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第15章 金属的神通

飞机是用什么材料制造的?也许我们都知道是铝镁合金。

是的,铝镁合金又轻又结实,在飞机制造业中立下了汗马功劳,直到现在,它还是许多飞行工具的主要制造材料。

然而,随着航空工业的迅猛发展,飞机的飞行速度也是越来越快,与飞机表面相接触的一层空气,由于摩擦生热而使飞机表面的温度越来越高。这个时候,飞机上的铝镁合金就吃不消了,强度也迅速地降低。事实证明,允许的最高工作温度仅200℃左右的铝合金,根本就不能用来制造飞行速度超过音速两倍半的喷气式飞机;但是耐热的不锈钢又太笨重。

那究竟用什么材料呢?

唯一的选择就是钛和它的合金。一般情况下,飞行速度超过二三倍音速的飞机,就要用钛合金来制造,其他的金属很难胜任。

那么,钛都有哪些优异的性能呢?

钛最珍贵的特征是比重小,强度大,这方面它的性能目前还是没有金属可比的。

举个例子来说,钛比铁强韧得多,比重却只有铁的一半多一点,而且钛不会生锈。比铝只稍微重一点,强度却是铝的4倍,它耐热的本领也远远大于铝。钛的比强度(强度和比重的比值)是不锈钢的3.5倍;铝合金的1.3倍;镁合金的1.6倍,是目前所有金属材料中最高的。

钛合金既能经受得住400℃~500℃以上高温的锻炼,又能抗得起-100℃多低温的考验。因此,钛和钛合金已经成为制造飞机、枪炮、船舰等现代武器不可缺少的材料。

现代超音速喷气式飞机的发动机以及机身中的防火壁、机架、舱盖等,大部分都是用钛合金来制造的,一架巨型喷气式运输机上有上百万个紧固件,其中用钛量可达几吨甚至几十吨。有些超音速远程截击机,用钛量占它结构总量的95%,所以得到了“钛飞机”的称号。

钛和钛合金因为它的优良特性,还可被用来制造自动步枪、迫击炮以及装甲车、坦克的某些零件。这样做有很多的好处,比如用钛合金代替钢材制造坦克的悬吊装置和履带之后,一下子就可以减轻重量40%,这对提高坦克的作战机动能力不是太有用了吗?

一、空间金属

不光飞机,火箭、导弹、宇宙飞船等对其制作材料也提出了更多更高更严格的要求。这个时候,又是既轻又强韧,并且在高、低温的情况下都具有良好性能的钛发挥了作用。

近几年来,人们研究并试验制作了许多新型的钛合金,抗拉强度都在1千克/平方毫米之上。这类高强度的钛合金究竟是用来干什么的呢?

目前,钛和钛合金主要是用来制造火箭、导弹的燃料和氧化剂的储存箱以及其他高压容器。另外,大量的钛用来制造火箭,导弹的外壳,及宇宙飞船的船舱等。

也许我们都知道,对于上天的火箭、导弹和宇宙飞船来说,重量实在是特别需要精细计算的。在火箭、导弹、宇宙飞船上使用钛和钛合金代替钢材后,体重可以减轻几十到几百千克,这样的一点点“减轻”就能很好地改善它们的飞行性能。比如,远程导弹每减轻1千克,就增加7.7千米的射程,末级火箭每减轻1千克,就减少30~100千克的发射总重量,射程可以增加15千米以上。重量减轻了,还能节省大量昂贵的高级燃料,降低建造和发射的费用。这样你就明白了,把钛称之为“空间金属”是当之无愧的。

二、抗蚀很神奇

你的手腕上戴手表了吗?闪闪发亮的表壳,为什么这么久了都没有黯然失色?原来表壳就是用抗蚀性很强的镍铬不锈钢做的。

钛的抗蚀本领要比不锈钢强好多。常温下,钛可以躺在各种强酸强碱的溶液中却安然无恙。就连最凶猛的“王水”也奈何不了它。特别是对海水的耐蚀性方面,钛的能力更强,可与白金相媲美。

曾经有人把一块钛片沉到海底,五年以后取出来,上面粘了许多小动物和海底植物,却一点也没生锈,依旧亮闪闪的。

钛因为耐腐蚀,所以在化学工业上常常要用到它。过去,化学反应器中装热硝酸的部件都用的是不锈钢。不锈钢也怕强烈的腐蚀剂——热硝酸,每隔半年,这种部件都要统统换掉。部件本身不贵,但每次更换时所花的费用和因停工而带来的损失,要比部件本身的价格高许多。现在,用钛来制造这些,虽然成本要昂贵一些,但是它可以连续不断地工作五年,计算起来反而划算得多。

