最轻的金属
1917年,瑞典化学家阿·阿尔夫维特桑在稀有的岩石中,发现了一种银白色的金属—锂。锂非常轻,是所有金属中最轻的一种:比重为0.535,只有铝的1/5,水的1/2;不仅能浮在水面上,甚至可以浮在煤油上;有人估计,如果用锂来做飞机,那么两个人就可以抬着走,实际上,锂根本不能制造飞机,甚至连筷、匙也不能做。因为锂很软,用小刀可以毫不费力地将它切开;而且化学性质又十分活泼,在热水中,它便与水发生反应,变成氢氧化锂而溶解于水了。锂在二氧化碳中也能燃烧,发出明亮的火光。
锂的用途极广。在冶金工业上,利用锂同氧、氮和二氧化碳均能反应的特性,来消除金属里的气泡。大家知道、铜的导电性常因杂质存在而大受影响,但铜中掺入适量锂,反而能增加其导电性。在玻璃中加入锂,制成锂玻璃,强度大韧性好,表面光滑致密,热膨胀小,因而锂玻璃被广泛用来做电视机的荧光屏。1000克氢化锂与水作用,可以放出2800升氢气,相当于一个压力为150大气压的钢瓶所贮藏的氢气,这将为以氢气作动力能源提供诱人的前景。最引人注目的是锂作为热核反应的燃料,被用来作氢弹的爆炸物。1967年6月17日我国成功地爆炸了第一颗氢弹,装的就是氘(重氢)化锂。1000克氘化锂相当于5万吨T.N.T(三硝基甲苯)炸药,比原子弹的威力大10倍。
最早的塑料制品
赛璐珞,又叫硝酸纤维素塑料,是世界上最早出现的塑料。那么,这种最早的塑料是怎样发明的呢?
从前,台球是用象牙做的,可是象牙只能从大象身上得到。1860年,美国一个工厂主悬赏10000美元的奖金来征求制造台球用的象牙代用品。许多人都跃跃欲试,其中美国人约翰·卫斯里·海厄特日以继夜地研究制造台球的代用材料。有一次,海厄特把焦木素(纤维素二硝酸酯的俗名)和少量的樟脑及乙醇混合在一起,却惊奇地发现这种混合物外貌酷似象牙,并具有受热会软、冷了又变硬的特性。海厄特就利用这种混合物的特性,在1869年制造出廉价的台球,赢得了这笔奖金。
今天,尽管塑料品种日新月异,但是最早的塑料—赛璐珞,仍没有丧失它的地位。例如赛璐珞的最大优点是质轻、弹性特别好,是制造乒乓球最理想的材料,为其他塑料所望尘莫及。我国“红双喜”牌乒乓球驰誉全球,就是用国产赛璐珞制造出来的。
最硬的人工合成材料
1993年7月,美国哈佛大学传出轰动性的科技新闻:利用激光溅射技术研制成功了氮化碳薄膜。这种具有β-C\-3N\-4结构的新材料的晶体硬度超过了目前世界上最硬的金刚石晶体,成为首屈一指的超硬新材料,引起了全世界科学界和工程技术界的强烈反响和巨大震动。
制备氮化碳的实验是在1989年首先从理论上预言4年之后获得成功的。科学家在分析一系列超硬材料结构,如最硬的材料金刚石,体积弹性模量B高达435吉帕,立方氮化硼B=369吉帕,以及硬度相对较低的碳化硅( SiC)、碳化硼(B\-4C)和氮化硅(Si\-3N\-4)等超硬材料后,发现其中β-Si\-3N\-4已经有大量的研究结果,于是提出以碳取代硅会产生怎样的结果呢?计算表明,得到的数据令人振奋,描述β-C\-3N\-4晶体的弹性模量B=483吉帕!而材料的体积弹性模量B的大小正是表明材料硬度高低的宏观物理量。这就从理论上首次预言了氮化碳的硬度可能比以往世界上最硬的金刚石还要高。
在自然界,至今还没有发现天然存在的氮化碳晶体,而1993年竟然在实验室人工合成了硬度超过金刚石的这种新材料。这一轰动性的事件一经在美国的《科学》和《纽约时报》上报道,成为轰动性科技新闻后.立即引起全世界材料界的关注。于是世界上许多实验室开展了这项研究,一时间形成热潮。在研究机构、国防部门和公司企业的共同协作下,一些实验室很快取得很好的成果。这有力地说明,学者与企业家携手合作在高新技术发展过程中的重要性。
激光之谜
本世纪50年代,无线电电子学飞速发展,为了探求产生更短的相干电磁波,1954年美国哥伦比亚大学的汤斯首次制成了氨分子微波激射器,由此打开了通向激光的道路。1960年世界第一台以红宝石为受激物体的激光器由美国物理学家梅曼研制成功。激光器的问世轰动了全美国,出现了光学物理的“文艺复兴”时代。激光的出现与发展,要说是靠从事电磁波谱学研究的学者们努力的结果,是相干电磁频谱向高频段发展的必然。它不仅是光学领域的伟大成就,更是电子学领域的伟大成就,激光为电子学的发展开创了一个崭新的局面。传统电子学的原理,借助光电、电光转换,用途遍及整个电子工程领域。
尽管目前激光技术还处于幼年时代,却已经为人类带来了几千种之多的各种激光发生器,有固体、气体、半导体、有机染料、化学、准分子、自由电子、巨脉冲等各种类型。目前激光器的波长从100埃至0.5毫米,最大连续功率达10万瓦,最大脉冲功率达10亿千瓦。
什么样的光是激光?简单地说,激光也是一种光。它与普通光,如太阳光、灯光一样也是一种电磁波。但是激光产生的方法与普通光不同,它是物质“受激”而产生的光。
1917年,爱因斯坦在统计平衡观点研究“黑体”辐射时,得到一条结论:“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射,另一种叫受激辐射”。各种各样的人造光源,例如电灯、日光灯等都属于自发辐射光。各种自然现象所发射出来的光,也都属于自发辐射。这些光都有一些共同之处,比如光线向四面八方射出,其中包含着各种各样的颜色。
激光是原子受激发射而辐射的一种光。激光是一种新型的光源,它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主,各个发光中心发出的光波无论方向、位相或者偏振态都各不相同。激光的发光则是以受激辐射为主,各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。由于这些差别,激光具有强度高,单色性好、相干性好和方向性好等几个特点。
