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初二物理

北师大版初二物理新材料及其应用课外阅读

时间:2012-11-22 11:13:53   作者:三A学习网   来源:三A学习网   阅读:2653   评论:0

初二物理新材料及其应用课外阅读

美发现三明治结构的超导新材料

  美国杜克大学科研小组日前宣布,他们首次发现一种新的超导材料——具有三明治结构的锂硼化合物,其超导转变温度超过39K,刷新了现今最先进超导材料的纪录。

  超导材料是一种电阻很小或没有电阻的材料,目前实际应用的产品有磁悬浮列车和核磁共振成像扫描仪中的超导磁等。超导材料输电时不会像传统电线那样因发热而损失大量电能,因而可显著减少电力损耗。不过,超导材料零电阻的特性只能在很低的温度下才能体现。此前,这一转变温度为38K。科学家们几十年一直致力于提高超导转变温度,追求设计出在室温情况下零电阻的新超导材料,以便使超导材料能得到更广泛的应用。

  据杜克大学帕雷德工程学院科研小组介绍,他们发现的三明治结构超导材料是由两层硼原子及其中间所夹的锂原子组成的化合物,超导转变温度超过39K,预计作为超导材料的综合性能要比目前的至少提高10%

  参与此项研究的该学院机械工程与材料科学系教授库塔罗拉说:我们已经掌握这种三明治锂硼化合物合成的条件。就我所知,世界上其他国家的科研人员还没有考虑过使用这种结构的材料做超导材料。

  这项研究成果发表在5月份出版的《物理评论》杂志上。研究论文的第一作者库尔莫罗夫表示,他们的研究不只是发现了三明治结构锂硼超导材料,有关三明治结构超导材料的研究思路也将有助于研制和开发综合性能更好的超导材料产品。高温超导体的研究与开发将为诸多领域包括电缆、高性能电动车等节省大量能源。

 

 

超导材料

  1911年,荷兰物理学家昂内斯,在做冷冻汞的实验中发现,当温度降至4.2k时,汞的电阻会突然变为零。材料的这种特性称超导性。超导材料的应用前景非常宽广,若用它来输电可大大节约能源和材料。

  中国国产磁悬浮列车:西南交通大学2000年研制的世界第一辆载人高温超导磁悬浮列车世纪号以及后来研制的载人常温常导磁悬浮列车未来号等受到胡锦涛江泽民等党和国家领导人的高度关注和充分肯定。

  据介绍,早在1994年,西南交大就研制成功中国第一辆可载人常导低速磁浮列车,但那是在完全理想的实验室条件下运行成功的。

  2003年,西南交大在四川成都青山磁悬浮列车线完工,该磁悬浮试验轨道长420米,主要针对观光游客,票价低于出租车费。

  悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁同性相斥,异性相吸的性质,使磁铁具有抗拒地心引力的能力,即磁性悬浮。科学家将磁性悬浮这种原理运用在铁路运输系统上,使列车完全脱离轨道而悬浮行驶,成为无轮列车,时速可达几百公里以上。这就是所谓的磁悬浮列车,亦称之为磁垫车

  由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式,故磁悬浮列车也有两种相应的形式:一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车,它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力,使车体悬浮运行的铁路;另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车,它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁,在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流,使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙,并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡,从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

 

 

形状记忆合金

  在发生了塑性变形后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应(SME)。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金,称为形状记忆合金(SMA)。

  形状记忆合金可以分为三种:
  (1)单程记忆效应
形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
  (2)双程记忆效应
  某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。
  (3)全程记忆效应
  加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。

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  目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

 

 

 

绿色能源

  人们常常提到的绿色能源,如太阳能、氢能、风能等,但另一类绿色能源,就是绿色植物给我们提供的燃料,我们就管它叫做绿色能源,又叫生物能源或物质能源。

  其实,绿色能源是一种古老的能源,千万年来,我们的祖先都是伐树、砍柴烧饭、取暖、生息繁衍。这样生存的后果是给自然生态平衡带来了严重的破坏。沉痛的历史教训告诉我们,利用生物能源,维持人类的生存,甚至造福于人类,必须按照它的自然规律办事,既要利用它,

  又要保护它,发展它,使自然生态系统保持良性循环。

  但在绿色能源中,另一种资源是草类。据统计资料表明,目前世界上的草场面积有26亿公顷,绝大部分是天然草场。它既能放牧,又是野生动物生息繁衍的乐园。还有一部分草场专为牲畜越冬提供饲料,极少部分的草场才是为人们生活提供燃料的。

