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塑钢材料的特性考证
更新时间:2018-11-24 22:10  字数:4304字

塑钢作为战锤40K人类科技的一项知名特产,咱怀着某种考据党心理进行一些现实侧技术考证吧!首先从其字义中带有的‘塑’字来看明显具有塑料一样的优异加工性能,展现出令人惊奇的拉伸、压缩、弯曲、压印等各种加工变形行为。这也是跟其他几项知名高塑性材料想通之处,由此也可见该系列材料都是黄金年代开发的大众类易加工材料属性!

而现实中我刚好找到有近似的研究项目资料——金属塑料!非结晶合金领域。在多方面具有其相应晶态合金所不具备的优异的力学、物理化学等特性,因而成为科学家和工业界都高度关注的研究对象。四个结构特点:长程无序,短程有序,宏观均匀、各向同性,短程不均匀。目前测定非晶态结构的常用方法如X射线衍射、中子衍射、电子显微镜等等。

二十面体在非晶合金中起着很重要的作用。二十面体结构拥有完美的五次对称结构。二十面体结构与体系的非晶形成能力、玻璃转变和力学行为密切相关。但二十面体团簇在某些非晶合金中所占比例非常低,因此采用普遍存在的局域五次对称性(LFFS)作为一个广泛的参量来描述非晶的结构特征。LFFS结构参量能反映非晶体系塑性形变的结构特征,塑性形变在LFFS强度高的局部区域很难发生。LFFS结构参量还能反映非晶体系的结构特征和结构转变的性质。

非晶合金具有创纪录的某些优异的物理、力学和化学性能,如非晶合金的强度、韧性、硬度、模量等都突破金属材料的记录;非晶合金是优良的软磁、催化、耐磨、耐腐蚀材料;具有非常明显地缺陷,如脆性、形成能力差、不稳定等;同一成分的非晶物质存在不同的结构构型,通过时间、工艺条件调控;非晶合金形成成分范围宽;非晶合金(亚稳相)对服役条件如温度、压力、使用时间敏感。

1力学性能:强度和硬度

 非晶合金由于没有晶体中的位错、晶界等缺陷,因而具有很高的强度和硬度。其强度接近于理论值。非晶合金把强度和弹性极限两种性能很好地优化在一起。非晶合金的强度具有尺寸效应,接近纳米尺度的非晶合金丝具有比其同成分块体非晶合金具有更高的强度和弹性极限。

超塑性成形

 2具有稳定的过冷液态使得非晶合金有出色的超塑性变形能力与铸造能力成型能力。非晶合金在凝固的过程中体积变化要比晶态合金小得多,在超塑性变形中体积没有突变,不易形成锁孔、缩松、气孔等缺陷;其玻璃特性使成型后的铸件表面可达纳米级的粗糙度不需要二次加工。其中被称为金属塑料的新型Ce基非晶合金可在较低温度下软化和超塑性成型、弯曲、拉伸、压缩和复印等,因此加工制造成本低廉。而室温液态金属Ga基非晶合金可在常温下具有流动性。

 非晶合金超塑性成型的特性,使得非晶合金可被一次加工成复杂形状的结构器件,还可以吹塑成型,其表面光滑度可达到原子级别。(看到这里相信不难明白其作为星际时代高普及材料的一个重要特性了)

3低温物理特性——电磁效应

 目前金属玻璃的唯一大批量应用是基于某些铁基玻璃的软磁性能作变压器片。非晶合金内部原子的排列处于无序状态,不存在晶界和磁晶各向异性,组织均匀,没有对磁畴运动具有钉扎作用的杂质存在,所以具有良好地磁性能。

 铁基等非晶合金具有优异的磁导率、电阻率、高饱和磁感应强度和低高频耗损性能。铁基非晶合金具有高饱和的磁感应强度,耗损远小于传统磁性材料。

蓄冷效应:一些非晶合金的大磁熵变的温度区间较宽,比热峰比较圆滑且较宽,而且根据其加工特性可成形为蓄冷材料颗粒,将会达到提高其蓄冷效果。

其他还有收集氦氖特殊气体,记录红外线磁光,磁至深缩性和永磁性生物相容性等诸多特点也难怪被应用在人类多个科技领域!

