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第7章 能源材料(5)

长期以来,玻璃钢都是用手糊法加工的,就是说在手工铺好的玻璃纤维或织物上糊上树脂,经过固化成形,费工费时,质量也没有保证。近年来,半自动化和自动化的液压注射和短切纤维喷射工艺相继出现,加速了玻璃钢的普及。液压注射同金属压铸工艺类似,采用闭合模具,在模具内放置好玻璃纤维铺层后压入树脂,固化后脱模得到光洁度很高的产品。短切喷射法的效率高,连续的玻璃粗纱在喷枪内被短切刀具切断,和催化后的树脂一起由喷枪口喷出,在开式模具表面上堆积,逐步固化成形。这种方法不需要预先铺玻璃纤维,所以大大简化了操作过程,缩短了工期。

有一些大型玻璃钢制作,如管道和容器可用缠绕的玻璃纤维为骨架,现在发展到电子计算机控制的自动缠绕机来加工,效率更高,可以加工出直径数米、长度几十米的开口或闭口管道。闭口管道的半圆盖是单独加工的,在缠绕过程中再结合在一起。

目前使用最广泛的玻璃钢大型部件是直升机旋翼和风车旋翼。1982年美国哈米顿公司生产出世界上最大的风车旋翼。旋翼长39米,桨毂直径五米,重达13.6吨,三只旋翼装在80米高的塔架上,风速以每小时52公里计算,可以发电4000千瓦。

20世纪70年代以来,传统的建筑材料也发生了很大的变化。以合成树脂为粘接剂,加入各种填料的人造大理石和塑料混凝土异军突起,迅速打入高层建筑和豪华的宾馆中。人造大理石色泽鲜明,纹理清晰,在外观和性能上与天然大理石相似,而价格只有它的至,特别是一些异型制品,如浴盆和洗面池等,使用人造大理石的优点更为突出。人造大理石是在聚酯树脂中加入粉末填料,如碳酸钙、氧化铝、石英砂、玻璃粉和天然大理石粉等混合浇注而成。为了追求色泽和花纹的美观典雅,还可以加入各种颜料,如二氧化钛、三氧化二铁等。

人造大理石中填料的用量可达75%以上,这样不仅提高了产品的耐火性和抗腐蚀性,同时也降低了成本。人造大理石通常是一种基色和两种不同的花纹,也可以根据需要增加或变化花纹颜色。

人造大理石的另一关键是表层的凝胶薄膜,又称胶衣。凝胶必须有足够的强度、耐磨性、抗老化性、光泽度和透明度,它直接影响产品的使用寿命。

专用凝胶喷涂机可以变换喷涂多至六种颜色的凝胶。神话传说中的女娲曾炼五彩石补天,现在这种奇异的五彩石已进入人们的生活。

塑料混凝土不追求人造大理石那样的光泽和花纹,而以性能取胜。塑料混凝土的比重比水泥混凝土轻,而抗拉和抗压强度为后者的四倍。此外,耐酸性和抗冻性都比水泥混凝土好。因此,塑料混凝土大都制成薄而轻的结构,只是其硬度稍低,耐火性也不及普通混凝土。

在施工过程中,塑料混凝土的优点十分显著,它的硬化脱模时间少于一小时,而普通混凝土为7~28天,从而大大提高了模具周转,并缩短了工期。

塑料混凝土所用树脂的品种很广泛,有聚酯、丙烯酸、呋喃、苯乙烯和环氧等。所用填料种类也很多,例如日本曾利用发电厂的煤灰和烟灰,专门研究了一种结构混凝土,用于制造纺织机轴、床料和屋瓦等。目前,塑料混凝土的用途比人造大理石更广,如排水管、电气设备外壳、化工糟、地板、墙壁、水下餐厅、露天桌面、城市雕塑等,色彩可以任意选择。在大型飞机跑道和高速公路损坏时,用塑料混凝土修补更为方便,加有强烈催化剂的树脂在几分钟内即可固化。使用塑料混凝土最著名的例子是日本北部贯穿津轻海峡的青函隧道,这条隧道全长54公里,海水渗漏是致命的弱点,筛选的若干种防漏材料中以塑料混凝土效果最佳而入选。

人造大理石和塑料混凝土同玻璃钢相比,它们在使用的填料和用途上都有着很大的不同,基本上不再使用玻璃纤维,但人们往往为了习惯,仍把它们列入玻璃钢的家族。

碳纤维是20世纪60年代发展起来的另一种新型增强纤维。碳纤维的诞生是在百年之前,直到人们在寻求复合材料的新增强纤维时才想到它。现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝,在高温分解和碳化后得到的,具有强度高、重量轻、比重小、刚性好、抵抗变形能力强等特点,是现代良好的复合材料。

