功能材料概论个人整理版(考试专用)

第一章功能材料概论功能材料的定义功能材料指以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。功能材料的特征1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，是最本质的特征。2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、混合态和等离子态。除三维材料外，还有二维、一维和零维材料。3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。4）功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。功能材料的分类功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。按化学组成：金属功能材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料、复合功能材料按应用领域:电子材料、能源材料、信息材料、光学材料、仪器仪表材料、航空航天材料、生物医学材料、传感器用敏感材料。按使用性能：电功能材料、磁功能材料、光功能材料、热功能材料、化学功能材料、生物功能材料、声功能材料、隐形功能材料。功能材料的现状近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。功能材料的展望展望21世纪，功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展；3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化；4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化；5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺；6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。第二章贮氢材料资源丰富；发热值高；燃烧后生成水，不污染环境。光解法——利用太阳能，到海水中取氢。气态贮存能量密度低不安全液态贮存能耗高对贮罐绝热性要求高固态贮存体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢2.1金属贮氢原理在一定温度和压力条件下，固溶相(MHx)与氢反应生成金属氢化物(MHy)，反应式如下反应进行的方向取决于温度、压力和合金成分。金属氢化物类型：a.Ⅰ和Ⅱ主族元素与氢形成离子型氢化物；b.Ⅲ和Ⅳ族过渡金属及Pb与氢形成金属型氢化物。2.2贮氢合金分类贮氢材料应具备的条件吸氢能力大；用于储氢时生成热尽量小，而用于蓄热时生成热尽量大；平衡氢压适当；吸氢、释氢速度快；传热性能好；反复吸氢、释氢时，性能稳定；安全无害；价格便宜。贮氢合金的种类镁系合金、稀土系合金、钛系合金典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道。特点：重量轻；资源丰富；价格低廉；贮氢量小；放氢温度高（300℃以上）；吸/放氢动力学性能较差。新开发的镁系贮氢合金Mg2Ni1-xMx(M=V，Cr，Mn，Fe，Co)和Mg2-xMxNi(Al，Ca)比Mg2Ni的性能好。发展方向：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复合（加入Ni、Cu、Re等元素）。机械合金化：纳米晶Mg2Ni具有很好的动力学性能，吸释氢速度加快。复合：Mg/MmNi5-x(Co,Al,Mn)x，Mg2Ni/MmNi5，Mg/FeTi等合金系典型代表：LaNi5，荷兰Philips实验室首先研制。特点：222MHxHMHyHyxyx吸氢，放热释氢，吸热活化容易；平衡压力低，滞后小；抗杂质；适合室温操作；成本高。采用混合稀土(La，Ce，Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氢分解压升高，滞后压差大，给使用带来困难。采用第三组分元素M(Al，Cu，Fe，Mn,Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir)替代部分Ni是改善LaNi5和MmNi5储氢性能的重要方法。钛铁系合金典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室首先发明。特点：价格低；室温下可逆贮放氢；易被氧化；活化困难；抗杂质气体中毒能力差。改进方法：以过渡金属M（Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Nb、V等）置换部分Fe，使合金活化性能改善，氢化物稳定性增加。钛锰系合金具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附TiMn1.5Ti0.9Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.42.3贮氢合金的应用贮氢合金的应用领域很多，而且还在不断发展之中，下面介绍应用的几个主要方面。高容量贮氢容器、氢能汽车、分离、回收氢，制取高纯度氢气氢气静压机通过平衡氢压的变化而产生高压氢气的贮氢金属，称为氢气静压机。氢化物电极金属氢化物镍氢电池的基本化学过程是：与Ni-Cd电池相比，Ni/MHx电池具有如下优点：比能量为Ni/Cd电池的1.5~2倍；无重金属Cd对人体的危害；良好的耐过充、放电性能；无记忆效应；主要特性与Ni/Cd电池相近。空调、热泵及热贮存贮氢合金吸—放氢时伴随着巨大的热效应，发生热能—化学能的相互转换，这种反应的可逆性好，反应速度快，因而是一种持别有效的蓄热和热泵介质。加氢及脱氢反应催化剂贮氢材料可用作加氢和脱氢反应的催化剂，如LaNi5、TiFe用作常温常压合成氨催化剂、电解水或燃料电池上的催化剂。