中华学生百科全书-第338部分

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金属。但由于它化学性质活泼，与氧结合紧密，因此自然界中不存在天然铝。
铝的冶炼十分困难，人们直到　1854　年才用比氧更活泼的钠把铝从其氧化物中
还原出来，铝因而身价倍增。那时在皇宫中最为珍贵的不是金银钻石而是铝
制的工艺品和餐具。法国统帅拿破仑三世为了炫耀自己的财富，曾花重金为
自己制了一顶铝盔。后来人们发明了电解冶炼铝的方法，铝才得到了广泛应
用。
铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，
而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。一架现代化的超音速飞机，铝和铝
合金占总重量的　70％；导弹上用铝达　10％～50％；美国“阿波罗”飞船上，
铝占金属总重的　75％；我国第一颗人造卫星“东方红”的外壳也是铝合金。
铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强
度又显著提高，经过一定的处理，甚至会超过一些钢的强度，但重量却比钢
轻很多。有人估算，如果每辆汽车用　300　公斤铝代替钢，光美国一年就可节

省　29　亿加仑的汽油。
铝的导电性能也很好，虽比铜低却高于铁，但它比铜轻　2／3，并且铝导
线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。因此近年来铝
导线数量显著增加。在现代集成电路生产中，人们也用真空刻蚀铝膜来联接
各元件。
铝的导热性能好，几乎是铁的　4　倍，因此在工业上多被用于生产热交换
器和散热器，铝制餐具也大量面市。你天天都在用铝，对吗？
铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表
面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而适
用于制造防腐设备。
铝反光能力强，可制作反射镜。
铝是非磁性金属，可作为防磁的罗盘盒。
铝没有毒性，是良好的食品包装材料。
铝和铝合金用途很广泛，是一种神通广大的材料，随着科学的发展，铝
的家族还会不断增加新成员。不信，咱们走着瞧！

钛

钛在地壳中含量约为　0．6％，仅次于铝、铁、镁，居金属含量的第四位。
1791　年英国化学家格雷戈尔就发现了钛元素，但直到　1910　年，英国人亨特
才第一次在爆炸器中用钠还原四氧化钛，制得不到　1　克的纯金属钛。因为钛
的高温化学性质活泼，所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼，在
真空或惰性气体中提纯。因为冶炼技术困难，所以直到　1947　年，全世界才生
产出　2　吨钛。
钛比重小，仅为钢的一半，但强度比钢高。它抗腐蚀性强，甚至能抗王
水的腐蚀。它熔点高，比黄金还高　600℃左右。如此优异的综合性能在金属
中少见，因此钛受到重视。
钛是属于太空时代的金属。它的高强度、小比重的性能，特别适用于生
产超音速飞机和航天器。美国　70％的钛用于航空航天，美国　YF—12A　型战斗
机，用钛量达　93％。
钛的耐高温性能好，是制造涡轮喷气发动机的理想材料，它几乎可以取
代不锈钢和铝合金。利用钛合金代替不锈钢，可使发动机的重量减轻　40％～
50％。
由于钛的抗腐蚀性能好，可用它制造深海潜艇，去探索海底的秘密。钛
也可用于生产化工行业的反应器等设备。
钛目前存在的问题是冶炼困难，产量低。如果在冶炼技术上取得突破，
钛就有可能代替钢铁。因而它被称为“21　世纪的金属”。

形状记忆合金

1961　年，美国海军研究所的一个研究小组领取了一批弯弯曲曲的镍钛合
金丝，人们把它们一根根拉直以便使用。但当它们偶然接近火时，又恢复了
原来的弯曲状态。人们经过研究，搞清了这是材料的一种新效应——形状记
忆效应。后来人们又发现了金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金、铜锡合金等

