中华学生百科全书-第340部分

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用于生产高精密仪表元件。
氟橡胶不仅能耐低温，而且在低温下还有很好的弹性。它是材料学家根
据氟塑料的特点设计的，价格昂贵，产量少，只用于军事和航天工业。
（3）液体胶乳和粘结剂
生活中我们还常见的另一类橡胶制品是薄膜制品，如医用手套、探空气
球、飞艇、雨衣等，它们都是用液体胶乳制成的。
液体胶乳是用橡胶单体直接聚合成的胶乳，每一种合成橡胶，都有一种
对应的液体胶乳，其中以丁苯胶乳产量最大。液体胶乳使用很方便。把硫化
剂先加入胶乳中，然后把胶乳涂在织物上，烘烤到一定温度，胶乳就硫化固
定为胶膜了。
合成胶乳除了生产薄膜和海绵制品外，还用于合成革、无纺布、防寒棉、
船底涂层和火箭发射的弹性水泥平台等方面。
液体胶粘剂又叫液体橡胶，是一种低分子量的聚合物，广泛用于粘结各
种金属、塑料、皮革、书籍等。

纤维

纤维材料包括两大类：一类是天然纤维，包括植物纤维棉、麻等和动物
纤维羊毛、蚕丝等；另一类是化学纤维，包括人造纤维和合成纤维。
我国的丝绸很早就闻名于世。从公元前　2　世纪起，我国的丝绸沿着横贯
中亚的“丝绸之路”出口到欧、亚、非洲，促进了我国和世界各国的交往和
交流。到了北宋时期，著名的女纺织革新家黄道婆改进了纺织技术，使棉纺

织业在我国得到了发展。
天然纤维资源有限，每亩良田年产皮棉不过　50　公斤左右，一只蚕茧只能
抽生丝　0．5　克左右，而世界人口不断增加，对纤维的需求也在增加，但又不
能用大量的良田去种植桑麻棉，因为人们要种粮吃饭。解决粮棉争地矛盾的
出路就在于发展化学纤维。现代的合成纤维工业以石油、天然气为原料，产
品性能优异，花样繁多，深受广大消费者喜爱。
（1）人造纤维
人造纤维也叫再生纤维，是用一些本身含有纤维的物质，如木材、棉籽
短绒、棉秆、甘蔗渣等，或含有蛋白质的物质，如大豆、花生、玉米等，经
过化学处理和一系列的机械加工制成的。人造纤维具体指人造棉、人造丝、
人造毛等。
最早出现的人造纤维是粘胶纤维，它是　1891　年人们用木材、棉绒等为原
料加工得来的。用它制成的衣服穿着舒服，透气性好，但缩水率大，不耐磨
也不耐晒。
后来人们又研制出铜氨纤维、醋酸纤维等，但人造纤维原料有限，产品
性能不太优越，因而逐步让位于后起之秀——合成纤维。
（2）合成纤维
合成纤维是把一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质，如煤、石油、
天然气、水、空气、食盐、石灰石等，经过化学处理制成的纤维。合成纤维
跟橡胶、塑料同属高分子化合物，不同之处表现在：
作纤维的树脂多属线型分子链，没有或少有支链。
这类树脂能溶于溶剂而抽成丝，或者能加热熔融而抽丝，但加热时其结
构并不被破坏。这类树脂的分子间内聚力是所有高分子中最大的。
合成纤维生产的第一道工序是纺丝。纺丝工序的关键是喷丝头，它一般
采用耐高温耐磨的材料制成。在一个喷丝头上钻有几十个到几万个直径为
0．04～1　毫米的小孔。熔融纤维从小孔喷出经冷却就得到很细的丝，抽出的
丝再经过牵伸和热定型工序就可用于生产各种产品。
合成纤维具有天然纤维所没有的一系列优良性能。它强度高，耐磨、耐
虫蛀，比重轻，保暖性好，一般能耐酸碱腐蚀。
合成纤维以六大纶为主：
①聚酰胺纤维。我国称为锦纶，是最早上市的合成纤维。主要品种有尼
龙　66，尼龙　6，尼龙　610　等。1940　年第一批尼龙丝袜上市，就震动了纺织市
场。锦纶纤维耐磨，强度大，回弹性能好，但耐热耐光性能差。锦纶大多用
于制造袜子、衬衫等。工业上用作重型汽车和飞机轮胎的帘子线、绝缘材料，
也用于制造缆绳、渔网、降落伞、高级地毯等。
②聚脂纤维。我国又称为涤纶（的确良），早在1940　年英国就已能合成，
但直到　1946　年才实现工业生产。涤纶纤维强度高、耐磨，混纺后制成的衣服
耐穿，抗皱好洗，因而发展迅速。到　70　年代初，产量居合成纤维第一位。
③聚丙烯腈纤维。我国又称为腈纶、合成羊毛。它是　1950　年问世的，它
的耐光性、保温性、弹性都很好，手感柔软，强度比羊毛高，价格比羊毛低，
不怕虫蛀，耐晒又耐洗，适宜于制作衣料，针织外衣、毛毯、工业用织物等。
④聚乙烯醇纤维。我国又称为维纶，它的性能近似于棉纤维，耐磨性强
于棉纤维，是合成纤维中吸水性最高的一种，但耐热性和弹性较差。
⑤聚丙烯纤维。又叫丙纶，比重小，强度较高，耐光照。