激光的亮度是高压氙灯亮度的37亿倍。激光领域是光频电子的范畴。激光器的出现,提供了光频波段的电磁振**源。今天无线电子学概念、理论和技术原则上都可以延伸到光频波段。电子学进入了一个新的天地。电子学和光学之间鸿沟已经不复存在。光学本来是一门古老的物理学,而今由于激光的发现和应用,崛起了前途无量的光电子学。
激光在过去书中按英文译音为“莱塞”,意思是“光受激发射器”,1964年以后统称为“激光”。在一些介绍激光的书刊中还常提及一个技术名词叫做“简并度”,这是区别激光与普通光的一个技术指标。激光的简并度高达10\+,而一般普通光线的简并度仅为千分之一。从电子技术角度看简并度低的光只是一片噪音,从光学角度看高简并度的光是具有高亮度的单色光。
激光从物理学上去看是电磁场,是整个电磁辐射的一个组成部分。爱因斯坦基于对电磁现象的研究,提出任何物体相互作用的传播速度都不能超过真空中的光速,每秒30万公里。
激光既然是“有质量”的电磁波,因此它与普通电磁波一样能够成为“载波”用以传播信息。但是激光在空中传播会受到许多因素的干扰,如它遇到云层、雾粒会造成严重信号衰落,遇到空气中的气流,会产生抖动、扩散等情况。因此如何避免干扰,保证传送质量是激光应用的一大关键。
1870年,美国物理学家丁达尔,在一次做流体实验时发现了一个有趣的现象,并从中受到了启发。他在一个盛满水的桶侧钻了一个小孔,水照例从小孔中喷射出来,这一现象原本不足为奇,但细心的丁达尔发现,水桶上方的灯光也随着小孔流出的水柱落在地面,竟然会出现一个光点。光应该是沿直线传播的,为什么会沿水柱的弧线传过来呢?经分析,这是因为水的光折射率比空气的光折射率大,光射到水和空气界面的时候,发生了全反射的缘故。根据光的全反射原理,人们终于找到了理想的激光传输媒质—光导纤维。
1966年,有人曾预言“如果把玻璃中的铁离子控制在百万分之一以下,玻璃对光的损失可望达到一千米20dB”。这句话后半句的意思是,光可以每前进一千米,功率只下降百分之一。1970年美国克林玻璃公司发现了这一预言,他们完成了光导纤维技术上的重大突破,取得了光前进一米,功率损失降到一百亿分之一的光辉成就。
光纤维有完全不受电磁场干扰的特性,比如打雷的时候,不会出现干扰。石英做成的光纤维具有极高的绝缘性能,根本不用担心被雷电击穿。这对要求绝对可靠的全天候精密电子控制是非常有意义的。
制造光导纤维的材料石英,是从石英砂矿中提炼而来,这种资源对于由二氧化硅成份组成的地球来说,真可谓唾手可得;而且是取之不尽,用之不竭。
1904年,英国科学家瑞利在研究稀有气体氩的时候,看到一片神秘而迷人的深蓝色光,这一发现被瑞利称为瑞利散射。研究表明光凭借着比波长还微小的粒子散射于四面八方。瑞利散射与光波长有关,波长越短散射就越强大,当波长减少到一半时,瑞利散射的强度便会增强至16倍,而波长越长的光,瑞利散射强度则越弱。瑞利散射现象对于光的传播有十分重要的意义。
1961年4月12日,首次完成人类太空飞行壮举的前苏联太空飞行员加加林,当他从人造卫星“伏司托克”号的窗口探望地球时,看到的是一片深蓝色无比瑰丽的图景,他为之激动不已。解释这一现象的即是瑞利的散射现象,地球之所以呈现如此此迷人的青蓝色,是地球外围大气中的氧与氩使太阳光中波长短的蓝紫光发现强烈散射的缘故。
人们都知道玻璃、水晶具有非常好的透光性,其实不然,在一般情况下,玻璃的主要成份是二氧化硅(SiO\-2)。我们常见的平板玻璃,玻璃瓶罐是含有氧化钠、氧化钙的钠玻璃,而透明度高的水晶玻璃仍掺杂有氧化铅物质,只有高纯度的石英才是理想的光学材料。但无论多么高纯的石英玻璃,在制造过程中仍然含有微量的金属和水。这些杂质会对光线有吸收,也就是说即使用这些高级的光学材料也会产生瑞利散射而对光的能量造成一定量的损失。
我们在商场很容易看到一种工艺品,是用一种透明的细丝材料做成的花束,这种花束的根部装有灯泡,在细丝纤维的尖端会发出金光,然而纤维的侧面一点光也没有泄漏。这个原理同样用于医疗上,可用以对胃肠等器官的疾病观察的胃镜等。
这种应用于传导光线的特殊纤维就是光导纤维,光纤维很细,其直径仅为3~10微米,越细越柔软。光在光纤维内的传播是以全反射的形式进行的,光纤维内传播的光波有别于自由空间的波,打个比方,光在光纤维中如蛇行一般。光在光纤维内传播的速度随光的波长而不同,当光的波长越大,频率越低时光就越难以通畅。因此在光电子学中也把光纤维看作一种阻止高频率光波通过的滤波器。
光纤维怎样才能把光传得远,又同时保证传送应有频带这是光纤维技术研究的主题。
光纤最早应用于微波无线和信号中心之间的相互联结。在本世纪70年代后期,卫星地面站就采用了光纤电缆替代同轴电缆。然而作为远程的光纤互联应用则于武器装备和军事通信中首开先河。
在军事通信系统中天线向外发射电波,这是最容易被敌方察觉的,一旦发觉随之而来的便是惨遭摧毁。为了有效地保护信号中心各种计算机等昂贵的高级通信设施,目前所采取的有效对策是将天线与信号中心分离开相距1~3公里,以保障信号中心的安全。按传统的办法采用同轴电缆完成远程互联有许多问题很难解决,且不说要耗费大量同轴电缆与同轴电线配套的放大器,还会导致信号噪声,给可靠性带来不良因素。在运输上由于同轴电线重量较重也很不便,特别是同轴电缆易遭雷电破坏。用光纤代替同轴电缆,可以直接在较高的频率范围内工作,同时损耗极低,因此完全不需要线路放大器,从而解决了传输噪声,提高了可靠性。光纤具有的高绝缘特性使天线不怕雷电袭击。
在军用通信中,首先应用光纤网路远程装置,是在1980年由美国空军建立的AN/GRC206无线电系统。此后许多雷达系统也采用了远程光纤的互联。如新型对空“小猪犬”导弹系统就是采用光纤来互联的。
