登陆注册
4906300000013

第13章 材料工程(4)

医用功能高分子材料:用人造材料来再造人体的组织和器官,用以替换已经坏死或不能正常工作的器官,从而治愈各种疾病。经过多年研究,人造血、人造皮肤、人造心脏等已出现。

氟碳乳液是一种人造血液,代号FC,性能稳定,加乳化剂后成为乳化液。它的溶氧能力比血红蛋白大一倍,同时还能释放二氧化碳。它吸氧和释放二氧化碳的速度比血红蛋白快几倍,且不存在血型问题,对任何病人都可直接输入动脉。

人造心脏主要由动力部分、血泵和监控系统组成,其中血泵是关键,制造血泵的材料要求机械强度高、无毒、不致癌、良好的生化稳定性和高度的抗挠曲性。

人工肾脏是研究最早而又最成熟的人工器官,其关键是研制出具有高选择性的半透膜,可采用聚丙烯腈硅橡胶、赛璐玢、聚酰胺等。

聚丙烯腈硅橡胶薄膜的选择透过能力极高,可用于制造人工肝脏;聚丙烯薄膜可透析血液中的二氧化碳,适于制造人工肺;用金属骨架外包超聚乙烯材料制成的人工关节,弹性适中,耐磨性好,效果突出。

液晶材料:某些有机化合物晶体,被加热到一定温度时会变成一种浑浊、粘滞的塑性物质,再升温至某一温度,又突变成完全清澈透明的液体,这种介于固、液态之间的物质就是液晶。目前,已知具有液晶性质的有机化合物超过2000种。

按分子排列的不同,液晶材料可分为近晶型液晶、向列型液晶和胆甾型液晶。近晶型材料的分子排列整齐,对电和磁都不发生效应;向列型液晶的分子在长轴方向排列一致,而层状不整齐,当外加电场,分子排列变乱,由透明转向浑浊,形成光的散射体。它适于制造电控亮度玻璃,如照相机上的自动光圈和数码显示器;胆甾型液晶的条状分子层层相叠,错开一定角度,扭转成螺旋型结构。它除具有特殊光学效应外,还具有明显的温度效应。随温度升高,其颜色按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫变化;温度降低,则按反方向变化。它的这种温度效应适于金属的无损探伤和医疗上检查血栓和肿瘤。

在工业上,多把三种液晶混合使用,或在混合液晶中加入添加剂,效果更佳。液晶材料体积小,耗能少,在电子计算机、电视、钟表、微波测量、医疗、宇航方面具有重要用途。

其他功能高分子材料:离子交换树脂,由聚苯乙烯、聚氯乙烯或其他树脂高分子链为骨架,在主链或侧链上连接易与金属离子或酸根离子发生作用的基团,从而生成高聚物。它能将稀溶液中的离子固定在树脂上,淡化溶液;又可把固着在树脂上的离子洗脱,富集或浓缩微量元素。

在实验室中,它可用于生产超纯水和提炼微量元素。在工业上,它可用于淡化海水或富集海水中的镭、铀、钚等原子工业的原料,也可用于净化废水、废气。

感光树脂多用于在印刷工业。在光线作用下,这种高分子发生交链聚合作用生成不溶性树脂,未曝光部分可用溶剂冲掉,由此得到具有立体浮雕式的图像,可直接用于印刷制版,使制版过程完全自动化。

复合材料

现代复合材料本质上是基体和增强剂的复合。基体通常有合成树脂、塑料、橡胶、金属、陶瓷等,玻璃纤维、硼纤维、碳纤维等是增强剂。

按结构特点,复合材料可分为纤维复合材料、细粒复合材料、层叠复合材料及骨架复合材料。目前发展最快的是纤维复合材料。

纤维复合材料:玻璃钢以玻璃纤维为骨料,以合成树脂作基本和粘结剂,加热压制成型。其成品强度等同钢材,比重为钢的1/5~1/4,耐高温、抗腐蚀、电绝缘、抗震抗裂、隔音隔热,在航空、机械、汽车、舰船、建筑、化工等部门已经得到广泛应用。