⑥聚氯乙烯纤维。又称氯纶，它耐化学腐蚀力强，保暖性好，难燃烧。
合成纤维主要用于民用消费品，但也有一部分用于工程技术。宇航、冶
金、化工等部门，不仅要求纤维综合性能优良，而且需要耐高温和抗强腐蚀。
合成纤维的出现，正好填补了这一空缺。人们经过多年研究，已取得不少成
果。
芳纶—1313　纤维，能在200℃下长期使用，它的强度是强力锦纶的　2　倍。
它首先被用于制造宇航服，还大量用作登山索具、高温过滤袋、飞机轮胎帘
子线等。
芳纶—1414　纤维，能在　290℃下长期使用，560℃才分解。它的强度是合
成纤维中的冠军，断裂强度是锦纶的　3　倍，手指粗的一条纤维绳，就可以吊
起两辆解放牌汽车。因此多采用它作复合材料的增强纤维，特别适合于生产
飞机、导弹的雷达罩。
聚酰亚胺纤维能在…273℃的超低温下使用，也能在　400℃的高温中正常
工作，能承受冷热剧变而不影响强度。
用聚皿氟乙烯抽丝制得的氟纶纤维，能耐王水的腐蚀。在…160℃～280
℃的温度范围内都可使用，用它增强的复合材料作自润滑轴承在飞机上使用
非常合适。
（3）合成皮革和合成纸
从显微结构看，皮革和纸张都属于平面型的纤维交织物。皮革纤维是强
韧的胶原蛋白纤维，经鞣革剂作用而形成强固的网状结构。纸张的纤维是植
物性纤维，在造纸过程中，这些植物纤维互相纠结而形成网络结构。
合成革就是把树脂涂在底物布上制造出来的树脂薄膜。但它没有微气
孔，不透汗，穿起来不舒服。后来人们在合成革中加入聚氨脂，聚氨脂在凝
固过程中就会产生微气孔。这种合成皮革具有像天然皮革一样的透气性，但
比天然皮革耐用得多，它又可装饰成各式各样的真皮外表，因而很受欢迎。
普通纸的强度一般不高，且易被虫蛀，又不耐酸碱。人们用人造纤维为
原料制成聚合薄膜，再经纸化工艺，就可得到合成纸。目前已有用于描图的
描图纸，用于印刷制版的铜版纸，不怕日晒雨淋的广告纸问世，用这种纸生
产的军用地图和防水海图，抗折抗皱，不怕水，战场使用很方便。如果用合
成纤维为原料，按传统的造纸法就可造出合成纤维纸，它强度高，抗腐蚀，
抗撕折，抗霉蛀，用作电池隔膜纸，既能提高电池寿命，又能改进电池性能。

功能高分子材料

功能材料主要包括功能高分子材料，跟能源有关的材料，具有生理机能
和生物活性的材料，以及具有“感觉”和“记忆”功能的材料。这些材料不
是利用它们的机械强度来作设备或器物，而是利用它们的物理和化学的特殊
性能，如光电效应、生理机能、催化活性、记忆功能等。高分子材料是功能
材料的主要部分。
（1）医用功能高分子材料
用人造材料来再造人体的组织和器官，用以替换已经坏死或不能正常工
作的器官，从而治愈各种疾病，是几百年来人类梦寐以求的愿望。要实现这
个愿望有许多难题：首先，这类材料植入人体后，长期处于酸碱体液中，再
加上体内酶的影响，材料的物理、化学性质容易发生变化，这要求材料具有

