金屬也可以像泡沫塑料嗎

如果有人告訴你，一塊鐵可以像泡沫塑料一樣地在水中浮起來，你會相信嗎？通常我們所見到的金屬材料大都是致密的，一般都很堅硬。但是如果采用特殊的生產(chǎn)工藝也可使金屬內(nèi)部產(chǎn)生很多孔隙，這種金屬被稱為多孔性金屬。

多孔性金屬可以分為多泡性金屬和通氣性金屬兩類。兩者的區(qū)別是前者的孔隙是獨立的，和外部沒有聯(lián)系，就像我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降姆涓C一樣（不過，多孔金屬的孔可沒有蜂窩的孔那么大，它的孔是極其細小的，甚至我們?nèi)庋鄱伎床坏剑?，而后者是連續(xù)相通的。

多孔性金屬中孔隙占總體積的百分數(shù)稱為孔隙度，它是衡量多孔體金屬的重要指標，孔隙度越大，說明金屬里面的孔隙越多。大家想想，如果把它放大，是不是很像泡沫？所以，人們把孔隙度達到90%以上，具有一定強度和剛度的多孔體金屬稱為泡沫金屬。這種金屬孔隙含量高，而且孔隙直徑可達毫米級，幾乎是連通孔，因而它屬于通氣性金屬。

泡沫金屬可以達到省能源、省資源的目的，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)制品發(fā)展的需要。與塊狀材料相比，泡沫金屬具有以下幾個特點：

第一，質(zhì)量輕。同樣體積大小的金屬，其中所含的孔隙越多越大，就越輕。當孔隙度為90%時，大部分金屬比相同體積的水還要輕。當孔隙度達到90%以上，鐵就可以成為在水上漂浮的泡沫鐵。但是，孔隙的大小和在金屬內(nèi)部的分布是不是均勻也很重要，否則即使金屬的孔隙度再高也可能浮不起來。所以，如何使孔隙大小均勻分布，是制造泡沫金屬的一個關(guān)鍵和難題。

第二，強度隨孔隙度的增加而降低，在較大的壓力下容易發(fā)生較大的形變，所以泡沫金屬具有很好的吸收能量的功能。

第三，導熱率隨孔隙度的增加而降低。如孔隙度達到50%以上時，熱傳導要下降幾十倍。這樣它對熱的傳導變得很慢。

此外，泡沫金屬還有在較寬頻率范圍內(nèi)較好的吸音特點，有很強的屏蔽電磁波和良好的耐熱性能。

泡沫金屬

目前，用于制造多孔金屬材料的金屬主要有銅、銀、鈦、鎳及其合金和不銹鋼等。制造多孔金屬材料主要采用以下幾種方法：熱擠壓法。如鋁、鎂及其合金粉末與某些碳酸鹽混合，在熱擠壓下成型，在更高溫度下發(fā)泡，可以制成多孔性材料。

熔融金屬法。這是指低熔點的金屬在熔融狀態(tài)時加入某種發(fā)泡劑，在強力攪拌下達到使氣體分布均勻從而使金屬中產(chǎn)生氣泡的方法。通常，為了得到缺陷較少的鑄件，要利用流動性較好的金屬，以減少熔融金屬中吸附的氣體，因為金屬中含有氣泡會降低金屬的強度。但制造多孔性金屬的方法則正好相反，它要的就是金屬中的氣泡，而且要達到很高的比例，因此要使熔融金屬的粘度增加，使其中的氣體不易脫出，并把氣體在金屬內(nèi)部凝固下來。

粉末冶金法。燒結(jié)性多性體材料是研究最多、應(yīng)用較為成熟的多孔性材料。該方法是在粉末中加入發(fā)泡劑，燒結(jié)時發(fā)泡劑揮發(fā)，留下孔隙。