实际的当下已经有相当多尖端领域开始研究其高效实用化了——

1金属玻璃的应用  磁性领域

 Fe、Ni、Co基非晶合金具有高磁饱和强度,高磁导率,低矫顽力,具有低的饱和磁致伸缩,使其能够制成各种复杂结构的微型铁芯,然后制成变压器或电感器,应用于计算机、网络、通信和工业自动化等行业。

温区更宽、温度更低、使用寿命更长的非晶合金作为新型蓄冷材料应用于低温制冷机,非晶合金有望在低温磁性蓄冷材料领域中得到应用。

非晶电机也可应用于无人机、机器人等产业。

2非晶磁芯生物医用领域

 Ca基、Mg基非晶合金具有生物兼容性、可降解性和不会引起过敏,这在医学上可用于修复移植和制造外科手术器件,如外科手术刀,人造骨头,用于电磁刺激的体内生物传感材料,人造牙齿等。镁基非晶合金因为其可降解性、较高的强度、接近骨头的弹性模量可能成为新一代为体内支架类材料。

 金属玻璃的耐腐蚀性能可成为固定骨折夹板和钉的首选材料。

非晶合金电子皮肤具有很好的导电性,电阻与应变呈完美线性,能够实现应变和电信号的转变,而且非晶合金皮肤的弹性范围大幅度提高,其在仿生领域有应用前景。非晶合金皮肤具有的良好地稳定性(电阻和灵敏度系数),还具有抗菌性。

 3C行业

 金属玻璃最显着的优势,就是高强度、高硬度、高耐磨性,而且既轻又薄,恰好满足3C产品的核心特质。金属玻璃注塑、压铸的塑形方式,可以满足时尚、美观的外形诉求形状诉求。液态金属在工艺上接近“净成形”,所需要的后期加工较少,可以有效降低后加工成本。金属玻璃可通过改变表面结构来改变颜色,后期装饰工艺丰富,颜色更自然,同时耐磨损,不易刮擦掉色。

4 汽车行业

 利用金属玻璃高硬度、高耐磨的特性,可制造汽车发动机中的液压油缸、活塞等耐磨零部件,并大幅提高使用寿命;对于汽车应用,一些常见的关键属性包括精密度,耐蚀性,表面光洁度和弹性。精密度也许是这个过程中最想要的一项特征。液态金属有着接近于零的收缩,从模型中注射成型的零部件常常能够超越最精准的CNC(数控加工)技术。液态金属在无研磨和抛光的情况下,可以实现接近光学的表面光洁度。

 铁基非晶合金作为电子变压器、电感器、电抗器的铁芯,具有较高的能量转化效率,在新能源汽车充电桩产业具有广阔的市场前景。

其他技术领域

 在航空航天领域,利用液态金属高比强度、比刚度、高抗磨损的特性,可制造航空航天器的主框架、轴承等结构材料,大比例地减轻重量,相当于提高了航空发动机的推力比;由于非晶合金中的原子没有晶体结构中存在的通道效应,因而能够有效地截留住太阳风高能粒子。

 在军事方面,钴基非晶目前在军事方面可以用非晶做穿甲弹;Fe 基非晶合金(又称非晶钢)的高硬度、抗磨损、无磁和腐蚀特性是高性能涂层材料,可在航母等舰艇防腐、隐身、高耐磨表面硬化和轻量化部件、抗腐蚀部件和电子器件保护套等方面的应用。

在微机电器件领域,非晶合金薄膜和微齿轮具有更独特的性能,在生物医药、纳米压印、微机电系统、光电等领域有所应用。借助离子束沉积的方法制备的非晶合金薄膜具有很好的热稳定性和力学性能,具有较好的柔性有望应用于微机电器件领域。