激光的每一个特点都可以引带出一些应用,正是这些应用才使激光被列为新技术革命的主要特征之一。激光技术是当今一项极富有魅力的新技术。
有“知觉”的陶瓷
大家知道,传感器是检测技术、自动控制、遥感技术必不可少的敏感元件。敏感元件主要依靠一类敏感陶瓷材料来制造。敏感陶瓷材料品种繁多,难以数计。有电敏、光敏、声敏、磁敏、热敏、气敏、湿敏陶瓷材料等许多类型。它们是获得各种信息、感知并传递信息的关键材料,是实现自动控制的重要物质基础。敏感陶瓷材料在自动控制仪表中就相当于人的五官,起视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉器官的作用。在防止火灾、煤气中毒、工程事故中有十分重要的作用。
1990年11月4日,《北京晚报》报道了一条消息,说的是原苏联大马戏团来京演出时,住在北京国际饭店,马戏团招募的一名工作人员在客房内吸烟,随手把未熄灭的火柴梗扔进纸篓后离去,结果引着了地毯,幸亏装在室内的烟雾报警器呜叫,才避免了一起重大的火灾。
烟雾报警器为什么能报警呢?靠的就是烟雾传感器中气敏陶瓷材料。它的特点就是只要它与一氧化碳和烟雾一类的气体一接触,其电阻就立即发生显著变化。人们利用这一特点,把气敏陶瓷材料作的传感器装在室内或厨房内,并和一个报警电路连接起来,当室内的烟雾达到千分之几的时候,电路中的电阻就会发生变化而自动接通报警器。
50年代末,在英国发生了一场特大的暴风雪,一辆在中途抛锚的汽车被困在暴风雪中等待救援时,司机为了取暖就用发动机开动暖气。不料由于发动机内的燃料燃烧不充分,排出的废气中有一氧化碳进入车内,结果司机和乘客全部中毒而死。为了防止类似的事件发生,英国运输部门研究了一种人工鼻。这种人工鼻和汽车上的一个自动报警系统相连,当汽车内一氧化碳等有毒气体的含量一旦达到危险程度时,警铃就会响声大作,告诉司机:危险!
这种人工鼻实际上和烟雾报警器很相似,也是用气敏陶瓷材料制造的。人工鼻约30厘米长,对“一”氧化碳一类有毒气体的嗅觉灵敏度甚至超过嗅觉非常灵敏的狗和猪。除在汽车上使用外,也可以安装在住宅、工厂和其他车辆中,以监测有毒气体对人类的危害。气敏陶瓷材料中最敏感的是二氧化锡,它一遇到一氧化碳或烟雾,其电阻率就发生变化。有些气敏陶瓷材料,如氧化锌、氧化铁对液化气中的主要成分丁烷、丙烷及天然气中的主要成分甲烷也很灵敏。在厨房中装上用氧化物陶瓷制成的煤气泄漏报警器,就可以防止因煤气泄漏引起的危险。
压电陶瓷
说到能量转换,少年朋友们大都容易理解。例如,电灯把电能转化成为光能和热能;电动机带动水泵把水抽到山坡的梯田上;大坝下的水轮机带动发电机发电,是把机械能转化为电能……然而,你可知道,有一种压电陶瓷,它能使机械能和电能互相转换,为我们做许许多多有益的事情呢。
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。我们在上面提到的压电陶瓷,是一种先进功能陶瓷,它具有压电效应。
那么,什么是压电效应呢?
当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内,藏着一块压电陶瓷,当用户按下点火装置的弹簧时,传动装置就把压力施加在压电陶瓷上,使它产生很高的电压.进而将电能引向燃气的出口放电,于是,燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。
压电效应的原理是,如果对压电陶瓷施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应),反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动,则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号(机械震动),这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说,压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能,这种相互对应的关系确实非常有意思。
压电陶瓷的用途十分广泛。据粗略统计,压电陶瓷至少有20多种用途。让我们仅举几例:
近年来,煤气公司出售的一种新式的电子打火机,就是应用压电陶瓷的压电效应制成的。有些少年朋友假如在中午要自己把饭菜热一下,你一定有这方面的“经验”:只要用大拇指压一下打火机上的按钮,压电陶瓷即产生高电压,形成火花放电,从而点燃煤气。当压电陶瓷把机械能转换成电能放电时,陶瓷本身不会消耗,也几乎没有磨损,可以长久使用下去。所以,压电打火机使用方便,安全可靠,寿命长。据煤气公司销售人员介绍,一把压电打火机可使用30万次以上。以每年使用3000次计算,约可以使用100年。地震这一自然现象,一直显得异常狰狞可畏。地球每年发生的地震大约有几百万次,其中人能感觉到的约为几万次,约占1%。20世纪以来,已发生10次破坏性大地震,其中有4次发生在中国。
大地震一旦发生,对人类造成的灾难是毁灭性的,因此,地震预报十分重要。由于压电陶瓷的压电效应非常灵敏,能精确地测出地壳内细微的变化,甚至可以检测到10多米外昆虫拍打翅膀引起的空气振动,所以,压电地震仪能精确地测出地震强度。由于压电陶瓷能测定声波的传播方向,因此,压电地震仪还能告诉人们地震的方位和距离。有压电地震仪来预报地震,人们可以放心多了。
在军事上,人们在制造穿甲弹的时候,常常把压电陶瓷安装在弹头部位。只要穿甲弹一击中坦克,炸药就会被压电陶瓷产生的高压电点燃而爆炸,把坦克炸得粉碎。
