书城科普108影响人类的伟大发明
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第31章 发明9(3)

1813年,法国的土建工程师毕加发现,用三成石灰岩和一成黏土混合制成的水泥性能更好。

1824年,英国的一个砖瓦匠阿斯普丁在毕加研究的基础上,又改进了烧制方法,获得了更高质量的新水泥“硅酸盐水泥”。

1907年,法国人毕耶利用铝矿石的铁矾土代替土,混合石灰岩烧制成水泥,使水泥的品质和性能大大改善。他研制的水泥,由于含有大量的氧化铝,因此叫“矾土水泥”。它的优点在于不怕海水侵蚀。

今天,水泥的品种繁多、五色斑斓。“彩色水泥”把现代化的建筑物打扮得绚丽多彩;“双快水泥”能在很短的时间内凝固;“可塑性水泥”能够以极强的可塑性,填补牙齿空洞;“焊接水泥”像电焊焊接钢材一样,可把折断了的水泥电线杆重新“焊接”起来;“地板水泥”可以用锯子锯、刨子刨、钉子钉,用它做成的家具完全可以跟木制家具相媲美;“防辐射水泥”建筑的防空掩体,原子弹和氢弹对它都毫无办法;“耐高温水泥”可用做火箭外壳涂层,使火箭在高速运行中安然无恙……

水泥的历史绵长悠远,埃及吉查地方的金字塔,已经使用熟石膏和黏土的混合物铺砌石材。塞浦鲁斯岛上的古希腊废墟,庙院础石之间填塞的是石灰、水和沙混合而成的灰泥。不过,这些都属于空气中硬化的气硬性水泥,黏着力弱,也不适合现代建筑用。

数不清的事例告诉我们,科学的发明不仅需要毅力和智慧,有时候还需要那么一点点运气加偶然,且看——它是怎样炼成的——不锈钢诞生记1912年,英国冶金学家亨利·布里尔利受英国政府军工部兵工厂的委托,研究改进步枪枪膛易磨损而引起射击不准的缺点。这个任务非布里尔利莫属。他的思路是,在普通钢铁中加入另外一种金属,以此来增加钢的硬度,使之成为一种不易磨损的适于制造枪管的合金钢。他试着将铬掺入钢中冶炼,但结果却不能如愿以偿,冶炼得到的合金仍不耐磨,他大失所望,心灰意冷地把它们扔入垃圾堆中。

许多试验失败后的合金堆在那里,垃圾越堆越多,那些废钢铁日晒雨淋,日子一久,全都生锈了。连地上也留有褐色的锈迹。大家一边清除垃圾,一边为还没有制出硬度较高的钢而苦恼不已。

忽然间,布里尔利发现,垃圾堆中有几块金属在闪闪发光,这在一堆锈铁中特别耀眼。仔细一看,正是那几块原来扔掉的合金。大家争先恐后地拿过来看:样子就像普通的钢嘛,可为什么它偏偏不一样呢?为什么其他的金属都生锈了,只有这几块金属没有生锈呢?它们的成分组成一定有什么特别的地方。

因为丢弃的东西都是乱放的,没有编码登记,他们只好将这块“奇钢”进行仔细分析,结果是:碳占0.24%,铬占12.8%,其余为铁。这就是著名的不锈钢。真是有心栽花花不开,无心插柳柳成荫,不锈钢就是这样被布里尔利发明出来了。

不锈钢是一类能抵抗酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。能抵抗何种介质腐蚀,由不锈钢中的组成部分决定。不是任何一种不锈钢都能抵抗各种介质的腐蚀。常用的不锈钢有铁铬镍不锈钢和铬不锈钢两种,但具体因含量不同又可分为很多种。那种是否被磁铁吸引而鉴别不锈钢的方法是靠不住的。

1915年,布里尔利取得了这一发明的美国专利,并生产出了世界上第一把不锈钢刀具;1916年他又取得了这一发明的英国专利,他还与莫斯勒合办了一个生产不锈钢餐刀的工厂,这种餐具很受欢迎,轰动欧洲,后来又传遍世界。从此,布里尔利被尊称为“不锈钢之父”。至今各类不锈钢的产品已广泛用于各个领域。

其实,布里尔利并不是不锈钢的惟一发明者。在20世纪初,法国居耶和波鲁兹已经发现铁中掺有铬后的金属可抗腐蚀,但他不知道能用这种合金来做什么,没有加以利用。1912年,美国赫莫斯也生产出不锈钢制品,同时,德国舒特劳斯和毛勒发明了铁铬镍不锈钢,这和布里尔利不锈钢中金属的种类是一致的,也是至今使用最广泛的一种不锈钢。但是由于他们都没有作更深入的研究和阐述,更没有申请专利,因而与荣誉和巨大的经济效益失之交臂,令人遗憾。