硼纤维,一种强度、弹性超越玻璃纤维的纤维材料,其强度是玻璃纤维的5倍。它既可与树脂复合,又可与金属复合。用金属铝作基体的硼铝复合材料耐1200℃高温,用其制造的飞机机体,使飞机重量减轻23%。

碳纤维,用聚合物纤维通过一定工艺制得,碳纤维直径只有5~10微米,极脆。碳纤维高强度、高弹性模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电传热、密度小、热膨胀系数小。用碳纤维增强陶瓷或玻璃,不仅提高陶瓷或玻璃强度,还极大提高其韧性。该增强复合材料在燃气涡轮机、火箭发动机上用于制作关键设备。用碳纤维增强铝的复合材料比强度、比刚度高,能耐高温,抗拉强度、耐磨性好,是电和热的良导体,在飞机、坦克、导弹、卫星等方面得到了广泛应用。

其他类型复合材料:细粒复合材料,其代表是金属陶瓷。它由陶瓷相和粘结金属组成,是一种非均匀复合材料。陶瓷相主要是高熔点的氧化物、硼化物、碳化物等。金属相是某些过渡族金属及其合金,金属相和陶瓷相靠分子间的相互扩散和渗透而形成复合材料。它既具有金属的韧性、高导热性、良好的抗热冲击性能,又具有陶瓷的耐高温性能,在宇航、化工、机械、冶金、国防等行业都大有作为。

层叠复合材料,其代表是夹层玻璃,它是在两层玻璃中间加入塑料等填充料粘结而成。这种夹层玻璃曾用作汽车等的窗玻璃,防止玻璃伤人。有的飞机也采用多层有机玻璃作窗门,人们常用金属板夹高性能高分子材料作为减振材料,减轻振动和降低噪音。

小知识

金属基复合材料

金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种高技术新型工程材料,具有高的比刚度、比强度,优良的高温性能、低的热膨胀系数以及良好的耐磨、减摩性。由于优良的加工、成型性能,明显的价格优势比等优势,在世界许多国家,如美国、英国、日本等,对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。

金属基复合材料的成功应用首先是在航空、航天领域,如美国宇航局采用B/A1(硼-铝)复合材料制造飞机中部20米长的货舱行桁架。近年来,金属基复合材料已逐渐被用于要求更加精密的关键零部件,如英国航天公司从20世纪80年代起研究用微粒和晶须增强铝合金制造三叉戟导弹制导原件,美国DWA公司和英国BP公司已制造出专门用于飞机和导弹的复合材料薄板一型材,以及航空结构导槽等。

金属基复合材料的最大优点就是性能的可设计性,即按零件在不同工况下的性能要求,对材料成分组织进行设计。

载能束

载能束指电子束、离子束、激光束。将这些具有高能的束流强行注入材料内部,在材料的表层可迅速加热到高温,也可实现快速冷却,冷却速度达每秒1012℃。

载能束离子作为掺入物,掺入材料表面,能改变材料表面成份。快速加热、冷却,能引起材料内部的结构变化,使原子重新组合,由此产生新化合物。

载能束改变材料表面的结构,极大提高了材料的抗磨损性能。载能束加热的金属,可在改性材料表面上形成扩散层,增加材料的抗磨、抗腐蚀的性能。比如,将铝蒸气扩散到钢上,铝的扩散层对钢起到良好防护。激光表面处理已广泛应用在工业上,如对邮票打孔机的滚筒经激光处理后,将一个滚筒原先只能打印150万张的记录提高到1500万张。

非晶态材料

非晶态材料属于一类新型的固体材料,包括常见的种玻璃塑料高分子聚合物,新近发展起来的金属玻璃、非晶态合金、非晶态半导体、非晶态超导体等。晶态物质内部原子呈周期性,非晶态物质内部则不同。由于结构不同,非晶态材料具有优异的机械特性(强度高、弹性好、硬度高、耐磨性好等)、电磁学特性、化学特性(稳定、高耐蚀等)、电化学特性及优异的催化活性。

金属玻璃:1962年,人们从熔融金属急冷制成金属玻璃。

金属玻璃因其优异的机械性能可用作高强度的耐磨磁头,有些金属玻璃的软磁性可媲美最好的晶态材料,其铁磁损耗比晶态材料小许多,是理想的电磁材料,有些金属玻璃的耐辐射性能使其成为很好的电阻和热电偶材料。

