初中化學教材中的高科技知識

王麗萍

【摘 要】本文主要對人教版初中化學教材中設計的高科技知識進行了詳細的介紹，以期為教師授課中的講解提供方便。

【關鍵詞】形狀記憶合金 鈦合金 合成材料

一、形狀記憶合金

形狀記憶合金是近幾十年發展起來的一種新型功能材料,它是利用應力和溫度誘發相變的機理來實現形狀記憶功能的一類材料。其特點是:將已在高溫下定型的形狀記憶合金置于低溫或常溫下使其產生變形,當環境溫度升高到臨界溫度(相變點)時,合金的變形消失并可恢復到定型時的原始狀態。例如,TiNi合金從高溫降低到臨界溫度時,晶體結構由菱形轉變為立方體;當溫度從低溫上升到臨界溫度時,晶體結構從立方體恢復為菱形。在恢復過程中,合金能產生與溫度呈函數關系的位移和力,其能量來自于相變驅動力。這種升溫后合金的變形消失、形狀復原的現象稱為形狀記憶效應。目前，形狀記憶合金在電氣、機械、運輸、化學、醫療、能源、航空、生活用品等領域都得到了應用。最典型的應用例子是航天飛機的傘型天線,為方便發射把它壓扁附在船體上,飛船升空后受陽光的輻射而升溫,于是天線便記憶起原來的形狀,重新支起。

二、鈦合金

鈦合金的正式開發和應用僅僅是最近50年來才開始的，并且在50年代幾乎只有美國一國在進行研究，最早開發成功了Ti-6Al-4V，目前世界鈦合金加工材年產量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。其性能如下：（1）熱強度高（2）低溫性能好(3)抗蝕性好(4)化學活性大(5)導熱系數小、彈性模量小。目前，鈦合金的主要應用如下：

1.航空領域

由于飛機和導彈的速度已增加到遠遠超過音速，從前使用鋁合金的地方，因其耐熱性的要求，已不大適應，所以采用新材料，尤其是鈦及其合金來代替。鈦的密度小，又具有高的耐熱性和持久強度，對在振動載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴展的敏感性低，并且有良好的耐蝕性。因此在飛機上廣泛采用鈦及其合金，小至螺釘、螺母等緊固件，大至機身骨架、隔框等結構件。目前，先進飛機上的鈦材重量達到飛機結構總重的30%~40%，鈦材已成為現代飛機不可缺少的結構材料。

2.生物醫學領域

鈦無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性，因此，是非常理想的醫用金屬材料，鈦作為外科植入材料得到了廣泛發展。最初應用于臨床的鈦合金主要以純鈦和Ti-6Al-4V為代表，后來對β型鈦合金的研究最廣。純鈦在生理環境中具有良好的抗腐蝕性能，但其強度較低，耐磨損性能較差，限制了它在承載較大部位的應用，目前主要用于口腔修復及承載較小部分的骨替換，但目前尚未出現強度問題。相比之下，Ti-6Al-4V具有較高的強度和較好的加工性能，這種合金最初是為航天應用設的，70年代后期被廣泛用作外科修復材料，如髖關節，膝關節等。同時Ti-3Al-2.5V也在臨床上被用作股骨和脛骨替換材料。

3.海軍領域

鈦在海軍裝備方面的應用,俄羅斯處于世界絕對領先的位置。世界上第一艘全鈦核潛艇于1968年12月下水,已運行30多年。該潛艇應用了大量的板材、管材、鍛件,潛艇的所有裝置全部是由鈦合金制造的,這包括巨大的焊接結構殼體、巨大的管路系統和不同的裝置和機器設備。美國曾在航母上用鈦合金進行裝艇服役評價，每個航母可減重15t。

此外，鈦合金在兵器、汽車、石油、化工等方面都有廣泛的應用。

三、合成材料在科學技術中的運用

下面將對教材中出現的三種合成材料做——高分子材料制造的半透膜、復合材料碳纖維、導電塑料進行介紹。

1.高分子材料制造的半透膜

半透膜是一種只給某種分子或離子擴散進出的薄膜，對不同質點的通過具有選擇性的薄膜。例如細胞膜、膀胱膜、羊皮紙以及人工制的膠棉薄膜等。現代半透膜還用與多孔性壁（如無釉陶瓷）并使適當的化合物（如鐵氰化銅）沉淀于其孔隙中制成。半透膜用于滲透溶膠和測定滲透壓強等。生物吸取養分也是通過半透膜進行的。而用高分子材料經過特殊工藝制成的半透膜，它只允許水分子透過，而不允許溶質通過。用高壓泵使處于半透膜一側的原水壓力超過滲透壓時，原水中的水分子就能夠透過半透膜進入另一側，從而獲得純凈水。而原水中的溶解與非溶解的無機鹽，重金屬離子，有機物，菌體，膠體等物質無法通過半透膜，只能留在濃縮水中被放掉。反滲透設備廣泛應用于醫藥行業、飲料行業、電子、電力行業等。

2.復合材料碳纖維

碳纖維是由有機母體纖維(粘膠絲、聚丙烯睛或瀝青等采用高溫分解法在1000~3000℃高溫的惰性氣體下碳化制成的，具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點，是一種力學性能優異的材料。特別是聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，其性能優越，更適合規模化生產，是當今碳纖維的主流成為了軍民兩用的主導材料，廣泛應用于國防、航空航天高檔民用產品。其實，碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性，柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸向表現出很高的強度。碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。碳纖維作為高性能纖維的代表，屬于高技術密集型產品，其生產技術復雜，產業發展涉及官、產、學、研各個環節。由于它是發展航天航空和軍事工業等尖端技術必不可少的新材料，也是民用工業更新換代的基礎材料，國外又對其出口進行封鎖，所以近年來我國就一直比較重視對其研制和生產，雖然起步較早，投入不薄，但仍處于失利地位，很重要的一個方面是中國高技術產業創新系統存在的問題。

3.導電塑料

導電塑料是一種高分子材料，是目前國際上一個十分活躍的研究開發領域，已從初期的純實驗室研究發展到應用研究階段，成為新一代電子材料。導電高分子材料按照其導電機理可分為結構型和復合型兩大類。目前，結構型導電高分子材料的合成工藝較復雜，成本較高；而復合型導電高分子材料加工簡單、成本低，因而被廣泛應用于電子、汽車、民用等領域。

參考文獻：

[1]黃麗琴.形狀記憶合金的應用[J].常州信息職業技術學院學報，2008，(03).

[2]陳勇.導電塑料的研究進展[J].彈性體，2008，(02).