如今使用的各种不锈钢有100多种类型,具有铬、镍和其他金属的不同比例。所有这些钢都有着独特的性能,例如寒冷时也容易成形,或者具有抗撞击、抗铁锈的能力等等。

不锈钢的抗锈特性,加上它闪烁的外观,使它成为20世纪中期流行的厨房用品。厨房洗涤槽、锅架、门柄甚至家具,往往都是用不锈钢制造的。

它的诞生更像是一个为世不容的私生子,它的经历却像是一出慧眼识珠的悲喜剧。还是伟大的诗人李白说得好——天生我材必有用——导电塑料出头记1975年,美国费城的艾伦教授访问日本。当他参观东京技术学院时,在实验室发现了一种奇异的薄膜。这种薄膜既像塑料,又像金属,银光闪闪,惊讶之际便询问这是何种物质。陪同的白川教授不以为然地说,这是某个外国学生做高分子聚合实验时产生的“废品”,这银光薄膜放在实验室里整整5年了,是作为不按导师指导实验而发生“事故”的见证,以此告诫其他学生。

但是艾伦教授对这件“废品”倒是很感兴趣。他找到出“事故”的学生,详细询问了实验的过程、配料的比例、银光薄膜的特性等每一个细节。当他得知这种薄膜还具有导电性能时,一种大胆的设想油然而生——能不能发明一种能导电的塑料呢?这是一个颇有见地的设想。自从1868年发明第一种塑料(赛璐珞)以后,塑料广泛用在绝缘设备上,这已经成为定论,连各国的字典、辞海上,都明确标明塑料是绝缘体。

艾伦教授独具慧眼,不受旧观念束缚。他当即决定,邀请白川教授去美国宾州大学,专门研究这种银光塑料。他们克服重重困难,进行了种种配方的大量实验。当有一次将少量碘加入这种塑料时,奇迹发生了!银光塑料的导电性能出现了巨大变化,导电率一下子提高了3000亿倍这样,世界上第一种没有金属作导电介质的塑料问世了,并且从此打开了塑料在电气和电子工业上作为导电器件的大门。

科学家发现导电塑料具有巨大的潜在用途。许多科学家和公司加紧研究,世界上仅在1984年发表的重要论文就达200篇。

导电塑料质量轻,便于成型,可代替金属做导线,可制成塑料电池(另一极为锂)代替沉重的铅蓄电池;还可以制造廉价的太阳电池薄膜,直接将太阳能转换成电能。

通过对导电塑料的研究,科学家们受到启发,并已经开始研究如何配制各种特殊性的塑料。这种定向研究,必将给人类带来新的美好前景。

属于偶然发现的还有一种防尘涂料。1950年,3M的研发人员打算利用氟化物,来应付飞机的污垢问题。不巧,有几滴洒在一位同事的鞋上,她立刻发现,这层氟竟擦不掉。过了几天,她又注意到,整双鞋已经穿脏了,惟独鞋面上有氟的部分仍然干干净净的,灰尘无法附着上去。防尘涂料由此诞生。

今天,地毯、家具、衣服、椅套等物品,往往会涂上一层氟,避免沾染尘埃。

提到福特,你首先想到的是叫这个名字的汽车,还是创造这个品牌的那个人?其实还有一种金属钢材和这个名字有关——因“祸”而得“福”——钒钢的出世1905年的一天,美国伊利河畔繁忙的公路上,发生了一起严重的车祸:两辆汽车头尾相撞,后面又有一连串的汽车发生追尾。转眼间,公路上狼藉一片,碎玻璃、碎金属片遍地皆是。

事故发生以后,现场除了警察以外,还有一个汽车厂的老板,他就是后来以汽车制造业闻名于世的汽车大王亨利·福特。

福特为什么也急匆匆地赶来呢?原来,这位精明的老板希望从撞坏的汽车上找到一点别人的秘密。

福特仔细地搜索着每一辆撞坏的汽车。突然,他被地上一块亮晶晶的碎片吸引住了,这是从一辆法国轿车阀轴上掉下来的碎片。粗看这块碎片并没有什么特殊之处,然而,它的光亮和硬度使福特感到,其中必定隐藏着巨大的秘密。

于是,福特把碎片捡了起来,悄悄地放到了口袋里,准备带回去好好研究研究。

回到公司以后,福特将这块碎片送到了中心试验室,吩咐他们分析一下,看看这块碎片内究竟含有什么东西。

分析报告很快出来了,这块碎片中含有少量的金属钒,它的弹性优良,韧性很强,坚硬结实,具有很好的抗冲击和抗弯曲能力,而且不易磨损和断裂。

同时,公司情报部门送来了另一份报告,其中认为,法国人似乎是偶然使用了这块含钒的钢材,因为同类型的法国轿车上并不都使用这种钢材。

这一下,福特高兴极了。他下令立刻试制钒钢,结果着实令人满意。接着,他又忙于寻找储量丰富的钒矿,解决冶炼钒矿的技术难题,他希望早日将钒钢用在自己公司制造的汽车上,迅速占领美国乃至世界市场。

