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初二物理

北師大版初二物理新材料及其應用課外閱讀

時間:2012-11-22 11:13:53?? 作者:三A學習網?? 來源:三A學習網?? 閱讀:2653?? 評論:0

初二物理新材料及其應用課外閱讀

美發現三明治結構的超導新材料

  美國杜克大學科研小組日前宣布,他們首次發現一種新的超導材料——具有三明治結構的鋰硼化合物,其超導轉變溫度超過39K,刷新了現今最先進超導材料的紀錄。

  超導材料是一種電阻很小或沒有電阻的材料,目前實際應用的產品有磁懸浮列車和核磁共振成像掃描儀中的超導磁等。超導材料輸電時不會像傳統電線那樣因發熱而損失大量電能,因而可顯著減少電力損耗。不過,超導材料零電阻的特性只能在很低的溫度下才能體現。此前,這一轉變溫度為38K。科學家們幾十年一直致力于提高超導轉變溫度,追求設計出在室溫情況下零電阻的新超導材料,以便使超導材料能得到更廣泛的應用。

  據杜克大學帕雷德工程學院科研小組介紹,他們發現的三明治結構超導材料是由兩層硼原子及其中間所夾的鋰原子組成的化合物,超導轉變溫度超過39K,預計作為超導材料的綜合性能要比目前的至少提高10%

  參與此項研究的該學院機械工程與材料科學系教授庫塔羅拉說:我們已經掌握這種三明治鋰硼化合物合成的條件。就我所知,世界上其他國家的科研人員還沒有考慮過使用這種結構的材料做超導材料。

  這項研究成果發表在5月份出版的《物理評論》雜志上。研究論文的第一作者庫爾莫羅夫表示,他們的研究不只是發現了三明治結構鋰硼超導材料,有關三明治結構超導材料的研究思路也將有助于研制和開發綜合性能更好的超導材料產品。高溫超導體的研究與開發將為諸多領域包括電纜、高性能電動車等節省大量能源。

 

 

超導材料

  1911年,荷蘭物理學家昂內斯,在做冷凍汞的實驗中發現,當溫度降至4.2k時,汞的電阻會突然變為零。材料的這種特性稱超導性。超導材料的應用前景非常寬廣,若用它來輸電可大大節約能源和材料。

  中國國產磁懸浮列車:西南交通大學2000年研制的世界第一輛載人高溫超導磁懸浮列車世紀號以及后來研制的載人常溫常導磁懸浮列車未來號等受到胡錦濤江澤民等黨和國家領導人的高度關注和充分肯定。

  據介紹,早在1994年,西南交大就研制成功中國第一輛可載人常導低速磁浮列車,但那是在完全理想的實驗室條件下運行成功的。

  2003年,西南交大在四川成都青山磁懸浮列車線完工,該磁懸浮試驗軌道長420米,主要針對觀光游客,票價低于出租車費。

  懸浮列車的原理并不深奧。它是運用磁鐵同性相斥,異性相吸的性質,使磁鐵具有抗拒地心引力的能力,即磁性懸浮。科學家將磁性懸浮這種原理運用在鐵路運輸系統上,使列車完全脫離軌道而懸浮行駛,成為無輪列車,時速可達幾百公里以上。這就是所謂的磁懸浮列車,亦稱之為磁墊車

  由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式,故磁懸浮列車也有兩種相應的形式:一種是利用磁鐵同性相斥原理而設計的電磁運行系統的磁懸浮列車,它利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產生的相斥力,使車體懸浮運行的鐵路;另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設計的電動力運行系統的磁懸浮列車,它是在車體底部及兩側倒轉向上的頂部安裝磁鐵,在T形導軌的上方和伸臂部分下方分別設反作用板和感應鋼板,控制電磁鐵的電流,使電磁鐵和導軌間保持10—15毫米的間隙,并使導軌鋼板的吸引力與車輛的重力平衡,從而使車體懸浮于車道的導軌面上運行。

 

 

形狀記憶合金

  在發生了塑性變形后,經過合適的熱過程,能夠回復到變形前的形狀,這種現象叫做形狀記憶效應(SME)。具有形狀記憶效應的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金,稱為形狀記憶合金(SMA)。