都具有记忆效应。
为什么会出现形状记忆效应呢？原来每种形状记忆合金都具有一定的转
变温度。在转变温度以上，金属晶体结构是稳定的；在转变温度以下，晶体
处于不稳定结构状态，一旦加热升温到转变温度以上，金属晶体就会回到稳
定结构状态时的形状。
形状记忆合金可以　100％恢复形状，并且反复变形　500　万次，也不会产
生疲劳断裂，因而具有许多奇妙的用途。
为了在月球上收集资料，人们需要有一架像大伞似的天线。而宇宙飞船
的空间有限，怎样才能把它带上天呢？可以用形状记忆合金做成天线，然后
在其转变温度以下叠成一个小球团，带到月球上后，经太阳光加热升温，它
就会像荷花一样徐徐展开成天线。多棒呀！
用形状记忆合金的制成玩具，即使不小心弄变形了，只要用火一烤，它
就会恢复原状。如果用形状记忆合金制造人造关节、人造骨骼等，即使发生
了变形，只要用火一烤就能恢复原状，而不用去找医生了。
还有一种设想是用形状记忆合金制造新型发动机：先让合金记住线圈的
形状，在常温下把它制成电线，把这条电线接在大小不同的两个圆盘上，在
圆盘的一侧加热水，另一侧加冷水。浸在热水中的合金要恢复线圈状，就要
收缩，于是带动圆盘旋转，把热能直接变成机械能，并且水越热，旋转的次
数就越多。用这种方法可以利用工厂、发电厂的废热水来做功，因而前景广
阔。
形状记忆合金开发利用面临的难题是：价格高，加工难。如果未来的研
究解决了这些问题，许多奇妙的产品就会出现在我们面前。

非晶态合金

把粘浆状的熔融金属高速冷却，就可得到性能与一般金属大相径庭的非
晶态合金。普通金属是原子排列很规则的晶体结构，而非晶态合金由于快速
冷凝，原子排列很不规则，不能形成晶体结构，因此它具有奇妙的特性。它
有良好的耐腐蚀性和电磁特性，并且是很好的超导材料和贮氢材料，因而被
称为“梦幻般的金属”。
由于非晶态合金具有优秀的电磁特性而又十分坚硬的特点，特别适于生
产现代化磁头，以便利用高性能的合金磁带。它比一般结晶磁头的耐磨性高
20％，日本　TDK　公司已开始生产这种磁头。
另一个利用方法是用非晶态合金制造变压器的铁芯。普通硅钢铁芯因发
热造成的铁损约每公斤铁芯　1．1　瓦，而非晶态合金仅为　0．4　瓦。但非晶态合
金怕高温，一发热就会变成晶态，影响变压器的性能，各国对此正在研究解
决办法。
氢是最佳的二次能源，广泛使用氢能的一个难题是氢的贮存，而非晶态
合金恰是一种良好的贮氢材料，它吸收和释放氢的速度很快，因而受到重视，
但贮氢量较小，有待进一步改善其性能。
一般材料做成的超导合金，在低温下质地较脆，难以加工，而非晶态合
金却具有适当的韧性和弹性，是一种优异的超导材料。

超导材料


我们日常生活中使用的一切物质都具有电阻，这是一般的常识。但是，
当物体的温度逐渐降低到绝对零度（零下　273．15℃）附近时，其电阻会变成
零。这就是超导现象。
超导现象是　1911　年荷兰科学家温奈斯发现的，他用液氦在零下　269．03
℃下（即绝对温度　4．12K，摄氏　0　度相当于绝对温度　273．15K）冷却水银时，
发现水银电阻完全消失。此时如果在水银中有感应电流，就会一直保持下去。
他还制成了超导磁铁，想产生强磁场。但当电流增加到一定程度时，就破坏
了超导状态。此时的磁场叫临界磁场。此外，超导还有临界温度，临界电流
密度共三个临界约束值。在不超过这三个临界值的状态下，超导现象才会发
生。
由于超导体具有的奇妙特征，人们立即对它产生了浓厚兴趣，发现高临
界转变温度的超导材料的竞赛在各国之间展开。1954　年制成的铌锡合金转变
温度为零下　252．7℃，1975　年制成的铌锗合金转变温度为零下　249．75℃，到
了　80　年代末更是掀起一股超导热潮，超导转变温度的纪录不断被打破。1990
年　9　月中国超导研究中心制成的锑铋系材料的临界温度为零下　151．15℃，为
目前国际最高纪录。在提高转变温度的同时，人们也在研究提高另外两个临
界值。美国阿尔贡国家实验室已使超导体的电流密度提高到　105A／cm2（A　为
安培，cm　为厘米），并且在　30TC（特斯拉）的强磁场中仍具有超导性质（1
特斯拉等于　1　万高斯）。
超导材料具有引人注目的用途。
因为超导体没有电阻，在电流流过时就不会因为发热而损失电能，因此
采用超导电线可以实现远距离无损耗输电，这样电站就可以远离居住区，使
我们的生活区更加洁净。
超导体中每平方厘米可以流过几十万安培的强大电流，因而可产生很强
的磁场而且消耗的电能很少。日本用超导体产生　17．5　万高斯的强磁场，加上
冷却用电也仅为　15KW。这种强磁场是实现受控热核反应的关键之一。
用超导体制成的超导发电机的功率可比目前发电机高　100　倍以上；超导
磁悬浮列车的时速每小时已达　550　公里；高速超导电子计算机的计算速度每
秒可达几百亿次以上。
超导体有可能为我们这个世界带来新的技术革命，所以目前世界各国都
把超导研究列为重点攻关项目，以期早日迈入超导时代。迄今为止，已有　8
位科学家因为研究超导体而获得了诺贝尔奖。

