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“有生命”的神奇材料

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1979年的一个冬天,天空晴朗,万里无云,一架银灰色的依尔62型用航空飞机,在兰州地区的上空盘旋着。当它收到地面发出的信号以后,随即俯下身来,徐徐降落在兰州机场平坦宽阔的跑道上。等到飞机停稳后,上海钢铁研究所的斗研人员和民航局的工作人员跑上前去,对这架飞机作了认真仔细地检查。
“成功了,试飞成功了”。在飞行鉴定会上,各方面的专家取得了一致的意见。
原来这是一次飞行试验。在这架飞机货舱门的加强框上,安装了42只记忆合金铆钉。飞机带着这些铆钉,在北京和兰州之间已经飞行了一年半,起落1000多次,飞行时间超过了2000小时。专家们一致认为,这种记忆合金铆钉,铆接的质量牢固可靠,经历了不同条件的飞行考验,达到了原设计的要求。
这种用记忆合金制作的紧固铆钉会自己紧固起来,可以免去很多繁重的劳动,特別是在那些不易下手的犄角旮旯里,操作很方便。但是,如果真要把这种记忆铆钉用到飞机上,却遇到了新的问题。
大家知道,不论是军用飞机外是民用飞机,都有可能需要在冬季飞越高寒地区。因此,它的各种部件,必须能满足在一定的低温,条件下不改变性能的要求。现代航空工业对飞机整体部件使用温度的下限规定为零下55℃。因此,要想把记忆合金的特殊功能,应用到飞机上,就必须满足两个条件,第一条,是记忆合金在低温下塑性变形以后,当环境温度升高到-55℃以上时,它必须回复到原定的形状;第二条,是在-55℃的低温下,不论是遇冷遇热,在一定的负荷情况下,它原有的形状不会改变。


1楼2015-10-13 10:06回复

    这样一来,要想在飞机上使用镍钛记忆合金,就遇到了困难。因为通常所说的镍钛合金的相变温度高于-55℃,在60℃开始生成低温马氏体;环境温度升高到78℃时,马氏体开始向母相的逆转变,回复原来的形状。这些温度转变点,对于飞记来说,是太高了。
    我们不妨想一想,这样的铆钉,在地面上本来是牢牢地铆接好了,可是,在北方严寒的高空中,在-30℃以下的冷风袭击下,忽然变成面条一样柔软,飞机稍一震动,它就会改变形状,甚至松动、脱落。这会给高空中飞行的旅客带来多么大的威胁啊!所以,这种镍钛合金制作的部件,在机舱里使用还可以,如果用在私机外部和冷空气接触的部位,就不能满足要求了,为了解决合适的相变温度问题,科学家研制了一种镍钛钴三种合金元素的记忆合金。这种合金的性能,完全能够满足航空工业的技术要求。这样一来,记忆合金铆钉,在飞机外部部件上的应用就有条件了。
    这种紧固铆钉的制作并不复杂。先将记忆合金材料切成圆柱状的坯料,一端镦粗,作为钉头;另一端切成楔槽口,作为钉尾。这样一只开尾铆钉,经过高温记忆处理,把形状固定下来,就可以使用了。
    达种有形状记忆功能的铆钉的装配,也十分简便。它不需要专用的成套工具,操作时又没有噪音,劳动条件也大为改善。铆接时,先把铆钉放在低温的液氨里,这时铆钉变软,很容易加工,稍稍用力就可以使开尾铆钉的尾部闭合起来,达到了铆接的要求。然后从液氨中取出,迅速插入铆接件的钉孔,用小铆头轻轻敲入有一定公差的钉孔中。当铆钉吸收铆接件和周围空气中的热量,温度上升到马氏体逆转变开始点以上时,就能很快间复它原来的开尾形状,获得必要的压紧力和抗拉脱能力,达到单面铆接紧固的效果。
    这种铆接方法还有一个很大的优点,就是铆接质量的好坏和操作人员的技木水不很大,一般维修人员,很快就能学会。而且,铆接质量的好坏和被铆接的部位关系也不很大,不会因为操作条件不方便而影响质量。所以,对于铆接飞机货舱门加强框,以及飞机机翼等,这类用一般铆接方法很难操作的地方,更显示了记忆合金材料的优越性。
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    铜基记忆合金紧固件
    除了镍钛合金紧固件以外,美国还研制成功了用铜基记忆合金制作紧固件的几个新品种。这些紧固件,都是利用铜基合金受热收缩的特性设计的,构思很新颖。在室温下,这些紧固件处在马氏体状态下,很容易装配。安装好以后,只要简单地用丙烷加热,就可以达到紧固的目的。例如各种形状的夹板、扩管器、护圈以及密封装置等,都已经得到实际应用,性能很可靠。