  形狀記憶合金可以分為三種:
  (1)單程記憶效應
形狀記憶合金在較低的溫度下變形,加熱后可恢復變形前的形狀,這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。
  (2)雙程記憶效應
  某些合金加熱時恢復高溫相形狀,冷卻時又能恢復低溫相形狀,稱為雙程記憶效應。
  (3)全程記憶效應
  加熱時恢復高溫相形狀,冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀,稱為全程記憶效應。

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  目前已開發成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。

 

 

 

綠色能源

  人們常常提到的綠色能源,如太陽能、氫能、風能等,但另一類綠色能源,就是綠色植物給我們提供的燃料,我們就管它叫做綠色能源,又叫生物能源或物質能源。

  其實,綠色能源是一種古老的能源,千萬年來,我們的祖先都是伐樹、砍柴燒飯、取暖、生息繁衍。這樣生存的后果是給自然生態平衡帶來了嚴重的破壞。沉痛的歷史教訓告訴我們,利用生物能源,維持人類的生存,甚至造福于人類,必須按照它的自然規律辦事,既要利用它,

  又要保護它,發展它,使自然生態系統保持良性循環。

  但在綠色能源中,另一種資源是草類。據統計資料表明,目前世界上的草場面積有26億公頃,絕大部分是天然草場。它既能放牧,又是野生動物生息繁衍的樂園。還有一部分草場專為牲畜越冬提供飼料,極少部分的草場才是為人們生活提供燃料的。

  近年來,由于廣大農民生活水平的提高,電氣化程度也在不斷地提高,大多數農民們的燃料結構發生了根本性的變化,許多農民朋友,冬季取暖不再用柴火燒炕,而是電熱毯一插溫暖如春,做飯也不再燒柴、燒秸稈了,而是用上了蜂窩煤爐、液化氣灶以及沼氣。即使燒秸稈,也是邊遠山區極少一部分,或個別農家。而大量的秸稈堆放在田間,成堆成山,有的甚至侵占了農田。因此,有的農民在田間大量焚燒秸稈,造成環境污染,甚至影響高速路行車和飛機起降。

  怎樣才能解決這個問題呢?最有效的是搞綜合利用。實踐證實,農作物秸稈既可以作肥料,又可以作飼料,又可當柴燒。如果我們把農作物秸稈漚制沼氣,產生出的沼氣可作燃料,也可用沼氣燈照明,腐爛了的秸稈,還可以作肥料。如果把秸稈粉碎后與草混合還可喂牲畜,牲畜的糞便也可以用來漚制沼氣,產生沼氣以后剩下的渣子還可以作肥料。因此,大力發展沼氣開發綜合利用,是解決農村目前能源短缺的好途徑。

 

 

納米材料

  納米是長度單位,大小為十億分之一米。當材料的微粒小到納米尺寸時,材料的性能就會發生顯著變化。例如,黃金在正常狀態下呈金黃色,而它的納米顆粒卻變成了黑色,且熔點顯著下降。納米材料通常是以制成材料的基本單元大小限制在0.1――100nm范圍的材料。

  納米技術在工業、農業、能源、環保、醫療、國家安全等各個方面都有廣泛應用。用納米技術做成的“量子磁盤”,能作高密度的磁記錄,每平方厘米內可儲存3萬部《紅樓夢》的信息。物質是由原子構成的,其性質依賴于這些原子的排列形式。如果我們將煤炭中的原子重新排列,就能得到鉆石;如果向沙子中加入一些微量元素,并將其原子重新排列,就能制成電腦芯片;而土壤、水和空氣的原子重新排列后就能生產出馬鈴薯。聽起來是不是有點玄?不過這決非天方夜譚,如果你能走進納米世界,了解納米技術,就會知道上述目標的實現指日可待。

