防火耐寒特性的材料倾斜功能材料

乍一看题目，会让人有些莫名其妙。什么叫倾斜功能材料？这不奇怪，因为这是近几十年才出现的有“特异功能”的新材料。现有的大多数材料都害怕忽冷忽热，更害怕一边受热一边受冷。即使是坚硬的耐热钢，在这种“打摆子”似的恶劣温度条件下，也会因热胀冷缩的极不均匀而遭到破坏。

你会问，什么场合有这样的恶劣条件？还真有。20世纪80年代，日本人设计了一种所谓空天飞机。这种飞机在低空时，可以水平起飞，并在低空充分利用大气中的氧助燃；而在无氧的太空时，能利用自身携带的液氢和液氧作为燃料。这种空天飞机的发动机就遭受着恶劣温度变化的折磨。它的发动机燃烧室温度高达3000℃~3500℃，在这一温度下，现有的任何一种材料都会熔化。因此燃烧室要用液氢进行冷却，这样燃烧室的内外温度就相差三四千摄氏度，即内壁要承受3000℃~3500℃的烧烤，而外壁要承受－200℃超低温的冷冻，再“健康”的材料也受不了。

因此日本的科学技术厅在1987年专门成立了一个科研小组，并制定了一个开发倾斜功能材料的研究计划。所谓倾斜功能材料，就是既不怕热也不怕冷的材料。这个计划实现起来可不是轻而易举的，所以准备用5年时间完成。但日本人也会搞集中优势兵力，组织了20来个一流的企业、6个国家级研究所、9所大学和3个团体的科研成员进行攻关，结果在1988年就研制成功一种铜和二硼化钛“交错”而成的倾斜功能材料。这种材料能在表里温度相差800℃，表面温度高达1500℃时顺利工作，不过离空天飞机发动机的要求还有一段距离。(www.xing528.com)

为什么这种材料有如此本事呢？原来这种材料沿厚度方向的化学组成是逐渐变化的，即材料的一面是100%的铜，它能耐冻；而另一面是100%的二硼化钛，它非常耐热。但在材料的两个表面之间，铜和二硼化钛交错地“倾斜”着减少和增加。即铜由100%逐渐减少到0，而二硼化钛从0逐渐增加到100%。由于冷热两边之间的材料成分是逐渐倾斜变化的，因此其热胀冷缩的变化很平缓，不会引起破裂。这种材料必须用特殊工艺才能生产出来。大致过程是：让铜、硼、钛和二硼化钛4种原材料粉末的比例逐渐变化（用计算机控制），并在一个圆盘中一层层地叠成圆盘形；然后放在200℃的真空室中抽出其中的气体，再加压使其体积压缩到原来的60%~70%；最后把它放在一个密封的反应室内，用电加热圆盘的一面，这时在这些粉末之间立即发生化学反应而产生大量的热，并像点燃的导火线一样以每秒0．1~0．15厘米的速度，由圆盘的一面自动向另一面蔓延，化学反应产生的热就使粉末烧结成密实的倾斜功能材料。

这种特殊的工艺方法叫自蔓延燃烧法，用它可以生产出各种需要和不同用途的倾斜功能材料。比如核反应堆的内侧要求耐辐射的陶瓷；而外侧要求导热性良好的高强度金属。牙科医生则可利用倾斜功能材料制造人工牙，牙根用多孔磷灰石，牙外露部分用高强度陶瓷，牙中心部分用高韧性材料。镶入这种牙后，人体细胞可以长入有许多微孔的磷灰石牙根中，使牙齿牢牢地固定在牙床上，而牙外露部分不怕吃冰冻或滚烫的食物，中心高韧性材料可使人工牙经得起咀嚼很坚硬的食物。