点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:让巨轮断裂、大桥损毁宇宙第一元素居然如此邪门
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

让巨轮断裂、大桥损毁宇宙第一元素居然如此邪门

来源:科技日报2020-12-03 09:29

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  万物有科学

  我们在中学时就知道,氢原子是元素周期表里最轻的元素,它也是宇宙中最早诞生、数量最多的元素,数量占比达到91.2%。氢的性质活泼,燃烧后形成水,因此氢能源也是备受期待的清洁能源。

  不过,氢并没有我们想象的那么“干净”,它曾经让美军造价为3600万美元的油轮以一个月140艘的速度沉没,让加州海湾大桥差点报废,并且阻止氢能源汽车成为主流。

  为了驯服这个顽皮的元素,甚至还出现了一个专门的学科分支。今天,我们就来了解一下这个奇异元素你不知道的另一面。

  让轮船开裂沉没的凶手——氢

  二战时,为了运输士兵和物资,美军建造了数千艘油轮——自由轮。不过,自由轮很快成了灾难片现场。

  在2710艘自由轮中,近1500艘出现了严重的裂缝。在寒冷而又波涛汹涌的海面上,一些自由轮甚至断成了两节。自由轮在当时的造价是每艘约200万美元,相当于现在的3600万美元。这种沉船速度为美军带来了巨大的损失。问题究竟出在哪儿呢?

  二战后,美国物理学家乔治·兰金·欧文利用自由轮的数据进行了研究,终于找到了让轮船开裂沉没的凶手——氢。

  原来在20世纪初,一些新的焊接技术被发明了出来,比如手工电弧焊和焊条焊接。电焊时,电弧或乙炔燃烧的热量会熔化金属,让两块金属连在一起。

  在电焊技术出现前,拼接轮船的金属板用的是铆接技术。铆接技术有不少缺点,比如需要受过专门训练的技工才能操作,这让铆接工的成本占到轮船组装人力成本的三分之一。此外,铆接时需要把几块金属板交叠,这不但会增加船体的重量,还会增加成本。

  由于缺乏熟练的铆接工,美国相关机构要求美国的造船厂用焊接替代铆接。在1941—1945年,美国的18个造船厂就用焊接技术为美军制造了2710艘自由轮。

  但是,当时人们不知道的是,焊接时会产生单原子氢,而单原子氢会钻入金属中形成氢气。

  氢气在金属晶粒附近聚集起来,破坏金属的结构,让金属胀气变脆。有时氢气在金属内能累积形成18.7兆帕,也就是地表气压187倍的高压。这个现象被命名为氢脆。此外在高温下,被钢铁吸收的氢原子还可能和钢材中的碳原子形成甲烷气体,使钢材脱碳变脆,这被称为氢腐蚀。

  在使用的过程中,发生氢脆和氢腐蚀的焊接部位很容易开裂。油轮运输的重物和海浪的拍打会加速裂痕的扩张。更可怕的是,已经发生氢脆的金属表面看起来和普通金属没有什么不同,不会引起制造和使用者的警觉,这就增加了氢脆的危险性。

  无法彻底消除只能防微杜渐

  在把自由轮开裂归因于氢脆后,欧文开创了断裂力学和材料强度的学科分支,建筑业和制造业也终于开始重视这种邪门的元素了。

  需要指出的是,直到现在,研究者还没有完全搞清楚氢脆的原理,也无法预测材料在何时何处会出现氢脆,因此最好的方法还是预防。

  现在出现了一种叫作低氢焊条的材料,它可以减少单氢原子的产生,适用于焊接高强度的钢材。

  当然,有时氢是在制造过程中扩散到金属里的。电镀和清洗的过程也可能会产生单原子氢,这些单原子氢就有可能污染金属。

  比如,为了防腐蚀,一些螺栓常会做一层镀镉。在镀镉的时候就有可能产生单原子氢。因为镀镉的问题,美国空军设立了低氢脆性镀镉的标准,要求承包商遵照执行。为了去除氢,螺栓的供应商通常在镀镉后会对螺栓进行烘焙(如在24℃的环境中烤数小时),让氢气从螺栓中逸出。