  科學家們已為我們勾勒了一幅若干年后的藍圖:超強輕型新型材料有可能使太空旅行變得便宜而且容易,甚至像一些作家預測的那樣利用納米技術在火星上制造出大氣。如果新的"納米醫學"能夠在細胞老化時一個分子一個分子地制造出新的細胞,從而把人們的壽命無限地延長,那么就有必要向太空移民。納米技術已經創造出足夠多的小奇跡,這至少能讓一些科學泰斗們相信這些宏偉的想法也會實現

 

 

隱性材料

  隱性材料常用于飛機、坦克等重要軍事目標或武器上,涂有隱性材料的物體能將雷達發射出的電磁波大部分吸收掉,反射回去很少,能使雷達變成“睜眼瞎”。

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  隱形對于一般人來說都不陌生,雖然這些說法大多數來自小說神話,但是在現實生活中也不乏隱形的例子。比如說變色龍就能夠通過改變自己的顏色來進行隱形。人們通過研究仿生學,并且應用了最新的技術和材料,終于在龐大的飛機上也實現了隱形。  

  從原理上來說,隱形飛機的隱形并不是讓我們的肉眼都看不到,它的目的是讓雷達無法偵察到飛機的存在。隱形飛機在現階段能夠盡量減少或者消除雷達接收到的有用信號,雖然是最為秘密的軍事機密之一,隱形技術已經受到了全世界的極大關注。

  讓我們看看隱形飛機在設計上遵循的規律。隱形飛機最重要的兩種技術是形狀和材料。首先,隱形飛機的外形上避免使用大而垂直的垂直面,最好采用凹面,這樣可以使散射的信號偏離力圖接收它的雷達。例如,SR-71“黑鳥飛機和B-1隱形轟炸機采用的彎曲機身;貝爾AH-1s“眼鏡蛇直升機最先采用的扁平座艙蓋;在海灣戰爭中發揮重要的F -117A“大趨勢隱形戰斗機采用的多面體技術;美國波音F-111實驗機上的任務自適應機翼等。這些飛機的造型之所以較一般飛機古怪,就是因為特種的形狀能夠完成不同的反射功能。

 
  其次,隱形飛機采用非金屬材料或者雷達吸波材料,吸收掉而不是反射掉來自雷達的能量。雷達吸波材料分兩大類,一類是諧振型,一類是寬頻帶型。其中諧振型雷達吸波材料是為了某一頻率而設計的、以磁性材料為基礎、能把相消干涉和衰減結合起來的吸波材料。寬頻帶雷達吸波材料通常通過把碳-耗能塑料材料加到聚氨酯泡沫之類的基體中制成,它在一個相當寬的頻率范圍內保持有效性。把雷達吸波材料與雷達能量可以透過的剛性物質相結合,形成雷達吸波結構材料,這種材料還屬于保密的吸波材料之一。運用最新的材料,隱形飛機在雷達上反射的能量幾乎能夠做到和一只麻雀的反射能量相同,僅僅通過雷達就想分辨出隱形飛機是非常困難的。
 
  另外,應盡量減少機身的強反射點或者說是亮點、發動機的噪聲以及機體本身的熱輻射等,因為這些方面的存在也容易出賣飛機的存在。例如,SR-71黑鳥飛機就采用閉合回路冷卻系統,把機身的熱傳給燃油,或把熱在大氣不能充分傳導的頻率下散發掉。  

  隱形飛機在現代戰爭中發揮著重要的作用。例如,在1991年的海灣戰爭中,美軍派出了42F -117A隱形戰斗機,出動1300余架次,投彈約2000噸,在僅占2%架次的戰斗中去攻擊了40%的重要戰略目標,自身沒有受到任何損失。隨著材料技術和更新的技術的出現,隱形飛機的隱形能力會越來越強,在未來戰爭中的作用會越來越突出。

  有隱形就有反隱形,隨著對隱形技術的不斷了解,各個國家同時也在不斷尋求反隱形的技術。雖然隱形飛機的材料和形狀十分巧妙,但是還是不可避免地在雷達上會留下一點痕跡。而且,隱形飛機為了隱形,犧牲了另外的一些技術性能,比如F -117A這種先進的戰機的速度就遠遠低于普通的戰機,而且飛行高度甚至在肉眼觀察范圍之內,這樣地面發現成為了這種隱形戰機的敵人,而且已經有通過地面火炮成功擊落F -117A的戰例。