半导体材料

我们日常用的铜、铁、铝等，都很容易导电，因而叫做导体；而橡胶、
塑料等几乎不导电，因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体，那它就一定是
绝缘体吗？答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体，其导电
能力居中，并且随温度升高而增大，随温度下降而减小。
半导体分三种：本征半导体、p　型半导体和　n　型半导体。
不含杂质的纯净半导体叫本征半导体，它的导电能力很差。为了提高纯
质半导体的导电能力，常常在本征半导体中掺入少量杂质。如在硅中掺入硼，
硅原子周围就形成可移动的空穴，这就是　P　型半导体；如果在硅中掺入磷，

材料中就会出现多余电子，这就是　n　型半导体。它们各有自己的特性，常常
联合使用。人们为了获得所需要的半导体，就必须制得纯净的本征半导体。
目前，人们所获得硅的纯度已达　14　个　9，即　99．999999999999％。这是人类
材料史上的一个奇迹。
半导体材料有许多奇妙用途，在各个领域发挥重要的作用，无论是收音
机、电视机，还是大型计算机、工业电气化系统，都离不开半导体材料。
半导体材料是制造电子元件的主要材料，而我们用的收音机、电视机、
电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等，都是由无数的电子元件构
成的。半导体材料制成的电子元件不仅功能强、效果好，而且重量轻、寿命
长、耗电省。1946　年，美国研制出世界上第一台电子计算机，使用了　18000
个真空电子管，1500　个继电器，重量达　30　吨，占地面积　170　平方米，真是
一个庞然大物。而现在运算速度比它快得多的微型计算机，还没有一张书桌
大。
电子元件的发展已经历了四个时代，1947　年美国的布拉坦和同事制成了
晶体管，这是第一代。晶体管因性能优于电子管而被广泛使用。1962　年，在
一小块硅片上制成了几个元件组成一个小型电路，这就是小型集成电路。集
成电路体积小而功能大，因而迅速发展起来。1965　年发展到中规模集成电
路，指甲大的一块硅片上可制作上百个元件。1968　年出现了大规模集成电
路，在　5～7　平方毫米的硅片上制成了上万个元件。1979　年日本在　6　平方毫
米的硅片上制成了　15　万个元件，这就是超大规模集成电路。目前人们正在研
制三维集成电路。前几代集成电路都是平面式的，像一排排的平房。而三维
集成电路则像高楼大厦，在一层元件上再重叠一层元件，这样，每个元件与
周围元件的联络构成一个空间网络，便于信息的传递和处理。用这种三维集
成电路也许可以模拟人脑的思维，如果是这样，那么我们就可以制造出会思
考、会自行解决问题的机器人了。
半导体材料具有良好的光电转换效应，是制造光电电池的好材料。有了
廉价高效的光电电池，我们才能充分利用清洁的太阳能。有些半导体材料的
温差电动势很大，能直接把热能转换为电能。这种温差发电机适用于缺电的
边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也用到它。
半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好，能量集中，在现代各个
行业都得到广泛应用。大功率的激光武器为各国所重视。用半导体制成的发
光二极管，在光纤通讯方面有重要用途。光纤通讯比微波通讯效果更好，一
条光缆可载上亿门电话。人们预计，光计算机将比电子计算机运算速度快几
十倍。
半导体材料经过几十年的发展，已历经三代，最早人们用锗，但锗元件
的寿命和效果都不大理想，人们转而重视开发硅，目前硅已成为应用最广泛
的半导体材料。为了在高温、高频领域取得进展，人们又看重砷化镓。它是
砷在高温下和镓结合生成的化合物，是高频、高温电子元件的理想材料，它
必将在巨型计算机、高效机器人、激光、光纤通讯等方面发挥重要作用。

