第3章 新材料：未来的希望
金属也可以像泡沫塑料吗
如果有人告诉你，一块铁可以像泡沫塑料一样地在水中浮起来，你会相信吗？通常我们所见到的金属材料大都是致密的，一般都很坚硬。但是如果采用特殊的生产工艺也可使金属内部产生很多孔隙，这种金属被称为多孔性金属。
多孔性金属可以分为多泡性金属和通气性金属两类。两者的区别是前者的孔隙是独立的，和外部没有联系，就像我们日常生活中所见到的蜂窝一样（不过，多孔金属的孔可没有蜂窝的孔那么大，它的孔是极其细小的，甚至我们肉眼都看不到），而后者是连续相通的。
多孔性金属中孔隙占总体积的百分数称为孔隙度，它是衡量多孔体金属的重要指标，孔隙度越大，说明金属里面的孔隙越多。大家想想，如果把它放大，是不是很像泡沫？所以，人们把孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔体金属称为泡沫金属。这种金属孔隙含量高，而且孔隙直径可达毫米级，几乎是连通孔，因而它属于通气性金属。
泡沫金属可以达到省能源、省资源的目的，适应现代工业制品发展的需要。与块状材料相比，泡沫金属具有以下几个特点：
第一，质量轻。同样体积大小的金属，其中所含的孔隙越多越大，就越轻。当孔隙度为90%时，大部分金属比相同体积的水还要轻。当孔隙度达到90%以上，铁就可以成为在水上漂浮的泡沫铁。但是，孔隙的大小和在金属内部的分布是不是均匀也很重要，否则即使金属的孔隙度再高也可能浮不起来。所以，如何使孔隙大小均匀分布，是制造泡沫金属的一个关键和难题。
第二，强度随孔隙度的增加而降低，在较大的压力下容易发生较大的形变，所以泡沫金属具有很好的吸收能量的功能。
第三，导热率随孔隙度的增加而降低。如孔隙度达到50%以上时，热传导要下降几十倍。这样它对热的传导变得很慢。
此外，泡沫金属还有在较宽频率范围内较好的吸音特点，有很强的屏蔽电磁波和良好的耐热性能。
泡沫金属
目前，用于制造多孔金属材料的金属主要有铜、银、钛、镍及其合金和不锈钢等。制造多孔金属材料主要采用以下几种方法：热挤压法。如铝、镁及其合金粉末与某些碳酸盐混合，在热挤压下成型，在更高温度下发泡，可以制成多孔性材料。
熔融金属法。这是指低熔点的金属在熔融状态时加入某种发泡剂，在强力搅拌下达到使气体分布均匀从而使金属中产生气泡的方法。通常，为了得到缺陷较少的铸件，要利用流动性较好的金属，以减少熔融金属中吸附的气体，因为金属中含有气泡会降低金属的强度。但制造多孔性金属的方法则正好相反，它要的就是金属中的气泡，而且要达到很高的比例，因此要使熔融金属的粘度增加，使其中的气体不易脱出，并把气体在金属内部凝固下来。
粉末冶金法。烧结性多性体材料是研究最多、应用较为成熟的多孔性材料。该方法是在粉末中加入发泡剂，烧结时发泡剂挥发，留下孔隙。
电化学沉积法。利用发泡程度很高的塑料骨架，用电镀的方法将金属沉积上去，然后把塑料烧去，同样也会留下孔隙。
铸造法。利用金属的吸气——放气现象进行铸造的方法。
多孔体金属的用途很广，作为结构和装饰材料，已在建筑、运输设备、住宅建设等方面获得日益广泛的应用。以发泡铝为代表的泡沫金属，具有质轻、刚性好、吸音、隔热、屏蔽电磁波、耐冲击和易加工等特点，大量用于隔音壁、隔音室、录音录像的房间、防震材料、电磁波的屏蔽材料和其它各种建筑材料等。
神奇的微晶玻璃
微晶玻璃是由微小晶体组成的玻璃，为玻璃家族中具有独特结构和特性的成员。由于它和陶瓷有着相似的结构，所以又被称为“玻璃陶瓷”。
玻璃在一般情况下属于非晶态固体物质。但是，它的这种结构是不稳定的，在温度达到900～1000摄氏度的时候，就会析出晶体，形成按一定规则排列的分子结构。
制造微晶玻璃，就要创造一种使它能够析出晶体的条件。条件之一就是要达到一定的温度，条件之二是提供结晶的核心。除了玻璃自身成分可以作为结晶的核心外，许多金属元素和化合物也可以作为结晶的核心。在熔炼成型后，利用紫外线照射并进行热处理，或直接进行热处理，就可以使结晶核心像种子发芽一样生长出许多微小晶体。其直径为1～2微米（1微米为100万分之一米），只有头发丝直径的几十分之一。