電化學沉積法。利用發(fā)泡程度很高的塑料骨架，用電鍍的方法將金屬沉積上去，然后把塑料燒去，同樣也會留下孔隙。

鑄造法。利用金屬的吸氣——放氣現(xiàn)象進行鑄造的方法。

多孔體金屬的用途很廣，作為結(jié)構(gòu)和裝飾材料，已在建筑、運輸設(shè)備、住宅建設(shè)等方面獲得日益廣泛的應(yīng)用。以發(fā)泡鋁為代表的泡沫金屬，具有質(zhì)輕、剛性好、吸音、隔熱、屏蔽電磁波、耐沖擊和易加工等特點，大量用于隔音壁、隔音室、錄音錄像的房間、防震材料、電磁波的屏蔽材料和其它各種建筑材料等。

神奇的微晶玻璃

微晶玻璃是由微小晶體組成的玻璃，為玻璃家族中具有獨特結(jié)構(gòu)和特性的成員。由于它和陶瓷有著相似的結(jié)構(gòu)，所以又被稱為“玻璃陶瓷”。

玻璃在一般情況下屬于非晶態(tài)固體物質(zhì)。但是，它的這種結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在溫度達到900～1000攝氏度的時候，就會析出晶體，形成按一定規(guī)則排列的分子結(jié)構(gòu)。

制造微晶玻璃，就要創(chuàng)造一種使它能夠析出晶體的條件。條件之一就是要達到一定的溫度，條件之二是提供結(jié)晶的核心。除了玻璃自身成分可以作為結(jié)晶的核心外，許多金屬元素和化合物也可以作為結(jié)晶的核心。在熔煉成型后，利用紫外線照射并進行熱處理，或直接進行熱處理，就可以使結(jié)晶核心像種子發(fā)芽一樣生長出許多微小晶體。其直徑為1～2微米（1微米為100萬分之一米），只有頭發(fā)絲直徑的幾十分之一。

根據(jù)制作過程的不同，微晶玻璃可以分為光敏微晶玻璃和熱敏微晶玻璃。利用紫外線照射而成的微晶玻璃，稱為光敏微晶玻璃；沒有用紫外線照射，只通過熱處理形成的微晶玻璃，稱為熱敏微晶玻璃。

目前，人們已經(jīng)制造出一千多種不同成分的微晶玻璃，它們雖然具有各種不同的性能，但仍然有許多共同的特點。它的硬度高，抗彎強度是普通玻璃的7～12倍，軟化溫度非常高，在900攝氏度以上的高溫時，即使突然投入水中也不會炸裂。它的膨脹系數(shù)可以調(diào)整，甚至可以為零。正是由于它所具有的優(yōu)異特性，在各個領(lǐng)域發(fā)揮出新奇的作用。

例如，經(jīng)過精心制作的光敏微晶玻璃，具有良好的電學性能和化學加工性能，可以用來制造印刷線路板的基片和鏤板，還可以制造射流元件，利用它的化學蝕刻功能，可以在指甲那么大的玻璃上打出上萬個孔。利用光敏微晶玻璃制成的高級裝飾品和藝術(shù)珍品，工藝精湛，造型美觀，深受人們的歡迎。

利用某些微晶玻璃所具有的熱縮冷脹的特性，靈活調(diào)整它的膨脹系數(shù)，可以廣泛用于熱工儀表、廚房用具、醫(yī)學和建筑材料等領(lǐng)域。利用微晶玻璃做成的凹鏡，精度不受環(huán)境溫度的影響，在大型反射式望遠鏡中大顯身手。

微晶玻璃容易進行成型加工，在短時間內(nèi)可以耐高溫，可以用來做導彈的彈頭防護罩，在導彈飛行時能輻射大量的熱，從而能夠降低導彈溫度。此外，還可以用作火箭、人造衛(wèi)星和航天飛機的結(jié)構(gòu)材料，在機械工業(yè)上制造滾動軸承、高速切削刀具、熱交換器等耐磨、耐熱的機械零件。一些特殊性能的微晶玻璃還可以用來加工成人工關(guān)節(jié)、人工牙等人體部位的代用品。

近幾年，日本新建的車站或者車站翻新時，其內(nèi)、外墻大多改用微晶玻璃板，如名古屋附近的車站、箱崎地鐵站等。另外，在為數(shù)眾多的商業(yè)建筑、娛樂設(shè)施及工業(yè)建筑的飾面裝修中采用微晶玻璃者更可謂比比皆是。這些建筑物改變了都市、鄉(xiāng)村的風貌，實實在在顯示了微晶玻璃板勢必成為21世紀建材界的新寵。

