未来新金属材料
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发布时间：2008-07-31
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世界各国都在大规模研究放射性快速衰减的低活性结构材料。这方面特别有意义的是钒和以钒为基、添加有铬和钛的合金。高纯钒经过５～１０年，其放射性就会达到安全水平，经过１００年放射性能够达到这一指标的材料也被认为是有前途的材料。但是应该考虑到，高纯钒是一种相当紧缺而昂贵的材料，将其使用在反应堆中会受到很大限制。原子能技术用新材料的研制人员对某些元素的同位素发生了兴趣，其中包括铁－５８和锆－９０。这些同位素的放射性衰减速度比这些元素的其它同位素要快几百倍。反应堆建设用高效材料的开发正处于开始阶段，这一问题还没有得到很好解决。↑
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↑金属的耐腐蚀性↑ 腐蚀是机器、设备、建筑、用品失效的主要原因之一。各工业发达国家因腐蚀造成的损失约占其国民经济总产值的２％～４％，我国企业因腐蚀造成的损失平均占企业总产值的２％，有的企业高达１１％。对于材料价格不具有决定意义的特殊用途结构而言，可使用各种不锈钢及合金。生产不锈钢要采用稀缺的合金元素--镍、铬、钼等。大批量使用的钢，多为简单的碳素钢及低合金钢，这种钢不具备抗腐蚀性能。↑ 前苏联金属总用量为２０亿ｔ左右，美国为２２亿ｔ。每年因金属腐蚀造成的金属损失高达１５００万ｔ。如果将这些金属用于炼钢，将能减少相当一部分矿石的开采量，既能节省资源，又能保护环境。↑包括缩小晶粒尺寸在内的组织因素，将能显著减少金属的腐蚀损失。研究证明，没有结晶组织的非晶态材料不会生锈，由于没有晶界，也就没有地方长锈。除直接损失金属以外，更大的经济损失是因腐蚀而造成设施、机器和设备提前报废。在钢上涂覆耐腐蚀金属(锌、锡、铝、铬、镍等)涂层、油漆及聚合物，可使损失有所减轻。但是由于这些工序的成本较高，使用受限制。↑ 科学和实践都不具备经济可行的方法能用于生产耐腐蚀性相当好的普通钢。任何一种简单的、可提高耐腐蚀性的工艺方法都将具有特殊意义。正在研究的方法有：细化金属表面晶粒或使表面非晶化。专家所面临的任务是使该方法变得更加简单而廉价。↑
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↑耐磨钢↑ 制造耐磨金属切削工具需要消耗大量的稀缺元素--钨、钼、钒。不久前，国外研究人员开发了不含稀缺元素的耐磨钢。其主要合金组分是铬及１.３％～１．５％的氮。在４００℃以内温度下，新材料的耐磨性不次于钨含量达１８％的高速钢。含氮钢在腐蚀活性介质中工作时性能不下降。↑
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↑铸铁↑ 工业上采用的铸铁牌号很多，从简单铸铁到高强铸铁、改性铸铁等。如果能够克服完全无塑性这一缺点，这种结构材料的使用范围将是不可限量的。铸铁实际上是不能变形的，只能在铸造状态使用。↑最近，出现了塑性铸铁，由其制造制品的方法不仅有铸造，还有轧制和其它的压力加工方法。正在建设用铸铁轧制研磨球的生产线。↑
