青少年喜欢的科技前研:“善解人意”的智能材料

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青少年喜欢的科技前研:“善解人意”的智能材料插图

1992年9月22日,美国阿拉巴马州铁路桥突然崩塌;90年代中期,韩国汉城有一座大型公路桥也出现同样事故……由此使人们担心,世界上的其他桥梁是不是哪一天也会突然崩塌呢?人们的这种担心并非多余,这是因为一桥梁无论是由何种材料建成的,它都有一定的使用年限。但是,所有桥梁的使用年限未必都相同。正如预料人的寿命一样,人们无法精确预测某一座桥的使用年限。如果把还能使用的桥梁毁了去造新的桥,那样做固然保险,但却未免太可惜。假如确信还能使用,说不定某一天却突然损坏,这样就将造成无法挽救的惨祸。因此,无论如何得有一个好办法,以便来检查、确定某座桥是可以使用呢,还是不久就要损坏。

1985年8月,由日本羽田机场飞往大阪的一架大型客机在群马县某山麓坠毁。后经查明,事故原因系由于由飞机后部隔板上裂缝泄漏的空气造成的冲击波把尾翼刮跑所引起的。那么,为什么事先没有发现这个裂缝呢?要是世界上的一些桥梁也存在着没有发现的裂缝而一旦发生崩塌呢?每念至此,不禁令人们不寒而栗。科学技术发展到今天,连这等重要的事都不能应付,着实叫人担心。
如果桥梁或飞机也能发出“疲劳了,似乎马上就要损坏了”的某种信号,人们便可有针对性地进行修理或更换零部件。假如要到发生致命性破坏时才发出信号,那就太晚了。

20世纪90年代初,在美国弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学挂出了一个“智能材料研究中心”的牌子。科学家们正在研究各种办法,试图使飞机上的关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”,使它们能感觉到即将出现的故障,并及时向飞行员发出警报。他们设想的办法是,在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤,这种纵横交错布满在复合材料中的光纤就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力。这是因为通过测量光纤传输光时的各种变化,就可测出飞机机翼承受的不同压力。在极端严重的情况下,光纤会断裂,光传输就会中断,于是就能发出即将出现事故的警告。

这家“智能材料研究中心”的科学家还研究一种能自动减弱某些振动的飞机座舱壁智能材料,以便使飞机能安全、平稳地飞行。他们采用的方法是,利用装在机舱壁内的压电材料,使舱壁振动的方向正好和原来的振动方向相反,这样就等于消除了座舱壁和窗框产生疲劳断裂的根源。

但是,科学家们当务之急是开发出能对桥梁、建筑物和飞机机体等人类生活中造价高昂的物体结构受到的破坏发出早期警报的智能系统。而这些智能系统需要使用不同功能的智能材料。这些智能材料有三种基本类型:

  • (1)由遇到电和磁场后能够扩大、缩小或弯曲的物质构成的,如陶瓷或薄膜等压电材料。它们受到挤压后会产生电压,或者反过来说,在施加电压时会发生弯曲。这种材料的灵敏度很高,甚至用压电聚合物或凝胶制成的人造肌肉和皮肤已能在试验中“读出”盲文。
  • (2)压电材料虽然能在千分之几秒内作出反应,但它们的大小、长短变化有限。因此,科学家将压电材料和叫做“形状记忆合金”的第二类智能材料搭配起来使用。这样,它们即使在变形程度达到15%的情况下,也能“记住”先前的外形,通过加热即可恢复。
  • (3)第三类智能材料包括电或磁的流变体。这种神奇的液体在遇到电流或磁场时会改变它的流动性能。当它处于常态下,可以毫不费力地用勺子搅动;但是当其中有电流穿过时,它会突然间变得像混凝土一样黏稠。利用这种液体的如此奇特性能,可以制造出新型的汽车悬架和传动装置,以及减振系统和可变阻力的键身器械。

当前,科学家们正在研制新的智能材料,并能使它们与有生命的物体一样敏感。他们希望给从墙壁到飞机机翼的所有物体装上用特殊材料制成的眼晴、大脑和肌肉。

智能材料的潜力很大,应用还在不断扩展。例如,可将智能材料用来建造工厂的烟囱,当烟囱排放的烟气超过污染规定时它就改变颜色,从而监视对大气的污染。又如,在修筑冬天结冰的路面时加入智能材料,这种公路一旦结冰,路面就会变色,以提醒司机行车注意。

在未来的新世纪中,智能材料将会大放异彩,创造出人间的奇迹。

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