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第12章 材料工程(3)

随着高温工业的发展,过去的一些耐火材料逐渐被淘汰。

发光材料:日光灯、夜光表、电视机中都含有发光材料。发光材料可分为仪器用发光材料和灯用发光材料。

仪器用发光材料,夜光表上的夜光粉即属于此类材料,它以硫化锌为基质,加入激活剂、助熔剂,在700~1000℃烧结成块,粉碎到一定细度后再加入万分之一的放射性物质(如镭盐或钍盐),再加上粘合剂即可使用。它靠放射性元素蜕变时发出的α射线激活发光材料,从而产生永久性荧光。

灯用发光材料最常见的是日光灯中的发光粉,它以碱土金属(钙、锶、钡、镁)的硫化物或氧化物按配方制得的暂时性发光材料,在高压电流的激活下产生荧光,发光效率极高;阴极射线发光材料,主要是电视荧光屏上所用的黑白电视荧光粉和彩色电视荧光粉,多以碱土金属的硫化物作基质,加入不同的激活剂制成。

无机合成高分子:无机材料家族中的一个新分支,由于其原料主要来自地质资源,如岩石、砂砾、粘土、矿物等,所以被人们称为地质化学工业。

1973年,人们发现了聚硫化氮,它具有金属光泽和导电特性。在室温下,其导电性与汞相近,在接近绝对零度时变成超导体。其电导率具有方向性,在沿线型高分子链的方向上的电阻是垂直方向上的1/10。

还有一种无机高分子--聚偶氮磷化合物,其性质类似硅橡胶,可作橡胶制品。它能耐极低温,在-150~250℃间能长期使用。它具有良好的生理稳定性能,如把药物掺入此化合物中制成聚合物药片,可使药剂缓慢释放到人体内,既延长药效,又使血液中的药量获得稳定性。

玻璃

人类认识玻璃、制造玻璃已有5000多年历史,但要生产精美的玻璃制品很困难。1908年,美国人发明了平拉法。1910年,比利时人发明了有槽垂直上拉法,使平板玻璃的生产摆脱手工吹制法而迅速发展。1959年,英国的皮尔金格兄弟公司研制出浮法玻璃生产工艺,提高了生产率并降低了生产成本。1971年,日本人研制出对辊法,又使玻璃生产大大前进了一步。

改性玻璃:玻璃出炉后的处理工艺可以改变它的性能,使之适应特殊行业需要。如喷射空气使玻璃迅速冷却,能使玻璃有韧性,可用于制作汽车车窗;加钴及硒的氧化物可去掉生玻璃上的绿色。

浮法玻璃:浮法玻璃是采用一种非常巧妙的玻璃制造方法制成的,它先使熔融的玻璃体浮在熔融的锡所形成的“河”上,使玻璃表面变得如同金属表面一样平滑;然后再用滚筒把玻璃传送去冷却、固化,这种工艺在制造专用玻璃板上应用非常广泛。

吹玻璃:一种古老的玻璃制造法,为不让熔得早已软化的前端掉落,一面轻轻吹气,一面不停转动手中吹管,玻璃不断膨胀成空心体;同时可挤压、拉伸成所需的形状。

由于吹制时的气流运动,瓶内有一波一波的天然纹路,由于是人工掌控,所以制造出的玻璃比一般的玻璃薄很多。

钢化玻璃:玻璃易碎,如果在玻璃型材制成后进行特殊淬火处理,即把玻璃加热到600~650℃以上,用油或其他介质使玻璃骤冷,即可使玻璃的抗弯强度提高7~8倍,这种玻璃打碎后成为小钝角形的碎粒,不会有刺伤人的危验,这就是钢化玻璃,适于作汽车等的车窗。

