新型金属材料doc-星问答——上海研发公共服务平台——由

新型金属材料-记忆金属一．神秘的形状记忆合金在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容的掏出打火机把瓶子加热，不一会只见蝴蝶的翅膀飞舞起来，这一试验引起了与会者的极大兴趣，原来在蝴蝶下面有一根所谓“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。所谓形状记忆效应是指合金经变形后，在一定的条件下，仍能恢复至原始形状的现象。形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法从古代便为人所用，就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，例如直接插入冷水中(称为淬火)，这时钢转变为一种称为马氏体的结构，并使钢硬化。这种马氏体相变有一个特别的性质，在一定的温度下一旦形成的马氏体随着时间延长不再长大，为了增加马氏体的量，必须进一步降低温度，产生新的马氏体。后来，在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变，热弹性马氏体一旦产生可以随着温度降低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小，由于马氏体的体积一般比原始状态要膨胀一些，而且马氏体相变伴随着晶体中规则的切变，因此热弹性马氏体相变随之伴有形状的变化。早在1951年美国人在一次试验中偶然发现了金-镉合金有形状记忆特性，当时并未引起重视，1953年又在铟-铊合金发现这类效应，1963年发现镍-钛合金具有形状记忆特性后，掀起了这类合金研究的热潮，并产生了多种实用化的新思想，新的形状记忆合金应运而生，后来还发现了具有双向记忆效应，即铆钉如用双向记忆合金制作时，把铆好的铆钉重新降温后，铆钉又会变直，正如本节开始提到的蝴蝶下面的合金丝便是双向记忆合金，随温度的变化可来回伸长或缩短，引起蝴蝶翅膀上下翻飞。形状记忆合金不仅具有理论上的重大意义，更重要的是工业中的应用价值。最先报道的是用形状记忆合金制作月面天线。月面天线伸展开来很宽大，火箭无法容纳，那么，如何把这样一个天线送上太空，送上月球呢?正是形状记忆合金神话般地解决了这一难题。用Ni-Ti合金丝在马氏体相变温度以上，先做成月面天线，然后在低于Mf的温度把月面天线压成小团装入运载火箭，当发射至月球表面后，通过太阳能加热而恢复原形，在月球上展开成为正常工作的月面天线。用形状记忆合金制作插头与插座或管子连结器有很大的优点，先把形状记忆合金做成比需连结的不锈钢管略小的管连接器，将它冷至Mf温度以下，加以扩径至比连接管略大，然后顺利套在连接管上，最后升温至Af以上(即使用温度)，连接器即自动收缩，于是两根管被牢固地连接起来。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，据说近30万个接头，无一发生事故，在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合金管接头，因为在这些场合中，管道排列十分密集，一般的方法无法实行管道的连接。形状记忆合金用于低质能源的利用上具有深远的意义。目前已将形状记忆合金成功地用于医学上，作为牙科的齿形矫正器，在Ms温度以上把形状记忆合金丝做成正常的形状，然后在低于Mf温度下变形并套在不正常的畸形牙上，当温度上升至口腔的温度后，矫正器自动变成正常形状，把畸形牙矫正。还可用于矫正脊椎侧弯。静脉过滤器是，把筛状过滤器在低温拉成直线，送入静脉，受体温加热后，变成筛状，起到过滤凝血的作用。目前正在用形状记忆合金试制人造肾的微型泵、可以收缩的人造肌肉及人造心脏等。形状记忆合金的发明与应用，使人们对于金属材料的特性及功能开阔了眼界，神秘的被人们称之为机敏或智能材料的大门被打开了。镍钛记忆合金受热后恢复原来形状镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放形状记忆合金在太空自然恢复原状二．