新材料支持了高科技的迅速發展,促進了社會文明與進步,豐富了人們日新月異的物質和精神生活。然而,神奇材料的偶然發現更使人激動和振奮,它將啟迪人們如何創造性地學習、工作和更有意義的生活。
新材料的意外發現,乃至研制成功,再到實際應用,絕不是諸位科研人員太幸運! 這與他們敏銳的觀察能力、嚴謹的邏輯思維、深入的潛心研究、精湛的實驗技能、可貴的創新精神密不可分。
以下就由新材料在線帶您一起來回顧那些動人的材料誕生趣事。
超導材料
1911年,荷蘭物理學家昂納斯在研究金屬汞的低溫性時,發現在4K時水銀的電阻驟然降到一個很小的數值(10 ),當他在水銀中加入大量雜質后,對其在液氦溫度下向極小電阻狀態轉變并沒有發生什么影響。這表明在低溫下某些固體電阻趨于零是這些固體固有的物理性質。通過實驗發現了某些固體在低溫下電阻接近于零。電流在這些固體中流動時就沒有阻力,不耗損電能。昂納斯于1913年首次稱這種狀態為超導態,因此昂納斯教授獲得了1913年諾貝爾物理學獎。人們把這種零電阻現象叫做超導現象,把具有超導性的物質叫做超導材料。
利用超導原理的磁懸浮列車
超導現象
研究進展:目前已相繼發現28種(金屬元素或單質)具有超導性,如鋯、鉬、鈮等;超導化合物和超導合金有幾千種,如鑭鋇銅氧化物、鈮鍺合金等。
應用領域:超導計算機、超導磁懸浮列車、超導電車、電磁推進船、超導電纜、超導發動機以及無損耗變壓器。
超塑性合金
1920年德國研究人員羅森海因在對鋅一鋁一銅合金進行研究時,發現這種合金與一般金屬不同,經過冷軋后,具有暫時的很高的塑性。當時被工程技術界認為是一種奇異現象。1945年前蘇聯學者包奇瓦爾,對這一奇異現象深入探究,并在許多有色金屬合金中,發現了延展性特別顯著的奇異現象。
研究進展:目前,世界上已經發現200多種超塑性合金,如超塑銅合金(Cu一38Zn)、超塑鋅合金(Zn一22Al一0.2Cu)、超塑鋁合金(A1—6Cu—Zr)等。
應用領域:用于制造導彈、人造衛星的復雜器件、電子儀器零件、汽車外殼等。
無聲金屬
20世紀50年代初,英國人在研究合金時,無意將含有80%錳的錳一銅合金鑄塊掉在地上,實驗人員只聽到微弱的聲響,出乎意料的現象引起他們的極大興趣,對其進行了深入的研究,終于獲得了具有減振特性的錳~銅一鋁一鐵一鎳合金,并稱它為“無聲合金”或“減振合金”。
減振合金零件
減振輪轂
研究進展:現已有數十種減振合金問世,如鈷鎳合金、鎂鋯合金、鎳鈦合金和鐵鋯鋁合金。
應用領域:宇宙航天、汽車制造、土木建筑、機械制造、火車車輪、家用電器等。
不碎玻璃
1903年的一天,法國化學家貝內迪克蒂斯做完了實驗,在清掃實驗室時,不慎將1支平底燒瓶從3m高的儀器架上碰落下來,掉到地面上并沒有摔碎,只是布滿了裂紋。因忙于其他實驗,給這只燒瓶貼 上紙條放在墻角。不久,貝內迪克蒂斯在報紙上看到一則車禍消息:一輛公共汽車撞在建筑物上,車窗玻璃的碎片擊傷了司機和乘客。記者呼吁急需研制一種碎了也 不傷人的車窗玻璃。于是,貝內迪克蒂斯立即拿出放在墻角貼有紙條的燒瓶著手研究。他發現這是一只裝過硝化纖維溶液的燒瓶,瓶壁上有一層膠膜,所以沒有跌 碎。由此,他深受啟發,聯想到讓膠膜和玻璃“緊密結合”,研制出了一種新型的“夾層玻璃”。
研究進展:目前已成功開發多種夾層玻璃。根據中間所夾材料不同,可分為:夾紙、夾布、夾植物、夾絲、夾絹、夾金屬絲等眾多種類;根據夾層間的粘接方法不同,可分為:混法夾層玻璃、干法夾層玻璃、中空夾層玻璃;根據夾層的層類不同,可分為:一般夾層玻璃和防彈玻璃。
應用領域:航空擋風玻璃、汽車擋風玻璃,建筑玻璃。
記憶合金