碳纤维复合材料的出现只不过几十年的时间。用它代替金属,已经在化工、机电、造船、特别是航天航空工业中得到广泛应用。例如:用碳纤维屑加塑料制成的轴承,摩擦系数小,抗磨蚀性好,甚至可用在重型轧机上;用碳纤维与聚四氟乙烯制成的复合材料密封圈具有耐热、耐磨和耐腐蚀的特点,适用于高压化工泵和液压系统的密封;碳纤维复合材料制作的齿轮,重量轻、强度高,完全可以代替金属而又无需用润滑剂等。

碳纤维复合材料最主要的用户是航天航空工业,在飞机上机翼尖、翼尾、起落架支柱、直升机旋翼均使用了碳纤维和硼纤维复合材料。美国战斗机的平均空重约14吨,碳纤维复合材料约占总重量的10%,现在已增至15%。

AV—8B改型鹞式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种,其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件,全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26%,使整机减重9%,有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。

在航天工业中,碳纤维复合材料用于制造火箭和导弹头锥、喷嘴、人造卫星支承架等。像直径和长度数米的轨道转移器壳体、大型卫星电站、空间结构和空间站,都是采用石墨环氧复合材料制造的。

碳碳复合材料是一种性能特殊的复合材料,它是由多孔碳素基体和埋在其中的碳纤维骨架组成的。在极高的温度下,仍有可以抵抗腐蚀性介质的作用,保持很高的强度。它的耐热、耐腐蚀性也十分优异,因而是一种高温结构和热防护的理想材料。在所有的复合材料中,它的工作温度居第一位。它用于制造先进飞机的刹车盘,以代替过去用的钢和烧结材料,可以减重60%左右,提高寿命2~3倍。首先采用碳碳刹车盘的为A310“空中公共汽车”旅客机,减重400公斤以上。在火箭和航天飞机上,碳碳复合材料用于受热最高的再返大气层头锥、前缘、热屏蔽、激光屏蔽和火箭喷嘴等部位。

在修复医学上,碳碳人工骨和人工关节已被植入人体,其密度、强度和生物相容性都比金属件和陶瓷件优越。

在民用工业中,使用碳纤维最多的是汽车和运动器具。1979年美国福特汽车公司,展出了全部使用碳纤维复合材料制成的小轿车。重量比钢制的轻60%以上,疲劳性能和抗冲击性能都更好。

20世纪70年代以来,碳纤复合材料被大量用于先进体育器材,使之面貌一新。

碳纤维和混纤(硼纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等)复合材料制品包括弓箭、滑雪板、滑雪杖、高尔夫杆、掌杆跳杆、标枪、网球拍、羽毛球拍、赛艇等,总计40余种。到80年代,世界各国用于体育竞赛器具上的碳纤维已超过用于航天航空上的数量。

在一些重大的竞赛中,著名运动员已把碳纤维器具视为克敌制胜的法宝。例如,这种新型碳纤维弓箭,发力均衡、射程远;球拍轻盈,反应迅速,特别是具有良好的手感。至于撑竿跳,借助于碳纤维的高强度和高弹性模具,撑杆几乎可以弯曲成C形而不折断,其反弹力相当强。

硼纤维是一种新增强剂,硼的熔点和硬度都很高,硼化物被称为人造金刚石。硼纤维是以直径10~13微米的钨丝为芯,在高温下沉积一层硼后制成的,直径达到100~200微米。硼纤维的强度是玻璃纤维的五倍。新型的硼硅克和氮硼尔是改性硼纤维,在硼上积有一层碳化硅氮化硼,能经受更高的温度。硼-环氧、还沉硼铝复合材料还处于试用阶段。

复合材料工艺到目前还不够成熟,纤维的铺设和缠绕大多用手工或半自动化进行,不仅成本高,而且性能也不稳定。国外发展了数控机床,制造了整机设备。此外,改进增强材料和基体材料的工作也一直在进行。

金属基复合材料

与非金属基复合材料相比,金属基复合材料的潜力尚未充分发挥,应用面比较窄,成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性,表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求,看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼(硼硅克)纤维外,还有高强度钢线、高熔点合金丝(钨、钼)和晶须(氧化铝、碳化硅)等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。

硼—铝复合材料的研制起步最早,取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的机身构架管,可减重80公斤。采用硼—铝复合材料的飞机为数不多,目前只有F—111、S—3A等,此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。

石墨—铝复合材料也具有很高的比强度和比模量,适合直升机、导弹、坦克和突出浮桥使用。CH47直升机的传动机,采用了多层石墨—铝护板,大大减少了振动噪音,此外,石墨—铝和石墨—镁将被用在人造卫星和大型空间结构上,如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线肋等。

镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家已开展多年,目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片,可以提高涡轮的温度和转数,减少涡轮级数和冷却气体的消耗,为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料,工作温度为1160~1200℃,至少比目前的涡轮工作温度提高100℃。