无机非金属材料

无机非金属材料以前主要指含有二氧化硅酸性氧化物的硅酸盐材料。陶
瓷、玻璃、砖瓦、耐火材料、水泥等都是人们所熟悉的硅酸盐材料。经过几
十年的发展，无机非金属材料早已超出硅酸盐的范围而日趋多样化。
无机非金属材料有广泛的用途：
化学工业需要不怕腐蚀、耐高温的陶瓷、玻璃设备；电力工业需要绝缘
材料，而不导电的陶瓷是理想的绝缘材料；照明器具需要大量的玻璃；建筑
行业需要大量的砖瓦水泥；而冶金工业则离不开耐火材料。虽然金属材料和
有机材料发展迅速，但却取代不了无机材料，因为在耐高温性能上，无机材
料几乎是不可替代的。
硅酸盐材料本身存在不少缺点。如陶瓷、玻璃都易碎，高温下会软化等，
使它的应用受到限制。近十几年来，人们对硅酸盐材料进行了深入细致的研
究，采用新技术新方法制成的硅酸盐材料与往日已不可同日而语。它们性能
不同，异彩纷呈，为无机非金属材料带来了革命性的变化。下面我们就分别
介绍这些材料。

陶瓷

在远古时代，我们的祖先就开始用粘土作成器皿盛装食物，后来人们发
现这些器皿经火烧后，更加坚固耐用，这就是最初的陶瓷。在我国的半坡村
氏族遗址中已有了精美的彩陶盆。我们的祖先对制陶技术不断加以完善，生
产出图案精美、色泽鲜艳的陶器，出口世界，深受各国人民喜爱。我们中国
的英文名字　China，就是瓷器的意思。
陶瓷的主要原料是粘土、长石、石英石等。先把它们磨成粉，再按一定
配方混匀，加工成型，然后送入窑内高温烧结即可得到陶瓷。如果在毛坯上
涂上各种釉质，刻上花纹，就可烧得精美的花瓶、盆、碗等日用品。
陶瓷硬度高、耐高温、抗腐蚀，因而在工业上有广泛用途。1924　年德国
科学家以纯氧化铝为原料烧结出坚硬非凡的氧化铝陶瓷。这种陶瓷作成的刀
具，甚至能切削硬度较高的合金钢。第二次世界大战以来，人们普遍用氧化
铝陶瓷做火花塞。发动机的火花塞每秒引爆　20～30　次，瞬时温度高达　2500
℃，最大工作压力达　100　个大气压。在如此恶劣的条件下，氧化铝陶瓷仍能
正常地长期工作。1957　年，美国通用电气公司的工程师选用纯度达　99．99％
的氧化铝细粉作原料，烧制出半透明的陶瓷。用它制成的高压钠灯，亮度高、
寿命长、清晰度高，能透过浓雾。
导弹飞行的速度是声速的　5～6　倍，由于空气摩擦会使导弹头部温度高达
1000℃。为了准确命中目标，导弹头部装有自动跟踪系统，能根据目标所发
出的红外射线而自动调整飞行方向。什么材料既能耐　1000℃以上的高温，又
能透射红外射线呢？这就是著名的红外陶瓷。用纯净的原料通过真空热压或
高温烧结，使陶瓷小晶粒迅速扩散而融合成晶莹透明的整体，就可得到能透
射红外射线的透明陶瓷。
氮化硅新型陶瓷是近十几年来发展起来的一种精密陶瓷。其制作方法
是：把硅粉在　1200℃高温的环境中氮化，使氮钻入硅粉坯体中，然后加工成
型，再在　1400℃高温下第二次氮化，即得氮化硅陶瓷。这种陶瓷具有足够高