根据制作过程的不同，微晶玻璃可以分为光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃。利用紫外线照射而成的微晶玻璃，称为光敏微晶玻璃；没有用紫外线照射，只通过热处理形成的微晶玻璃，称为热敏微晶玻璃。
目前，人们已经制造出一千多种不同成分的微晶玻璃，它们虽然具有各种不同的性能，但仍然有许多共同的特点。它的硬度高，抗弯强度是普通玻璃的7～12倍，软化温度非常高，在900摄氏度以上的高温时，即使突然投入水中也不会炸裂。它的膨胀系数可以调整，甚至可以为零。正是由于它所具有的优异特性，在各个领域发挥出新奇的作用。
例如，经过精心制作的光敏微晶玻璃，具有良好的电学性能和化学加工性能，可以用来制造印刷线路板的基片和镂板，还可以制造射流元件，利用它的化学蚀刻功能，可以在指甲那么大的玻璃上打出上万个孔。利用光敏微晶玻璃制成的高级装饰品和艺术珍品，工艺精湛，造型美观，深受人们的欢迎。
利用某些微晶玻璃所具有的热缩冷胀的特性，灵活调整它的膨胀系数，可以广泛用于热工仪表、厨房用具、医学和建筑材料等领域。利用微晶玻璃做成的凹镜，精度不受环境温度的影响，在大型反射式望远镜中大显身手。
微晶玻璃容易进行成型加工，在短时间内可以耐高温，可以用来做导弹的弹头防护罩，在导弹飞行时能辐射大量的热，从而能够降低导弹温度。此外，还可以用作火箭、人造卫星和航天飞机的结构材料，在机械工业上制造滚动轴承、高速切削刀具、热交换器等耐磨、耐热的机械零件。一些特殊性能的微晶玻璃还可以用来加工成人工关节、人工牙等人体部位的代用品。
近几年，日本新建的车站或者车站翻新时，其内、外墙大多改用微晶玻璃板，如名古屋附近的车站、箱崎地铁站等。另外，在为数众多的商业建筑、娱乐设施及工业建筑的饰面装修中采用微晶玻璃者更可谓比比皆是。这些建筑物改变了都市、乡村的风貌，实实在在显示了微晶玻璃板势必成为21世纪建材界的新宠。
高科技特种玻璃
微晶玻璃已经够神奇的了，现在，我们再来了解几种特殊的高科技玻璃。
能储存光的玻璃
日本住友光学玻璃公司成功开发了一种能贮存光的特殊玻璃。当光束照射在这种玻璃上的时候，它可以储存光能，然后，以长时间发光的形式将所储存的光能逐渐释放出去。这种玻璃是一种氧化物玻璃，在制作中添加了硫化锌和少量铜及放射性元素镭和钷，并经过严格的环境保护处理后制出成品。这种玻璃在用水银灯照射1～30分钟后，可以持续发出浅绿色的光，发光时间可以达到12小时以上。用远红外线激光进行照射时，则会引起绿光辐射激烈发光现象。目前，这种玻璃被用于制造医疗领域的记录材料，建立室内暗处照明的安全设施，还可以用来建造利用太阳光的节能设施。
能自我清扫的玻璃
司机在雨天开车必须使用雨刷来帮助清洁挡风玻璃，但是还是会有水渍，内表面又容易因为蒸汽起雾，影响行车安全。日本科学家发明了一种可以自我清洁而不结雾的玻璃。这种玻璃的表面具有“双重可湿性”，可以同时沾上水和油两种液体，所以，当玻璃上有水气的时候便会在整个玻璃表面上扩散开来，而不会凝成水珠。此外，水在这种玻璃上可以渗透到油性污物中，将油污冲洗掉，从而具有很强的自净能力。有人做过这样的实验，在向玻璃喷水气的时候，普通玻璃已经结满了雾珠，而这种玻璃却依然可以透过文字和图片供人们阅读。
能吸收光能的玻璃
瑞士化学家迈克尔发明了一种可以发电的太阳能玻璃。这种玻璃有夹层，在这两层玻璃之间加进了超薄化合物，这种化合物可以吸收光能，还可以导电。当太阳光照射这种玻璃的时候，化合物可以吸收光能，转化为电能并储存起来，这时，只要用导线接通，就可以用于照明或为其他电器供电。现在，每平方米太阳能玻璃可以发出150瓦的电力。
会变颜色的玻璃
