航天飞机的研制成功,是人类征服太空的又一次胜利,也显示出在现代技术革命中材料举足轻重的地位。
农业现代化的坚强后盾
农业在国民生产中占重要地位。一直以来,农业与工业的最大区别就是非机械化的手工劳作,直到农业现代化技术革命的出现,它的核心是工具和其他技术手段的变革。农业现代化最显著的特征是大量的先进工具和工业技术投入农业生产中,解放了大量劳动力,提高了产量。
农业现代化涉及的内容很多,有农业机械化、农业工厂化、农业电气化以及农业和技术装备的一体化等。而材料在其中起的作用则是不容忽视的。
拖拉机在农业生产中的应用最为广泛。它除了能耕地、整地、播种外,根据需要交换不同的农具,还能干推土、铲运、开沟、施肥、收获、割草等几十种工作。在拖拉机的制造中不仅需要消耗大量材料,而且要求零部件质量好、耐磨损。例如,生产一台自动联合收割机,仅钢材就需要2000多种不同规格的品种,其中优质钢材用得最多,约占整个钢材品种的25%。那么,这样一台庞大的机器,是否可以在耕作时按人们的要求,灵活运动呢?答案是毫无疑问的。由于配有液压的自动伸缩、折叠机构,即便是碗口粗的农具,也能乖乖地折起三五折,便于路上行驶。
而用来收割作物的自动联合收割机,由于电子计算机的控制,甚至不需要驾驶员操作。自动联合收割机可以自主完成调整前进方向、升降割头,还能自动转向。它的收割头,像一把大的理发轧刀,随着机器的运转,一割就是一大片。操作台上装有割脱监视器,收割机前进速度和脱粒部分能很好配合。装上不同的收割头,可以收割水稻、麦子、玉米、油菜、大豆、高粱等庄稼。这种收割机工作效率很高,每天能收割水稻几万斤,并能同时完成脱粒、清场、装包等工作,相当于一二百个强壮劳动力的工作量。
随着新材料的开发,材料质量和设计制作水平的不断提高,农业现代化的水平也有望得到更进一步的发展发展新能源的当务之急
随着世界人口的增多,及人们对生活水平要求的不断提高,到20世纪70年代,自然界现有的能源已不再能满足人们的需求,因此开发新能源和发展节能技术势在必行。这些技术中除核反应堆已经进入实用阶段,其他都比较年轻。例如,太阳能、深层地热和氢能等还存在各种各样的问题。一些过去进展缓慢的领域,如煤的气化和液化,重新成为研究的重点。从目前的情况看,在很大程度上制约这些技术进一步突破的关键是“材料”,目前使用的材料大多不能满足苛刻的工作环境要求,因此开发新材料已成为发展新能源的当务之急。
1957年,世界上第一座核电站开始运转,到1990年其发电量占总电量的10%。其间经历了三次反应堆的变化,分别为:重水堆、石墨气冷堆和轻水堆;高温气冷堆;快中子增殖堆。而所用的材料一代比一代要求严格。
核反应堆材料涉及核燃料、中子减速材料、中子反射材料、屏蔽材料和结构材料等,要求都很严格。对于高速增殖反应堆来说,未解决的问题更多。例如,装铀材料的细管使用有钼—316的不锈钢制造,它遭受大量中子辐射,并与高化学活性的钠接触,环境极端恶劣,其寿命期使人担心。今后十年左右,初期建造的反应堆已面临分解处理复杂等问题,如何延长未来反应堆的寿命,是一项重点研究课题。1979年,美国三里岛核电站发生事故,舆论哗然。最后调查表明,是由于控制人员操纵错误而使含放射性的冷却水泄漏,与材料无直接关系,才平息了人们的议论。反之,如果材料上出现漏洞,核反应堆会被取缔。
太阳能利用是一项正在发展中的技术。日本已在春川县建成一座1000千瓦的实验发电装置。太阳能是一种稀薄的能源,每平方米最多为1千瓦,而按目前太阳能装置的转换效率(约为10%),则只能获得01千瓦。唯一可行的办法是改进材料,提高反射镜的反射效率和集热效率。现在太阳能电池的转换效率有所提高,为约13%左右,但硅、镓半导体的价格很高,很难大规模使用。此外太阳能电站多位于沙漠和偏僻地区,输电材料也待改进。由此可见,太阳能的利用是否能够普及,有赖于材料科学家的努力。
地热发电始于意大利,至今已有一个多世纪的历史。今天地热电站的已遍及新西兰、美国、日本和菲律宾等国。地热发电站的关键问题是耐腐蚀材料和高效率的热交换器。一般热发电站利用的热源温度在100℃以下,要通过低沸点的工质(如氟利昂)蒸汽才能带动汽轮机工作。近年来,美国在新墨西哥州芬顿山开凿深井,利用热干岩的热量发电,引起了人们的注意。
热干岩发电工程分为两期,第一期1978年完成,由注水井和采热井组成的竖井对深度为3000米、底部有一块有效直径约60米的人工破碎岩石区,有效传热面积约8000平方米,当注入冷水后,可以采出温度200℃的热水,相当于每天4500千瓦的热能。
随后又开始规模更大的第二期计划,将井深由3000米增加到4000米。经过多次人工破碎作业,使总传热面积扩大到100万~200万平方米,井底水温相应提高到250℃~275℃,这样竖井对提供的热量达到2万~5万千瓦。竖井穿过层层的花岗岩达到了6000米的深度,注水井弯入采热井的底部,中间为相距330米高的人工破碎区。即使估计低一些,水温为160℃,所采的热量仍足以带动一台50000千瓦的发电机组,而发电余热还可供温室和取暖使用。
地下热水中经常含有硫酸钾、硫化氢等硫腐蚀物质,温度越高腐蚀越严重。竖井的使用寿命估计为25年,但目前的耐硫化钢可能维持不了如此长的使用期,这样将给维修带来很大的困难。现在正在发展更好的耐硫化钢和寻找代用材料,可能陶瓷涂层有助于延长寿命。
氢作为一种新型能源也引起了人们重视。氢是一种无色、无嗅的可燃性气体,因此可做燃料使用。氢气一般用高压钢瓶储存,即使加压到150个大气压,所装氢气重量还不到钢瓶重量的1%,显然这种方法不适于工业上和生活上大量用氢的场合。
近年来普遍认为液氢是一种更理想的燃料,将氢气经140个大气压压缩,同时用液氨或液态空气冷却,即可获得液氢。液氢是一种清洁的燃料,它的燃烧过程只产生水蒸汽及少量氧化氮,不会污染环境。航天飞机的主发动机使用的燃料为液氧和液氢,以液氢为燃料的汽车和飞机正在设计中。液氢使用中最大的问题是运输和储存,液氢必须储存在与空气隔绝的高压容器内,加上它的沸点在常压下为-253℃,许多金属在这样低的温度下都会发生脆化,所以必须采用超低温钢制造。同时为了隔热保冷,储箱外面还须包覆一层聚苯撑氧泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料或玻璃纤维套等,比普遍用的油箱复杂得多。
现在有一种新的储氢方法,就是利用某些合金与氢反应吸收大量氢气,吸氢量高达体积的数十倍或上千倍,而加热以后又很容易使氢气再释放出来,这些合金为钛合金、镧镍合金和镁镍合金等,所形成的金属氢化物是固体,因此储存时不需要高压和低温。这些合金材料对于氢的利用将起到重要的作用。
国防军事中的材料