§§§第一节一发吊千钧的金属晶须
晶须也称“须晶”，它是一种直径为几微米到几十微米、长度可达数厘米的单晶体，可以在自然界生成，也可由人工制成。它强度极高，接近晶体的理论强度。因晶须十分细小，故一般不能独立使用，但可编织成线材或与其他聚合物复合成纤维增强复合材料。
一发怎样吊千钧？原来，它出自成语“千钧一发”。唐朝韩愈《与孟尚书书》说：“其危如一发千钧。”钧是古代重量单位，1钧等于15千克。“千钧一发”比喻把千钧的重量吊在一根头发丝上，你看，情况是多么的危急！
然而，在金属世界中，的确有“千钧一发”而又安然无恙的现象。一种胡须那样细的金属晶须，真的能吊起千钧的重量。
比钢还强
用于制造桥梁、船舶、飞机、汽车等的金属材料，都要求有较高的强度，即在一定的截面积上能够承受较大的负荷，或者说承受规定的负荷时构件的截面积可以较小，从而使结构轻巧，达到节省材料、提高功效和经济效益的目的。
在冶炼金属时科学家们常设法添加一些合金元素，从而研制出许多新型的合金。他们采用各种热处理方法，改善金属的内部组织，以达到强化材料的目的。此外，还可以使金属冷变形，产生加工硬化现象。这样，就使金属材料的强度水平有了较大的提高。
目前，工业纯铁的抗拉强度为180兆帕。含碳量为0.45％的碳钢，其抗拉强度为600兆帕，经处理后抗拉强度可达850兆帕。如果添加镍、钼、钴等合金元素，高强度钢的抗拉强度可以增加到900—1400兆帕。超高强度钢的抗拉强度为1200—2800兆帕。
在提高金属材料强度的试验过程中，科学家们惊奇地发现，一种胡须状的铁晶须（直径为1.6微米，只有头发丝粗细的1/50—1/40），它的抗拉强度竟能达到13400兆帕，是工业纯铁的70多倍，比超高强度钢高出4—10倍。如果用这样的铁晶须编织成半径为1毫米的线材，能安全地吊起一辆4吨重的载重汽车。这种铁晶须堪称金属世界中的“大力士”。
理想晶体
据说早在200年前，人们在炼铜和炼银的废渣中发现过一种胡须状的金属晶须。据资料记载，首先发现金属晶须的是1945年在贝尔电话研究所工作的专家们。在20世纪40年代，美国的电话系统经常出现故障，经贝尔电话研究所的专家查明，原来是蓄电池极板表面长出了一些针状晶体，引起了电话线路短路。对这些针状晶体的研究表明，它们和极板属于同样金属，但强度大，弹性好。在显微镜下观察其形状，犹如猫的胡须，故命名为晶须。
经现代的X射线衍射技术显示，晶须内部的原子完全按照同样的方向和部位排列。这是一种没有任何缺陷的理想晶体。而在一般金属中，虽说总体上原子是有规则排列的，但局部地方，一些原子的排列并不规则，因而，晶体构造中产生了缺陷。晶体的缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。点缺陷是指在晶体空间中，长、宽、高三个方向都存在很小的缺陷，如有的位置上缺少原子（称为空位），另一些位置上有多余原子（称为间隙原子），或有外来原子溶入（称为异类原子）等。线缺陷是指在晶体中某处有一列或几列原子发生了有规律的错排现象（称为位错）。面缺陷主要指在晶粒和晶粒之间的交界面（称为晶界）上，原子呈不规则排列。
由于晶须中的原子排列极为规则，不允许有任何缺陷存在，所以目前仅能制成截面直径为数微米大小的晶须（还不到头发粗细的1/10），如果再粗些，就会出现原子的不规则排列，使其强度迅速降低。
应该说明的是，金属和非金属单质，以及氧化物、碳化物、氮化物等化合物都能用来制造晶须。目前人们已利用30多种单质材料（如铁、铜、镍等金属和石墨），以及数十种化合物（如碳化硅、氮化硅、三氧化二铝等）制出了晶须。
晶须可以通过金属晶体长时间放置而自然得到，也可以通过人工方法制造。常用的制造晶须的方法有两种：一是蒸发一凝固法，它是在真空或惰性气体环境中，使晶须原料升华或蒸发成气体，再使气体在低温下凝固成晶须；二是化学反应法，是将晶须原料与炉内气体起还原反应，从而长出晶须。如铁晶须是在含结晶水的二氯化铁中加入三氧化二铁，再通过氢的还原而制得的。
高强度的奥秘
