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也许不是梦!现代的理想材料可以重现“孙悟空的金箍棒”?

2017-06-19 10:07:24
作者:本网整理
来源:网络

古典名著《西游记》中孙悟空的英雄形象深入人心,其随身携带的如意金箍棒更为世人津津乐道。无论是遭遇火焰山的高温灼烧还是东海的海水浸蚀,抑或与妖魔兵器直接撞击,都毫发无损,金箍棒到底是什么材料?是小说的虚构还是真实的存在?

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    古典名著《西游记》中孙悟空的英雄形象深入人心,其随身携带的如意金箍棒更为世人津津乐道。无论是遭遇火焰山的高温灼烧还是东海的海水浸蚀,抑或与妖魔兵器直接撞击,都毫发无损,金箍棒到底是什么材料?是小说的虚构还是真实的存在?从小说看来,金箍棒应该具有四大特点:(1)金箍棒的金属密度超级大。(2)金箍棒的金属硬度超级大。(3)金箍棒的抗腐蚀能力超级强。(4)金箍棒的伸缩性超级强。

 

    那么,在现代科学技术条件下,是否有类似的材料可以为人类使用?文章从材料科学的角度,探讨了现代工业中一个全新的金箍棒,可以与硬质合金的硬度、铜合金优异的耐海水腐蚀性能相媲美,并具有高强度、良好的耐磨性及形状记忆效应和生物相容性等理想性能。

 

    金箍棒是东海龙宫的“镇海之宝”,《西游记》中这样描述“原来两头是两个金箍,中间乃一段乌铁,紧挨箍有镌成的一行字,唤做‘如意金箍棒一万三千五百斤’”。传说是大禹治水时所用的定海神针,是用来丈量大海深浅的工具。但是,史书中却没有相关内容的记载。在新石器末期人类开始使用金属,我国于夏代开始进入青铜时代,在商、周时期青铜器的使用最为广泛。古人开始利用铁器是在3000年前,我国古代先进的金属技术一直位居世界先列。古代人们历来都有崇拜金属的倾向,在夏代,青铜材料在各类器物中处于中心位置,它不仅是财富的象征,更是人们等级和身份的标志,被广泛用于祭祀、征伐、宴享、婚冠、丧葬等活动。在商代早期,以青铜器为核心的礼器在商王朝统治阶层的生活中广泛使用。

 

    1974年在河南郑州张寨南街杜岭出土的商早期方鼎(图1),高100 cm,鼎的表面有乳钉纹及凸线式兽面纹,此方鼎为商代二里岗期青铜器中最大的一件。器壁匀薄,造型规整大方,彰现了其主人的身份与地位。司马迁所著的《史记·封禅书》记载,汉武帝时,在今山西汾河流域发现一件铜鼎,当时以为是祥瑞之物,武帝即改年号为“元鼎”。北宋时期,青铜器的收藏甚至成为了一种时尚。金属的使用更是与人类文明分不开的,金属文明是中华文明不可分割的一部分。由此可见,吴承恩虚构出这样一根传奇的金箍棒绝非只是一件兵器,它更能反映在当时科学技术水平下人们对金属性能的一种愿望,金箍棒可以称得上是中国古代人们心中的理想金属材料。

 

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图1张寨南街杜岭出土的商早期方鼎

 

    理想金属的物理力学性能

 

    理想金属的密度

 

    “霞光艳艳”、“瑞气腾腾”、“金光万道”、“约有斗来粗,二丈有余长”、“一万三千五百斤”,西游记中描述的金箍棒颜色鲜艳,具有金属光泽,质量一万三千五百斤,换算成国际单位制大约6750 kg。二丈长,按唐代长度换算相当于现在的6 m左右。碗口粗细,即横截面积大约0.0314 m2(圆半径为0.1 m的情况下),因此在这种状态下金箍棒的密度约为32.14 g/cm3

 

    地球上密度最大的金属是锇(22.8 g/cm3),金箍棒的密度比锇大,然而体积是可变的,孙悟空得到金箍棒后能随意变化它的大小。根据质量守恒定律,无论其体积多大,质量不变,所以金箍棒密度是一个变值,这种现象违背了自然规律。因为密度是物质的一种特性,它只与物质的种类有关,即使金箍棒变到最小(大),组成它的物质材料没有变化,故其密度应该是一个定值。可见,金箍棒只是古代人们心目中金属的一个理想模型。

 

    理想金属的硬度和强度

 