  目前,隱形飛機從最早的美國20世紀60年代的TR-1型飛機,發展到20世紀90年代的F-117“夜鷹隱形戰斗機、F-22型先進戰術戰斗機和A-12“復仇者海軍艦載隱形攻擊機等,隱形和反隱形的不斷較量將使未來飛機的結構設計和性能進一步優化。

 

 

紙蝴蝶飛舞

  在一次新材料的研討會上,一位教授手持一個盛有水的玻璃瓶,上面插有一只漂亮的用紙做的蝴蝶,他走上講臺一言未發,從容的掏出打火機把瓶子加熱,不一會只見蝴蝶的翅膀飛舞起來,這一試驗引起了與會者的極大興趣,原來在蝴蝶下面有一根所謂形狀記憶合金絲,這根絲隨著水溫的升高和降低會突然伸長或縮短。所謂形狀記憶效應是指合金經變形后,在一定的條件下,仍能恢復至原始形狀的現象。

  形狀記憶效應來源于一種熱彈性馬氏體相變。一般的馬氏體相變作為鋼的淬火強化的方法從古代便為人所用,就是把鋼加熱到某個臨界溫度以上保溫一段時間,然后迅速冷卻,例如直接插入冷水中(稱為淬火),這時鋼轉變為一種稱為馬氏體的結構,并使鋼硬化。這種馬氏體相變有一個特別的性質,在一定的溫度下一旦形成的馬氏體隨著時間延長不再長大,為了增加馬氏體的量,必須進一步降低溫度,產生新的馬氏體。后來,在某些合金中發現了不同于上述的另一種所謂熱彈性馬氏體相變,熱彈性馬氏體一旦產生可以隨著溫度降低繼續長大。相反,當溫度回升時,長大的馬氏體又可以縮小,直至恢復到原來的狀態,即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小,由于馬氏體的體積一般比原始狀態要膨脹一些,而且馬氏體相變伴隨著晶體中規則的切變,因此熱彈性馬氏體相變隨之伴有形狀的變化。

  早在1951年美國人在一次試驗中偶然發現了金-鎘合金有形狀記憶特性,當時并未引起重視,1953年又在銦-鉈合金發現這類效應,1963年發現鎳-鈦合金具有形狀記憶特性后,掀起了這類合金研究的熱潮,并產生了多種實用化的新思想,新的形狀記憶合金應運而生,后來還發現了具有雙向記憶效應,即鉚釘如用雙向記憶合金制作時,把鉚好的鉚釘重新降溫后,鉚釘又會變直,正如本節開始提到的蝴蝶下面的合金絲便是雙向記憶合金,隨溫度的變化可來回伸長或縮短,引起蝴蝶翅膀上下翻飛。

  形狀記憶合金不僅具有理論上的重大意義,更重要的是工業中的應用價值。最先報道的是用形狀記憶合金制作月面天線。月面天線伸展開來很寬大,火箭無法容納,那么,如何把這樣一個天線送上太空,送上月球呢?正是形狀記憶合金神話般地解決了這一難題。用Ni-Ti合金絲在馬氏體相變溫度以上,先做成月面天線,然后在低于Mf的溫度把月面天線壓成小團裝入運載火箭,當發射至月球表面后,通過太陽能加熱而恢復原形,在月球上展開成為正常工作的月面天線。用形狀記憶合金制作插頭與插座或管子連結器有很大的優點,先把形狀記憶合金做成比需連結的不銹鋼管略小的管連接器,將它冷至Mf溫度以下,加以擴徑至比連接管略大,然后順利套在連接管上,最后升溫至Af以上(即使用溫度),連接器即自動收縮,于是兩根管被牢固地連接起來。美國空軍F-14飛機曾經用此類連接器連接油壓系統和加壓水系統的管道,據說近30萬個接頭,無一發生事故,在海軍的潛艇和軍艦上也大量使用形狀記憶合金管接頭,因為在這些場合中,管道排列十分密集,一般的方法無法實行管道的連接。


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