高科技特種玻璃

微晶玻璃已經(jīng)夠神奇的了，現(xiàn)在，我們再來了解幾種特殊的高科技玻璃。

能儲存光的玻璃

日本住友光學玻璃公司成功開發(fā)了一種能貯存光的特殊玻璃。當光束照射在這種玻璃上的時候，它可以儲存光能，然后，以長時間發(fā)光的形式將所儲存的光能逐漸釋放出去。這種玻璃是一種氧化物玻璃，在制作中添加了硫化鋅和少量銅及放射性元素鐳和钷，并經(jīng)過嚴格的環(huán)境保護處理后制出成品。這種玻璃在用水銀燈照射1～30分鐘后，可以持續(xù)發(fā)出淺綠色的光，發(fā)光時間可以達到12小時以上。用遠紅外線激光進行照射時，則會引起綠光輻射激烈發(fā)光現(xiàn)象。目前，這種玻璃被用于制造醫(yī)療領(lǐng)域的記錄材料，建立室內(nèi)暗處照明的安全設(shè)施，還可以用來建造利用太陽光的節(jié)能設(shè)施。

能自我清掃的玻璃

司機在雨天開車必須使用雨刷來幫助清潔擋風玻璃，但是還是會有水漬，內(nèi)表面又容易因為蒸汽起霧，影響行車安全。日本科學家發(fā)明了一種可以自我清潔而不結(jié)霧的玻璃。這種玻璃的表面具有“雙重可濕性”，可以同時沾上水和油兩種液體，所以，當玻璃上有水氣的時候便會在整個玻璃表面上擴散開來，而不會凝成水珠。此外，水在這種玻璃上可以滲透到油性污物中，將油污沖洗掉，從而具有很強的自凈能力。有人做過這樣的實驗，在向玻璃噴水氣的時候，普通玻璃已經(jīng)結(jié)滿了霧珠，而這種玻璃卻依然可以透過文字和圖片供人們閱讀。

能吸收光能的玻璃

瑞士化學家邁克爾發(fā)明了一種可以發(fā)電的太陽能玻璃。這種玻璃有夾層，在這兩層玻璃之間加進了超薄化合物，這種化合物可以吸收光能，還可以導電。當太陽光照射這種玻璃的時候，化合物可以吸收光能，轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，這時，只要用導線接通，就可以用于照明或為其他電器供電。現(xiàn)在，每平方米太陽能玻璃可以發(fā)出150瓦的電力。

會變顏色的玻璃

德國皮爾金頓公司研制出一種變色玻璃。這種玻璃的表面鍍有一層超薄氧化鎢涂層，在該涂層上通過低電壓的時候，氧化鎢的氧化狀態(tài)會發(fā)生變化。通過控制電壓的高低，可以使玻璃發(fā)生由完全透明到深藍等多種顏色變化。當室外光照過強時，玻璃顏色會逐漸變深，既可以防止室內(nèi)溫度過高，也有助于減少電腦電視屏幕等可能對人眼造成的反光。當室外光線微弱的時候，玻璃又會逐漸變得透明，以增加透光性。建筑物裝配上這種玻璃后，能夠整體或單片與建筑物電力管理系統(tǒng)相連，發(fā)揮天然“空調(diào)”的作用。測試表明，節(jié)能效率最高的時候，它能夠使對建筑物進行內(nèi)部調(diào)溫所需的能量節(jié)省一半以上。

玻璃微珠

你看過露天電影嗎？平常我們看電影得去電影院，電影開始放映時，必須關(guān)閉所有燈光，在黑暗中才能保證清晰地看到電影畫面。但是，國外卻有一種大白天在露天放映的電影，一樣可以看得清清楚楚。為什么呢，秘密就在于它的銀幕。

“白晝電影”的銀幕是由一種玻璃物質(zhì)構(gòu)成的，這種銀幕會使電影畫面顯得更加清晰。從表面上看，好像銀幕是由粉末狀的物質(zhì)構(gòu)成的，但如果把它放在光學顯微鏡下觀察，則發(fā)現(xiàn)是粒度十分均勻的球型顆粒。直徑只有頭發(fā)絲一般大小，用眼睛很難分辨。這些微小的玻璃珠對光線有很強的反射作用，光線從哪個方向射過來都可以向原來的方向反射回去，而且亮度很高，即使在白晝，人們也能夠很清晰地看到銀幕上的畫面。