    2楼2015-10-13 10:06
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      提到发动机,大家一定都很熟悉。因为飞机能在天空中自由翱翔,舰船能在海洋中穿梭往来,汽车和火车能在地面上快速奔驰,拖拉机能够耕田,人造卫星能够上天,它们的原动力都是发动机。发动机是它们的心脏,而油和煤就是它们的血液和粮食,离开了油和煤,这些现代化的工具就会变成一堆破铜烂铁。
      奇怪了!世界上哪有不用燃料的发动机呢?不烧煤又不烧油,它靠什么来作动力呢?不用说,这恐怕又是记忆合金在作怪吧!
      一点也不错。我们知道,自从十八世纪初期英国发明家瓦特发明蒸汽发动机以来,人类就开始利用自然界中产生的热量来作功了。随着科学技术的进步,以后又陆续出现了各种不同类型的发动机。例如用汽油和柴油作燃料的内燃机,功率强火的汽轮机和燃气轮机,以及近代的火箭发动机和空气喷气发动机等等。这些发动机的功率越来越大,热效率也不断提高。
      但是,只要我们仔细观察一下就不难发现,这些发动机有一个共同的特点:它们所利用的工作介质,不论是蒸汽也好,还是燃气也好,都只有在几百度甚至上千度的高温下,才能膨胀作功。因此,都不可避免地要消耗大量的燃料,人们常常把它们称作“油老虎”、“煤老虎”。
      长期以来,人们一直在为燃料问题而动脑筋。曾经有人幻想制造一种“永动机”,企图不消耗任何能量就能永远作功。但是科证明,这种想法违反了自然科学的定律,所以不可能实现。后来人们又在探索利用自然界大量存在的各种低温能源,作为发动机的动力,这种想法当然很好,但是又苦于找不到一种经济的装置来利用它。
      记忆合金的问世,使人们的思想豁然开朗了。有人想,既然记忆合金在马氏体间母相转变时,只用很小的温度差,就能产生很大的形状回复力,那么,是不是可以利用这种回复力来作功呢?是的,这种设想是完全可能的。因为记忆合金的确能够借助普通热水和冷水的微小温差产生机械力,把低品位的热量直接转换为机械能。所以说,利用记忆合金的这一特性,制作一种新型的热力发动机,是完全可能的。事实上,科学家们已经设计出好多种非常别致的记忆发动机来了。这些新型的发动机,既没有活塞,也没有汽缸,不烧油也不烧煤,但却能作功。人们称赞它们记不喝油的“老虎”,只要喂给它低温水就行了。
      是谁最早想到这样做的呢?原来还是聪明的比勒。20世纪60年代初期,美国海军武器实验室的比勒,在发现镍钛诺尔合金具有“形状记忆效应”以后,很快就想到了利用这种形状记忆效应制作发动机。1966年他和他的同事就一起获得了记忆合金发动机的第一个专利权。可惜的是,他们设想的发动机,没有达到实用化的程度。
      从那以后,各国科学家纷纷致力于这方面的研究,陆续出现了许许多多不同形式的记忆发动机。其中首先获得成功的,要算是美国劳伦斯射线研究室的班克斯发明的发动机。据说班克斯很有音乐天才,并且曾经受过音乐方面的专门训练,所以他发明的发动机像弦乐器一样,能给人们以美的享受。因为他的发动机确实能够产生有效的能量,所以被公认为是世界上第一台记忆合金发动机。
      随后,美国学者约翰逊和日本东北大学的本间敏夫等人,也分別研制出了各有特色的形状记忆发动机。
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      永动机
      几百年以来,总是有一呰人想设计和制造一种机器,它不需要任何动力和燃料,或者只需要从单一热源取得能责,就能永远不停地自动作功,被称之为“永动机”。永动机的追求者们绞尽脑汁,千方百计,利用重力、弹力、磁力、作用乃和反作用力等等,提出了成心上千种方案,诸如“杠杆永动机”、“磁力永动机”、“钢球永动机”之类,花样众多,繁简不一。可是,实践是检验真理的唯一标准,不管他们的设计是何等的精细,结构是何等的巧妙,实践的结果却统统证明他们是失败了。