  在氢的真面目被“揭发”后,如今氢脆引发的大灾难比较少见,但也并未彻底消失。

  2013年,美国的旧金山-奥克兰海湾大桥为即将到来的通车进行测试。这座大桥是加州历史上最昂贵的公共建筑,也是被吉尼斯世界纪录收录的最宽的桥。不过,在通车前的测试中工程师发现,负责把桥面架设在水泥柱上的保险螺栓在测试运行两周后就出现了裂痕。在测试中,96个保险螺栓中有30个坏掉了。后来发现,这就是氢脆引起的。这让旧金山-奥克兰海湾大桥险些变成美式断桥。

  氢的讨厌性质也成了氢能源广泛使用的最大阻碍之一。

  氢气虽然不能被金属直接吸收,但在某些条件下(如高压),金属表面的氢气分子会拆解成两个单原子氢,然后被金属吸收,引发氢脆。换言之,用金属材料长期储存高压氢气就相当于养了个不定时炸弹。

  虽然氢气的燃烧产物只有水,但氢带来的这些麻烦使能够安全压缩氢气燃料的商业技术难产,也导致氢气运输管网成本的居高不下,氢能源汽车也没有成为主流。

  (来源:《万物》杂志官方微信“把科学带回家”)

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 大宝贝“胖妞”,八岁生日快乐!