非晶态合金:目前,可用多种方法获得非晶态材料,其中电镀和化学镀方法,工艺简便、成本低、可大面积镀覆。

Ni-P非晶态合金是该类材料中的型,在计算机硬磁盘、磁记录材料、电子材料、半导体材料等方面具有广泛用途。

高温超导

在元素周期表里,大部分元素都具有超导特性或在高压力作用下呈超导现象,已肯定其中仅33种元素本身没有超导性。但那些元素的超导转变温度极低,只有零点几度(绝对温度K)至几度(绝对温度K)。19世纪60年代后期,日本利用超导磁力使车厢悬浮于轨道,并推动车厢高速前进。

高温超导体实现了在强电方面的应用,全球的电力输送,从发电到供配电模式都将全部改变,如能做到无损耗输电,仅美国一个国家一年即可节省100亿美元。

采用超导材料建设超导电子对撞机的电子贮存环,可能使达40万亿电子伏特的粒子发生对撞。高温超导的超导量子干涉仪的诞生,使超导在弱电应用方面,如电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、军工、宇航的应用前景更为广阔。

纳米材料

纳米材料指材料尺寸在1~100纳米范围内的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级颗粒展示出许多奇异的性能,这些性能既不同于通常的大块材料,也不同于单个原子状态的特性。

纳米固体:在胶体溶液中,人们发现了纳米材料。它们是直径为1~100纳米的粒子。纳米固体是一种具有奇异结构类型的固体,在纳米颗粒的直径为2~10纳米的颗粒中,其原子数目一般为100~1000个,其中有50%的体积是按不同方向排列的界面原子。这样组成的材料,表现出该种材料不同于晶态或非晶态。

纳米粉末:纳米粉末在性质上呈现出一连串奇异的物理特性,如金属纳米粒子不反光,且吸收光,纳米金属粒子都很黑,不反光,表示具有强吸光特性。

另外,纳米金属粒子的熔点明显低于金属粉末,如10纳米的铁粉,熔点降低33℃,即从1526.5℃降至1493.5℃。纳米金粉降低27℃,即从1063℃降至1036℃,其粒度越细,熔点下降越明显。在光学、电学、磁学、热学等方面,纳米粉末均与同类的块体材料不同。

小知识

纳米材料的应用

纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应是极好的催化剂。铁的纳米颗粒外覆盖有一层5~20纳米的聚合物,可固定大量蛋白质或酶,从而控制生物反应。高分子纳米材料在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、各种传感器及功能电极材料方面都有重要应用。纳米材料的磁性强,纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包括粉状,还有纳米级薄膜和纳米纤维。纳米薄膜又称超薄膜材料,制成10纳米磁膜或磁带材料,其磁性能得到明显改善。

同类推荐
  • 宇宙真相

    宇宙真相

    《宇宙真相》讲述浩瀚无边的宇宙,诡异莫测的自然,神奇有趣的生物……千余个知识热点,千余幅精美图片,带领我们一起探索变化无穷的大千世界。
  • 激光聚焦

    激光聚焦

    科学是人类进步的第一推动力,而科学知识的普及则是实现这一推动的必由之路。在新的时代,社会的进步、科技的发展、人们生活水平的不断提高,为我们青少年的科普教育提供了新的契机。抓住这个契机,大力普及科学知识,传播科学精神,提高青少年的科学素质,是我们全社会的重要课题。
  • 揭秘万物由来之谜

    揭秘万物由来之谜

    本书揭秘了万物的由来之谜,包含政治、经济、科技、节日风俗、邮政交通、国名地名等各个方面。
  • 到太空去旅游

    到太空去旅游

    主要介绍为何出现多个太阳、小行星会撞击大行星吗等奥秘现象、未解之谜和科学探索诸内容,具有很强的系统性、科学性、前沿性和新奇性。
  • 低碳城市:让我们的城市轻松呼吸

    低碳城市:让我们的城市轻松呼吸

    低碳不仅仅是一种概念,低碳生活也不仅仅是一种时尚,它与我们的生活息息相关,这是一件利在千秋万代的大事。节水、节电、节气,摒弃高碳模式,崇尚低碳生活……就是身边这些不起眼的小事可以让低碳生活变为现实,让我们为低碳环境、绿色地球作出自己的贡献!
热门推荐
  • 腹黑总裁别捣蛋