  近年来,由于广大农民生活水平的提高,电气化程度也在不断地提高,大多数农民们的燃料结构发生了根本性的变化,许多农民朋友,冬季取暖不再用柴火烧炕,而是电热毯一插温暖如春,做饭也不再烧柴、烧秸秆了,而是用上了蜂窝煤炉、液化气灶以及沼气。即使烧秸秆,也是边远山区极少一部分,或个别农家。而大量的秸秆堆放在田间,成堆成山,有的甚至侵占了农田。因此,有的农民在田间大量焚烧秸秆,造成环境污染,甚至影响高速路行车和飞机起降。

  怎样才能解决这个问题呢?最有效的是搞综合利用。实践证实,农作物秸秆既可以作肥料,又可以作饲料,又可当柴烧。如果我们把农作物秸秆沤制沼气,产生出的沼气可作燃料,也可用沼气灯照明,腐烂了的秸秆,还可以作肥料。如果把秸秆粉碎后与草混合还可喂牲畜,牲畜的粪便也可以用来沤制沼气,产生沼气以后剩下的渣子还可以作肥料。因此,大力发展沼气开发综合利用,是解决农村目前能源短缺的好途径。

 

 

纳米材料

  纳米是长度单位,大小为十亿分之一米。当材料的微粒小到纳米尺寸时,材料的性能就会发生显著变化。例如,黄金在正常状态下呈金黄色,而它的纳米颗粒却变成了黑色,且熔点显著下降。纳米材料通常是以制成材料的基本单元大小限制在0.1――100nm范围的材料。

  纳米技术在工业、农业、能源、环保、医疗、国家安全等各个方面都有广泛应用。用纳米技术做成的“量子磁盘”,能作高密度的磁记录,每平方厘米内可储存3万部《红楼梦》的信息。物质是由原子构成的,其性质依赖于这些原子的排列形式。如果我们将煤炭中的原子重新排列,就能得到钻石;如果向沙子中加入一些微量元素,并将其原子重新排列,就能制成电脑芯片;而土壤、水和空气的原子重新排列后就能生产出马铃薯。听起来是不是有点玄?不过这决非天方夜谭,如果你能走进纳米世界,了解纳米技术,就会知道上述目标的实现指日可待。

  科学家们已为我们勾勒了一幅若干年后的蓝图:超强轻型新型材料有可能使太空旅行变得便宜而且容易,甚至像一些作家预测的那样利用纳米技术在火星上制造出大气。如果新的"纳米医学"能够在细胞老化时一个分子一个分子地制造出新的细胞,从而把人们的寿命无限地延长,那么就有必要向太空移民。纳米技术已经创造出足够多的小奇迹,这至少能让一些科学泰斗们相信这些宏伟的想法也会实现

 

 

隐性材料

  隐性材料常用于飞机、坦克等重要军事目标或武器上,涂有隐性材料的物体能将雷达发射出的电磁波大部分吸收掉,反射回去很少,能使雷达变成“睁眼瞎”。

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  隐形对于一般人来说都不陌生,虽然这些说法大多数来自小说神话,但是在现实生活中也不乏隐形的例子。比如说变色龙就能够通过改变自己的颜色来进行隐形。人们通过研究仿生学,并且应用了最新的技术和材料,终于在庞大的飞机上也实现了隐形。  

  从原理上来说,隐形飞机的隐形并不是让我们的肉眼都看不到,它的目的是让雷达无法侦察到飞机的存在。隐形飞机在现阶段能够尽量减少或者消除雷达接收到的有用信号,虽然是最为秘密的军事机密之一,隐形技术已经受到了全世界的极大关注。

  让我们看看隐形飞机在设计上遵循的规律。隐形飞机最重要的两种技术是形状和材料。首先,隐形飞机的外形上避免使用大而垂直的垂直面,最好采用凹面,这样可以使散射的信号偏离力图接收它的雷达。例如,SR-71“黑鸟飞机和B-1隐形轰炸机采用的弯曲机身;贝尔AH-1s“眼镜蛇直升机最先采用的扁平座舱盖;在海湾战争中发挥重要的F -117A“大趋势隐形战斗机采用的多面体技术;美国波音F-111实验机上的任务自适应机翼等。这些飞机的造型之所以较一般飞机古怪,就是因为特种的形状能够完成不同的反射功能。

 
  其次,隐形飞机采用非金属材料或者雷达吸波材料,吸收掉而不是反射掉来自雷达的能量。雷达吸波材料分两大类,一类是谐振型,一类是宽频带型。其中谐振型雷达吸波材料是为了某一频率而设计的、以磁性材料为基础、能把相消干涉和衰减结合起来的吸波材料。宽频带雷达吸波材料通常通过把碳-耗能塑料材料加到聚氨酯泡沫之类的基体中制成,它在一个相当宽的频率范围内保持有效性。把雷达吸波材料与雷达能量可以透过的刚性物质相结合,形成雷达吸波结构材料,这种材料还属于保密的吸波材料之一。运用最新的材料,隐形飞机在雷达上反射的能量几乎能够做到和一只麻雀的反射能量相同,仅仅通过雷达就想分辨出隐形飞机是非常困难的。
 