那么，玻璃微珠是怎么得到的？

玻璃微珠是在比較復雜的技術(shù)條件下獲得的。它的原料具有較高的折射率，加上在玻璃中含有很高折射率的重金屬氧化物，放進電爐或煤氣爐中進行高溫熔融。直到原料變得均勻清晰時，取出進行迅速冷卻、粉碎、篩選，制成大小適宜但形狀不規(guī)則的顆粒。然后，采用等離子噴涂技術(shù)，將它們制成透明、均勻的球形玻璃微珠。

經(jīng)過一系列復雜的工藝流程生產(chǎn)出的玻璃微珠，具有耐水、耐酸等優(yōu)良的性能。特別是它的折射率很高，當光線射入時，玻璃微珠就像一面微型凸透鏡，能夠?qū)⒐饩€有效地折射回去。

在現(xiàn)代社會不斷進步和發(fā)展中，玻璃微珠有著越來越重要的作用。除了可以做成新奇的露天電影銀幕之外，還可以制成各種定向反光膜，廣泛用于各類交通標志，如道路標志、汽車牌號、橋梁隧道入口標志、救生用具反光標記、航標和機場信號牌等，還能用來制成彩色印花反光織物，這種織物可以制作礦山、消防、環(huán)衛(wèi)等部門的工作服，以及其它反光衣物，為減少事故、改善管理、提高效率起到極為重要的作用。

玻璃纖維，性能超群

我們?nèi)粘４┑囊挛?，如羊毛衫、棉毛褲，都是由動物纖維或植物纖維紡織得到的。玻璃纖維，顧名思義是一種玻璃呈纖維狀的材料。它種類很多，包括了硅酸鹽纖維、硼酸鹽纖維、碳化硅晶須等，甚至也包括碳纖維，即所有的非金屬纖維。

人類認識纖維的歷史很久遠。古埃及人在制作陶器的時候，就已經(jīng)知道從半熔石灰石和碳酸鈉混合料中快速抽出一兩根纖維，用于裝飾當時極為珍貴的陶器表面。20世紀40年代，人們開始用高速旋轉(zhuǎn)的裝置從熔融玻璃中抽拉出直徑幾個微米（一微米為100萬分之一米）的連續(xù)纖維，并開始將熔融玻璃或其它巖石用火焰噴吹成棉狀纖維，開創(chuàng)了現(xiàn)代玻璃纖維工業(yè)。

玻璃纖維有許多引人注目的性能：質(zhì)量輕、強度高、絕緣、防腐、防高溫。它的抗拉強度遠超過鋼鐵，可以紡織、縫編，易于與各種材料復合。其重要用途是用來制造纖維增強材料。纖維增強材料就是兩種或兩種以上的纖維、基材的復合材料，在天然的物質(zhì)中，這種材料十分罕見，但它卻存在于我們的生物肌體中，如骨骼、肌肉纖維等。纖維增強材料的重要特點是具備纖維和基材都不具備的新特征。

光導玻璃纖維的出現(xiàn)和光線傳輸技術(shù)的發(fā)展，使光線能夠通過光纖穿越遙遠的路程，而光纖通訊在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，構(gòu)成了信息時代的基礎(chǔ)之一；電絕緣用玻璃纖維也是玻璃纖維中的重要一員，尤其是用玻璃纖維制作的印刷電路板是各類電腦、電器的必備材料；棉狀玻璃纖維則在建筑領(lǐng)域大顯身手，用它制成的建材輕質(zhì)、保溫、吸音、防火、隔熱，滿足了現(xiàn)在家庭無噪音、溫差小、低能耗的要求。另外還有導電玻璃纖維、半導體玻璃纖維和耐輻射玻璃纖維等，在各個方面有著廣泛而重要的用途。

一根根細細的玻璃纖維，就這樣為我們編織出了一批性能超群的新材料，支撐著各不同領(lǐng)域的發(fā)展。