    孙悟空曾用金箍棒与无数持刀、斧的妖怪们打斗后金箍棒毫发未损,从硬度上看,只有硬质合金能与之相媲美。硬质合金的硬度、压缩强度和耐磨性指数是模具材料中级别最高的。它是指元素周期表中IV、V、VI族中的过渡元素的碳化物和铁族元素以及其他微量元素粉末采用粉末冶金技术烧结而成的硬质材料。具有很高的硬度(HRA93[知识小贴士])和耐磨性,即使在高温下硬度依然很高。因为它具有极高的高温硬度及优良的综合性能,使其在金属切削加工业中显示出极大的优越性,在500℃以下硬度基本保持不变,600℃时的硬度超过高速钢的常温硬度,1000℃时超过碳钢的常温硬度。因此硬质合金可以加工高速钢难以加工的耐热合金、高温合金、钛合金、特硬铸铁等难加工材料,其耐磨性是高速钢的15~20倍。单一从硬度角度上来看,硬质合金算得上是个不折不扣的“金箍棒”。

 

    硬质合金的弹性模量高,通常为400~700 GPa,常温下刚性好,无明显的塑性变形。它的密度、硬度、强度、韧度取决于钴的含量和WC的粒度,合金中钴含量增加或者WC晶粒度增大时,合金硬度下降,碳化物晶粒越细,合金硬度越高,例如YG6X合金的硬度比YG6合金高1.5~2.0度。当钴含量增高至25%时,虽然硬度降低到和淬火刚相近的水平(HRC67),但耐磨性仍要高出很多。硬质合金可以大大提高工具使用寿命,切削刀具寿命提高5~80倍,量具寿命提高29~150倍,模具寿命提高50~100倍,并且它可以成倍甚至成几十倍地提高金属切削速度,大大地提高了劳动生产率。

 

    最近还出现了一种超微粒WC–Co硬质合金,其WC颗粒大小只有0.2~1.0μm,其钴含量为9%~15%,硬度达HRA90~92.5,抗弯强度2000~3500 MPa,远远高于钴含量相同的普通合金。目前,硬质合金工业已延伸到非金属陶瓷和超硬材料领域。

 

    现代的超硬质合金大都是由碳化钨和一些其他元素的碳化物用烧结的方法生产出来的。20世纪60年代初期出现的一种新型硬质合金工程材料——钢结硬质合金,它是以硬质化合物(碳化物、氮化物、硼化物等)为硬质相,以钢为黏结金属的硬质合金,它既具有碳化物的硬度和耐磨性,又具有钢的良好力学性能。在某些情况下,钢结硬质合金的耐磨性和塑性都优于硬质合金。90年代后,硬质合金的研究、生产领域对纳米、超细WC粉末,WC—Co复合粉的生产技术进行了大量的研究,并取得了显著的成绩,这一切都标志着硬质合金产品已成为工业中不可缺少的高技术产品。

 

    理想金属的耐蚀性

 

    从古至今,腐蚀一直是金属使用过程中存在的自然现象,但吴承恩笔下的金箍棒在海底存放几千年依旧“霞光艳艳”、“瑞气腾腾”、“金光万道”,可见这几千年都没有明显锈蚀。从当时的生产技术水平来看,防腐工作已相当完美。

 

    我国在商代开始冶炼青铜,并掌握了提高铜耐蚀性的技术。春秋战国时代的武器和秦朝的青铜剑经过专门处理至今所受腐蚀程度甚小(如图2)。经电子探针和质子X光荧光分析,青铜剑的表面有一层10至15μm的含铬氧化物保护层,表明曾采用铬盐氧化处理技术,这种氧化层使青铜剑在墓穴中,在长达两千多年的时间里,保护着青铜剑,避免了腐蚀。中国古代的防腐技术堪称奇迹,金箍棒的防腐可以算的上是奇迹中的奇迹,因为金箍棒长期存放在海水中,海水是一种强电解质溶液,其中含有容易造成金属腐蚀的氯离子,金属在海洋中与海水发生电化学作用发生腐蚀,并且海水中含有的海洋生物、悬浮泥沙、溶解气体和腐败有机物质,都会加速金属腐蚀。即便当今先进的防腐技术也不能使金属在海水中绝对防腐。据统计,全世界每年生产的钢铁约有30%遭受腐蚀,10%的钢铁将变成无用的铁锈。根据《中国腐蚀调查报告》的资料,我国近年来的年腐蚀损失约为5000亿元(约占国民经济生产总值的5%)。

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图2秦朝青铜剑(秦兵马俑博物馆文物陈列室)

 