      3楼2015-10-13 10:07
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        金属材料的种类虽然很多,可是在金属材料中既耐磨损又耐腐蚀的,却是为数不多。
        我们已经知道,钛合金具有优良的耐腐蚀性能,能抵抗各种酸、碱、盐介质的腐蚀。可是它的抗磨性能很差。高温合金的抗磨性能虽然很好,但是它对各种腐蚀介质的抵抗能力,却比钛合金要差得多。所以钛合金也好,高温合金也好,它们在工业部门中的应用范围,都受到了一定的限制。
        可喜的是,镍钛记忆合金却兼有了铁合金和商温合金两者的长处。它除了
        具有形状记忆效应和超弹性功能以外,还集中了很多优良性能于一身。它既能抵抗各种酸、碱、盐介质的腐蚀,又能承受各种干、湿摩擦,以及气、液高速冲刷的磨损,而且还有很好的高温机械性能和加工铸造性能,确实是一种十分难得的新型材料。
        据国外文献报道,利用镍钛介金的抗磨性能,制造工业上用的各种铸件,是十分理想的。例如,铸造压缩机的工作外壳及其他各种壳体,铸造截流阀门等零部件,可以有效地延长使用寿命。它还可以用来制作干电池粉末成型用的压模。因为它的耐磨性能好,在人体生理工程中,用来制作人工假体关节,也是很理想的材料。
        利用镍钛合金的抗腐蚀性能,在化工、冶金、电力、机械和石油化工等工业部门中,作为耐磨损部件的应用,也已经开始引人注目。用它制作在腐蚀介质中工作的滑动部件,以及作为制造阀门和泵的材料,能够非常有效地防止缝隙腐蚀的破坏。这方面的应用,在电镀、合成纤维和有机化工等行业中,发展也很快。
        另外,利用镍钛合金耐磨损、耐腐蚀性能,还可以铸造加工成锅炉给水调节阀门上的阀座和阀瓣,代替原来的合金钢部件,用到锅炉给水的操作控制系统。
        你知道吗?发电厂的锅炉,是高温高压锅炉。它发生的过热蒸气的温度,高达540℃,过热蒸气的压力,达到每平方厘米100千克。可想而知,在这种高温高压条件下工作的给水调节阀门,当然是很容易损坏的。
        阀座和阀瓣是给水调节阀门的两个主要部件,它们直接承受高温、高压过热蒸气的冲击,是最容易损坏的部件。为了提高阀门的使用寿命,这个厂曾经做了很多工作。他们经过反复比较,选了一种用铬、钼、铝等金属熔炼的高温合金钢,制作阀座和阀瓣。为了进一步提高这种工作部件表面的硬泣和耐磨性,增强抗腐蚀能力,他们在这种高温合金钢材的表面,又做了渗氮处理。氮化层的厚度,达到0.4毫米以上。经过处理后的合金钢材,表面的洛氏硬度值,可以达到45以上。
        这样处理以后,阀门总可以耐住高温高压的腐蚀和冲击了吧?
        遗憾的是,即使是经过这样处理的高温合金材料,在使用过程中,还是抵挡不住高温、高压、高速蒸气的冲击和侵蚀。因为调节阀进口和出口的压差,一般是每平方厘米15千克到20千克,使用温度在20℃以上,在管道中的流速,每秒钟4米左右,而在通过阀门“窗口”处的流速,就突然增加到每秒钟45-55米。在这样恶劣条件下工作的调节阀,阀座和阀瓣表面的金属,很快就会磨损剥落。全新的阀门,使用3个月以后,在阀门全泠的情况下,每小时竟然要泄漏100多吨。
        那么,换用镍钛合金的阀门,效恥会怎么样呢?
        一家热电厂选用镍钛合金铸造的阀座和阀瓣,在生产装置上连续运转了4个多月。在试用镍钛合金饨造的阀门部件期间,每月都测量一次泄漏量。连续4个月,结果都比较稳定,而且都合乎规范要求,一般为每小时泄漏20多吨,最高的一次,也不超过40吨,而最低的一次只有2吨。因为泄漏量小,控制侧炉给水的质量大有改善,同时,也提高了锅炉的安全可靠性。
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        核反应堆的记忆合金
        镍钛记忆合金如果不含钴的话,还可以在核反应堆的冷却系统中,用作反应堆控制豕的滑动部件和活塞泵的密封纠件。用这样的泵输送硼酸溶液,控制反应堆的功率输出,必须能经受得住高压和磨损。有人曾经做过对比试验:用不锈钢镀格材料、不锈钢表面涂、镍钛合金三种材料,在同一泵中运转。结果表明,镍钛合金材料的渗漏最小。这种材料用在核反应堆上,还有另外一个很大的优点,就是它可以防止放射性的污染。


