飞天金属新贵锂、铍、钛
轻且坚韧的元素


文章出自:博物 2009年第07期 作者: 丛恒将 

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飞上天,这本来是一些气体元素的专利——看着满天的氧气、氮气在翱翔,谁不羡慕它们呢?可当代科技偏偏给了沉重而强硬的金属们一个机会,人们可以制作出各种飞行器、航天器飞上天空,甚至在宇宙中遨游。当然并不是所有的金属都有机会上天兜风,谁能获此殊荣呢? 为此事,金属们也进行了一次选拔,从初评到复赛然后反复PK一波三折。最终总决赛入围的金属们除了铁、铝、镁这些传统工业明星外,还有几个新面孔——锂、铍、钛。
我们所处的世界都是由元素组成。109种不同的地球元素,经过玄妙的组合,变成了山河湖海、宝石尘埃、有生命的动植物……门捷列夫以来的元素周期表所揭示的,是元素原子的内部结构和相互联系的规律。抛开抽象的化学符号和课本上的化学反应式,我们还可以通过身边的自然万物,重新认识集结起来的元素。

想飞上天,肯定有自己的独到之处。比如,你要身轻如燕,你要有钢筋铁骨,这正是锂铍钛三者共有的特点。拿锂来说,锂和镁可以形成极硬的低密度合金,具有“硬、轻、抗腐蚀”的特点,被用于宇宙航天器零件的制造。而铍铝合金则可以用“硬、轻、耐热”来形容,它具有很低的热膨胀系数,可以在温度变化剧烈的环境中用作精密零件。铍铝合金按铍含量可分为铝基合金和铍基合金:前者铍含量在5%以下,用作冶金添加剂;后者铍含量在60%以上,用作结构材料,比如人造卫星、太空望远镜上的照相机,或者天线,光学元件的固定构件等。在美国的卡曼奇武装直升机上有58个铍铝合金部件,用来组成它非常精密的电子光学侦测系统。

我要飞得更高
纯锂轻如鸿毛,可以漂浮在水面上,甚至可以漂浮在煤油上。因此锂镁合金也非常之轻,比身材轻盈的铝还要轻一半,难怪制造宇航器部件时人们如此青睐它。
好“铍”用在刀刃上
世界最高精尖的光学仪器经常和铍有关,比如美国用铍铝合金造了5个高精度的光学仪器,其中4个安装在美国空军现役极轨卫星上,另外一个放在NASA“空问技术”的微型航天器,这可都是顶尖的精密设备了。

比起锂、铍来说,钛似乎没那么轻盈,但它的强度却更胜一筹:钛与钢的强度相似,但重量仅为钢的45%;钛比铝重约60%,但钛的强度是铝的二倍还多。在喷气式飞机出现之后,飞行速度大幅度提高,特别是实现超音速飞行之后,会引起飞机表面加热产生“热障”——这时飞机材料性能会下降,从而使飞机结构强度与刚度降低,飞机的气动外形发生破坏,甚至引起灾难性的颤振,此时原有的合金就不能胜任了。因为,高速飞行的飞机所要求的不仅仅是强度,而且应当有良好的抗蚀性、韧性和耐热性,这就呼唤新的耐热合金的出现,钛合金就是这个时代的英雄。

省钱有“锂”
锂铝合金的重量比普通合金轻20%,一个拥有20架锂铝合金制造的客机的航空公司,每年可节省3000万英镑的燃料费用。
全钛战斗机
美国在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛的用量已在20%以上。如第三代F-15 战斗机的钛合金用量占27%,而第四代F-22战斗机的钛合金用量占41%。使用最多的当属“全钛飞机”SR—71黑鸟,因为该机的飞行速度高达三倍音速,己突破热障。该机钛合金使用量占全机结构重量的93%。

这三种金属后来名声大噪,在金属界中被誉为“天之骄子”,这多少给别人有些高高在上的感觉。其实在成名之后,它们还是很低调的,如今它们早已经走入寻常百姓家,比如轻便韧劲十足的眼镜架、手机的电池……这才是明星金属的真正气质吧。

元素档案

责任编辑 / 张超 

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