    在夏代,史书中载有禹“以铜为兵”的叙述,说明当时劳动人民已用铜铸造武器,可以推测大禹治水所用的定海神针的成分中很有可能含有铜。铜及铜合金电位较正,铜的标准电极电位约为+0.34V(而铁为-0.44V),铜的热力学稳定性高,铜合金在大气中表面形成腐蚀产物膜,如CuCO3·Cu(OH)2、CuSO4·3Cu(OH)2有保护作用,所以大多数铜合金在各种大气环境下都有良好的耐腐蚀性。同样在海水中铜合金也具有良好的耐蚀性。而铝、不锈钢等许多工程金属材料均不耐海水腐蚀,此外在这些材料以及陶瓷、木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜则不然,铜很耐海水腐蚀,腐蚀速率约为0.5 mm/a。此外,铜离子有毒,使海洋生物不易粘附在铜表面,也可避免海生物腐蚀。

 

    白铜

 

    我国古代很早就有了利用白铜的历史。白铜(Cu–Ni合金)是以镍为主要合金元素的铜合金,铜镍二元合金为普通白铜,单相固溶体,具有优异的耐腐蚀性能,在大气、过热蒸汽和高温下有优良的耐腐蚀性,尤其在海水中,主要用于舰船、海洋工程、制盐和滨海发电厂的蒸发器、凝汽器等。近年来,为适应我国舰船工业和海水淡化工程的需要,耐海水腐蚀和抗海洋生物附着用管材研究在“十五”期间取得了重大进展:超长的白铜管在高新张铜股份有限公司研究成功并产业化生产。这种特大型白铜管在军事舰船海水管路和海水淡化装置中有广阔的应用前景,也可用于海洋石油开发、海滨电站、核电站方面。

 

    黄铜

 

    黄铜即Cu–Zn合金,有的也加入Sn、Al、As等合金元素,在Cu–Zn基础上加入Sn、Al、Mn、Fe、Ni、Si等元素冶炼出的特殊黄铜其耐腐蚀性比普通黄铜还好。黄铜中加入1%锡的锡黄铜可显著降低脱锌腐蚀并提高耐海水腐蚀性,HSn70–1锡黄铜又称“海军黄铜”。在黄铜中加入铝可在合金表面形成致密并和基体结合牢固的氧化膜,提高耐磨性,并大大降低了高速流动海水的腐蚀。HA177–2铝黄铜可制成强度高、耐腐蚀性好、应用广泛的管材,用于海轮和发电站的冷凝器等。我国从20世纪80年代初开始研究螺旋桨用防污铜合金,我国研制的ZCuZn36Mn3Al1Fe1Sn1螺旋桨用耐蚀防污铜合金,抗拉强度σb≥539MPa,伸长率δ≥20%,硬度HB≥127,三年无海生物附着。2004年12月14日,大连船用推进器厂为丹麦AP·莫勒—马士基集团奥登希船厂制造的、世界最大级别的超大集装箱船用螺旋桨顺利通过了美国ABS船级社和船东的严格检验并交工,制造过程中采用了3个铜水包同时浇注,并一次浇注成功(图3)。可见铜和铜合金已经成为了海洋工业中十分重要的材料。

 

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图3超大集装箱船用螺旋桨

 

    现代的理想金属

 

    金箍棒是古代人们对金属材料各方面优异性能集合于一体的理想模型,然而随着材料科学的飞速发展,证明了这种高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损的金属材料是确实存在的,这就是钛和钛合金。钛同其他结构金属相比较有三个明显的优点,即比强度高和耐腐蚀性能好,铝合金和镁合金的比强度都不如钛合金,另外钛合金还具有神奇的形状记忆效应。而且各种钛合金的优点是温度越高越表现出优良的力学性能。例如在300~350℃的温度条件下,各种钛合金比铝合金和镁合金更强固,在400~500℃温度范围内铝、镁合金由于强度和硬度急剧下降而完全丧失工作能力,而钛合金将继续保持足够的使用强度。

 

    良好的耐腐蚀性

 

    目前所知的工程结构材料中,在常温下的海洋环境中钛是最耐蚀的,十年全浸挂片几乎觉察不出发生腐蚀。其钝化性比铝、铬、镍、不锈钢还强,并且具有很强的钝态稳定性,在H2SO4溶液中钛的钝化电位区高达20 V,没有过钝化现象。常温下新鲜的钛表面只要一暴露在空气中或水溶液中,立即自动形成一层新的氧化膜,氧化膜厚度为1.2~1.6 nm,随着时间的延长其厚度还会不断地增加,这种无孔氧化膜使电位剧烈向正离子区移动,例如在25℃的海洋中约等于+0.09 V,也就是说远比锌、镉、铁、铝甚至比在同一介质中的铜和铜合金为正,从而阻止腐蚀过程。而且这种氧化膜有很好的愈合性,当这层钝化膜被机械破损后能很快地弥合修复成新膜,钛在水中再钝化作用可在小于0.1s内完成。

