千疮百孔的泡沫金属

作者:              发布时间:2008-07-31


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美国杜克大学工程系有一位叫富兰克林·科克斯的工程学教授,是研究金属材料的行家。大多数人对金属的密度或比重的认识都比较肤浅,以为就是一种物理性能,仅仅表示谁轻谁重而已。密度大的就重,像铅。密度小的就轻,像铝。但科克斯对密度或比重的认识,却比别人要深。↑↑↑ ↑

他对比了各种金属的密度和它们的化学性质后,意外地发现。金属的密度或比重和其化学活性有密切的关系。即金属的密度越小,它的化学活性就越大。比如锂,是金属中密度最小的,每立方厘米才0↑↑.↑↑↑534g,比水还轻。因此特别活泼,在室温下就能和空气中的氧、氮起猛烈反应,所以必须保存在凡士林或石蜡中。镁也是轻金属,镁粉用一根火柴就能点着。至于钠和钾,在空气中不点就能着火,因为钠的比重是0↑↑.↑↑↑971;钾的比重是0↑↑.↑↑↑86;平时必须保存在煤油中。而铂、金、银、锇等贵金属的比重大,因此在空气中非常稳定。像铂,在硫酸、盐酸、硝酸甚至在王水中都能“游泳”。↑↑↑ ↑

科克斯经过多年研究,在1963年宣布发现了这个并不深奥但却被许多人视而不见的规律。由于这个规律的确算不上重要和深奥,在当时也没有发现有什么特殊实用价值,人们也并不重视。到了90年代,科克斯提出了一种新思想。认为在航天领域中,为节省燃料和各种费用,总希望用质轻而结实的材料。像锂镁等金属在地面上使用有许多不足,尤其作结构材料几乎不可能,因为它们太活泼,易氧化着火。但它们在太空中却大有用武之地,因为在太空中没有地球上引起锈蚀和化学反应的空气,那里几乎是真空。↑↑↑ ↑

于是,科克斯决定对这些轻金属进行“改造”。他知道,塑料如果进行泡沫化,可以使密度成倍成倍地降低,变成很轻但很有用的泡沫塑料。如果把这些金属也变成泡沫金属,它们的密度也会变得更小,可以在水中浮起来。↑↑↑ ↑

1991年,科克斯利用“哥伦比亚”号航天飞机进行了一次在微重力学条件↑↑(↑↑↑即失重状态↑↑)↑↑↑下制造泡沫金属的试验。他设计了一个石英瓶,把锂、镁、铝、钛等轻金属放在一个容器内,用太阳能将这些金属熔化成液体。然后在熔化的金属中充进氢气,产生大量气泡。这个过程有点像用小管往肥皂水中吹气,会产生大量泡沫一样,金属冷凝后就形成到处是微孔的泡沫金属。↑↑↑ ↑

一件东西如果是千疮百孔,人们一定以为是低劣产品。有人怀疑这种泡沫金属能作结构材料吗实验证明,用泡沫金属做成的梁比同样重量的实心梁刚性高得多。因为泡沫使材料的体积大大扩张,获得了更大的横截面,因此用泡沫金属制造的飞行器,可以把总重量降低一半左右。↑↑↑ ↑

用“千疮百孔”的泡沫金属建立太空站还有一个优点,即在空间结束其使命时,可以让它们重返大气,在大气层中迅速彻底燃烧化成气体,减少空间垃圾。↑↑↑ ↑

1993年,美国的一家世界有名的实验室桑迪亚国家实验室,因为不会生产高质量的多孔泡沫金属,不得不从乌克兰第聂伯罗彼罗夫斯克冶金学院专门购买一种多孔金属制造技术。乌克兰的这家冶金学院则提出一个条件,只许美国使用这种技术5年时间。↑↑↑ ↑

为什么号称为世界科学技术最先进的美国还要向乌克兰购买多孔金属原来这种多孔泡沫金属能制造太空火箭中的煤油雾化器,迫使煤油通过有大量微孔的雾化器,由油滴变成油雾,使燃料达到最佳燃烧状态。↑↑↑ ↑

但美国生产的多孔泡沫金属是用粉末冶金方法生产的,其中的微孔弯弯曲曲,使用效果不好。而乌克兰生产的多孔泡沫金属中的微孔可以定向,可以沿零件的长度方向排列。↑↑↑ ↑

乌克兰的科学家通过控制各种工艺技术条件和控制金属从熔化到凝固的冷却时间,制造出各种孔径的优质多孔泡沫金属。零件中的孔径尺寸,小的可以达到5μm,约一个细菌那么大。孔径大的可以达到10mm。孔在零件中占的体积可以小到只占零件体积的5%,但也可以大到占零件体积的75%。↑↑↑ ↑

目前,怎样生产这种多孔金属的技术细节属于机密,生产工艺细节绝不透露,只能从一些蛛丝马迹中了解其大概情况。据报道,乌克兰生产的这种多孔金属是用铜和铁一类金属制造的。他们先将金属在一台密封的炉子中熔化,然后在熔化的金属中充进高压氢气和其他气体。这样金属在冷却凝固过程中就会存在大量气孔。↑↑↑↑但孔的大小和孔的排列方向的控制是生产多孔泡沫金属的关键。只有当气体的压力和成分控制在非常精确的范围内,才能获得符合要求的优质多孔泡沫金属。乌克兰科学家说,由于他们经过了大量的实验研究,也成功地掌握了生产用于航空航天火箭燃料雾化器的多孔材料的技术。用这种材料制成的雾化器,可以大大节省燃油,因为它能显著增加燃料的雾化程度,达到最完全燃烧的效果。↑