早在1920年，一位叫弗兰克的金属学家就根据金属的塑性变形（一种不能恢复原状的变形）必须使外力大于晶体原子间的结合力的原理，提出了金属理论强度的概念及其计算公式，事实上他计算的就是晶须的强度。但是弗兰克算出的理论值比一般金属的实际强度高出数千倍，以致有人怀疑他计算的正确性，因而招来了许多非议和攻击。弗兰克就此经受了长达数十年的冤屈。直到20世纪40年代，人们发现了晶须，而到20世纪50年代，又研制成功了电子显微镜，并拍摄到第一张显示晶体缺陷（位错）的电子显微照片，弗兰克的理论才得以正式确认，他的计算值与实测值之间的差别才得到了合理的解释。这说明科学的道路并不总是平坦而又阳光普照的，只有那些不畏险阻、敢于坚持真理的人，才能最终赢得胜利。
晶须之所以受到科学家的高度重视，原因是它具有一般金属无可比拟的高强度。
那么，晶须高强度的奥秘又在哪里呢？
让我们来到金属的微观世界，考察一下金属晶须高强度的奥秘吧。
金属原子的最外层电子数很少，一般只有1—2个，最多不超过4个，而且这些最外层电子和原子核的结合力较弱，很容易脱离原子核的束缚，组成所有原子共有的“电子云”。金属原子因为失去最外层电子而成为正离子。
正是依靠正离子和电子云之间的强大吸力，才把金属原子紧密地结合在一起。对金属晶须而言，由于它是一种理想的晶体，全部原子各就各位，阵容排列整齐，组成了一道坚不可摧的防线，故只有当外力增加到使一部分原子相对于另一部分原子作整体移动时，才能产生塑性变形或断裂。而在一般金属中，存在着这样或那样的晶体缺陷，在不大的外力作用下，只要使少数原子发生短距离的移动，就可以像“千里之堤，溃于蚁穴”那样导致塑性变形或断裂，因而表现出较低的强度。
深刻启示
目前人们已能制造出一些极细的金属晶须，可用它们编织成较大的线材，或让晶须作为增强材料与其他材料组合成复合材料，这些新材料已在生产中获得了可喜的应用。
但这仅仅是开始，科学家们正面临一条更为艰辛的晶须实用化的道路。
寻求具有较大生产规模的制造晶须方法，优化晶须制造的工艺过程，生产更粗更强的晶须，扩大晶须的应用范围，深入开展晶须的基础理论研究，这些都是摆在人们面前的新课题。
纤细的金属晶须，却给我们以十分深刻的启示。它的出现犹如远航在茫茫的科学海洋上的人们透过浓雾而看到的一丝曙光。晶须给我们带来了信心和希望，它的存在，显示了大幅度提高金属强度的可能性。目前，金属材料的强度潜力远远没有充分发挥。如果我们能有效地减少金属的晶体缺陷，制造出可供直接应用的理想晶体，那就无异于增加了数十倍、数百倍的金属材料产量，甚至从根本上改变人类的生活环境和条件。到那时，地球上将会出现许多轻巧的薄壳建筑结构，机器不再是那样笨重和庞大，摩托车和轿车可以折叠起来随身携带，航天飞机和宇宙飞船神速地来往于星际之间，人类的活动场所向着无限宽阔的宇宙空间延伸，出现许许多多目前人们意想不到的事情。
§§§第二节彩色不锈钢
钢铁又称“黑色金属”。实际上，钢铁的断口一般不是黑色的，而是亮白色的，只有灰口铸铁的断口才是暗灰色的。那么，为什么把钢铁称为“黑色金属”呢？这是因为铁的表面常常生锈，形成一层由黑色的四氧化三铁与棕褐色的三氧化二铁组成的混合物，看上去是黑乎乎的，所以称作黑色金属。
如何才能得到亮白色的钢铁呢？首要的任务是防锈。科学家设法在炼钢时添加铬、镍等元素，制造出了不怕酸、碱腐蚀，永远亮晶晶的不锈钢。然而，随着科技的发展和物质生活的提高，生活用品、建筑装潢用品都要求“多样化、高级化、个性化”，色彩鲜艳，具有艺术魅力。所以各国科学家正在打破传统观念，寻找研制彩色钢铁的方法。下面介绍的是一种已经获得实际应用的彩色不锈钢。
为什么呈彩色
说起彩色不锈钢，你可别以为只是在不锈钢表面涂上一层五彩缤纷的油漆，其实这样做不但会失去不锈钢固有的金属光泽，而且油漆不耐磨，天长日久还会一块块剥落下来。
也许你有这样的经验：当水面上浮着一层薄薄的油膜时，虽然油膜本身是无色透明的，但在阳光照射下，会看到彩虹似的颜色。其实这是一种光的干涉现象。
原来，白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色组成的复色光。
当一束平行光线照射到薄膜表面时，一部分光线I1从上表面反射回来，另一部分光线I2进入薄膜，再从下表面反射回来，共同形成干涉光I。如果干涉光中两列光波正好是波峰与波峰或波谷与波谷相遇，光波的振动便得到加强；相反，如果波峰与波谷相遇，光波的振动便会减弱。白光产生上述干涉现象后，究竟何种颜色的光波被加强，这主要取决于薄膜的厚度。因为白光中每种色光的波长不同，白光通过某一厚度的薄膜反射，使某一波长的色光振动加强，就出现了这种颜色的光；白光通过另一厚度的薄膜反射，另一波长的色光振动得到加强，就呈现出另一种色光。水面上油膜一般是厚薄不匀的，于是我们就看到了油膜反射出来的“七色彩虹”。能不能利用这个原理，在不锈钢表面也形成一层薄膜，使它呈现彩色呢？