 

    实践表明钛不仅在大气、潮气中具有优良的耐蚀性,而且在海水、甚至是重度污染的半碱水或脱氧水中也能保持钝化行为。例如,某冷凝管在污染的海水中试验16年之后,尚未出现腐蚀现象。在潮湿的氯气中、氯的氧化物中、含氯的有机化合物中,以及含有大量氯化物的溶液中钛也具有较好的耐蚀性能,而在相同条件下碳素钢及合金钢则遭受到溃疡腐蚀和腐蚀性龟裂。钛也具有抗局部腐蚀性,不管溶液的盐度或酸度怎样,商业纯钛或工业合金在700℃以下都不会发生局部腐蚀。20年前只有几百公斤的钛被应用于氯化处理系统和热交换器中,而现在钛的总消耗量已超过了3000 t。据统计,我国已有220个氯碱厂,近50个纯碱厂,1000多家化肥厂和10余家盐化厂使用了钛材。截止1998年,全国近30多家电厂的94台机组使用了钛冷凝管。

 

    形状记忆效应及生物相容性

 

    《西游记》第三回讲到,孙悟空到东海龙宫求兵器,东海海底有一大禹治水所用神珍铁,孙悟空叫它细些,它就细些,叫它粗些,它就粗些,真是物随人愿。古人将这种理想的金属材料化作文字记录史册,然而现代的科学向我们证明了世界上还真有这样随人愿的金属。

 

    1963年美国海军武器实验室W. J. Buehler等人在近等原子比Ti–Ni合金中发现了形状记忆效应,此后在Cu–Zn、Cu–Al–Ni、Cu–Sn等合金中也发现了形状记忆效应。即在A温度下将有记忆效应的合金加工成一个形状,在B温度下消除这种形状,当温度恢复到A温时,形状也相应的恢复。正如孙悟空得到金箍棒后可随意变化其大小,或如绣花针,或如擎天柱。孙悟空平时将金箍1时,从耳朵里取出。这在一定程度上对金箍棒材料要求很高,首先要有合适的结构使其固定在耳道内不至于掉出来,也不会引起不适;其次,不能与汗液反应损伤身体。Ti–Ni合金与人体之间的化学相容性和生物相容性正满足了这一要求,因为钛的化学惰性超过所有的不锈钢,在人体体液介质中不发生腐蚀。并且Ti–Ni系形状记忆合金具有良好的力学性能、抗疲劳、耐磨损、形状记忆恢复率高、生物相容性好,在室温下变形而在50~70℃下恢复形状,被用于作外科植入物和用于增强弱的软组织物。Ti–Ni 合金支撑强度在10~12 kPa之间,能保证无胀痛感和异物感,并长时间在人体中不松弛,植入体内后的Ti–Ni合金对人体刺激小,无心、肝、肾等重要器脏功能损害。Ti–Ni系形状记忆合金是目前唯一用于生物医学材料的形状记忆合金,用形状记忆合金制成的血凝过滤器,将Ti–Ni丝插入血管,在体温的作用下恢复到母相网状结构,可以阻止95%的凝血块不流向心脏。Ti–Ni合金在心血管系统自扩张支架上也得到成功应用(如图4所示a为Ti–Ni合金丝,b为人的血管),牙齿正畸丝也是利用这一特性的最早产品。

 

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图4心血管扩张支架模拟图

 

    结论

 

    金属的使用同人类文明紧密联系在一起,冶金技术的发展提供了青铜、铁等金属及各种合金材料制造的生产工具、生活用品和武器,从而提高了社会生产力,推动了社会的进步。中国古代使用和冶炼的金属,已证实的有铜、金、铅、锡、铁、银、汞、锌八种。

 

    大量史实表明,中国金属科技水平在古代和中世纪曾长期处于世界领先地位。然而,劳动人民在生产生活的不断发展和对技艺的不懈追求中向往一种趋于完美的金属材料,它具有高强度、高硬度、耐腐蚀、可随意变化形状的性能,这便是“金箍棒”。现代科学证实了这种集众多优点于一身的金属材料是存在的,钛和钛合金优于硬质合金和铜合金的单方面性能,并且具有优异的综合性能,其在近代工业中所起的不可替代的作用。作为现代工业中的新型结构材料,其形状记忆效应更是传统金属材料无法企及的,会成为现代金属王国中的一支璀璨“金箍棒”。 

    

    我们相信未来的理想材料或许可以重现小说中“孙悟空的金箍棒”!

 

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责任编辑:王元

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标签: 理想材料, 重现, 金箍棒

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