新型高性能功能材料(二).

第十三章新型高性能功能材料第二节贮氢合金第三节非晶态合金第四节海绵金属和“无声”合金第五节梯度功能材料第六节生物医学材料第一节形状记忆合金功能材料是指在光、电、磁、热、化学、生化等方面具有特定功能的材料。按使用性能，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料等。第一节形状记忆合金（SMA）ShapeMemoryAlloy形状记忆材料是指具有—定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料；形状记忆合金是形状记忆材料中的一种。3Chapter6MetallicMaterials形状记忆合金一、形状记忆效应具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。二、形状记忆合金的分类按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为三大系列：Ti-Ni系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁基系形状记忆合金。形状记忆合金特征1.一次记忆（单程）：材科加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变形状。2.可逆记忆（双程）：物体不但能记忆高温的形状，而且能记忆低温的形状，当温度在高低温之间反复变化时，物体的形状也自动反应在两种形状间变化。3.全方位记忆（全程）：除具有可逆记忆特点外，当温度比较低时，物体的形状向与高温形状相反的方向变化。一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多。5Chapter6MetallicMaterials6单程、双程及全程记忆效应示意图形状记忆效应机理78Ni-Ti合金的马氏体和奥氏体结构Chapter6MetallicMaterials9孪晶（twinning）——指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为孪晶，Chapter6MetallicMaterials形状记忆合金材料Ti-Ni系合金铜系合金铁系合金特点弯曲量大，塑性高在记忆温度以上恢复以前形状10Chapter6MetallicMaterials114.4.3SMAmaterials形状记忆合金材料及其转变温度三、形状记忆合金的应用（1）飞行器用天线图13-1图13-2（2）连接紧固件（3）智能驱动元件（4）医学上的应用形状记忆合金的应用13月面天线略图（1）在军事和航天工业方面的应用14Chapter6MetallicMaterials15（2）在工程方面的应用形状记忆合金管接口16Advantages形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：①夹紧力大，接触密封可靠．避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；②适于不易焊接的接头；③金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；④安装时不需要熟练的技术。Chapter6MetallicMaterials17（3）在医疗方面的应用记忆型NiTi牙弓丝18Examples形状记忆合金套管连接的铝合金假肢形状记忆合金制成的血液过滤器19（4）形状记忆式热发动机形状记忆用于热发动机的原理20自控元件原理（5）其它应用214.4SMA双程CuZnAl记忆合金弹簧Chapter6MetallicMaterials224.4SMA双程CuZnAl记忆合金花23ExamplesTiNi记忆合金眼镜架超弹性耐腐蚀性重量轻第二节贮氢合金一、贮氢合金的定义及分类贮氢合金是一种能在晶体的空隙中大量贮存氢原子的合金材料。这种合金具有可逆吸、放氢的神奇特性。氢原子很容易进入合金内并与之形成金属氢化物，可以贮存相当于合金自身体积1000~3000倍的氢气。表13-1一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。25储氢原理22H2H)MHMH2xxQ放热（吸入）吸热（放出氢气储存与储氢合金储氢合金——在一定的温度和氢气压力下，可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料26储氢合金hydrogenstoragealloys储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍27合金的吸氢反应机理①H2传质②化学吸附氢的解离H22Had③表面迁移④吸附的氢转化为吸收氢HadHabs⑤氢在α相的稀固溶体中扩散⑥α相转变为氢化物（β相）Habs(α)Habs(β)⑦氢在β相中扩散。储氢合金种类系列代表合金扩展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy（x＜1，y＜5）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy（x＜1，y＜2）ABTiFe，TiNiA1-xNxB1-yMy（x＜l，y＜1）A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy（x＜2，y＜1）28可以在工程上应用的合金基本上都是金属间化合物，已确认有应用前景的共有四类A及N——吸氢量较大的金属(ⅡA，ⅢB，ⅣB，ⅤB族金属)B及M——过渡金属（ⅥB，ⅦB，Ⅷ，ⅠB，ⅡB，ⅢA，ⅣA族）Mm——混合稀土金属Chapter6MetallicMaterials碳纳米管——迄今为止最好的储氢材料29碳纳米管储氢示意图（红点为氢原子）迄今为止，具有使用价值的贮氢合金材料主要有三大类：稀土系、钛系和镁系列贮氢合金。1．稀土系贮氢合金2．钛系贮氢合金（1）钛铁系贮氢合金（2）钛锰系贮氢合金3．镁系贮氢合金二、贮氢合金材料的应用1．镍金属氢化物电池2．热泵、空调及热贮存3．