1958年,美國海軍軍械實驗室冶金師布勒在研究鎳一鈦合金時意外發現,在不同溫度下鎳一鈦合金棒相碰撞發出清脆的聲音,而冷卻到室溫后,則發出喑啞遲鈍的聲音。他敏銳地意識到,溫度對合金的組織結構和硬度可能有很大影響。I963年, 在一次實驗中,他從庫房中領取了彎彎曲曲的鎳一鈦合金絲,使用起來不方便,所以實驗前把這些合金絲一根根拉直,然后做實驗。令人驚異的怪現象出現了,實驗 溫度升高到一定值時,這些原來拉直的合金絲突然無一例外地全部變成彎彎曲曲的形狀。反復實驗結果相同。他們還發現不論把鎳一鈦合金絲拉得多么直,當溫度達 到某一數值,即轉變溫度時,就會恢復原來的彎曲形狀。科學家把這種現象稱為形狀記憶效應,具有這種效應的合金稱為形狀記憶合金,簡稱“記憶合金”。
研究進展:科學家在鎳-鈦合金中添加其他元素,進一步研究開發了欽鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金;除此以外還有其他種類的形狀記憶合金,如:銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。
應用領域:生物工程、醫藥、能源和自動化等方面也都有廣闊的應用前景。
導電塑料
1970年的一天,日本筑波大學的白川英樹教授讓他的一位朝鮮籍研究生用乙炔制取聚乙炔。由于這位學生日語不太好,聽錯了導師對實驗中應加催化劑量的要求,結果加入了應使用催化劑用量的近100倍,然而這一錯誤竟帶來了奇跡,得到了一種銀光閃閃的薄膜,有一點導電性,很像金屬。實際上聚乙炔應該是一種黑色的粉末。由于白川英樹教授深知個人的力量不足以解決許多邊緣問題,公開聲明愿與各行各業的科學家合作。1977年白川英樹在與美國賓夕法尼亞大學的物理教授麥克第阿密特研究這種塑料薄膜時又發現,若在乙炔的聚合過程中摻入碘,所得的聚乙炔呈金黃色,導電能力提高了3千萬倍。
研究進展:前聯邦德國的納爾曼教授用白川英樹催化劑體系獲得聚乙炔后,立即進行特殊的熟化和拉伸取向處理,再給聚乙炔薄膜摻雜,結果得到的材料比摻碘的電導率又提高了3個數量級。納爾曼的聚乙炔導電能力與銅相近了?,F已用導電聚合物制成發光二級管,還在傳感器、電磁屏蔽、催化等方面大顯身手。
應用領域:抗靜電添加劑、計算機抗電磁屏幕、智能窗、發光二極管、太陽能電池、移動電話、微型電視屏幕乃至生命科學研究等領域。
貯氫合金
1974年的某一天,日本松下電器產業中央研究所的研究人員,把鈦~錳合金和氫氣一起裝入容器后,驚奇地發現氫氣的壓力居然從1013.325kPa降到101.325kPa,所減少的氫氣是被鈦一錳合金“吃掉”了,而且“胃口”相當大,被鈦一錳合金吃進的氫氣要比它本身大1000至3000倍。由于這種合金在一定溫度和壓力下,會像海綿吸水那樣大量吸氫,故稱為“貯氫合金”或“氫海綿”。
研究進展:已研制成功多種貯氫合金,如TiFe、ZrMn 、LaNi 等,它們既可儲存氫氣,也可放出氫氣。研究人員還研制用貯氫合金凈化或提純氫;設想把貯氫合金引入汽車和廚房設備作為氫燃料,既環保又高效。
應用領域:氫的貯存、凈化和回收、氫燃料發動機、熱—壓傳感器和熱液激勵器、氫同位素分離和核反應堆中的應用、空調、熱泵及熱貯存、加氫及脫氫反應催化劑、氫化物—鎳電池。
不銹鋼
在第一次世界大戰時期,一位金屬專家受命研究槍筒在射擊過一段時間以后因發生“銹斑”而損壞的問題。在研究中他采用幾種新型合金鋼的含鉻量很高。但是用這種 新“鉻鋼”制造的槍筒,在開了第一槍后就成了碎片。碎片被扔進了廢料堆,過了一兩個星期,這位專家注意到,在那些生銹的廢金屬片中,那根鉻鋼槍筒的碎片仍 然象原來一樣,閃閃發亮。“不銹鋼”的巨大優點就是從這個偶然中發現出來的。
研究進展:目前有一百多種工業不銹鋼,所開發的每種不銹鋼都在其特定的應用領域具有良好的性能。。
應用領域:建筑應用、食品加工、餐飲、釀造和化工領域。
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