工艺方法
科学家正是根据上述光的干涉原理，设法在不锈钢表面形成一层无色透明的致密薄膜，研制成功了彩色不锈钢。他们所用的方法是酸性浴氧化着色法。这种方法主要包括着色处理和硬膜处理两个步骤。
着色处理是在热铬硫酸溶液槽中进行的。常用的着色液是由一定浓度的硫酸和三氧化铬配制而成的，着色液的温度应保持在70℃—90℃（一般为80℃左右）。对着色的不锈钢的合金含量也有一定的要求（含铬量应大于13％，含铁量应大于50％）。为了获得理想的着色效果，不锈钢表面应光洁，无油垢，一般要预先进行抛光加工。
将不锈钢浸渍在热铬硫酸溶液中，就在不锈钢表面生成一层薄薄的无色透明氧化膜。可别小看这层厚度只有头发丝直径几百分之一的氧化膜，随着浸渍时间的延长，氧化膜厚度增加，不锈钢表面就呈现出了不同的颜色。例如，氧化膜厚度从0.2微米增加到0.4微米时，将产生以下的色序：蓝色→金色→红色→绿色。按照所要求的表面色彩，可通过试验来确定浸渍时间，不必具体测定氧化膜的厚度。
经着色处理后的不锈钢应立即在水槽中将着色液清洗干净，否则又将引起颜色的变化。经着色处理的氧化膜比较柔软，存在微小的孔隙，不够致密，所以必须接着进行下一步的硬膜处理。
硬膜处理的目的主要是提高氧化膜的耐磨性、耐蚀性和耐热性。在含磷酸和三氧化铬的水溶液中，将已经着色处理过的不锈钢作为阴极，铅板作为阳极，通以一定的电流，经过10分钟左右，就可以在阴极上生成三氧化二铬、氢氧化铬等稳定化合物，它们填塞了氧化膜中的微小孔隙。应该指出的是，经硬膜处理后，不锈钢的颜色有所变化，故在着色处理时必须预先考虑到这一情况，才能获得理想的效果。经硬膜处理后的不锈钢，要立即清洗和干燥，以免影响彩色不锈钢的色调和光泽。
质量优异
彩色不锈钢的最大优点是在保持固有金属光泽的前提下，显得色调艳丽、柔和高雅，令人获得美的艺术享受，这种颜色经长时间紫外线照射也不会褪去。
彩色不锈钢的耐蚀性比未经着色的原材料强。它对光照、气候变化和时间效应不敏感，长期暴露在恶劣环境中，色膜也不会破裂。有人将彩色不锈钢在污染严重的环境中和海水里进行长达6年的“暴露试验”，结果仍然安然无恙。
彩色不锈钢还具有良好的耐热性。在100℃沸水中浸泡28天，或在150℃干燥条件下暴露35天，或在200℃干燥条件下暴露21天，或经200℃—300℃高温的短时间处理，都能保持原有的色调和光泽。
彩色不锈钢还经受了不同的磨损试验，证明它确实具有较好的耐磨性。
例如，用负荷5牛顿力的橡皮摩擦着色氧化膜，擦了200多次仍未擦穿；用钢针刻划着色氧化膜（这枚钢针上施加了0.5—1.2牛顿的力），着色氧化膜安然无事；用彩色不锈钢制成的烟灰缸经两年以上的使用试验，也没有发现明显的磨损现象。
彩色不锈钢的着色氧化膜致密度高，吸附力强。它能经受180℃下的疲劳弯曲试验，直至不锈钢产生断裂，而着色氧化膜仍未剥落。在采用适当的表面保护措施的情况下，可对彩色不锈钢进行冲压、弯曲、拉伸、冷作、轧制等变形加工，制成螺钉、螺母、铆钉等彩色不锈钢机械紧固件。
彩色不锈钢不仅可用于高层建筑、桥梁结构、室内外装潢、商品广告、橱窗陈列、体育用品、工艺美术品，还可以制成机械零部件，适合于机器造型设计和包装，小轿车、摩托车、自行车、照相机、钟表和各种家用电器都可以用彩色不锈钢来装饰。
前程似锦
酸性浴氧化着色法是1927年由英国国际镍公司首先提出并获得专利的，其工业产品于1972年投放市场。近年来，美国、日本、印度等国家积极研制和推广彩色不锈钢，使其从实用化走向商业化，市场前景一片看好。
在我国宝岛台湾的台北市，耸立着金碧辉煌、气派豪华的亚洲信托大楼，其外壁和窗框都是采用金色不锈钢制成的。在美国华盛顿的国立宇航博物馆，矗立着一座30米高的金属结构塔，它也是采用彩色不锈钢建造的。更值得一提的是，美国得克萨斯州休斯敦市的一幢用彩色不锈钢装潢的21层大楼，由于阳光照射角度不同，从旭日东升到日落黄昏，大楼的色调显示出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续变化，交相辉映，十分壮观，它展示了建筑装饰从单色到彩色，从静态到动态的变革，给城市“穿戴上新装”，进一步美化了生活环境，深受人们的喜爱。