高度的稳定性。其次，材料要具有一定的生理性能，在体内不致发生排异作
用，不致引起过敏反应，如组织变态、发炎、凝血、致癌等副作用。经过多
年研究，这方面已取得重大进展，人造血、人造皮肤、人造心脏等已经开始
用于临床。
氟碳乳液是一种人造血液，代号　FC，它性能稳定，加乳化剂后成为乳化
液。它的溶解氧的能力比血红蛋白大　1　倍，同时还能把二氧化碳释放出来，
它吸氧和释放二氧化碳的速度都比血红蛋白快几倍，并且没有血型，对任何
病人都可直接输入动脉。
人造心脏主要由动力部分、血泵和监控系统组成，其中血泵是关键，制
造血泵的材料要求机械强度高、无毒、不致癌、良好的生化稳定性和高度的
抗挠曲性。具有这些综合性能的材料目前尚未找到，但人造心脏用于动物试
验已取得部分成功。
人工肾脏是研究最早而又最成熟的人工器官，关键是研制出高选择性的
半透膜，可采用聚丙烯腈硅橡胶、赛璐玢、聚酰胺等，美国有个人移植人工
肾已活了　20　多年，并担任了某学院的副院长。
聚丙烯腈硅橡胶薄膜的选择透过能力很高，可用于制造人工肝脏；聚丙
烯薄膜可透析血液中的二氧化碳，可用于制造人工肺，在日本，这种人工肺
已使数十人获得了新生；用金属骨架外包超聚乙烯材料制成的人工关节，弹
性适中，耐磨性好，在临床中已取得满意效果。
（2）液晶材料
1888　年，科学家发现：有一些有机化合物的晶体，在加热到一定温度时
会变成一种浑浊、粘滞的塑性物质，再升温至某一温度，又突然变成完全清
澈透明的液体，这种介于固态和液态之间的物质就是液晶。目前已知有　2000
种以上的有机化合物具有液晶性质。
液晶材料按分子排列的不同可分三类：
①近晶型液晶。其分子排列整齐，近似于晶体，它对电和磁都不发生效
应，尚未得到开发利用。
②向列型液晶。向列型液晶的分子，在长轴方向排列一致，而层状却不
整齐，像一把上下交错的筷子，当外加电场时，分子排列变乱，由透明转向
浑浊，形成光的散射体。可用它制造电控亮度玻璃，如照相机上的自动光圈
和数码显示器。
③胆甾型液晶。它的分子排列是：一个个条状的分子层层相叠，错开一
定角度，扭转成螺旋型结构。它除具有特殊的光学效应外，还具有显著的温
度效应。随温度升高，其颜色按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫变化；温度降
低，则按反方向变化。它的这种温度效应可用于金属的无损探伤和医疗上检
查血栓和肿瘤。
在工业上多把三种液晶混合使用，或者在混合液晶中加入添加剂，这样
效果会更好。液晶材料体积小，耗能少，在电子计算机、电视、钟表、微波
测量、医疗、宇航上有重要用途。日本　1991　年已研制出液晶显示的电影放映
机，图像比普通电影清晰许多倍。1991　年　5　月，在英国皇家学会庆典上展示
了一件令人瞩目的紧身衣，它是用液晶材料制成的，它会随温度变化而变幻
出五彩缤纷的颜色。在低温下为黑色，在　28℃时为红色，在　33℃时为蓝色，
在　28℃～33℃之间为其他颜色，这标志着液晶材料的发展已进入一个崭新的
阶段。

（3）其他功能高分子材料
离子交换树脂和离子交换膜也是一种高分子材料。离子交换树脂是由聚
苯乙烯、聚氯乙烯或其他树脂的高分子链为骨架，在主链或侧链上连上容易
与金属离子或酸根离子相作用的基团，而生成的高聚物。它能把稀溶液中的
离子固定在树脂上，达到淡化溶液的目的；反过来又可把固着在树脂上的离
子洗脱下来，以达到富集或浓缩微量元素的目的。在实验室中它可用于生产
超纯水和提炼微量元素。在工业上它可用于淡化海水或富集海水中的镭、铀、
钚等原子工业的原料，也可用于净化废水、废气以回收有用物质，防止环境
污染。
另一种对光敏感的感光树脂在印刷工业上有重要的用途。这种高分子在
光线作用下发生交链聚合作用生成不溶性树脂，未曝光的部分可用溶剂冲
掉，由此得到的是具有立体浮雕式的图像，可直接用于印刷制版，使制版过
程完全自动化。
1964　年，美国人洛普研制成一种有机硅聚合物薄膜，它能从水中离析氧
气，也能可逆地离析二氧化碳。用这种薄膜制成容器放入水中，容器中的老
鼠活了　4　天　4　夜。这种薄膜有鱼类鳃的功能，如能制出高效产品，也许人类
就可以在深海里长期停留而不需要潜水设备。这样人就可以住在美丽的海底
龙宫中了。
高分子还可作为储能材料。人们已发现环庚二烯在吸收光能后变成环庚
烷，当它释放出热量后又回复到环庚二烯。如果能提高其储能指标，将非常
有用。
1987　年，人们用泡沫塑料加工出一种增大型生长聚合物，它的奇特之处
在于：与一般材料受拉变细相反，它受拉后横截面变粗。1988　年研制出的多
孔聚四氟乙烯，泊松比为负　12。这种材料作铆钉抗拉性好，用它作为密封、
减震、吸音材料，也有优良的效果。