此外,通过正压电效应,把机械振动转换为交流电信号,可用来制造压电拾音器、扬声器、蜂鸣器、超声波接收探头等,其中电子音乐贺卡就是这种器件的实例。反之,通过逆压电效应,将交流电信号转换为机械振动,可用于制造超声波发射仪、压电扬声器、录像机和录音机的传动装置以及超声波清洗剂。另外,许多高转换效率、高灵敏度的声波发射和接收的压电器件正服役于超声波的水下探测仪,材料的超声波无损探伤仪,探测海洋中鱼群的规模、种类、密集程度、方位和距离,潜水艇位置的水下声纳,超声波断层摄影装詈.大功率超声波碎石仪等各种仪器。
压电陶瓷具有加工成型方便、成本低、压电特性便于控制等特点,应用范围正在不断扩大,前景不可估量。
陶瓷轴承
轴承可分为三种:滚动轴承、滑动轴承和电磁轴承。
滚动轴承是一种高度标准化的机械零件,有着多种尺寸规格和精度等级的系列型号,可以在相当大的范围内满足各种机械对轴承的要求。由于滚动轴承的维护十分简便,因此得到了非常广泛的应用。
滚动轴承结构的最大特征是,在有相对运动的两个套圈之间放置有滚动体,因此,滚动轴承较之滑动轴承具有摩擦系数小、消耗功率少、效率高的优点。
讲得通俗一点,滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成,过去通常用合金钢制造。20世纪90年代中期,陶瓷滚动轴承已经问世。经试用表明,陶瓷滚动轴承具有以下优点:
第一,由于陶瓷几乎不怕腐蚀,所以,陶瓷滚动轴承适宜于在布满腐蚀性介质的恶劣条件下作业。
第二,由于陶瓷滚动小球的密度比钢低,重量更要轻得多,因此转动时对外圈的离心作用可降低40%,进而使用寿命大大延长。
第三,陶瓷受热胀冷缩的影响比钢小,因而在轴承的间隙一定时,可允许轴承在温差变化较为剧烈的环境中工作。
第四,由于陶瓷的弹性模量比钢高,受力时不易变形,因此有利于提高工作速度,并达到较高的精度。
国外已开发成功了在高温条件下采用固体润滑剂的陶瓷滚动轴承,也有利用**或油脂润滑的特种钢与陶瓷组合而成的滚动轴承或全陶瓷滚动轴承。
至于谈到陶瓷滚动轴承的制造材料,主要采用氮化硅陶瓷。据有关资料报道,现代陶瓷中崛起的两颗新星—氮化硅和碳化硅都具有惊人的耐高温性能。氮化硅陶瓷在1400摄氏度,碳化硅陶瓷在1700摄氏度时,强度仍高达每平方厘米7000千克,而大多数金属这时早已软化或熔化成**了。
陶瓷的特异功能
到了现代社会,陶瓷已经得到更大的发展,并在工业和科学技术中有着极为广泛的用途。这些陶瓷称为先进陶瓷或精细陶瓷。它们代表陶瓷发展的第二个阶段。也就是说,先进陶瓷的主要成分和传统陶瓷的主要成分是硅酸盐化合物不同,是指用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物和其他无机非金属材料制作的陶瓷。先进陶瓷有许多“特异功能”,比如有的具有良好的绝缘性,有的则具有半导体性能,有些还能导电,有些甚至在一定温度下具有超导性,即完全没有电阻。有些陶瓷有一种奇特的性能,在它上面加上压力,它就能产生电压,称为压电陶瓷。
还有一些陶瓷对电、磁、光线、声音、温度冷热、潮湿等外界条件的变化很敏感,称为敏感陶瓷,可用来制造各种传感器元件。先进陶瓷还具有一般陶瓷通常具有的耐热、耐磨、高硬度、抗氧化等性能。先进陶瓷的成分也和用天然无机化合物(如硅酸盐化合物,陶土、瓷土等)烧结出的传统陶瓷有很大不同。而是以精制的高纯度人工合成的无机化合物(如各种氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或其他无机非金属)为原料,采用精密控制的工艺方法烧结出来的。
威尼斯玻璃城
自7世纪开始,意大利地中海沿岸的城市开始兴盛,并成为欧洲的文化中心,同时玻璃工业也在意大利兴盛起来,特别是威尼斯最为发达。后来,威尼斯的玻璃闻名于世,到公元1291年,所有威尼斯的玻璃工厂全迁到附近的穆拉洛岛上。据说是因为玻璃工人大量使用火,有发生火灾的危险,而真实的原因是为了防止外国窃取玻璃制法的秘密。意大利当局给迁到岛上的几千名工人以高工薪,但严禁与岛外的其他人会面或迁到其他地方,并规定对从岛上携带出一小块玻璃的人处以死刑。
1317年,在穆拉洛岛上开始制造玻璃镜子。由于这种镜子特别好,其他国家也想获得生产这种镜子的秘密,法国政府命令其驻意大利大使窃取生产镜子的技术秘密。这位大使就在一个夜晚从穆拉洛岛拐走了一名玻璃工人,送到法国。还有一个故事讲,有一个叫乔吉奥·贝莱赖诺的工人从岛上逃到了德国,在那儿他自己开了一个工厂。但好景不长,不久这个工厂就被一把火烧个精光,他本人也被人刺伤,差点丧命。
法国人从威尼斯盗来的玻璃制造技术,后来又传人欧洲其他国家。到1688年,法国人奈伏在一次偶然的机会发现,熔化的玻璃流到金属台上时,能成为玻璃板,他由此得到启发,发明了制造大块玻璃板的技术,今天的水磨玻璃就是利用这种技术制成的。1902年,美国的拉巴斯发明了把熔化的玻璃放进大圆筒里,使用机械边喷出边冷却的方法,大批量生产出平板玻璃。从此,生产平板玻璃更容易了。
1903年,美国人欧文斯发明了用玻璃制造啤酒瓶的自动制瓶机,每小时可生产2500个啤酒瓶。同时,在美国又开始研究不使用圆筒,把熔化的玻璃直接从槽炉中拉制生产平板玻璃的方法,经过十年的努力,又完成了用拉延方法生产平板玻璃的制造机。美国的汽车大王福特立即决定,利用自动流水线生产汽车车窗玻璃。
从此,玻璃工业在20世纪飞快地发展起来,另外,对各种光学玻璃、耐热玻璃、玻璃纤维等特殊性能的玻璃也进行了研究,今天,玻璃的用途仍以惊人的速度在发展。
多功能夹层玻璃