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↑铝和钛↑ 这两种金属的特点是具有相当高的力学性能及耐腐蚀性，可使用在各种常规结构中，但特别广泛的使用还是在航空及火箭技术中。铝还用于建筑工业，通常用于代替优质钢。↑ 航空航天技术设备使用的主要结构材料是铝合金，其中包括铝-锂合金。该领域的主要问题是如何减轻重量。据介绍，现代航天飞行器的重量每减轻１，其发射费用将节省１万美元。战斗机重量若减轻１５％，则可缩短飞机滑跑距离１５％，增加航程２０％，提高有效载荷３０％。因此人们对最轻的金属--锂发生了兴趣。早在１９７２年，俄罗斯的垂直起飞式雅克-３６飞机机身就用铝-锂合金制造了，美国开始实验类似合金的时间是８０年代初期。米格２９最新改进型的机身和飞行员座舱等重要部件是用焊接的铝-锂合金制造的，使飞机重量减轻２４％，从而大大改善了飞机的性能。↑ 全俄航空材料研究院利用焊接生产歼击机的经验，与德国“戴姆勒-奔驰”公司和图波列夫设计局一起决定利用铝-锂合金制造３５０～４００座客机的焊接机身。长期以来人们一直认为，飞机应该采用铆接工艺。美国Ｃ－５Ａ军用运输机有２００万个紧固件、波音７４７飞机上仅钛制锥形螺栓就有７万个、俄罗斯伊尔-９６－３００飞机有４００万个铆钉。同时造船经验表明，如果说二次世界大战以前所有的船舶都是铆接的话，那么战后船舶研制人员则完全淘汰了铆接工艺，转而采用焊接结构件。很有可能，再过上５年左右的时间，我们将能看到世界上第一架用焊接方法制造的客机。↑ 铝还可用于制取高温技术设备所需要的金属间化合物。采用颗粒冶金等现代工艺，可生产强度不亚于低合金钢的高强铝合金(约７００ＭＰａ)。↑钛在航天技术中起特殊作用。实际上所有航天器的承力结构件都是用钛及钛合金制造的。钛的主要优点是密度小、热力学性能高、耐腐蚀性好。钛的金属间化合物(ＴｉＡｌＴｉ３ＡｌＴｉＡｌ３)的特点是密度小(３.８ｇ／３，仅为铁基合金及镍基合金的１／２)、弹性模量大(１７×１０４ＭＰａ)、抗氧化性高。钛-铝金属间化合物的工作温度约为８００℃，比成批生产钛合金高出２５０℃。目前正在研究金属间化合物的增强系，目的是要显著提高合金的强度性能及热强性能。专家希望，采用颗粒冶金工艺和快速热处理将能使结构钛合金的强度提高到１５００ＭＰａ，这将完全相当于高合金钢的性能。↑
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↑复合材料↑ 聚合物的主要优点是比重小(０.９５～２Ｎ／ｍ３)，缺点是耐热性不高(３００℃以内)，而且没有解决回收利用及二次加工问题。金属的特点是加工技术成熟，容易重熔再生。这些优缺点的相互配合，将使金属与聚合物的一体化利用成为可能。近年来，聚合物、金属及合金的弹性模量、抗冲击强度、抗断强度、变形极限等性能出现了明显的相互重叠倾向，以这些物质的不同组配为基础，人们可开发出不同的复合材料。↑ 有人说复合材料是将来的材料，用复合材料可制造符合结构要求并具有任意规定性能的材料，需要的只是寻找简单而廉价的生产工艺。反之，复合材料将只能使用在昂贵而重要的航空、航天及潜水等技术领域。↑ 金属复合材料很早以前就有生产，其主要形式是双金属或多层金属。功能金属复合材料的品种很多，有热金属、双金属点导线等。生产的复合材料通常为平面形式。然而人们对体积强化复合材料用于结构件的兴趣最大。在工程中通常使用以铝、钛或镁为基体、用纤维或颗粒增强的复合材料。在基体相对较弱的情况下，复合材料具有很高的力学性能，例如，Ａｌ－Ｂ复合材料的强度极限为１１００～１２００ＭＰａ，Ｍｇ－Ｂ复合材料的强度极限为１２５０ＭＰａ，比基体金属的强度高出好几倍。陶瓷基体复合材料(ＳｉＣ－ＳｉＣＡｌ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３等)的强度极限可达到１０００ＭＰａ。↑ 就品种和产量来看，以碳为基体用碳纤维增强的碳-碳复合材料占优势。这种复合材料的高温比强度显著超过钢及高合金化合金的强度，其主要缺点是在高温下碳容易氧化。采用不同类型的涂层和其它方法防止碳的氧化，可提高碳-碳复合材料的工作能力。这种复合材料的价格很高，决定了其主要应用领域是火箭技术。↑↑
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