德国皮尔金顿公司研制出一种变色玻璃。这种玻璃的表面镀有一层超薄氧化钨涂层，在该涂层上通过低电压的时候，氧化钨的氧化状态会发生变化。通过控制电压的高低，可以使玻璃发生由完全透明到深蓝等多种颜色变化。当室外光照过强时，玻璃颜色会逐渐变深，既可以防止室内温度过高，也有助于减少电脑电视屏幕等可能对人眼造成的反光。当室外光线微弱的时候，玻璃又会逐渐变得透明，以增加透光性。建筑物装配上这种玻璃后，能够整体或单片与建筑物电力管理系统相连，发挥天然“空调”的作用。测试表明，节能效率最高的时候，它能够使对建筑物进行内部调温所需的能量节省一半以上。
玻璃微珠
你看过露天电影吗？平常我们看电影得去电影院，电影开始放映时，必须关闭所有灯光，在黑暗中才能保证清晰地看到电影画面。但是，国外却有一种大白天在露天放映的电影，一样可以看得清清楚楚。为什么呢，秘密就在于它的银幕。
“白昼电影”的银幕是由一种玻璃物质构成的，这种银幕会使电影画面显得更加清晰。从表面上看，好像银幕是由粉末状的物质构成的，但如果把它放在光学显微镜下观察，则发现是粒度十分均匀的球型颗粒。直径只有头发丝一般大小，用眼睛很难分辨。这些微小的玻璃珠对光线有很强的反射作用，光线从哪个方向射过来都可以向原来的方向反射回去，而且亮度很高，即使在白昼，人们也能够很清晰地看到银幕上的画面。
那么，玻璃微珠是怎么得到的？
玻璃微珠是在比较复杂的技术条件下获得的。它的原料具有较高的折射率，加上在玻璃中含有很高折射率的重金属氧化物，放进电炉或煤气炉中进行高温熔融。直到原料变得均匀清晰时，取出进行迅速冷却、粉碎、筛选，制成大小适宜但形状不规则的颗粒。然后，采用等离子喷涂技术，将它们制成透明、均匀的球形玻璃微珠。
经过一系列复杂的工艺流程生产出的玻璃微珠，具有耐水、耐酸等优良的性能。特别是它的折射率很高，当光线射入时，玻璃微珠就像一面微型凸透镜，能够将光线有效地折射回去。
在现代社会不断进步和发展中，玻璃微珠有着越来越重要的作用。除了可以做成新奇的露天电影银幕之外，还可以制成各种定向反光膜，广泛用于各类交通标志，如道路标志、汽车牌号、桥梁隧道入口标志、救生用具反光标记、航标和机场信号牌等，还能用来制成彩色印花反光织物，这种织物可以制作矿山、消防、环卫等部门的工作服，以及其它反光衣物，为减少事故、改善管理、提高效率起到极为重要的作用。
玻璃纤维，性能超群
我们日常穿的衣物，如羊毛衫、棉毛裤，都是由动物纤维或植物纤维纺织得到的。玻璃纤维，顾名思义是一种玻璃呈纤维状的材料。它种类很多，包括了硅酸盐纤维、硼酸盐纤维、碳化硅晶须等，甚至也包括碳纤维，即所有的非金属纤维。
人类认识纤维的历史很久远。古埃及人在制作陶器的时候，就已经知道从半熔石灰石和碳酸钠混合料中快速抽出一两根纤维，用于装饰当时极为珍贵的陶器表面。20世纪40年代，人们开始用高速旋转的装置从熔融玻璃中抽拉出直径几个微米（一微米为100万分之一米）的连续纤维，并开始将熔融玻璃或其它岩石用火焰喷吹成棉状纤维，开创了现代玻璃纤维工业。
玻璃纤维有许多引人注目的性能：质量轻、强度高、绝缘、防腐、防高温。它的抗拉强度远超过钢铁，可以纺织、缝编，易于与各种材料复合。其重要用途是用来制造纤维增强材料。纤维增强材料就是两种或两种以上的纤维、基材的复合材料，在天然的物质中，这种材料十分罕见，但它却存在于我们的生物肌体中，如骨骼、肌肉纤维等。纤维增强材料的重要特点是具备纤维和基材都不具备的新特征。
光导玻璃纤维的出现和光线传输技术的发展，使光线能够通过光纤穿越遥远的路程，而光纤通讯在网络中的应用，构成了信息时代的基础之一；电绝缘用玻璃纤维也是玻璃纤维中的重要一员，尤其是用玻璃纤维制作的印刷电路板是各类电脑、电器的必备材料；棉状玻璃纤维则在建筑领域大显身手，用它制成的建材轻质、保温、吸音、防火、隔热，满足了现在家庭无噪音、温差小、低能耗的要求。另外还有导电玻璃纤维、半导体玻璃纤维和耐辐射玻璃纤维等，在各个方面有着广泛而重要的用途。
一根根细细的玻璃纤维，就这样为我们编织出了一批性能超群的新材料，支撑着各不同领域的发展。