玻晶:在一般玻璃中加入少量的澄清剂,如硝酸钠、氧化砷等,可使玻璃变得更晶莹透明,这种玻璃人称玻晶,用它做成的器皿精美华丽。

微晶玻璃:如果在玻璃配料中加入少量金、银、铜等金属盐类做晶核,诱使玻璃形成细小晶胞,即可获得晶体颗粒在0.05~1微米的微晶玻璃。其晶格致密,强度高,抗弯强度是普通玻璃的7~12倍。

微晶玻璃耐高温性能好,在1300℃时才会软化;耐热冲击,在900℃时投入冷水中不会破裂;耐磨、耐腐蚀,能透过微波用作导弹的雷达罩,可用于生产特殊轴承。

光敏微晶:在微晶玻璃中加入感光金属盐类,即可制成光敏微晶玻璃。它具有如同照相底片一样的功能,一经加热,就会显示出图像。这种玻璃在光刻、光蚀技术及集成电路生产中具有重要作用。

玻璃晶莹透明,是生产光学仪器的重要材料。13世纪,威尼斯人用玻璃制成眼镜;16世纪,人们发明了望远镜和显微镜发明。

光学玻璃:有色玻璃是一种常见的光学玻璃,古人凭经验开始少量研制。到20世纪,光学揭开有色玻璃滤色的机理,人们据此制成各种光色玻璃,具有选择某些特定光线的能力。如为了保护珍贵书籍,应避免紫外线长期照射,人们采用含有氧化铬、氧化钒的玻璃做图书馆的窗玻璃,即可阻止紫外线进入书库。在原子能工业中,在作为观察窗和观察镜的玻璃中,加入硼和镉的氧化物吸收中子流,加入氧化钡、氧化铝吸收γ射线。

变色玻璃:根据光色互变原理制成的变色玻璃,是在玻璃中加入卤化银并经适当热处理,使卤化银部分沉淀为微晶,当强光照射,卤化银分解为卤素和银,使玻璃变暗,减少光线透过;当无光照,卤素与银又结合为卤化银,形成无色晶体。这种变色玻璃适于制作变色眼镜和汽车前窗玻璃,能有效保护视力。

玻璃纤维:把熔化的玻璃拉成细丝,即成为玻璃纤维。

玻璃纤维是20世纪30年代的新产品。随着技术的不断发展,玻璃丝越拉越细,已超过羊毛和棉纱,玻璃制品从此成为抗拉强度很高的纤维。用玻璃纤维制成的绳子、缆等比钢绳轻,在建筑、航海上用途广泛;用玻璃纤维制成的布,耐高温,不怕腐蚀,并具有绝缘隔热性能,在电机、化工、冶金、交通、国防等部门倍受好评。

光导纤维:一种玻璃纤维,它用一种折射率较高的玻璃作芯子,用另一种折射率较低的玻璃作包皮,套制而成。

由于玻璃的光学特性,光可以通过光导纤维向远方传递。光导纤维越细越纯,在传输中光能的损耗就越少。光导纤维传递信号的能力强,一根比头发丝还细的光导纤维能传递上千路电话;光缆根本不受电杂音干扰,可和电线捆在一起而不失真,重量轻,占地少,尤其适于高效的通讯交流使用。

光纤通讯技术是通讯史上的一次重大变革。

小知识

新型防弹玻璃

防弹玻璃是能够抵御枪弹射击而不被穿透,最大限度地保护人身安全的深加工玻璃。传统的防弹玻璃是由多层无机玻璃和PVB胶片进行夹层复合而成,需要大厚度的玻璃来满足防弹性能要求。

利用先进的设备和有机-无机复合工艺研制的一种新型防弹玻璃,是用一种新型中间粘结材料将高强度透明有机板材和无机玻璃牢固粘结复合而成。与传统的防弹玻璃相比,这种新型防弹玻璃具有重量轻、厚度薄、强度高、枪弹冲击后不穿透且背面无飞溅物的特点,起到了更好的保护作用。

