受损而又一时难以检修,这就需要具有自我修复功能的材料。这种材料由五层构成,中心是镍,两边为碳化钛,最外两层为铝层。一旦表面铝层发生裂纹,内层的碳化钛就会氧化、生长,从而使之填补修复裂纹。
智能材料的研究和开发刚刚起步,但已被期望作为21世纪的“材料明星”。一大批包括化学家、物理学家、材料学家、机器人专家、系统控制专家和计算机专家在内的科技精英,对智能材料的潜力充满信心。
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