的强度和硬度，又有惊人的耐高温、耐腐蚀性能和抗急冷急热性能，是一种
用途广泛的工程陶瓷。
碳化硅陶瓷是另一种新型精密陶瓷。它质地坚硬，可作金刚石的代用品。
人们采用热压烧结法得到的碳化硅陶瓷，在　1400℃的高温下，其抗弯强度每
平方厘米仍达　5000～6000　公斤以上，是制造高温燃气涡轮发动机的理想材
料。
1880　年，法国科学家发现了某些晶体的压电效应，即沿晶体的某一方向
施加压力，晶体表面会出现电荷，电荷大小与压力成正比。1944　年，人们首
次制得钛酸钡压电陶瓷，但性能不太理想。1955　年，人们制得了性能较高的
锆钛酸铅压电陶瓷。用这种压电陶瓷可生产大功率的超声和水声的换能器，
也可作为高灵敏度的压电测量装置，在高频通讯技术、导弹技术、地震预报
和医疗上都有广泛用途。这种陶瓷也是一种透明陶瓷，加上电场后具有双折
射效应，去掉电场后又变成各向同性。用它可制成立体电视眼镜，戴上这种
眼镜，你就可以看到立体电视或电影，医生用这种眼镜可以通过电视看到病
人体内的立体图像，便于诊断治疗。
目前陶瓷研究的方向是研制高温陶瓷，以便它能在　1500℃以上的条件下
工作，这在空间技术和军事技术上都有广泛用途。陶瓷研究的另一个方向是
提高陶瓷的韧性，主要是陶瓷基复合材料。在现代科技的催化下，古老的陶
瓷技术又开新花。

玻璃

一队远行的商人在野外露宿，他们用几块石头垒成灶，生火做饭。在烈
焰的烧烤下石头熔化了，锅里的水倒下来浇灭了火，人们只好重新生火做饭。
第二天早晨，有人在浇灭的火堆里发现了透明的小球，这就是第一颗玻璃球。
原来那些石头的主要成分是硅酸钠和硅酸钙，在高温下熔化后又被迅速冷
却，原子还来不及结晶处于液体状态就凝固，形成了一种新的材料——玻璃。
人类认识玻璃、制造玻璃已有　5000　多年的历史，但要生产精美的玻璃制
品很困难，因此几千年来，它一直是一种奢侈品，供少数人作为炫耀的资本。
玻璃真正成为大众化的材料是从本世纪初开始的。1908　年，美国人发明
了平拉法，1910　年，比利时人发明了有槽垂直上拉法，才使平板玻璃的生产
摆脱了手工的吹制法而迅速发展。1959　年，英国的皮尔金格兄弟公司花了　7
年时间，耗资　400　万英镑，终于研制出浮法玻璃生产工艺，大大提高了生产
率并且降低了生产成本。1971　年，日本人研制出对辊法，又使玻璃生产大大
前进了一步。
早期生产的玻璃主要是钠钙玻璃，常用作窗玻璃。这种玻璃受热不均时
易破裂，不能作化学仪器。1915　年美国研制出硼玻璃，把它加热到　200℃后
立即投入　20℃的冷水中也不会破裂。因此它很快成为一种重要的化学用玻
璃。用碳酸钾代替纯碱作原料生产出来的钾玻璃，熔点高，也是一种优秀的
化学玻璃。
玻璃易碎，但如果在玻璃型材制成后进行特殊的淬火处理：即把玻璃加
热到　600～650℃以上，用油或其他介质使玻璃骤冷，就可使玻璃的抗弯强度
提高　7～8　倍，这种玻璃打碎后成为小钝角形的碎粒，没有刺伤人的危验，这
就是钢化玻璃，很适合作汽车等的车窗。

在一般玻璃中加入少量的澄清剂，如硝酸钠、氧化砷等，就可使玻璃更
加晶莹透明，这种玻璃又叫玻晶。用它作成的器皿精美华丽，深受人们喜爱。
如果在玻璃配料中加入少量金、银、铜等金属盐类作晶核，诱使玻璃形
成很小的晶胞，就可获得晶体颗粒在　0．05～1　微米（1　微米＝1×10…6　米）的
微晶玻璃。它晶格致密，强度高，抗弯强度是普通玻璃的　7～12　倍。微晶玻
璃耐高温性能好，在　1300℃时才会软化；耐热冲击，在　900℃时投入冷水中
也不会破裂；耐磨、耐腐蚀并且能透过微波用作导弹的雷达罩，也可用于生
产特殊轴承。
在微晶玻璃中加入感光金属盐类，就制成光敏微晶玻璃。它具有跟照相
底片一样的功能，一经加热就会显示出图像来。这种玻璃在光刻、光蚀技术
以及集成电路生产中非常有用。
玻璃晶莹透明，是生产光学仪器的重要材料。13