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iPhone 5 的秘密 - 液態合金(Liquidmetal)

>> 2011年10月21日 星期五

液態合金 (Liquidmetal)是一種無固定形態的金屬,熔點為傳統鈦合金的一半。Liquidmetal 在常溫下是固體的,和金銀銅鐵之類的普通金屬沒什麼兩樣,對任何不知道的人來說,它除了色澤和常見的幾種金屬略有不同之外,並沒有什麼別的不同,但它的硬度卻比不銹鋼強達三倍之多。
純的金屬 -- 例如鐵 -- 裡面的原子大體上是可以自由移動的,因此都有一定的延展性,但是硬度不足。為了要加強鐵的硬度,我們會特別在其中加入一些雜質(通常是碳),讓鐵形成結 晶。不同的鐵結晶會有不同的方向性,當不同方向的結晶碰到時,就會形成一個相互鎖死的邊界,最後產生出一個網格狀的結構。經過這種處理的鐵,我們稱之為 「鋼」,在硬度上比鐵要強太多了。然而,鋼卻也有自已的問題,像是剛才提到的兩個晶體接觸的邊界沒有封死的話就容易因為金屬疲勞,產生裂縫,而且受力之 後,容易在晶體的邊緣斷裂,產生永久的形變。
傳統的解決方式(用極度簡化的方式說)有三種,一是加速冷卻讓結晶來不及長大到形成長的邊界,但這種方式極耗能量,而且產量不大;第二是用很慢的速度冷卻 它,讓裡面的結晶長大到沒有結晶邊界的地步,但這種方式非常花時間;第三是用工業生產的手段,例如冷軋或鍛造來封死細縫,但是這些技術無法應用到鑄造的產 品上。
因此科學家面臨的挑戰,就是要開發出一種能有極高的強度,但又不會受到晶體的物理限制所拖累的合金。經過加州理工學院多年的研究,造出來的金屬就有這樣的 特性:因為裡面一共是鋯(52.5%)、鈦(5%)、銅(17.9%)、鎳(14.6%)、鋁(10%)五種金屬的合金,裡面的原子有大有小,所以雖然不會形成結晶,但是結構上也不會滑來滑去,保有了相當的硬度。
因為是多種金屬混合的非晶型合金,Liquidmetal很多時候表現很像玻璃,兩都同樣都沒有一個固定的熔點(會漸漸軟掉),而且受大力撞擊時都一樣會碎裂,而不是變形。但是也是因為沒有晶體邊 界,Liquidmetal有高硬度、高彈性、高抗蝕性等額外的附加好處,而且Liquidmetal應用在鑄造產品上時,並不會像鋼那樣比處理過的金屬要差很多,因此有很多應用。其中一個主要應用是用Liquidmetal做高爾夫球桿的桿頭,利用它彈性好的特性,可以把球擊得更遠。歐米茄海馬腕錶也有使用Liquidmetal為無瑕光滑的錶圈環賦予非凡的抗磨損性和抗腐蝕性。Liquidmetal被使用在美國陸軍做能穿甲彈的彈頭、被 NASA 拿來做 Genesis 太空船上的太陽風收集器、被 BP 拿來做鑽油平台的鑽頭等。
前一陣子蘋果買下了 Liquidmetal 的專利使用權,而且已經應用到了 iPhone 4 的 SIM 卡退出針上。蘋果正打算為 iPhone5 採用一種耐刮、耐用的新金屬做外殼,Liquidmetal有著無序非晶體原子結構,這種非晶態結構使金屬與強化玻璃得以完美結合,而且等塊狀金屬玻璃的冷卻速度較慢,所以能夠用之製作厚度僅十分一毫米的零件。讓iPhone5可以設計得更精密,更抗磨,更完美。

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空蝕效應(Cavitation)和超空蝕效應(Supercavitation)及其應用