在夹丝玻璃的启示下,90年代中期,科学家们又推出了一种当今新型的建筑材料—夹层玻璃。夹层玻璃与一般的建材玻璃相比,除了不褪色、光亮照人、抗风化性强、经久耐用、价格便宜等许多优点外,还具有独特的多功能特性,同时由于它非常坚固、适用性强,能解决许多建筑设计中的难题,因此越来越广泛地应用在现代建筑设计中,成为当今建材中的一颗明星。
所谓夹层玻璃,就是在两块或两块以上的玻璃之间,夹人塑料中间膜,再经加热和加压使玻璃与塑料膜粘结在一起而制成的新颖玻璃制品。
下面向少年朋友简单介绍一下夹层玻璃的几种优异功能及应用状况:
玻璃的最大弱点是具有脆性。当受到意外的撞击或较大的震动时,玻璃就会碎裂,同时,散发开来的碎片容易伤害人体。这对建筑设计来说是一个很大的难题。
采用夹层玻璃就不必担心这个问题了。因为夹层玻璃可以减少碎片的散发以及对人体的伤害,即使在破裂的情况下,夹层玻璃仍能起着良好的保护作用。
玻璃由于透光性好,因此作为天棚的材料,是现代建筑设计中的一个热门课题。但关键是必须保证在任何情况下造成玻璃碎裂时,它的碎片不伤害人。能满足这种要求的,目前只有钢化退火玻璃和夹层玻璃两种。钢化玻璃在破碎时虽能保持形状完整,不易伤人,但是安装费用十分昂贵,此外,还需要附设不雅观的隔离罩,影响美观性。采用夹层玻璃就无须隔离罩,同时,安装费用也比较便宜,在安全性方面却比钢化玻璃高。
我们在前面提到的那位玻璃厂厂长,如果他的别墅安装夹层玻璃,那就可以没有什么后顾之忧了。这是因为,夹层玻璃可以承受鎯头、撬棒、砖头、切割工具的破坏,甚至还能抵挡炸药的巨大震动和防御子弹的穿透。因此,夹层玻璃具有优越的保安功能,可以有效地防止盗窃犯的抢劫、暴力闯入、暴力袭击、甚至枪击、杀害等,这是一般玻璃不可能具有和望尘莫及的。因此它不仅是一般居民住宅的建筑物所需要的建材,而且更是金融机构、商厦、重要的工业设施、博物馆、政府办公大楼、别墅以及外交使(领)馆等必不可少的建筑材料。
大家知道,对于建筑物来说,阻隔外界噪声的薄弱环节是窗户。正如窗户可让光线进入屋内一样,当然它也能让声音传人。为了使建筑物有一个理想的令人满意的优雅声学环境,因此,建筑设计师将窗户玻璃材料控制噪声和减声性能作为完整的空间设计的一部分同时加以考虑。
研究表明,夹层玻璃中的中间塑料膜具有减震的功能,因此,采用夹层玻璃,不仅能有效地阻止各种声音的传人,而且能对危害人体的噪声起到减声的作用,从而造就一个对人体健康有利的理想的声学环境。
太阳光照射到物体上,被物体吸收后就会转变成热能,使物体的温度升高。因此,许多建筑物在设计时,都要考虑控制建筑物的吸热问题。紫外线是所有可见光线中对建筑物内的家具、器具、物品及地毯等损害最严重的光线。有人做过试验,它的损害力是其他光线的50倍,它会使家具、器具和物品等严重变色或褪色。如果采用夹层玻璃,就可明显减弱阳光的照射,不仅可防止耀眼眩光,而且还可将有害的紫外光拒之窗外。
对于养殖花草的住户来说,夹层玻璃可阻断紫外光的透射,但对室内的花卉等植物的生长均无副作用。相反,夹层玻璃还有利于保护植物的叶、茎、花、果,促进植物生长茂盛。因此,目前绝大多数的暖房和植物园都采用夹层玻璃来建造。
由于夹层玻璃具有以上众多的功能和优点,因此,它越来越受到当代建筑设计师们的注视和青睐。材料科学家深信,夹层玻璃的发展前景极为光明,开拓应用的道路也必将越来越广阔。
为了保密,凡是有玻璃的门窗,人们通常装上厚厚的窗帘。但是这么一来,室内的光线就会十分昏暗。
怎样才能做到采光和保密两不误呢?这时,玻璃制造专家想到了“压花玻璃”。
所谓压花玻璃,就是在玻璃上面有微微凹凸的花纹。玻璃表面虽然有立体感很强的花纹,但透明度较好:当光线透过压花玻璃时,会产生扩散现象,使里面的物体形象变形。人们站在离压花玻璃的不同距离上向房间内进行观察,所能看到的物体形象也各不相同。随着与压花玻璃之间距离的拉长,从外面向房间里看,看到的物体形象就越来越模糊。此外,由于压花玻璃花纹的不同,也会使透过的物体形象不尽相同。正因为压花玻璃有这一特性,所以,用它来做窗玻璃,既不会影响室内的采光效果,又使室外的人无法看清室内的情况。
介绍到这里,有些读者可能对压花玻璃的制作过程感兴趣,下面就稍许花点笔墨:
压花玻璃的制作颇像纺织品的印花。当玻璃熔体呈软化状态时,让它通过一对压花滚筒,于是,滚筒上的花纹就“印”到了玻璃熔体上。“印”有花纹的玻璃熔体再经后道工序处理,就成了人们所需要的压花玻璃。
与众不同的微晶玻璃
说起微晶玻璃的发明,还有一则小故事。
有一天,有家闻名遐迩的美国玻璃制造公司打算研制一种感光玻璃。所谓感光玻璃,就是一种能感光显色的玻璃新品种。这种新型玻璃经紫外线照射感光后,再经过热处理,便能显示出美丽的影像,不但色彩鲜艳,而且永不褪色。
按照工艺规格的要求,感光玻璃热处理时的加热温度为玻璃软化温度以下50℃~lOO℃,保温时间为1~2小时。有一位研究玻璃的专家,把一块玻璃放入自动控制温度的电炉中加温,他把炉温调到600℃。一切准备就绪,他关上炉门,接通电源,电炉即开始升温。
就在这时,突然传来一阵急促的电话铃声。原来,上司通知他立即去参加一个重要会议。按照实验室的规定,实验一旦开始,有关研究人员不得中途离开。但是,那位玻璃专家想,反正电炉有自动温控仪控制,于是,他未向上司报告实验室里的工作情况便离开了岗位。
当玻璃专家返回实验室时,由于自动温控仪失灵,炉内温度升到了900℃,他不由得大吃一惊。他赶紧打开炉门,所幸的是,玻璃没有熔融,而是直挺挺地躺在炉内。玻璃专家把它放在显微镜下进行观察,观察结果表明,在这块玻璃中,析出了大量的微小晶体,这就是世界上第一块微晶玻璃的诞生经过。真是“忙中出错,歪打正着”。
有些小朋友可能会问,玻璃中那些微小的晶体是怎样形成的呢?
