自然科普:从金箍棒到美队盾牌,这种材料不可或缺
发布时间:2022-08-11
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西游记里孙悟空一柱擎天,横扫千军的金箍棒;漫威宇宙中金刚狼寒气逼人,银光闪闪的利爪;美国队长坚不可摧,光滑明亮的盾牌以及钢铁侠威风凛凛,帅气酷炫的战甲,这些“趁手兵器”都是超级英雄们最具标志性的名片。不过,统观这些古今中外的神兵利器,其实都有一个共同的名字——合金

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合金制成的菜刀

(图片来源:veer图库)

从超级英雄们的神兵利器到寻常百姓的菜刀,为什么无一例外用的都是合金而不是纯金属呢?合金相比于纯金属又有哪些不可替代的优势?这还要从合金的身世讲起

Part.1

见证历史发展的合金

合金是指一种金属与另一种或几种金属或非金属经过混合熔化,冷却凝固后得到的具有金属性质的固体产物。由此观之,合金是在一种纯金属的基础上加入了其他的金属或者非金属元素所组成的混合物

材料常常成为一个时代的标志,而除了远古的石器时代之外,青铜器时代、铁器时代以及近百年内铝等金属的利用,都离不开合金的身影。青铜是金属冶铸史上最早的合金,是在纯铜(紫铜)中加入锡或铅所组成的合金。

我国早在距今5000年左右的夏朝,就有关于人们冶铸青铜器的记载。而鼎盛时期则是在商、西周、春秋及战国早期,延续时间约一千六百余年。这个时期的青铜器主要分为礼乐器、兵器及杂器等。曾侯乙编钟,越王勾践剑均是这段时期的青铜器代表,传世国宝。尽管已经沉睡了2000多年,其钟依然荡气回肠,其剑依然削铁如泥。

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曾侯乙编钟(左)和越王勾践剑(右)

图片来源:veer图库

转变时期一般指战国末年至秦汉末年这段时间,伴随着礼崩乐坏,由青铜器所构建的的礼制逐渐瓦解。而国之大事,在祀与戎,取而代之的,是随着兵器和祭祀用品中铁器的出现,人们开始迎来了铁器时代。

铁器是以金属铁和碳元素所组成的合金,根据其中含碳的比例,可分为生铁、熟铁以及钢。实际上在自然界中,铁的储量远高于铜。而之所以在问世时间上被青铜捷足先登,是因为炼铁所需温度较高,要达到1500℃,青铜器时期的人们还无法达到这种温度以及工艺的要求。

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汉代铁器

(图片来源:郑州市古荥汉代冶铁遗址博物馆)

Part.2

合金比纯金属强在哪儿?

首先,严格意义上说,地球上本就不存在100%的纯金属,我们所接触到的一切金属,都属于合金范畴。因为从科学上严谨地讲,金属不可能有100%纯,也无法检验是否100%纯。所以金银市场所谓的“纯金”、“纯银”,也仅仅是接近100%的纯度而已,除非把非金非银的原子一个一个挑出来,才能得到100%纯度的金银,这显然是不可能实现的事情。

但是现在的提炼技术已经可以获得纯度达到99.999%的金属,其应用性能和100%的纯金属已并无二致,所以通俗地讲,我们可以把杂质总含量在0.1%以下的金属称为纯金属。

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图片来源:veer图库

其次,合金拥有纯金属所不具备的一些独特的优势。比如合金的硬度一般比其基体的硬度大,所谓固溶强化,比如铝合金的硬度比纯铝的硬度大很多。不过也存在一些特例,例如钠钾合金是液态的,用于原子反应堆里的导热剂)。

合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性,可以制造高电阻和高热阻材料,还可制造有特殊性能的材料;有的合金抗腐蚀能力强于任一组分金属,如在铁中掺入15%铬和9%的镍可以得到耐腐蚀的不锈钢。

Part.3

各路神通的“合金武器”

西游记中关于金箍棒的描写是这样的“棒是九转镔铁炼,老君亲手炉中煅。禹王求得号神珍,四海八河为定验”。这里面的九转镔铁,实际上就是不锈钢,它是一种铁碳合金,原产于伊朗、印度等地,南北朝时期引入中国

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图片来源:影视剧《西游记》

到了明代,上等的武器都选用不锈钢制备。把其表面磨光再用腐蚀剂处理,可见花纹,就被称为“宾铁”。“老君亲手炉中煅”指的就是不锈钢加工时所必不可少的锻造技术,是让钢铁逐渐变硬的过程。并且结合后面那句“四海八河为定验”,证明金箍棒既可以置于淡水之中,又可以置于海水之中而不腐蚀生锈,再次验证了其材质是不锈钢的猜测。

而狼叔的利爪以及美队的盾牌,据原著的描写,均来自于“艾德曼合金”,尽管地球上目前还没有这种合金。在钢铁侠的众多战甲当中,钛合金战甲则占据着最重要的位置。

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金刚狼利爪(左)和美国队长盾牌(右)

图片来源:电影《金刚狼》《美国队长》

钛合金是在金属钛中掺入了铝、钒等金属所制成的合金。与强度足够的合金钢比起来,钛合金质量很轻;与密度足够轻的铝合金比起来,钛合金又具有足够高的强度以及耐热性,所以在需要轻质以及高强度的领域,钛合金成为第一选择,比如航空航天领域。而且,钛合金与人体有较好的亲和性,所以假肢、假牙等人造骨骼也多用钛合金。

目前,人类已经发现的金属元素总共只有108种,而通过不同金属不同含量的排列组合,可以形成千千万万种不同性能的合金。所以合金具有更广阔的设计加工空间,也具有更多的可能性,可以不断满足人类文明的发展。

参考文献:

[1]吴承恩.西游记[M].

出品:科普中国

制作:X-Y 中科院大连化学物理研究所
监制:中国科普博览



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