氢能汽车31贮氢材料的应用①贮氢容器重量轻、体积小——氢以金属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同湿度、压力条件下的气态氢大1000倍；节省能量，安全可靠——用贮氢合金贮氢，无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝热措施。Application贮氢容器32Example贮氢合金制作的贮氢装置33Example在高压容器中装入贮氢合金的“混合贮氢容器”34镍氢电池结构35Advantages(1)比能量为Ni—Cd电他的1.5-2倍；(2)无重金属Cd对人体的危害；(3)良好的耐过充、放电性能；(4)无记忆效应；(5)主要特性与Ni／Cd电他相近，可以互换使用。优点利用储氢合金的放热——吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备36利用储氢合金制造的制冷机第三节非晶态合金一、非晶态合金的形成如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶态合金。（金属玻璃）非晶态合金具有两个重要性质：第一，合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，他们的熔点远低于纯金属，第二，由于原子的种类多了，合金在液体时他们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶了。38Performance&use非晶态金属材料的性能与用途（1）高强度高韧性的力学性能非晶态合金的力学性能合金硬度/HV抗拉强度/MPa断后伸长率/%弹性模量/MPa非晶态合金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si8B17840826500.1478400晶态18Ni-9Co-5Mo1810～213010～12Chapter6MetallicMaterials结构性能特点：结构中不存在位错，没有晶体那样的滑移面，因而不易发生滑移。非晶态合金断后伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲180°而不断裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率可达50%。用途：非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。39Chapter6MetallicMaterials非晶态金属材料401非晶态金属材料及其基本特征（1）非晶态形成能力对合金的依赖性•非晶态合金通常由金属组成或由金属与类金属组合•金属与类金属组合更有利于非晶态的形成•较好的组合类金属：B、P、Si、Ge41（2）结构的长程无序和短程有序性不存在原子排列的长程有序性观察不到晶粒的存在非晶态金属原子的最近邻、第二近邻这样近程的范围内，原子排列与晶态合金极其相似，即存在近程有序性42（3）热力学的亚稳性从热力学来看，它有继续释放能量、向平衡状态转变的倾向从动力学来看，要实现这种转变首先必须克服一定的能垒位垒高低直接关系到非晶态金属材料的实用价值和使用寿命43Performance&use非晶态金属材料的性能与用途（1）高强度高韧性的力学性能非晶态合金的力学性能合金硬度/HV抗拉强度/MPa断后伸长率/%弹性模量/MPa非晶态合金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si8B17840826500.1478400晶态18Ni-9Co-5Mo1810～213010～12结构性能特点：结构中不存在位错，没有晶体那样的滑移面，因而不易发生滑移。非晶态合金断后伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲180°而不断裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率可达50%。用途：非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。4445（2）高导磁、低铁损的软磁性能•无序结构——不存在磁晶各向异性•易于磁化；没有位错、晶界等晶体缺陷•磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏敝材料、磁致伸缩材料等。46（3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性不存在第二相，组织均匀其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等非晶态合金的优点（1）高强韧性（2）优良的磁性（3）简单的制造工艺和节能环保四、非晶态合金的应用（1）电子技术（2）电力系统48非晶态合金的主要特性和应用主要特性实际应用材料高强度、高韧性结构加强材料高电阻率、低温度系数高电阻材料、精密电阻合金材料高导磁率、低矫顽力磁分离、磁屏蔽、磁头、磁芯材料高磁感、低损耗功率变压器、磁芯材料高耐蚀性刀具材料、电极材料、表面保持材料恒体积、恒弹性不胀钢材料、恒弹性合金材料超导电性超导材料高磁致伸缩应变仪、延迟线、磁致伸缩振子材料高磁能积永磁薄膜材料第四节海绵金属和“无声”合金一、海绵金属这种金属从里到外，布满了孔洞，孔洞大小不一，相互连通，像海绵一样，被称为海绵金属。因为他有点像泡沫塑料，所以也称为泡沫金属。1．海绵金属的实现（1）起泡剂法（2）泡沫树脂法（3）金属条直接制造2．海绵金属的性能及其应用由于独特的多孔结构，海绵金属有一些独特的性能及应用。如减噪消振、过滤、控制导热导电、催化以及热交换和集热等。二、“无声”合金无声合金是一种高性能的减振合金，其减振性能非常可观，例如用铁锤敲打锰铜无声合金板，发出的声音很微弱，就象敲打橡胶一样。它是由于物体内部原子、晶体缺陷等组成单元不断运动及相互作用、相互干扰从而消耗声波的能量——内耗而引起的。（1）无声合金的分类引起金属内耗的原因很多。振动发生的时候，金属内部出现的间隙原子跳动、位错运动、原子微扩散、磁性材料的磁性变化等，都会消耗振动的能量。根据引起内耗的主要原因的不同，可以把无声合金分为四类：①依靠相界面作用的内耗相应地有灰口铸铁、铸造铝锌合金等，属于复合型，其内部组织由两种或两种以上的不同软硬的合金相组成，内耗主要是在相