少年朋友也许都知道,空气中的水汽要以尘埃作为凝聚的核心,才能形成水滴。同样,制造微晶玻璃也要有适当的核心。这就是说,除了玻璃的自身成分可以作为结晶核心外,人们在熔炼、制作微晶玻璃时,还要加入一些特殊原料。试验表明,金、银、铜等金属元素和氧化钛、氧化锆等氧化物也可作为结晶核心。此外,为了使玻璃析出晶体,还应具备温度和能量等方面的条件。
制作微晶玻璃的工艺的确很有趣:玻璃冷却成型后,如果用紫外线照射一下,就会在它的体内“长出”无数肉眼分辨不出的微小晶体,变成不透明的象牙色,因此人们亲切地把它叫做“微晶玻璃”。这种要经过紫外线照射才能制成的微晶玻璃,科学家们将它称为“光敏微晶玻璃”。而不用紫外线照射,只通过热处理制成的微晶玻璃称为“热敏微晶玻璃”。
目前,科学家们已能研制出1000多种不同成分的微晶玻璃,它们的性能也各不相同。经测定表明,结晶的直径通常不超过2微米,只有头发丝粗细的几十分之一。
喜欢科普的少年朋友都知道,为了观察天体,需要有一台大型的反射式望远镜。但是,由于老式的反射式望远镜的凹镜是采用普通的光学玻璃制作的,这种玻璃会热胀冷缩,这样一来,凹镜的准确形状和精度尺寸都会因受气温的影响而发生变化,从而会大大影响天体望远镜的观察效果。机的喷嘴,以及用作火箭、人造地球卫星和航天飞机的结构材料。
由于微晶玻璃的硬度极好,因此,可用来制造滚动轴承、压缩机和汽轮机的叶片、高速切削工具、刹车构件、热交换器、化工用泵和管道,以及其他要求耐磨、耐热、耐蚀的机械零件。
微晶玻璃易于加工,材质均匀,制成后尺寸精确,因此在军事工业中也大有用武之地。例如,利用微晶玻璃来制作导弹头部的防护罩,使导弹在高速飞行过程中能辐射大量的热,从而降低工业温度。因此,军事科学家将微晶玻璃誉为导弹头部的“保护神”。
许多具有特殊性能的微晶玻璃,可以制作成人们所需要的器件。例如,有生物活性的微晶玻璃可以制成人工骨关节、人工牙齿等;有磁性的微晶玻璃可以制成电子计算机记忆元件;此外,还能制成厨房餐具和各种家用器皿等。
不碎玻璃
玻璃作为大家最熟悉的材料之一,在人们的日常生活中几乎不可缺少。但玻璃有一个自古以来就没有改掉的老“毛病”:太脆,一碰就碎,而且玻璃碴子锋利得像刀子,一不小心就会伤人皮肉。要是有一种不碎的玻璃有多好!但这个想法自发明玻璃以来的几千年中,几乎耗尽了玻璃工匠的脑力也没有实现。
脆是玻璃的本性,想让玻璃不碎似乎是一种不切实际的幻想。但世界上有些事还真能心想事成。不碎玻璃最终还是发明成功了。
那是1903年,法国有一位叫别奈迪克的化学家,他酷爱科学研究,经常“泡”在实验室里做试验。在一次实验中,不小心把一只玻璃瓶从实验柜上碰落到地上。这在满处都是玻璃器具的化学实验室是常常遇到的事情,其结果通常都是一样:玻璃碎片崩满一地。但这一次却出现了怪事,这只装满试验用溶液的烧瓶落地,并没有像往常一样破成碎片。
这使别奈迪克很高兴,因为如果烧瓶破碎,他精心配制的溶液等于前功尽弃。但更让他纳闷的是,这只又薄又脆的玻璃瓶从高高的实验柜掉下来后,怎么竟没有一个碎片出来呢?他仔细观察了一遍烧瓶,里面的溶液依然存在,只是在烧瓶壁上留下了蜘蛛网式的裂纹。作为一个有强烈好奇心的科学家,别奈迪克本想对玻璃瓶不碎的奥秘搞个水落石出,但一时还放不下手中的实验,只好暂时将这只布满了蜘蛛网式裂纹的玻璃瓶贴上一张纸条,记下事情的经过:这是从3米高的地方掉下来的,捡起来就是这个样子,时间是1903年11月。
这件小小的事故对于一个科学家来说,并不算什么。如果不是有心人,早就把这事忘了。但别奈迪克却经常在想这件事,那只烧瓶没有摔碎是偶然的现象吗?几年后,别奈迪克偶然在报纸上看到一则新闻,说是有一辆汽车因发生车祸,车窗上的玻璃碎成碎片,把司机和一些乘客划伤了。这马上使他联想起自己前几年出的那次小事故:“为什么我的那只烧瓶不碎呢?如果能在所有的汽车上都安上一种不碎的玻璃,司机和乘客一定可以免受划伤之苦。”别奈迪克决心解决这个难题。于是他重新找出那只留有文字记载的没有摔碎的玻璃烧瓶,仔细研究它不碎的奥秘。他发现,这只烧瓶的内壁上有一层透明的薄膜,他试着想把薄膜撕下来,但薄膜粘得非常牢,根本弄不下来。
这层薄膜是从什么地方来的呢?他百思不得其解,但最后他终于回忆起这只烧瓶曾经装过硝酸纤维溶液,有可能是溶液挥发后留下来的一层薄膜。为了验证自己的分析,他立即配制了硝酸纤维溶液进行试验。结果真的不出所料,瓶壁上留下的正是柔韧而透明的硝酸纤维素薄膜。
然后,别奈迪克着手试验,他在两块玻璃之间夹上一层透明的硝酸纤维素薄膜,使它们粘在一起,并进行“自由落体”式的摔打实验。果然,玻璃只出现裂纹而不会四处溅出玻璃碎片。这种玻璃称为安全玻璃,用处很大。
在许多工厂中,例如在强烈震动的金属锻造车间的天窗玻璃,都使用这类安全玻璃,因为如果用普通玻璃,一旦玻璃被震碎就会飞落下来伤人。一些高质量的汽车的车窗玻璃和挡风玻璃,也用不碎的安全玻璃制造。这样在万一发生车祸时,不会发生因玻璃碎片飞出伤人的情况。
调光玻璃
什么叫可调光的玻璃呢?就是根据光线的强弱可自动调节光线进入室内多少的特殊玻璃。大家也许戴过一种变色眼镜吧?它的透明度在室内和室外是不一样的。当你从室内走到阳光刺眼的室外时,眼镜上的玻璃会变色,实际上就是变得不那么透明了,使进入眼睛的光线大大减少,达到保护眼睛的目的。这种变色眼镜上的玻璃就是可调光的玻璃。
不久前,科学家又发明了一种可自行调光的窗户玻璃。这种玻璃在天气寒冷、气温低时,透明度很高,阳光会全部进入室内,使室内温度增加;而当天气炎热时,它就变成为半透明,使室内变凉爽。这种玻璃是怎么发明的呢?