        4楼2015-10-13 10:07
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          大家都知道,儿童一般是从6中开始陆续脱掉乳牙换上恒牙,到13岁左右全部换完。这时常常可以看到,有的孩子牙齿拥挤、错位,长出“老虎牙”,有的牙齿呈不同程度的扭转、歪斜,还有的牙齿“开颔”。就是一部分牙齿上下不能咬在一起,有明显的距离,吃东西只能“囫囵吞枣”。这些现象在医学上称为错位畸形。要知道,牙齿排列不整齐,不仅直接影响美观,还妨碍身体的正常发育和健康呢。排列拥挤错乱的牙齿也不容易保持清洁,还最容易发生龋齿。所以,对这些畸形的牙齿最好在换牙以后及时进行矫正。
          怎样矫正呢?为了矫正牙齿错合畸形,一般需要在口腔甩戴上矫正器。通过矫正器对牙齿施加一定的力量,促使错位的牙齿或颌骨向正常的方向移动,就可以达到矫正的目的了。
          矫正器一般是由唇弓和各种形状的弹簧组成,而唇弓和弹簧都是用金属丝制作的。所以,这种正畸治疗的效果,在很大程度上取决于制作矫正器用的金属丝的性能。这种金属丝首先要有足够的弹性,弹性好才能发挥移动牙齿的作用,而弹性持续的时间长,又可延长调节周期。其次是脆性要低,不易折断。第三应有良好的可塑性,易于冷加工成形,以便制成各种复杂的形状而不折断。第四要能焊接。当然,还要耐腐蚀,无毒性。
          什么样的金属材料能满足这么多的要求呢?我们知道,早期矫正牙齿铝合畸形曾经用过金合金丝。但是,黄金价格昂贵,而且弹性也不好。所以,到了19世纪40年代以后,逐渐被不锈钢丝所代替,不锈钢丝因为有适当的回弹性,良好的成形性,而且价格便宜,所以一直沿用了一百多年。
          记忆合金问世以后,不锈钢丝的一统天下被打破了,一种新型的牙齿畸形矫正丝材——镍铁记忆合金丝研制成功了。为什么用记忆合金丝进行齿列矫正,能够打破不锈钢丝的一统天下呢?
          先让我们做一个小小的试验来看一看:如果我们把一根直条状的不锈钢丝弯成直角,然后放开手,让它弹回去。结果它的形状只能回复到45度。我们再取一根同样粗细的镍钛记忆合金丝,也弯成直角后放开,它却几乎可以完全回复到原来的形状。
          北京有色金属研究总院曾用不同粗细的国产不锈钢丝制作的唇弓和各种弹簧,和他们研制的镍钛纹制作的各种唇弓和弹簧,做了对比试验。测定的结果表明,镍性合金丝的弹性模量,只有不锈钢丝的一半左右,弯曲90度成扭转720度的残余变形,比不锈钢丝的残余角小得多。所以这种记忆合金丝的回弹性能比不锈钢丝好得多。在屈服点测量时,镍铁合金丝的回弹是不锈钢丝的4.8倍,拉伸和弯曲变形所的力,只有不锈钢丝的四分之一或二分之一。
          从临床试用的实践经验来看,用镍钛记忆合金丝制作的矫正器,与传统的不锈钢丝制作的矫正器相比,至少有下面这些优点。
          第一,戴用镍钛合金制作的矫正器,患者没有疼痛感觉,比较舒适。主同样条件下,所采用的镍钛合金会可以比不锈钢丝细得多。它对牙齿的矫正力柔和,而且能够持续不断地起作用,所以畸形的牙齿能在生理范围内以最快的速度移动,达到矫治的目的。在矫治过程中和矫治以后,对牙齿和牙周组织,不会造成任何不良影响。
          第二,疗程可以缩短。据北京口腔医院统计,矫治开颌、牙齿扭转、拥挤等畸形,疗程可以缩短一半,心的甚至可以缩短四分之三。
          第三,复诊时间间隔可以延长,复诊次数减少。因为镍钛合金丝的弹性好,又有形状记忆特性,所以矫正器不需要经常调节,减少了复诊次数。又因为所加的力柔和而持久,对牙周组织损伤小,所以复诊时间间隔可以延长1~2倍。这样既提高了医生的工作效率,患儿又少耽误学习,真是两全其美。
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          镍合金丝的缺陷
          镍钛合金丝也不是十全十美的。它在室温下不易于加工变形,而大多数矫正装里,需要由医师随时作修改和弯曲成形,因此在应用方面也有一个的局限性,而且这种合金丝价钱也比较贵。近两年北京有色金属与稀土应用研究所和北京口腔医院,正在研制价格更低廉的铜锌硅记忆合金牙齿矫正丝。相信他们的研究成果,不久就能问世。


          5楼2015-10-13 10:08
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            来自手机贴吧7楼2020-03-16 18:34
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