  另外,应尽量减少机身的强反射点或者说是亮点、发动机的噪声以及机体本身的热辐射等,因为这些方面的存在也容易出卖飞机的存在。例如,SR-71黑鸟飞机就采用闭合回路冷却系统,把机身的热传给燃油,或把热在大气不能充分传导的频率下散发掉。  

  隐形飞机在现代战争中发挥着重要的作用。例如,在1991年的海湾战争中,美军派出了42F -117A隐形战斗机,出动1300余架次,投弹约2000吨,在仅占2%架次的战斗中去攻击了40%的重要战略目标,自身没有受到任何损失。随着材料技术和更新的技术的出现,隐形飞机的隐形能力会越来越强,在未来战争中的作用会越来越突出。

  有隐形就有反隐形,随着对隐形技术的不断了解,各个国家同时也在不断寻求反隐形的技术。虽然隐形飞机的材料和形状十分巧妙,但是还是不可避免地在雷达上会留下一点痕迹。而且,隐形飞机为了隐形,牺牲了另外的一些技术性能,比如F -117A这种先进的战机的速度就远远低于普通的战机,而且飞行高度甚至在肉眼观察范围之内,这样地面发现成为了这种隐形战机的敌人,而且已经有通过地面火炮成功击落F -117A的战例。

  目前,隐形飞机从最早的美国20世纪60年代的TR-1型飞机,发展到20世纪90年代的F-117“夜鹰隐形战斗机、F-22型先进战术战斗机和A-12“复仇者海军舰载隐形攻击机等,隐形和反隐形的不断较量将使未来飞机的结构设计和性能进一步优化。

 

 

纸蝴蝶飞舞

  在一次新材料的研讨会上,一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶,上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶,他走上讲台一言未发,从容的掏出打火机把瓶子加热,不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来,这一试验引起了与会者的极大兴趣,原来在蝴蝶下面有一根所谓形状记忆合金丝,这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。所谓形状记忆效应是指合金经变形后,在一定的条件下,仍能恢复至原始形状的现象。

  形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法从古代便为人所用,就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间,然后迅速冷却,例如直接插入冷水中(称为淬火),这时钢转变为一种称为马氏体的结构,并使钢硬化。这种马氏体相变有一个特别的性质,在一定的温度下一旦形成的马氏体随着时间延长不再长大,为了增加马氏体的量,必须进一步降低温度,产生新的马氏体。后来,在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变,热弹性马氏体一旦产生可以随着温度降低继续长大。相反,当温度回升时,长大的马氏体又可以缩小,直至恢复到原来的状态,即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小,由于马氏体的体积一般比原始状态要膨胀一些,而且马氏体相变伴随着晶体中规则的切变,因此热弹性马氏体相变随之伴有形状的变化。

  早在1951年美国人在一次试验中偶然发现了金-镉合金有形状记忆特性,当时并未引起重视,1953年又在铟-铊合金发现这类效应,1963年发现镍-钛合金具有形状记忆特性后,掀起了这类合金研究的热潮,并产生了多种实用化的新思想,新的形状记忆合金应运而生,后来还发现了具有双向记忆效应,即铆钉如用双向记忆合金制作时,把铆好的铆钉重新降温后,铆钉又会变直,正如本节开始提到的蝴蝶下面的合金丝便是双向记忆合金,随温度的变化可来回伸长或缩短,引起蝴蝶翅膀上下翻飞。

  形状记忆合金不仅具有理论上的重大意义,更重要的是工业中的应用价值。最先报道的是用形状记忆合金制作月面天线。月面天线伸展开来很宽大,火箭无法容纳,那么,如何把这样一个天线送上太空,送上月球呢?正是形状记忆合金神话般地解决了这一难题。用Ni-Ti合金丝在马氏体相变温度以上,先做成月面天线,然后在低于Mf的温度把月面天线压成小团装入运载火箭,当发射至月球表面后,通过太阳能加热而恢复原形,在月球上展开成为正常工作的月面天线。用形状记忆合金制作插头与插座或管子连结器有很大的优点,先把形状记忆合金做成比需连结的不锈钢管略小的管连接器,将它冷至Mf温度以下,加以扩径至比连接管略大,然后顺利套在连接管上,最后升温至Af以上(即使用温度),连接器即自动收缩,于是两根管被牢固地连接起来。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道,据说近30万个接头,无一发生事故,在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合金管接头,因为在这些场合中,管道排列十分密集,一般的方法无法实行管道的连接。


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