谁都吃过鸡蛋,但不一定想过鸡蛋由生变熟时的有趣现象。比如,生鸡蛋的蛋白是透明的,可以透过蛋白看到里面的蛋黄,但煮熟的鸡蛋,蛋白就变成不透明的了。科学家从蛋白的透明度随温度的变化而变化的现象得到启示,决定研究出一种随温度变化(或随阳光强弱变化)的玻璃。
美国新墨西哥州阿尔伯克基森特克公司有两兄弟,弟弟叫罗伊·查赫鲁,哥哥叫戴·查赫鲁。为了发明这种可自动调光的玻璃,找到了一种云胶材料,这种云胶能随温度的变化自行改变透明度。它是一种含油质成分的聚合物和水的混合物,在低温时,其中的油质成分把水分子“冷冻”成一层外衣包围在像面条似的聚合物纤维的四周,就像一团线,外面包的绝缘外套,但这时的云胶是透明的,能通过大部分阳光(90%以上)。而当温度较高时,聚合物纤维周围“冷冻”的水分子被“熔化”聚合物纤维就像沸水中的面条那样,翻滚着绞成一团乱麻似的,这时云胶就从清澈透明状态变成为像蛋白一样的不透明的白色,可以阻挡90%的光线透过。
查赫鲁兄弟制成的云胶是一种半流体,其透明度随温度的变化很灵敏,2 -3℃的温度变化就能从透明转变成半透明,将这种云胶半流体夹在两层透明玻璃(或透明塑料)之间,就可以制成自动调光的窗户玻璃。云胶的透明度变化还是可逆的,即低温时是透明的,温度升高时,透明度逐渐降低,但温度一降低,它的透明度又会恢复。要想检查这种玻璃调光是否灵敏,只要把手放在上面就知道。如果你的手放上后,玻璃上留下了你的手印,就证明它是有效的。
发电玻璃
窗户每家都有,那是用来采光、通风用的,还没有听说过用窗户可以发电的。但现在世界上已经有人研制出了能发电的窗户。这个人叫迈克尔·格拉蔡,他是瑞士的一位化学家。他经过几年的研究和不断改进,终于发明了一种能发电的窗户玻璃。它既能透光,使室内明亮、又能发电,让收音机、电视机等电器响起来。
格拉蔡怎么想起来要发明发电的窗户呢?这并不奇怪,因为现在世界上到处嚷嚷有能源危机,说石油和煤炭总有一天会消耗殆尽,但太阳能却是取之不尽的。格拉蔡就想:世界上的住房和建筑物上该有多少窗户呀?如果能使向阳关的一面的窗户都能利用太阳能发电,那么得到的电力加起来简直是一个天文数字。于是,他从,80年代末就开始研究能发电的太阳能窗户。
1991年10月,格拉蔡终于成功地制造出了一种奇特的太阳能玻璃板,这种玻璃板不仅可以安在各种建筑物上作窗户,又可以同时发电,而且得到的电能要比现在通常用的硅太阳能电池的价格便宜5~10倍。
这种玻璃外表看起来和普通玻璃似乎没有什么区别,但实际上里面有许多“机关”。格拉蔡在两层普通玻璃板之间“夹进”了一些特殊的遇到阳光就能发电的超薄化合物,其中包括二氧化。
锡导电层,二氧化钛半导体层和一种含碘为主的电解液层及一种类似植物中的叶绿素的染色层。
你也许会问,玻璃板之间夹了这许多层“馅”,还能透光吗?其实你用不着担心,别看玻璃板之间有这么多夹层,但它们总的厚度才10微米,因此完全可以透过光线,一点也不影响室内的亮度。
那么这种古怪的玻璃板是怎么发电的呢?它的过程是这样的。当光线穿过外层玻璃和非常薄的二氧化锡层及电解液层,到达染色层时,染色层就吸收太阳光中的光子,光子是一种带有能量的粒子(用肉眼根本看不到比细菌还小得多的玩意儿),别看这种粒子小,它打在染色层上却可以把一个电子给轰出来,轰击出来的电子进到二氧化钛半导体层内,又转移到紧挨着它的二氧化锡导电膜中,形成电子流。这样,在里外两层玻璃上的二氧化锡就像一个干电池的正负极,带上了电,只要在这两个正负极之间连接上收音机和电灯泡之类的电器,就可以收听音乐和照明。
现在这种太阳能玻璃板每平方米可以发出150瓦的电力,全世界的玻璃窗户要是都换上这种玻璃板,你想想会发出多少电力?据格拉蔡说,用这种玻璃作窗户,安装起来也不费事,安一个窗户有两小时就足够了。当然,眼下这种发电玻璃还比较贵,但比起现在常用的硅太阳能电池要便宜。而且预计,这种玻璃只要今后大量生产,成本会不断下降,因为制造这种发电玻璃的原料包括二氧化锡、二氧化钛都是很便宜的。
塑料自白
塑料是以合成的或天然的高分子化合物为主要成分,可在一定条件下塑化成形,产品最后能保持形状不变的材料。大多数塑料以合成树脂为基础,并通常含有填料、增塑剂、着色剂等。根据受热后性能的变化,可分为热塑性和热固性两种。前者主要具有链状的线型结构,受热软化,可反复塑制;后者成形后具有网状的体型结构,受热不能软化,不能反复塑制。塑料一般具有质轻、绝缘、耐腐蚀、美观、易加工等特点,可作绝缘材料、建筑材料及各种工业的构造材料和零部件,也可制作各种日用品。