未来能源材料之星——储氢合金从能源的角度来说，20世纪是石油的时代，人们毫无顾忌地开采石油，大量地燃烧石油，一些原来贫穷的国家依靠石油发家致富，世界围绕着石油的竞争十分激烈，甚至引起战争。然而，随着世界石油的大量开采和消耗，这个石油的时代还能维持多久呢?这不能不引起人们的忧虑，总有一天，石油时代终将结束，那么现代工业的动力能源从何而来?人类将如何生存?持能源有限论”思想的人们抱着悲观态度，他们不断地向人类发出警告。说实在的，能源危机正在石油大战中悄然走来，进入21世纪，石油时代之后又是什么时代呢?悲观绝望并不可取，但是盲目乐观也很危险。从科学技术的角度来说，能源是无限的，风能水力不会终止，海水中蕴藏的能量也是无限的，寻找新的能源，实现石油时代的平稳过渡将是人类面临的严重挑战。氢是一种十分理想的能源，1kg氢气燃烧可放出14×104J的热量，比1kg石油放出的热量高两倍，氢燃烧的产物是水，不会产生任何污染，而水又可以产生氢。可以设想，在用电低潮的夜晚，把剩余的电用于电解水而制取氢，然后把氢储存起来；在用电高峰时，再用氢作为能源去开动机器、开动汽车。因此，可以说氢是地球上取之不尽的清洁能源。但是这里产生一个不容忽视的问题，就是氢气如何储存又如何运输呢?目前，人们靠把氢气用高压变成液体，然后用高压气瓶储存、运输。这样做太不合算了，氢气瓶本身的重量远远大于所容纳的氢的重量，而且十分危险。天无绝人之路，一种高效率的储氢金属材料被研制出来，使人们在黑暗中见到光明，给氢能源的利用带来了希望。如果把氢原子装进容器，拼命加压并降低温度可以得到液氢，再加压再降温，氢原子靠得更近，从理论上说，最终可以得到固态的氢，从一般的常识来说，固态的氢应该是密度最高的氢了，然而储氢合金的出现却得到了意想不到的结果，在储氢合金中氢的密度比标准状态的氢气高出1400倍以上，超过了液氢甚至固态氢。之所以如此，是因为储氢合金具有独特的晶体结构，使氢原子容易进入其晶体中的间隙位置并形成金属氢化物。储氢合金可以储存大量的氢，氢的密度高得惊人，一个重重的液氢高压气瓶中的氢，可以放进一小块储氢合金中，运送起来多么方便。而且氢与金属原子的结合力很弱，在一定的条件下，氢气又很容易地从储氢合金中释放出来，因此金属的氢化物本身就成为一种氢能源材料，用于燃氢发动机、氢动力汽车；由于吸氢和放氢的过程分别为放热和吸热的过程，因此可用储氢材料做空调机、制冷器、热机械泵等，此外储氢合金还可用于镍氢电池、重氢的浓缩等。1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁-镍合金具有吸氢特性，1969年荷兰菲力普实验室发现SmC05合金的储氢特性，随后又研制出LaNi5合金，具有良好的吸氢和放氢的性能，打开了储氢合金的大门。20世纪80年代后，各种储氢合金如雨后春笋不断涌现。储氢合金的发展非常迅速，用途亦十分广泛，目前已有不少进入实用的阶段，例如，氢气的精制与回收，由于氢气中的杂质如C02、CO、CH2等不易进入储氢合金，或容易从储氢合金中排出，从而可以获得纯度99.9999%的超纯氢而用于电子工业；日美等国用储氢合金制作的空调器已开始商品化，它不用有污染作用的氟里昂，具有很大的吸引力；利用储氢合金制成超低温致冷机，包括获得77K的液氮致冷器，21∼29K的液氢致冷器，甚至低于1OK的超低温微型致冷器，在航天和其他超低温物理中有重要用途；利用储氢合金制作热机械泵的原理，可利用工厂排出的低温废水、废气中的热能，建立节能型冷、暖房系统是100∼200℃低温热源利用的范例，可以节省大量的能源；燃氢汽车是储氢合金应用的最诱人的领域，每立方米氢的燃烧可行驶5∼6公里，是一种完全无污染的能源。用氢、油混燃也能大大节油并减少污染，目前燃氢的汽车发动机已研制成功，不久的将来，燃氢汽车必将展现在人们的面前。尽管储氢合金研究与开发的道路仍很艰难，但前景十分迷人，我们相信，曙光就在前头。三．冲出传统观念的非晶态金属人类使用金属材料大约已有8000年的历史，在这漫长的时间中，使用的都是具有晶体结构的金属材料，直到20世纪后期，即1960年美国加州大学Duwez小组用快冷首次获得了非晶态的合金Au70Si30，1967年又最先得到了非晶合金Fe86P12.5C7.5，并发现非晶态金属具有许多常规晶态金属不可比拟的优越性能，从此揭开了金属材料发展历史上新的一页。