  • 四川开出2021年春运首趟加开列车

独家策划

推荐阅读
1月26日,第十一次中国公民科学素质抽样调查结果发布,2020年公民具备科学素质的比例达到10.56%,较2015年的6.20%提高了4.36个百分点,完成了《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出的2020年“公民具备科学素质的比例超过10%”的目标任务。
2021-01-27 09:24
2021年1月26日傍晚Nature网站以头条新闻的方式刊出了题为“著名中国免疫学家没有剽窃和学术造假”的新闻并配以曹雪涛的照片,该新闻大篇幅报道了科技部等多部门对于中国工程院院士曹雪涛的联合调查官方结论和处理措施并刊登了曹雪涛的回应,新闻的最后部分介绍了对于李红良、耿美玉、裴钢、饶毅四位著名中国科学家的调查结论。
2021-01-27 09:57
传统制药技术不具备良好的微观精确控制与空间精准调控能力,药物和辅料在产品中的分布几乎完全通过混合或包衣来控制,难以设计复杂的剂型。2015年7月,美国一家制药公司研发出的3D打印全球首款抗癫痫药物左乙拉西坦速溶片,获得美国FDA批准上市。
2021-01-27 09:42
从2015年的2426万吨增加到2019年的3064.7万吨,我国生物发酵产品产量年均增幅达到5.9%。中国生物发酵产业协会名誉理事长石维忱表示,从2015年的2426万吨增加到2019年的3064.7万吨,我国生物发酵产品产量年均增幅达5.9%。
2021-01-27 09:41
疫情期间,刘义存(左)变身带货主播,为广东徐闻县的菠萝吆喝。以2020年复产春耕的数据为例,广东省科技厅发动1000多名农村科技特派员,累计提供技术服务达3000多次,惠及种养殖农户2200多户,覆盖180多个对接贫困村。
2021-01-27 09:40
为进一步提速枯萎病防控技术攻关,2012年,南宁市科技局下达了“香蕉抗枯萎病发生规律及综合防控技术研究”重大科技专项。2020年7月,“桂蕉9号”获得由农业农村部颁发的植物新品种权证书,成为广西首个具有自主知识产权的抗枯萎病香蕉新品种。
2021-01-27 09:38
1月20日凌晨4时,赣(州)深(圳)铁路下行疏解线福龙路特大桥最后一片箱梁横移至既定位置,标志着由中铁四局承建的赣深铁路上跨广深港高铁箱梁横移施工全部完成。20日凌晨0时40分,随着线路封锁,赣深铁路上跨广深港高铁箱梁横移开始施工,下行疏解线福龙路特大桥第13孔箱梁按照每分钟13厘米匀速滑动。
2021-01-27 09:36
据介绍,海缆运维船总长49.9米,宽8.0米,最大吃水2.6米,总排水量421吨,最大航速20节,抗风7级。据了解,海缆运维船投入使用后,将开展巡视、检测和应急工作,为海底电缆提供全天候“保姆式”保护。
2021-01-27 09:35
“超高参数二氧化碳煤炭发电由于热源温度高,相比于水蒸气发电机组,具有明显效率优势,减少了CO2排放。基于此,国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项中的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目应运而生。
2021-01-27 09:31
服用降胆固醇药物的人如果感染了新冠病毒,情况可能会比其他人更好些。这项研究还可能揭示新冠肺炎的一个奇怪特征:在新冠肺炎患者的肺部形成了巨大的复合细胞——研究人员在实验中看到了类似的巨细胞出现。
2021-01-27 09:30
近日,欧盟与疫苗生产企业阿斯利康就其新冠疫苗的及时交付争议不断,为了提高药企的透明度,确保得到公平服务,欧盟计划对所有从欧盟出口的新冠疫苗进行注册。
2021-01-27 09:29
研究人员指出,锤击和其他硬化方法都是改变颗粒结构的“自上而下”的方法,很难控制最终的颗粒尺寸。研究人员使用这种方法,用金、银和钯等不同金属的纳米颗粒制成了粗糙的“硬币”。纳米颗粒制成的厘米级硬币硬度更高,其他性能又与标准金属类似,有在工业上大规模应用的潜力。
2021-01-27 09:28
2020年是青海发展史上极不平凡的一年,也是青海科技事业攻坚克难、砥砺前行的一年。生物医药领域,青海开发出黑果枸杞冻干粉、菊苣白刺青麦粉、白刺果佛手片、白刺百合片等13种生物医药类新产品。
2021-01-27 09:28
记者26日从中国航天科工集团二院二部获悉,该部群智感知创新中心的四足机器人智能感知系统研究工作取得突破性进展,可实现基于视觉方案的自主定位与地图构建功能,能在1分钟内对1000平方米区域进行地图构建,具有较高的智能化与实用化水准。四足机器人运动方式灵活,机身起伏振动剧烈,高动态环境会使视觉传感系统成像效果大打折扣。这一突破显著提高了四足机器人的智能化与实用化水平。
2021-01-27 09:27
年关将近,走进福州百洋海味食品有限公司的包装车间,一阵阵鲜香扑鼻而来。批淀粉样品运抵百洋后,作为福建省现代农业食用菌产业技术体系岗位专家的赖谱富便开始指导团队研发。
2021-01-27 09:26
与此同时,季华实验室、仙湖实验室等近100家创新载体相继建成,构建起完备的科技创新体系,为传统制造业迈向中高端,提供强劲的科技支撑。力争至2023年,10大产业链规上工业总产值占全区规上工业总产值比重达70%左右,突破一批智能制造领域关键核心技术和共性技术,世界级智能制造创新型产业集群初具雏形。
2021-01-27 09:25
在建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区这场全民战役中,苏银产业园亮出了姿态。建设成为“东西协调发展的示范区、产城融合一体的示范区、复制‘园区经验’的示范区、服务‘一带一路’的示范区”,苏银产业园步履铿锵。
2021-01-26 11:09
2021年是“十四五”时期的开局之年,工信部将重点抓好三方面工作,推进5G更好赋能千行百业、呈现千姿百态。
2021-01-26 11:03
为全面掌握祁连山国家公园青海片区鸟类多样性,2019年以来祁连山国家公园青海省管理局陆续启动了黑颈鹤等迁徙水鸟、林区和草原鸟类专项调查。祁连山国家公园青海片区自然生境主要以高寒湿地、高寒森林及草原生态系统为主,林区和草原鸟类是湿地鸟类以外最为丰富的鸟类资源。
2021-01-26 11:00
高新增、高堆存,曾是我国固体废物的总体写照。中国环境保护集团有限公司党委书记、执行董事周康表示,“十三五”期间,我国固体废物管理市场高速发展,投资持续高位,跨界巨头加入,竞争愈加激烈。
2021-01-26 11:00
加载更多