利用氧化铝晶须毡或单晶纤维增强熔点钼钨后,可以耐更高的温度,在1650℃时的强度为钨的两倍,作为火箭喷口材料已通过试验。

以钢板为基体的各种层压板也是一种通用的复合材料。例如波音767和757飞机上采用的一种包不锈钢铝板,可以代替钛合金作为发动机的防火材料,重量轻而价格低。

另一种是以钢板为基、多孔青铜的中间层、聚四氟乙烯塑料为表面层的三层复合材料,可用于制造载重汽车底盘衬套、机床导轨和高温腐蚀介质中工作的轴承。

超导电缆也是一种复合材料,它是以铜—锡合金为基体,埋入295根铌线后组成,经过扩散处理在界面形成七微米厚的Nb2Sn金属化合物,它具有超导性,可以用于制造磁悬浮高速列车,核聚变反应堆电磁铁、储能超导感应器、超导发电等新产品。

功能材料

功能材料是指在电、光、热、催化、分离、生物和医学等方面具有特殊性能的材料。我们对它还是比较熟悉的,如日光灯管的内壁涂有发光材料;照像胶卷上有感光材料;扩音器话筒和电唱机唱头里装有压电晶体材料。这些材料均属于功能材料。随着各种奇妙的功能材料层出不穷,光电、电声、激光、红外、半导体、超导技术的应用,仿佛使我们进入了一个神话世界。

上天、入地、千里眼、顺风耳已成为事实。

在当代的科学技术中,功能材料应用更加普遍了。例如,人们习惯上的“电脑”、“电鼻”、“电眼”、“电耳”、“功能高分子材料”等,就是分别采用记忆、光电、气敏、压电晶体和人工合成材料制成的。

电脑是电子计算机的俗名。“电脑”是怎样记忆事物的呢?原来,电子计算机的“大脑”又叫存储器,这是一个很大的“记忆仓库”,是存贮数据和指令的地方。它好比我们使用的笔和纸。计算机需要人事先编排好“计算程序”,存放在存储器中,这样计算机便记住了解题方法和步骤。那么存储器又是依靠什么方法来记住“计算程序”的呢?靠的是许多圆环记忆磁芯,它的直径比芝麻粒还小。每粒磁芯能够在电场作用下,互相转化成两种磁化状态。这两种磁化状态分别代表“0”和“1”。如果加正向电流代表“1”,那么反向电流就代表“0”,一个磁环能表示“0”和“1”两种状态。如果有三个磁环组成一串,就能表示八种状态,即:000,001,010,011,100,101,110,111。若用四个磁环,就能表示15个(24=16)状态。许许多多串磁环组成的磁芯体,就能像人的头脑一样,能记忆大量数码。可以把信息随时写入存在磁芯体里,要用的时候可让计算机随时“读”出,或通过打字机打印出来。如果不用时去掉也很容易,只要送入一个负电位,磁芯体立刻变成“0”状态,好像写满字的纸瞬间变成了白纸。正因为磁芯体有这些特点,所以,用氧化铁磁性材料制成的磁芯成了电子计算机的关键材料。

目前,我国电子计算机的生产和应用,在世界新技术革命浪潮的推动下,出现了喜人的势头,品种、数量增加,质量提高。在电网调度、电厂监控、水文预报、瓦斯监测、仓库管理、收购统计、存款利息估算、铁路调运、宾馆管理等许多方面已被利用起来,提高了社会综合服务的经济效益。法国大诗人歌德曾经说过:“眼睛的存在应当归功于光”。正是由于光的刺激,动物身上的有机物才在亿万年进化的过程中,逐步形成了感光的器官——眼睛。然而,今天人们只花数十年的时间就利用光电材料制成了与人们眼睛功能相似的“光电管”。

19世纪末,人们发现铯、铷、钾、钠等金属内部的电子很不稳定,受到光线照射后,一部分电子会被释放出来,所释放的电子数量与光的强弱成正比,这种现象叫做光电效应。如果用一块具有光电效应的金属板和另一导电的金属板组成光电管,并分别加上正负电压。那么,一旦光线照在负极板上,电路中就立即会有电流通过,而电流的大小与光照的强弱成正比。由于光电管能够把光和电联系起来,使光信号变成电信号,因此光电管又称“光电眼”。

而铯、铷等金属正是制造光电管最重要的材料。光电管现已广泛用于电视、电影、无线电传真等方面,正为人类造福。

“光电眼”还在信号装置、光度计、照明、自动控制等技术方面,有着广泛应用。例如,用于自动控制炼钢炉温度,由于“光电眼”可以根据炉内光线强弱精确地“算出”温度,自动装置就能够采取相应措施,及时准确地调整炉温;有的“光电眼”不仅对光的强弱很敏感,而且还能识别颜色。生产中如要实现带色图案工作的自动化,可让“光电眼”分辨彩色图案的色泽、亮度和形状,把光电信号输入到电子计算机,“电脑”经过鉴别判断,即可命令机器去完成规定的动作。

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