>> 2009年8月9日 星期日

「空蝕效應」(Cavitation)是流體動力學、材料學和物理化學的復雜現象,又稱剝蝕或氣蝕。這是用來描述運動物體受到空化沖擊后表面出現的變形和材料剝蝕現象。在流動的液體中,當局部區域的壓力因某種原因而突然下降至與該區域液體溫度相應的氣化壓力以下時,部分液體氣化,溶於液體中的氣體逸出,形成液流中的氣泡(或稱空泡),這一過程稱為空化。空泡隨液流進入壓力較高的區域時,失去存在的條件而突然潰滅,原空泡周圍的液體運動使局部區域的壓力驟增。如果液流中不斷形成、長大的空泡在固體壁面附近頻頻潰滅,壁面就會遭受巨大壓力的反復沖擊,從而引起材料的疲勞破損甚至表面剝蝕,這就叫空化剝蝕,簡稱空蝕。

1902年,最先在英國驅逐艦“Cobra” 號螺旋槳上發現空蝕。接著在水工建筑物和水力機械上也看到同樣的現象。當時認為槳葉材料的剝落是海水腐蝕造成的,但是試驗証明在蒸餾水中運動的物體也會出現類似的剝蝕, 因而確認這種現象僅是機械力沖擊的結果。據現在分析,上述兩種因素都起作用。在空化過程中,空泡急速產生、擴張,又急速潰滅,在液體中形成激波或高速微射流。金屬材料受到沖擊后,表面晶體結構被扭曲,出現化學不穩定性,使鄰近晶粒具有不同的電勢。物體表面局部點上材料剝落后,出現的新的純淨金屬和周圍舊金屬之間構成一對電極而產生腐蝕電流,從而加速電化學腐蝕過程。剝蝕區域中材料的機械性能顯著惡化,從而導致空蝕量激烈增加。因為空泡在潰滅過程中能形成電離層,所以施加適當的外磁場就能控制空蝕程度。

空蝕的程度以空蝕強度來衡量。空蝕強度常用單位時間內材料的減重、減容、穿孔數和表面粗糙度變化作為特征量。空蝕過程分為幾個階段:最初隻有材料表面的變形或少量減重,形成空蝕潛伏區;然后單位時間的減重突然增大,形成空蝕加速區;過些時間后,單位時間的減重慢慢減小,形成空蝕減速區;最后,單位時間的減重基本不變,形成空蝕穩定區。因為液體和材料的性質不同,上述各個階段中的變化也有差異。

空蝕是空化的后果,但並非所有空化都造成材料的損壞,隻有不穩定的空化,如不定常流動中出現的空化或封閉空泡的尾端,才會引起空蝕。因此,空蝕往往出現在物體的局部區域。空蝕的機理與材料受固體微粒或液滴沖擊而損壞是不同的。為消除和減輕空蝕損壞,運動部件應在盡可能穩定的條件下運轉。消極的辦法是在可能發生空蝕的部位涂上或包上彈性強的材料,或注入氣體以吸收空泡潰滅所輻射的能量,也可用化學防腐方法來減輕空蝕過程的腐蝕作用。

超空蝕(Supercavitation)就是運用相同的理論,從穿過水中的物體前方開始,產生一個足以包覆整艘船艦的大氣泡,使得船艦本身完全在氣泡中船行。如此一來,船艦變成和在空氣中前進沒兩樣,除了最尖端產生空蝕效應的那個點阻力較大之外,其餘部份阻力都和在空氣中一樣小。


傳說中蘇聯就用這個技術發展出了一枚名為 Shkval 的火箭魚雷,
可以在水下以每小時 400 公里以上的時速前進。美國自然不可能從這樣的研究中缺席,除了研究超空蝕效應的魚雷和炮彈(可以直接從船上炮轟潛艦)外,自然使用超空蝕效應的潛水艇也在時程上。這個由 DARPA 在 2006 年發包給 Electric Boat(通用動力公司的子公司)的合約,將在明年測試第一艘 1/4 大小的試驗船,最終目標是一艘 30 公尺長,時速 185 公里以上的潛水艇。俄羅斯的火箭引擎推動超空蝕魚雷VA-111 暴風能以200海里(每小時230英里) 的速度行駛。

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紋影攝影技術(Schlieren Photography)的應用

>> 2009年4月10日 星期五

紋影(Schlieren)這個現象最早是由英國發明家羅伯特·胡克(Robert Hooke)在1665年發現的,其後由德國科學家托普勒(August Joseph Ignaz Toepler)製造出第一個紋影攝影(Schlieren Photography)裝置。