在环境领域,Pd基非晶合金催化剂不仅具有优异的催化活性,而且具有独特的自稳定性。铁基非晶粉末可在短时间内处理染料污水。

在体育用品方面,非晶合金用于体育用品所能提供的高性能主要体现在高强度、高抗永久变形能力,高弹性,优异的固有低频振动阻尼,耐腐蚀。非晶合金已经在高尔夫球、滑雪、棒球、滑冰、网球拍、自行车和潜水装置等许多体育项目中得到应用。

其衍生还有——液态金属的应用

  液态金属表面张力是液体里最高的,是水的近9倍。由于它既是液体,又能导电,就可以在电双层表面张力作用下运动。表面张力会让液态金属向球形发展,在内部形成漩涡。液态金属作为一类在低温下呈液态的金属材料,在柔性可拉伸电子、能量收集与存储、生物成像、冷却装置、传感器、致动器、软体机器人、微流体、形状调控系统、医疗监测和化学催化合成等领域有着非常重要的应用价值。其中,镓及其合金由于无毒且具有极低的蒸气压,成为目前研究最为活跃的室温液态金属材料。

电子领域

 液态金属随温度调控的固液转变可构建基于基于液态金属的记忆与逻辑单元,液态金属构建的计算机,可通过多种方式同时编程,一次可同时执行多个指令,具有高度并行的特点。液态金属也具有更好的散热性能,还具有流体的柔性,能制备液体电子乃至半导体单元。

通过将液态金属采用直接注射或真空注射地方式填充到微通道、纤维或多孔结构中来制备柔性电极或导体材料;

液态金属可应用于喷墨印刷、微接触印刷、直接书写、模板印刷、掩模沉积、光刻、转印或3D打印等;镓铟液态金属用作3D打印柔性电路的“墨水材料”,“墨水”配制简单,无需后处理,电导率相对较高,是一种理想制备柔性电路的原材料。

液态金属制备柔性复合材料

 双螺旋结构的纤维增大了接触面积,从而增大了电容。随着扭转角度增加,LM纤维的电容也随之增大。表明电容与扭转角成近似线性关系。由于纤维与LM都具有低模量,该传感材料的测量上限比目前的扭力传感器测量上限高两个数量级。

军事领域

 与传统天线相比,液态金属天线有四大优势:

频率可调,具备多个工作频率;不易断裂,更为耐用;设计灵活,可重构;系统减重,小型化。

 生物医用领域

 液态金属优越的导电性能及稳定性,可作为神经修复材料和血管造影,儿童且液态金属可应用于高分辨CT成像、阻塞血管肿瘤治疗技术、注射电子等。

液态金属不仅可制作机器人的智能马达、血管机器人、柔性执行器、电极系统等电子系统,还可制成神经、肌肉、骨骼等。采用液态金属电极制造人工肌肉,可以确保较高的顺应性,变形率高达300%,显着优于采用传统刚性金属;利用液态金属制成的具有传感功能的神经系统可摆脱传统刚性传感器的限制,搭配柔性多自由度、无刚性结构肌肉,与生物机体运动高度契合;而液态金属的低熔点固液态转换机制,使得液态金属制造的人造外骨骼在需要时变成液态,能够在狭小的空间穿行。

热控领域

 镓合金的导热系数是水的60~70倍,捕获热量的能力很高,抗击极端温度的能力异常强(沸点2000℃),且稳定无毒,非常适合应用于芯片冷却。因此液态金属可制作导热膏,用于芯片冷却和电脑器件散热。

化工能源领域

 液态金属可作为催化剂,实现固体铝在室温下的直接快速产氢;液态金属还可制备氢源燃料电池。液态金属电池在兼容风电、光伏等间歇性能源使用时能很好地平衡电网波动,防止突发性断电,在大规模储能方面性能优越。

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综合考虑了战锤40K位面人类工业科技中塑钢的高普及应用率来看,小说中所揭露的塑钢装甲仅仅只是其广大潜力的一小部分而已,涉及到庞大工业链上肯定还有更多细致入微的领域未被提及。当然也与火星教团的迷信保守主义与部分科技知识链断裂失传有相当关系。总之成熟的塑钢科技将成为主角后续引入现实位面的一项重要基础普及科技。

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