塑料出世较晚,但是它很快便成为20世纪的宠儿。它已渗透到人们的生产和生活的各个方面,构成了一个五彩缤纷的世界。
农作物增产的好帮手—塑料薄膜
当你来到种植蔬菜的温室,见到那一大片一大片翠绿欲滴的各种鲜菜,一定会被农艺师和菜农们的出色工作所感动。谦虚的菜农一定会告诉你:这里也有塑料薄膜的一份功劳。
农艺师们经研究后发现,许多蔬菜喜爱特定波长的反射阳光。如果改变农用塑料薄膜的颜色,就能使蔬菜增产。
在过去,普通温室的塑料薄膜多为白色或黑色。科学研究表明,用红色塑料薄膜覆盖在番茄上,比用黑色薄膜可增产约13%,并且 果实质量上乘。马铃薯却特别喜欢白色塑料薄膜,使用它可增产25%。不过,由于品种不同,蔬菜对塑料薄膜也有所偏爱。例如,有的马铃薯喜爱覆盖红色和蓝色塑料薄膜,虽然亩产与覆盖白色塑料薄膜不相上下,但结出的马铃薯质量有所区别,由红色和蓝色塑料薄膜庇护的马铃薯质量更佳。研究人员还发现,无论是大田种植,还是庭院(温室)栽培,使用有色农用塑料薄膜的效果完全相同。
压电塑料
压电塑料薄膜像一张透明的食品包装纸,但它具有压电效应。在压力作用下,薄膜表面会出现电势差。这种薄膜的用途相当广泛。它的特点是,能将一种能量转变成另一种能量,但又不消耗其他外来的能源。如果把压电塑料薄膜用在一种音响设备的微型扬声器和话筒上,能将电信号转换成发声振动,又能将发声振动转换成电信号。压电塑料薄膜还有热电转换特性,当它感受到热时,会产生电流。所以,可用它来制作火警预报装置以及对人体温度极敏感的夜盗报警器。小偷尚未伸手,即会警铃大作。
压电塑料薄膜还可用来制作海洋潮汐发电机、风力发电机以及放在手腕上的血压计;甚至可以包在潜艇外壳上,制成高灵敏度的声纳装置,可以使机器人具有“知觉”,像真人般地行动;也可以用来制造有知觉的人造皮肤。你瞧,压电塑料薄膜的用处不少吧!
“黑夜里的交警”—回归反光塑料
现在有一种回归反光塑料薄膜,它具有特殊的反光性能,能用来制作自行车尾灯和各种交通标志。一束入射光,在一定角度范围内任意投射到这种薄膜上,就会在入射光的周围形成圆锥形的反射光。当汽车前灯照射到回归反光塑料薄膜上时,由于反射层呈弯曲状,光线不会散射,而总是经玻璃微珠汇聚射出。入射光由某方向射人,反射光则必沿原方向成光锥反射回去,因此称为回归反光。
回归反光塑料薄膜有“黑夜里的交通警”的美称,在国外自行车上用得很普遍。它不仅应用于自行车尾灯,而且还普遍应用于机场、港口码头、道路行车标记上,在交通安全方面发挥着巨大的作用。
在国外,回归反光塑料薄膜还应用于某些会议室、剧院、厂房等的标志方面,甚至别出心裁地应用在广告宣传上。在周围四面八方的光线照射下,人们从各个方向都能看到它,而不像霓虹灯那样需要消耗大量的电能。
能导电的塑料
一般认为,塑料是一种很不错的电绝缘体。的确,绝大部分的塑料都具有优异的电绝缘性能,因此,你在家里可以见到塑料做成的电线包覆、插座、插头以及电器外壳等。如果塑料能导电,那么,我们当中有许多人不就随时有触电的可能?!
但是,在这一般认为不能导电的塑料家族中,却出现了一批让人看不懂的新成员,这就是“能导电的塑料”。
20世纪70年代初,在日本东京技术学院的一个实验室里,有一名研究生想利用普通乙炔制造一种叫做聚乙炔的塑料。这种塑料是一种黑色的粉末,在1955年首先合成,但是,没有人了解它更详细的情况。这位研究生在70年代所合成的却不是一种黑色粉末样的塑料,而是一种有银色光泽的软片,看起来像铝箔一般。这时候,这位研究生才知道自己犯了一个错误,他所加入的催化剂比按规定多了近100倍。因此,他合成的聚乙炔与其他聚乙炔相比完全不同。1977年,日本东京技术学院与美国明尼苏达大学的专家们共同探索这种新颖塑料。后来,当他们把碘掺入这种材料时,获得了振奋人心的成果。这种柔软的银色软片变成了金色的薄片。这种新材料的导电性随之提高了1亿倍。从此以后,科学家们发现,有10多种塑料,当人们对它们进行掺和时,都会发生类似的变化,并呈现出导电性。由于塑料导电性的提高,加上它们又易于成型,因此一下子成了材料科学家们的“宠儿”。
当时,日美科学家利用掺杂法,使塑料的导电率取得令人震惊的成果。不过,塑料的这一导电率还只够“半导体”的水平,离真正的金属导体的水平尚有一段距离。
科学研究有时候犹如田径场上的接力赛跑。联邦德国的科学家们,接过日美科学家手里的“接力棒”,将获得的导电塑料进行特殊的熟化和拉伸取向处理,将处理好的塑料薄膜再进行掺杂试验,结果,这种新颖塑料的导电率又提高了3个数量级,这时,新的塑料达到了“真正导体”的指标。