它可降低电解水时的能耗，提高燃料电池的效率。温度传感器、控制器贮氢材料的氢平衡压随温度升高而升高的效应可以用作温度计。M+xNi(OH)2MHx+xNiOOH贮氢材料的温度压力效应还可以用作机器人动力系统的激发器、控制格和动力源、抑制温度的各种开关装置。贮氢合金应用时存在的问题贮氢能力低；对气体杂质的高敏感性；初始活化困难；氢化物在空气中自燃；反复吸释氢时氢化物产生歧化。第三章形状记忆合金具有形状记忆效应的材料——形状记忆材料形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称SME)形状记忆效应—将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称SMA)。20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆效应可分为3种类型：①单向形状记忆效应②双向形状记忆效应③全方位形状记忆效应单向形状记忆效应——材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。图1单向形状记忆效应双向形状记忆效应——加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象,称为可逆形状记忆效应。图2双向形状记忆效应全方位形状记忆效应——当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象。只能在富镍的Ti-Ni合金中出现。图3全方位形状记忆效应3.1形状记忆原理3.1.1热弹性马氏体相变大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法。普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即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，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。加热时马氏体分解为铁素体和碳化物。钢的马氏体相变不可逆在某些合金中发现热弹性马氏体相变：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小——热弹性马氏体。早期提出产生形状记忆效应的条件是：（1）马氏体相变是热弹性的；（2）马氏体点阵的不变切变是孪生，即亚结构为孪晶；（3）母相和马氏体均为有序结构。图7形状记忆效应机制示意图3.1.2应力诱发马氏体相变在Tc与Ms之间的某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变。由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱发马氏体相变(Stress-InduceedMartensiteTransformation)。本质：应力作用使材料的MS点升高。图8形状记忆合金晶体结构变化模型图9应力诱发马氏体相变概念图3.1.3超弹性（伪弹性）产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在Af温度以上由于应力诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性和相变密切相关，叫做相变伪弹性，即超弹性。图12形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线(Af温度以上加载）Ti-Ni系形状记忆合金1、Ti-Ni系形状记忆合金优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好缺点：制造过程较复杂，价格高昂Ti-Ni合金通过在1000℃左右固溶后，在400℃进行时效处理，再淬火得到马氏体。(1)Ti-Ni系记忆合金中的基本相和相变在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金属间化合物。(1)Ti-Ni系记忆合金中的基本相和相变CsCl结构的体心立方晶体高温相（母相TiNi）单斜晶体马氏体冷却R相（菱面体点阵）适当的热处理或成分条件R相变在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金属间化合物。TiNi合金中R相的特点母相与R相之间也是晶体学可逆的。R相变的最大特点是重复持性稳定，热循环反复动作50万次，其动作持性几乎没有任何变化。R相变的另一重要持征是温度滞后很小，只有1-2K。(2)合金元素对Ti-Ni合金相变的影响在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co等元素，这些元素对合金的Ms点有明显影响，也使As温度降低，即使伪弹性向低温发展。2、Cu系形状记忆合金主要由Cu-Zn和Cu-A1两个二元系发展而来。通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金的相变温度，发展了一系列的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn,Be,Ni)三元合金。图15热循环对相变温度的影响（a）Cu-Zn-Al合金；（b）Cu-Al-Ni合金3、Fe系形状记忆合金铁基形状记忆合金没有发现具有伪弹性，应用前景最好的是FeMnSiCrNi系和FeMnCoTi系，记忆性能较好的是FeNiCoTi系和FeMnSi系。目前研究主要集中在FeMnSi系合金上。性能特点：价格较Ti-Ni系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。形状记忆特性比Ti-Ni合金差。①高技术中的应用：制造人造卫星天线图16Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