复合材料

金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料，是人类大量使用的三大
类基本材料，它们各以自身的特点，满足人类多方面的需要。随着现代科学
技术的发展，人们对材料性能的要求越来越高。例如，空间技术需要耐高温、
防辐射、重量轻、强度大的材料，电子技术需要电磁性能好、易加工、寿命
长的材料。三大基本材料都有各自的缺点：金属材料大多不耐腐蚀，无机非
金属材料较脆，有机高分子材料不耐高温。它们单独使用时难以满足现代技
术的综合需要。一个行之有效的办法是把两种或多种材料复合起来，互相取
长补短，以获得工程技术所需要的综合性能，这就是复合材料。
现代复合材料，本质上是基体和增强剂的复合。基体的角色通常由合成
树脂、塑料、橡胶、金属、陶瓷来担当，玻璃纤维、硼纤维、碳纤维起着增
强剂的作用。复合材料按其结构特点可分为纤维复合材料、细粒复合材料、
层叠复合材料及骨架复合材料。目前发展最快的是纤维复合材料。

纤维复合材料

玻璃钢是人们所熟悉的一种复合材料，它是本世纪　40　年代研制出来的。
以玻璃纤维为骨料，以合成树脂作基本和粘结剂，加热压制成型就得到玻璃
钢，其成品强度可与钢材媲美，比重仅为钢的　1／5～1／4，耐高温、抗腐蚀、
电绝缘、抗震抗裂、隔音隔热、加工方便。在航空、机械、汽车、舰船、建
筑、化工等部门得到广泛的应用。
1960　年，美国人研制出了硼纤维，这是一种强度和弹性都比玻璃纤维更
好的纤维材料。其制作过程是：把直径　13　微米的钨丝放入高温沉积钨内，在
三氯化硼和氢气的混合气体里加热到　1000℃以上，炉丝上连续沉积金属硼，
就形成了钨丝外面包着硼的纤维，其强度是玻璃纤维的　5　倍。它既可与树脂
复合又可与金属复合。用硼一环氧系复合材料作宇宙飞行器的结构材料比用
铝和铝合金重量轻、强度高。用金属铝作基体的硼铝复合材料耐　1200℃高
温，用来制造飞机机体可使飞机重量减轻　23％。用硼纤维补强的钛镍复合材
料在军事和空间技术上起重要作用。
碳纤维是最近十几年才发展起来的一种新材料。它可用聚合物纤维通过
一定的工艺制得。把聚丙烯腈丝在　200～300℃的空气或氧气中进行热分解，
然后在　1000℃的氢气中碳化，最后在　2500℃的惰性气体中迅速加热，就可得
到石墨化的纤维。这种碳纤维直径只有　5～10　微米，十分脆。人们用溴或一
氯化碘来塑化纤维，经塑化的纤维可纺成纱、织成布，最后除去塑化剂，碳
纤维仍保持原来形状。
碳纤维的特点是高强度、高弹性模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕
变、导电传热、密度小、热膨胀系数小。但它难与其他材料复合，所以复合
前要首先作表面处理。
用碳纤维增强的尼龙　66　有很好的韧性和良好的导电性，可作电荷分散体
和导电体。其耐磨强度比用玻璃纤维增强的尼龙　66　高　4　倍。碳纤维增强的聚
苯硫醚具有优异的抗拉强度，导电性提高，表面电阻降低，有优异的耐腐蚀
和耐水解性能。
用碳纤维增强陶瓷或玻璃，不仅能提高陶瓷或玻璃的强度，更主要的是