福特终于成功了。他的公司用钒钢制作汽车发动机、阀门、弹簧、传动轴、齿轮等零部件,汽车的质量大幅度提高。

几十年以后,福特汽车公司成了世界上最大的汽车生产厂之一,福特曾高兴地说:“假如没有钒钢,或许就没有汽车的今天。”1896年,福特在密西根州家中的花园棚屋中,制造出他的第一辆汽车。12年后,他在底特律开始生产T型车。这种车不但便宜可靠,而且大量成批生产,从此汽车不再是一种新奇奢侈的玩意,而变成了生活必需品,并使美国迅速繁荣起来。27年间,共售出1500万辆。

当“阿波罗号”宇宙飞船登上月球以后,宇航员取出折叠的天线,放在阳光普照的月球表面,不一会儿天线如鲜花一样慢慢张开,其中的奥妙要归功于这种——有记忆的金属——形状记忆合金的发明20世纪60年代,在美国海军研究所军械研究室里,一个试验小组正在忙于试制一些新式武器。就在这时,一件奇怪的事情发生了。

在试验过程中,研究人员急需一些镍钛合金丝。

“史密斯先生,请您到仓库去领一些镍钛合金丝,谢谢!”冶金学家比勒彬彬有礼地对中士史密斯吩咐道。

“是!”史密斯中士立刻来到了军需仓库。然而,他发现剩余的镍钛合金丝都是弯弯曲曲的,没有一根是直的。为了应急,史密斯中士还是领了回来。

“这怎么能用?这样吧,你先用拉直机将它们拉直吧!”比勒对史密斯吩咐道。

接受任务以后,史密斯便认真仔细地将这些合金丝一根根拉直了,然后顺手放在壁炉的搁板上,就去干其他事了。

过了一会儿,当史密斯准备将这些拉直的合金丝送给比勒时,惊奇地发现,这些合金丝全部又变成了弯弯曲曲的一堆。

“这是谁搞的恶作剧?”史密斯怒气冲冲地嚷嚷道,但他转而一想,“不!这是不可能的!我们研究所里都是做事认真的人,不会有人拿工作开玩笑的。那这究竟是怎么回事呢?”当比勒听了史密斯的汇报后,只是让他重新拉直后待用。于是,史密斯又重复进行了一次,拉直后仍然放在壁炉的搁板上。

不一会儿,“恶作剧”又来了,这些镍钛合金丝鬼使神差般地又变得弯弯曲曲了。

这个奇怪的现象引起了比勒的注意,他敏锐地意识到,“恶作剧”背后有文章。

于是,比勒进行了实地观察:搁板是不锈钢制作的,周围并不存在特殊的化学物质,也不存在强电场或磁场,壁炉也没什么特别之处。

他又伸手摸了一下搁板:“哇!好烫啊!”原来,搁板下正好有一根蒸汽管道通过。“难道是温度在作怪?”比勒决定通过实验来证实这一点。他亲自用拉直机拉直了一根镍钛合金丝,然后对它慢慢地加热,奇迹果然出现了:当合金丝的温度升到一定的时候,直直的合金丝一下子恢复了原先弯曲的形状,几乎没什么改变。“啊,原来如此!”比勒反复试了多次,结果都一样。

这件事轰动了整个科学界,科学家纷纷行动起来,找来了各种合金进行试验。结果,许多合金都存在这种“记忆”能力,如铜锌铝合金、银镉合金、镍铝合金等。从此,形状记忆合金就诞生了。

合金为什么会有记忆力?它的秘密何在?具有奇特的形状记忆能力,从本质上追究,是合金内部微观结构固有的变化规律所决定的。固态合金中,原子是按一定的规律有序排列的。有的合金随环境温度的变化,内部原子的排列方式会发生变化。当温度回到原来的数值时,合金内部原子的排列又会恢复到原来的排列方式。

自从各种形状记忆合金诞生以后,利用它发明各种令人不可思议的元件和装置成了热点。月球天线便是其中之一。

20世纪60年代,美国正在着手准备庞大的阿波罗登月计划。人类登上月球的目的之一,便是要在月球表面架设一台抛物面天线。这样,即使人类离开了月球,它也会源源不断地将各种信息发回地球,供人研究。

但是,美国宇航局遇到的一个难题便是:如何才能把一个硕大的抛物面天线送上月球去?如果全部做好了,飞船上放不下;如果到月球上去临时造,这又不可能。后来宇航局决定通过招标解决这一问题。

招标通告引来了宇航局里的材料专家们,有人建议,可以发明一种形状记忆合金天线。

为了证明这一方案的可行性,他们先在地面上做了一个小型试验,将镍钛合金在变形温度以上压成薄膜,待冷却以后再折叠起来,然后通过加热,它就自动地伸展开来,重新形成平展展的薄膜。

科研人员沿着这条思路,在变形温度以上制成了抛物状的天线,稍加冷却,天线就变得十分柔软,可以像折叠衣服一般很方便地折叠起来,这样便可以装上飞船,整装待发了。

此后,便出现了起初那一幕。

“记忆合金”还被应用到制造F-14型战斗机上。

F-14型飞机是新型快速的战斗机,飞机的机械接头有数万个,在高速飞行下接头容易脱出,一旦接头脱出,就会造成机毁人亡的悲剧。有了“记忆金属”,就可避免这种危险。