科學也可以如此靠近

這種製造飛機渦輪葉片的材料居然大部分來自小行星!

1月
20
2019

2019年1月20日23時 今日科學 雄關漫道

雄關漫道

航空界有句話,叫做推重比到了,板磚都能飛!這說明發動機對飛機性能的決定性影響。而航空發動機技術,恰恰是世界強國領先我們幅度比較大的一個重點領域之一。要追趕上世界先進水平,發動機的設計、材料、裝配和工藝都要全面的提高,而發動機材料是否先進,是一切後續水平提高的基礎。

如果把現代化的噴氣航發拆開來看,無論是渦扇還是渦噴,其內部就像是大大小小十幾級的葉片串聯構成。實際上現代噴氣發動機的原理就是古代的走馬燈,只是一種複雜N倍的走馬燈罷了。在當代噴氣發動機內部層層葉片中,製造材料也是不一樣的。一般分為風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪等多級。總的來看,分為冷端和熱端兩部分。冷端就是氣流溫度還比較低的進氣和壓縮的前端;而熱端主要是高溫高壓的中後段葉片。當代的風扇和壓氣機段一般採用鈦合金製造,也有的民航大推力發動機,用複合材料製造主風扇。

因此冷端材料多種多樣。而熱端材料,主要是渦輪部分的葉片,用材卻大同小異,基本都是高溫鎳基合金。現在一說起先進航發渦輪葉片的製造,很多人必要提到錸金屬。實際上金屬錸只是增強這些渦輪葉片耐高溫高壓的特種添加劑。航發專用錸鎳合金中,最多含有6%的錸,因此錸並不能作為製造渦輪葉片的主材。都知道做菜要加鹽,加入適量的鹽份菜才能好吃。但是鹽本身卻無法做菜。同樣道理,加入適量的金屬錸可以大大提升渦輪葉片的性能。但是製造葉片的基材卻不是金屬錸。而是金屬鎳。

鎳是一種金屬化學元素,符號Ni,原子序數28,原子量58.69。大多數人可能沒有見過純鎳金屬。但是鎳本身並不罕見。第四套人民幣的一元硬幣的材料就是鋼芯鍍鎳。也就是說,想看看鎳金屬是什麼樣子,找一枚一元硬幣就行。從硬幣的外觀,就知道鎳是一種銀白色金屬質感很強的材料。具有良好的機械強度和延展性,難熔耐高溫,耐腐蝕,並具有很高的化學穩定性,在空氣中不氧化等特徵,因此是一種十分重要的有色金屬原料。

多被用來製造不鏽鋼、高鎳合金鋼和合金結構鋼,廣泛用於飛機、雷達、飛彈、坦克、艦艇、宇宙飛船、原子反應堆等各種軍工製造業。鎳在民用工業中最大的用途就是製造不鏽鋼,不鏽鋼的品質和耐腐蝕性,和添加的金屬鎳的多少直接有關。在航空工業中,噴氣飛機高壓高溫渦輪段葉片和火焰噴嘴的製造基材就是鎳基合金。

人類利用鎳金屬很早。古代曾經被叫做白銅。古埃及、巴比倫人都曾用含鎳量很高的隕鐵製作器物。1751年瑞典人克龍斯泰德用木炭還原紅鎳礦,首次製得比較純的金屬鎳,其德文含義就是「假銅」。鎳在地殼中的含量為萬分之1.8,並不是特別高。但是當今人類利用的鎳礦卻非常的集中,而且含鎳量往往高的驚人。這是什麼原因呢?

鎳是和鐵關係非常近的兩種金屬元素。純鐵和純鎳很容易混合,兩者的外觀也非常接近。鐵的原子序數是26,鎳是28,可見是自古關係走的非常近的兩個老夥計了。說白了都是類鐵元素。他們兩者都是恆星在內部核反應的後期,由碳元素聚變而成。而恆星到了這個反應階段,也距離爆炸和崩潰的生命末期不遠了。太陽系行星中的鐵和鎳元素,都不是太陽反應產生,而是在形成太陽系的原始星雲中本來就存在。而這些原始星雲,都是更老的一代超新星或者巨行星爆炸後的產物。行星上所有比鐵更重的金屬元素,都是上一代恆星產生的。

在當今的太陽系中,靠近太陽比較近的4大類地行星,他們的中間都有一個以鐵和鎳為主要材料凝聚成的一個金屬核心球。包括水星、金星、地球和火星都一樣,因此這四大行星的密度都比木星和土星等氣體大行星高的多。在這幾個類地大行星上,原則上是不缺鎳的。但是像地球的地殼中,鎳含量卻不高。這是由於地球剛形成時,是呈現整體高溫熔融狀態的,重金屬元素都向地核沉降。鎳金屬的沉降速率大於鐵金屬。因此留在地殼中的不多,大部分都下沉集中到地核中去了。

這種情況不光地球是這樣,其他4大類地行星也差不多。這樣一來,後來才出現的人類想找到豐富的鎳金屬,似乎就不是很容易。但是別急,千萬別忘了,太陽系中,還有個著名的小行星帶。其實受到木星引力的干擾,小行星帶並不是僅僅存在火星和木星之間的軌道上,在其他方位和軌道面上還有一些小行星群。有些甚至比較靠近地球的軌道。這就造成這些小行星,就有可能在幾十億年間,受到地球的引力的吸引而最終砸到地球上。

現在發現的小行星,大體有土質和金屬質兩種。土質的一般密度低,甚至含有一些乾冰或者水冰,很像地球的表面層;而有的小行星卻幾乎是由一整塊的金屬構成,就像一個鐵球一樣,他們的鎳金屬含量出奇的高,比地球地殼的平均含量高數千倍!

現在發現,小行星群中有一顆靈神星,幾乎完全由鐵鎳合金構成,是一個直徑在241公里的「不規則的純鐵鎳合金球」,很多人懷疑,他本來就是一個更大的行星的金屬地核,只是這個行星後來被不明原因撞碎了,碎片構成了現在的幾個小行星群,而這個鐵鎳核心的地核,就成了一個單獨的小行星!

甚至這個鐵鎳核心球也被撞缺了一大塊,形成數以億計的大大小小的碎片,分布在地球到木星之間的軌道上,有些最終砸到了地球上,為地球帶來了豐富的鎳礦資源。目前地球上發現的很多鎳礦,本身就是隕鐵。

在加拿大安大略省東南部,休倫湖北側,有一個礦業城市薩得伯里。它是目前世界上最大的鎳礦區,其產量占世界鎳總產量的85%以上。

在薩德伯里鎳礦體周圍發現,有明顯的隕石坑所特有的衝擊構造,薩德伯里礦體就是個大型隕石坑,曾經有一塊巨大的富含鐵、鎳的,直徑在5公里以上的隕鐵,擊穿了薩德伯里的地殼,熾熱的基性岩漿在上升過程中融合巨型隕鐵本身豐富的鐵鎳金屬,經過冷凝、形成了世界第一大鎳礦。


延伸閱讀

紀念阿波羅12號太空人Richard Gordo

人類,永別了。

中國科學家揭示影響衰老的基因機制

7種被吃到瀕臨滅絕的生物,第5種中國人很愛吃

此地一年只有一個晝夜,除了天和地,就只有北方


熱門內容

友善連結