大大提高了其韧性。这种增强复合材料在燃气涡轮机、火箭发动机上用于制
作关键设备。用碳纤维增强金属能有效地提高材料的综合性能，是一项很有
发展前途的技术。用碳纤维增强铝的复合材料的技术已经发展成熟，它生产
成本低，材料的比强度、比刚度高，能耐高温，抗拉强度、耐磨性好，是电
和热的良导体。因此在飞机、坦克、导弹、卫星等方面得到广泛利用。
目前发展较快的还有金属纤维增强金属的复合材料。例如，用钨纤维增
强铬铝钇铁合金而制得的复合材料，具有高温强度高，延展性好，抗氧化，
耐腐蚀等最佳综合性能，是生产燃气涡轮机叶片、火箭发动机喷嘴、航天飞
机鼻锥等的优质材料。
混杂复合材料是把玻璃、碳等纤维按各自的特点组合起来，编制成粗纱、
毡、布等，再与塑料、陶瓷等复合而成。这种办法的优点是成本低，能使各
种材料的特性互补以获得较高的综合性能，并且还会获得意想不到的混杂效
果，因而发展迅速。

其他类型复合材料

细粒复合材料的一个代表是金属陶瓷。它是由陶瓷相和粘结金属相所组
成的非均匀复合材料。陶瓷相主要是高熔点的氧化物、硼化物、碳化物等，
金属相是某些过渡族金属及其合金，金属相和陶瓷相之间并不发生化学反
应，而是靠分子间的相互扩散和渗透而形成复合材料。它的特点是既具有金
属的韧性、高导热性、良好的抗热冲击性能，又具有陶瓷的耐高温性能。因
此它在宇航、化工、机械、冶金、国防等行业都大显身手。
最早出现的层叠复合材料是夹层玻璃。它是在两层玻璃中间加入塑料等
填充料粘结而成。在钢化玻璃产生前，这种夹层玻璃常用作汽车等的窗玻璃，
在防止玻璃伤人方面起过积极作用。现在有的飞机也采用多层的有机玻璃作
窗门，人们常用金属板夹高性能高分子材料作减振材料，以减轻振动和降低
噪音。
复合材料是材料领域的奇葩。它充分利用现有材料各自的优点，按科学
的方法加以复合，使它具有各种材料的优点而克服其缺点，从而获得优异的
综合性能。经过几十年的发展，复合材料已有三代：
40　年代研制的玻璃钢，是用玻璃纤维增强塑料，这是第一代。
60　年代后研制出的用碳纤维、芳纶、碳化硅纤维等增强树脂，属第二代。
目前正在发展的纤维增强金属、陶瓷纤维增强陶瓷等，属第三代。
在利用复合材料获得优异的结构性能的同时，人们也在努力开发具有各
种功能的复合材料。这些材料具有奇妙的声、光、电、磁、热性能，在日常
生活中、工业生产、航空航天、国防等领域都发挥着巨大作用。

材料工程放异彩

现代显微测试技术的迅猛发展，使人们在观测材料的结构时，能从晶体
再细微到分辨出原子和电子，因而对材料所具有的独特的物理性质（电学、
光学、磁学、热学、能量转换等）能够不断地揭示，给人类提供了设计新材
料，改造、利用现有材料的依据。自然科学的进步和高新技术的旋风，为材
料工程增添了异彩，已经培育出现代材料科学的灿烂花朵。而且由于高科技
的涌现，人们已经制造出了许许多多性能奇妙的新材料，成为材料园地中的
佼佼者。用于材料工程上的技术繁多，有离子束、电子束、激光束、电解、
电镀、化学镀、高压力、快速冷凝等等，都在制备新材料方面做出了重大贡
献。

载能束巧夺天工

载能束指的是电子束、离子束、激光束。将这些具有高能的束流强行注
入材料内部，在材料的表层可以迅速加热到高温，也可以实现快速冷却，冷
却速度达每秒　1012摄氏度。这两种作用和载能束的本身都能对材料发挥奇特
的作用。载能束本身的离子作为掺杂物质，掺入材料表面，能改变材料表面
的成份。快速加热和快速冷却，会引起材料内部的结构变化，使原子重新组
合，新的化合物可由此产生。
1973　年，迪利那利发明了用离子注入的方法把晶体合金转变成非晶合金
（有关非晶合金的性质，在“繁星闪烁”一章中另行详述），这个方法是事
先选择要注入合金晶体的元素，然后，把这些元素放入放电管，在放电管两
端加上高电压，放电过程中使放入元素变成离子。这种放电管叫离子源所形
成的离子进入磁质量分析仪，通过分析仪选出所需能量的