近些年来，非晶态金属材料与急冷技术已成为材料领域的一个前沿学科而得到迅速的发展，至今已有数不胜数的非晶合金被研制出来，非晶态金属是目前人们所知的强度最高、韧性最好、最耐腐蚀和最易磁化的金属材料，有人把非晶态金属视为20世纪金属材料的新里程碑，有一定的道理。1．晶态合金的形成液态金属冷却的过程中，在低于理论熔点(Tm)的温度将产生凝固结晶，这个过程程可分为形核和长大两个基本阶段，随温度的降低，结晶开始和终了的时间与温度的关系可以用一个C形曲线来表示。如果液态金属以高于临界冷速乃俣壤淙词保?奔淇梢酝耆?柚咕?宓男纬桑?佣?禾?鹗艚峋Э?及岩禾?鹗簟岸辰帷钡降臀拢?纬煞蔷??牡墓烫褰鹗簟４永砺凵纤担?魏我禾宥伎赏ü?焖倮淙椿竦梅蔷??烫宀牧希?徊还?煌?牟牧闲枰?煌?睦淙此俣龋?杂诠杷嵫?玻璃)和有机聚合物而言，其C形曲线的最短时间也有几小时或几天，因此在正常的冷却速度下均得到非晶固体，但是对于纯金属而言，其最短时间约为10-6s，这意味着纯金属必须以大约每秒1010K的速度冷却时才可能获得非晶态，因此在实际工程中，无法得到非晶态的纯金属。研究表明，对于合金而言，获得非晶态的临界冷速与合金的成分、合金中原子间的键合特性、电子结构、组元的原子尺寸差异以及相应的晶态相的结构等因素有关，为获得非晶态金属主要有下述两个途径：①研究具有低的的合金系统，以便得到形成非晶态的较为便利的条件；②发展快速冷却的技术，以满足获得非晶态金属的技术需要。（1）非晶态合金成分的主要特点。多数可获得非晶态的二元合金系列是由过渡族金属或贵金属和玻璃化非金属或类金属组成，前者如Fe、Ni、Co等，后者如B、Si、C、P等，其中玻璃化元素的原子百分比为15%∼30%，多数在1/5∼1/6范围内。这类合金的成分均接近于共晶的成分，这是因为，共晶结晶时，固相的成分与液相有很大的差别，也就是说二元共晶的形核需要有更大的成分起伏和能量起伏，而且固体结晶相的结构也比较复杂，因此结晶时形核比较困难，形核所需时间比较长，有利于非晶态的获得。如果在二元合金中，再加入另一种或几种元素，有可能构成更易得到非晶态的多元系，例如Fe-P-C、Ni-Si-B、Pd-Cu-Si、Pt-Ni-P等非晶态合金系列，含有较多价格低廉的类金属元素，并且有很好的性能，是研究得最多的一类非晶合金，其中的Fe40Ni40p14B6、Fe80B20、Fe80P16C3B1等合金均已投入实际的应用。适当的合金系列，可使临界冷速大大下降，使得技术上实现的可能性显著增大。其他非晶合金的系列还有以下几种。(a)两种过渡族金属所组成的，如Ni-Nb、Ni--Ta、Ni-Ti、Ni-Zr等。(b)ⅡA族金属元素(Mg、Ca、Sr)加B族金属元素(AI、ZnGa)等，如Mg70Zn30、Ca或Sr中加入15%∼60%(原子)Mg、A1、Cu、Zn、Ga、Ag等。(c)ⅡA族金属元素加过渡族金属Ti、Zr、Nb、Hf等，例如Be40Zr10Ti50合金已投入应用。(d)锕系金属与过渡族金属组成的合金系，如U-V，U-Cr等。(e)铝基非晶合金：Al分别加上Cr、Cu、Ge、Mn、NiPd、Zr、Co等二元系或三元系，如Al-M(Cr、Mo、Mn、Fe、Co或Ni)-Si、Al-Co-B、Al-M(V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co或Ni)-Ge、Al-A(Fe、Co、Ni或Cu)-M(Ti、Zr、V、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo或W)。（2）形成非晶态的快速凝固技术。金属熔液从高温以很高的冷速()迅速冷至低温，是获得非晶态的不可缺少的技术条件，一个相对于环境放热的系统，其冷速取决于该系统单位时间内产生的热量和通过环境可以传出的热量，因此实现快速冷却必须要求：(a)减少系统凝固时放出的潜热；(b)增大体系和环境的传热速度。根据这两个要求，只能减小同时凝固的熔体的体积，增大熔体的散