    腹黑总裁别捣蛋

    四年前,许浅浅对韩默说:“山河岁月我终将等你”四年后,韩默对许浅浅说:“愿半夏的流年清浅,许你一世安然。”许浅浅笑道:“四年了,我什么都给了你,你是怎么对我的,践踏我的自尊,蹂躏我的身体,我凭什么再相信你?”
  • 神帝降都市

    神帝降都市

    古神界,有一位少年突破了前所未有的神帝境界,但一场战争改变了他的命运,空间破裂让他穿越到了地球,让他开始了校园争霸,与科技做斗争的日子
  • 美人如斯梦如画

    美人如斯梦如画

    三月桃花纷飞,她坐于桃花树下喝着绍兴城里秘制的桃花酿。哪知一缕酒香引来了爱美如花的他。调笑着要讨些酒喝。昂头一瞥,自此一见美人误终身。再美的桃花美不过他。再香的酒酿香不过他。他说,“我便是这世间之最,谁要是比我美,我就毁了他。”花美,残花,树美,砍树,昂望星空,他要闭月羞花。然而,这样的他遇到她,不知是谁的劫?动了谁的情?伤了谁的心?
  • 三界朋友圈

    三界朋友圈

    杭城科大屌丝学生林小北,在被女朋友甩掉之后,莫名其妙的进了一个微信群,群里的都是三界众神,从此,屌丝逆袭,出任CEO,迎娶白富美,走上三界巅峰。
  • 我的绝色秘书

    我的绝色秘书

    “应聘我的秘书,必须符合以下三点:第一,胸大屁股翘;第二长一定得漂亮;第三会叫……呸不对,是会暖床。”志康集团总裁杨志环视一圈众面试者,嘴角微微上扬,勾勒出一抹令人无法察觉的蜜汁笑意,缓缓地说道。
  • 冷酷少的贴身女神

    冷酷少的贴身女神

    一次任务,她接了。在狂妄的冷冰山面前当保镖,敢情是当下人使唤,哼!姐姐给你点颜色瞧瞧,让你拽。但是,却造就了一场完美的爱情。
  • 倾城泪:帝王独宠冷艳王妃

    倾城泪:帝王独宠冷艳王妃

    那时,人人以为我还小,不懂这些阴谋,但是他们没想到。我,其实并不如此......
  • 婚不由己:冷少很霸气

    婚不由己:冷少很霸气

    “女人,你逃不掉的!”他墨色的眸子里凝聚着风暴,看她如同蝼蚁。“做我的奴隶,直到我厌倦为止。”为了亲人,她忍气吞声成为他的宠物,他给她的却是一场阴谋。失了身失了心,惹不起我还躲不起么?!“赫连曜,你不是讨厌我吗?好,我滚!”身怀六甲爬墙而走,你管得着吗?“该死的女人,偷了我的种哪里逃!”再见面,她早已涅槃重生,成了炙手可热的红星,却对他视若无睹。“妈咪,那个怪蜀黍是谁?”“不知道是哪个死忠粉,扔出去!”他暴怒,女人,你等着!
  • 我的妖怪酒庄

    我的妖怪酒庄

    有一天,叶辰获得了一本记载着各种妖怪弱点小册子,从此他的生活便发生了翻天覆地的变化。美丽的普罗旺斯,宁静的葡萄酒庄园,法兰西的气质美女,这些曾经想都不敢想的东西和他近在咫尺。正当他为了应付这些事情而焦头烂额的时候,一个个性格各异的妖怪却又蛮不讲理的掺和进了他的生活。“吸血鬼,你去搞定那个客户,否则不让你吃饭。”“湖中妖精,你调整一下葡萄酒的水分,否则酿成的葡萄酒没办法获奖了。”“巨龙,你……你来给我把这块肉烤熟,啥,肉都烤成灰了,这么不用心,我看你是不想吃饭了!”一群妖怪,一个酒庄,清清爽爽的种田文。
  • 怪圈乱神

    怪圈乱神

    没什么可介绍的,都在里面。