有机高分子材料

高分子化合物指含有很高分子量的化合物,一个分子通常含有几十万、几千万甚至更多原子,这些分子是形状细长的链,链彼此纠缠,分子间吸引力极强,使高分子具有一定的强度和弹性。当高分子受热,长链不易传热,熔化前有一个软化过程,具有良好的可塑性。高分子同时具有良好的电绝缘性。有机高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、液晶材料等。

塑料:塑料在日常生活中随处可见。在工业上,塑料广泛用作管道、外壳及机械零件。全塑汽车也出现在车流中。

塑料以合成树脂为主要成分,加入某些添加剂后,构成可塑性高分子材料。塑料完全是人造材料。树脂是生产塑料的原料,但生产塑料用的是合成树脂,它将低分子量的化合物经各种化学反应聚合成分子量成千上万的高分子量化合物,一般以生产塑料的合成树脂命名塑料。

按其性质,塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的分子链为线型或枝型链,一般受热变软或变成粘稠体,在加热条件下可塑化成形,可重复变形;热固性塑料的分子链呈网状,在加热初,具有流动性,继续加热后,会发生化学反应,生成网状链,此时,原料固化,无法再用加热的办法使它重新具有可塑性。

合成橡胶:橡胶是一种天然高分子材料,是橡胶树树汁经处理后得到的一种材料,人类早在11世纪就有了关于橡胶球的记载。

橡胶的主要特点是它的拉伸弹性和压缩弹性,因而在日常生活、工业和国防等领域有重要用途。由于天然橡胶无法满足实际生活所需,人们开始开始生产人工合成橡胶。

橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。通用橡胶主要指用于轮胎制造和民用产品方面的橡胶,产量占合成橡胶的50%以上;特种橡胶作为特殊用途的橡胶性能要求很高,如需耐200℃以上高温或零下120℃以下低温而性能不变,或具有高度绝缘、耐辐射、耐真空的特性。

生活中常见的另一类橡胶制品是薄膜制品,如医用手套、探空气球、飞艇、雨衣等,它们由液体胶乳制成。液体胶粘剂又称液体橡胶,是一种低分子量的聚合物,广泛用于粘结各种金属、塑料、皮革、书籍等。

纤维:纤维材料包括:天然纤维,如植物纤维棉、麻等和动物纤维羊毛、蚕丝等;化学纤维,包括人造纤维和合成纤维。

天然纤维资源有限,现代的合成纤维工业以石油、天然气为原料。

皮革、纸张都属于平面型纤维交织物。皮革纤维是强韧的胶原蛋白纤维,经鞣革剂作用,形成强固的网状结构;纸张纤维是植物性纤维,在造纸过程中,这些植物纤维纠结成网络结构。

合成革是把树脂涂在底物布上制造成的树脂薄膜,没有微气孔,不透汗,穿起来会有不适感。后来,人们在合成革中加入聚氨脂,聚氨脂在凝固过程中会产生微气孔。这种合成皮革像天然皮革一样透气,比天然皮革耐用,可装饰成各种真皮外表。

普通纸的强度一般不高,易被虫蛀,不耐酸碱。用人造纤维为原料制成聚合薄膜,再经纸化工艺,即可得到合成纸。目前,用于描图的描图纸,用于印刷制版的铜版纸,不怕日晒雨淋的广告纸,用这种纸生产的军用地图和防水海图,抗折抗皱,不怕水,使用方便。如果用合成纤维作原料,按传统造纸法即可造出合成纤维纸,它强度高,抗腐蚀,抗撕折,抗霉蛀,用作电池隔膜纸,不仅提高了电池寿命,同时改进了电池性能。

功能高分子材料

功能材料主要包括功能高分子材料、与能源有关的材料、具有生理机能和生物活性的材料以及具有“感觉”和“记忆”功能的材料。这些材料利用其物理和化学的特殊性能,如光电效应、生理机能、催化活性、记忆功能等。

高分子材料是功能材料的主要部分。

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