我们都看过电影,可是好多人并不知道在电影底片和正片的制作中,要经过许多道的工序,用多种强酸强碱的药物,这些对洗印设备的腐蚀是十分严重的。西安电影制片厂在1980年首先在洗印设备上试用钛材,结果,以前几个月就被腐蚀平的送片齿轮,改用钛材料制作后,运转了一年多的时间,仍然丝毫无损。

终年航行在茫茫的大海上的船舰,水下的部分必须有除锈涂漆的作用,要不然很快就变成了“破铜烂铁”。如果使用钛和钛合金来制造军舰、潜艇、船舶的部件,这类麻烦和损失就可以避免。用钛制造的潜水艇,重量变轻了,可以比不锈钢制造的潜水艇的潜水深度增加80%,达到4500米以上。

三、钛的怪脾气

液体和固体的东西对钛都没有办法,王水对它也束手无策,但是,有的气体和钛却十分的投缘,喜欢跟氮、氧、氢、二氧化碳、水蒸气、甲烷等许多气体相结合。

我们可以让它的这个“怪脾气”为我们服务。

节日夜晚五光十色的焰火,我们都不陌生吧?在这里也有钛的一份功劳。钛粉和氧气迅速结合而燃烧的时候,能产生强烈的高温与光辉。节日里,焰火可以增强欢乐的气氛,军事上,可以作为信号弹,用来指示目标和传达命令。

钛对空气有强大的吸收力,利用这一性质可以除去空气,造成真空。比如说,用钛制成真空泵,就可以把空气抽到只剩下十万万万分之一。

冶金工业中,少量的钛加到钢或其他金属里,能“吃掉”其中的气体和杂质,能起到脱氧除氮的作用,还能消除硫,并可以改善钢和其他合金的机械性能,提高它们的抗蚀能力。

四、白到世界之最

墙壁、雪、纸张等,世界上有许多白的东西,可是你知道世界上最白的东西吗?

这种东西就是二氧化钛,一种雪白粉末,是最好的白色颜料,俗称钛白。以前,人们开采钛矿的主要目的就是为了二氧化钛。钛白有极强的黏附力,常温下很稳定,永远是雪白雪白的,特别可贵的是钛白无毒,不会对人体造成伤害。

钛白的威力有多大?1克钛白可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的锌钡白要白五倍,是调制白油漆的好颜料。在世界上用作颜料的二氧化钛,一年多达几十万吨。纸里也可以加二氧化钛,使纸变得白而不透,钞票纸和美术用纸中都加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作白色的橡胶的填料。

五、“水下眼睛”的奥妙

鱼类在海洋里一般都是成群结队地游来游去。当渔民驾着渔船来了以后,它们就躲到了水下面,但是,渔民对它们躲的地方却是清清楚楚,便可以准确地撒下渔网。

渔民是怎么知道鱼群躲避的地方的呢?

说来简单,渔民有个“宝贝”,它有一双锐利的“水下眼睛”,可以透过海水“看到”鱼群的位置,再把这个消息报告给渔民,它的名字叫鱼群探测仪。

鱼群探测仪这一双锐利的“水下眼睛”又是怎么回事?

原来,鱼群探测仪里有一种叫做钛酸钡的物质,这种物质的晶体有这么一个脾气:当人们把它放在超声波中时,因为超声波对物体会产生一定的压力,它受到压力就产生电流;相反,如果人们给它通电时,它又会产生超声波。

它的脾气真是太奇怪了。

利用钛酸钡的这个脾气,人们制成了鱼群探测仪。渔民先让高频电流通过钛酸钡的晶体,然后产生了超声波,超声波在水中可以传播,当碰到鱼群的时候,它们中的一部分就被鱼群挡了回来,钛酸钡接收到返回的超声波后,产生了电流。这时,计时装置就记下了超声波往返的时间,乘上超声波的速度,就可以计算出鱼群与渔船之间的距离。

鱼群探测仪就是这样发现鱼群的位置的。

此外,用钛酸钡还能做成水底探测仪,它也有锐利的“水下眼睛”,它不只能看到鱼群,还能看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。

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