紋影攝影技術可以拍到平時肉眼看不到的氣流形態,它的原理是利用氣流對光波的擾動,將不可被肉眼看見的氣流的變化,轉化成可以被看見的圖像。最原始的紋影攝影需要一個明亮的光源,精確放置的鏡片,一塊彎曲的鏡子,一個刀片擋住部分的光線,還有其他一些設備用以觀測到空氣中的波動並將其拍攝成像。右圖就是用紋影攝影技術拍下開槍時的氣流形態。

這項技術最初被應用於風洞的氣流研究,特別是高速激波的研究。但這種技術稍加改變,就可以應用於反隱身飛機。不管什麼飛機,在空氣中飛行的時候,都會引起相對平靜的氣流的劇烈擾動,就如同高速快艇在水面上飛馳,掀起一道白色的波浪一樣。飛機對氣流的擾動,會形成巨大的尾渦流,這些渦流會在空中保持很長一段時間,因此,機場上客機的飛機起飛必須間隔一段時間,以使后面的飛機避開前面飛機的渦流,避免發生飛機失控的事故。

飛機的渦流是如此的巨大和持久,雖然用肉眼看不見,但是在紋影攝像機面前,就如同平靜水面上的劃過的波浪一樣清晰。紋影攝影反隱身正是基於這個原理。紋影攝像機雖然看不見隱身飛機,但可以清晰的看見飛機飛行產生的空氣渦流軌跡,而這個渦流軌跡是無法用現有技術消除的,在攝像機上,就像藍天上飛機的尾氣雲一樣明顯。不管任何飛機,都無法擺脫被發現的命運,包括隱身飛機。雖然隱身飛機對自己的尾氣進行了很多技術處理,比如添加特殊的化學物質來降低尾流的溫度,採用特殊的噴射途徑,使其迅速與周圍的空氣混合,如此等等。通過降低紅外信號特征,來實現難以被探測的目的。但是,它無法改變的是,尾流會加熱周圍的空氣,使飛機飛過的地區溫度明顯高於天空背景的溫度。因此,改進紋影攝像機,使其工作的波段處於中遠紅外的波段,在紅外紋影攝像機面前,夜空中隱身飛機擾動的氣流軌跡,就像夜空中流星的軌跡一樣明顯,隱身就根本無從談起。

如果將紅外紋影攝像機,結合被動光學測距技術,就可以對隱身飛機進行有效的定位,多個紋影攝像機連接成監控網絡,就能對隱身飛機進行持續的跟蹤,並且能引導自己的飛機和防空導彈消滅隱身飛機。

美國國防部長羅伯特·蓋茨在2009年4月6日公佈了2010年國防預算案,其中建議停止生產美軍最先進的F22戰鬥機。我想停產F22戰鬥機的其中一個原因可能是因爲F22戰鬥機的其中一個昂貴的原因或賣點:"低可偵測性"(Low Observable)和"隱身性"(Stealth)只是在應用雷達的偵測上面,可是在紋影攝影技術下已變得沒有用武之地了。實在沒有必要用這般貴的造價去造一架"對方有能力偵測到"的"隱身"戰鬥機。

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固態風扇( Solid-State Fan )

>> 2008年3月25日 星期二

Thorrn Micro Technologies Inc 的 Dan Schlitz 和 Vishal Singhal 經過多年努力, 研發出RSD5,是一種不同於傳統風扇的固態風扇( Solid-State Fan ),兼具省電、安靜、體積小、容易維護等多項特色。

正如其名,固態風扇上頭並沒有任何一個會動的元件,自然就少了風扇通常會有的惱人噪音。然而沒有會轉動的東西該如何讓空氣流動呢?簡單來說,RSD5 用不帶電的半圓柱狀導電板圍繞著一系列的電線,當電線通電時,電線與面板之間所產生的強大電場,便會帶動離子碰撞當中的空氣從電線往導電板方向移動,進而產生科學家稱之為「日冕風( Corona Wind )」的效應。
至於日冕風(Corona Wind)是什麼, 看看這個示範就知:

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