第十二章 新型工程材料

1、第十二章第十二章 新型材料新型材料 第一節(jié)第一節(jié) 形狀記憶合金形狀記憶合金 n一、形狀記憶效應(yīng)一、形狀記憶效應(yīng)n 某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態(tài)下進行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在狀態(tài)下進行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當超過馬氏體相消失的溫度時，隨后的加熱過程中，當超過馬氏體相消失的溫度時，材料就能完全恢復變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱材料就能完全恢復變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為為形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)（SMESME）。具有形狀記憶效應(yīng)的合金）。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱稱形狀記憶合金（形狀記憶合金（

2、Shape Memory AlloyShape Memory Alloy）。）。n形狀記憶合金應(yīng)具備以下形狀記憶合金應(yīng)具備以下三個條件三個條件：n馬氏體相變是熱彈性類型馬氏體相變是熱彈性類型的；的；n馬氏體相變馬氏體相變通過孿生（切變）完成通過孿生（切變）完成，而不是，而不是通過滑移產(chǎn)生；通過滑移產(chǎn)生；n母相和馬氏體相均屬母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)有序結(jié)構(gòu)。n二、形狀記憶合金的應(yīng)用二、形狀記憶合金的應(yīng)用n 已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-NiTi-Ni系、系、銅系、鐵系合金銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只三大類。目前已實用化的

3、形狀記憶合金只有有Ti-NiTi-Ni系合金和銅系合金。系合金和銅系合金。n1 1、工程應(yīng)用、工程應(yīng)用n 形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種作各種結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些可以用于一些控制元件控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制?？刂?。n2 2、醫(yī)學應(yīng)用、醫(yī)學應(yīng)用n 利用利用Ti-NiTi-Ni合金與生物體良好的合金與生物體良好的相容性相容性，可制造醫(yī)學，可制造醫(yī)學上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。利用合金上的凝血

4、過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。利用合金的超彈性可代替不銹鋼作齒形矯正用絲等。的超彈性可代替不銹鋼作齒形矯正用絲等。 第二節(jié)第二節(jié) 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金 n 非晶態(tài)非晶態(tài)是指原子呈長程無序排列的狀態(tài)。具有非是指原子呈長程無序排列的狀態(tài)。具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金，非晶態(tài)合金又稱，非晶態(tài)合金又稱金屬金屬玻璃玻璃。 n一、非晶態(tài)合金的制備一、非晶態(tài)合金的制備 n1 1、氣態(tài)急冷法、氣態(tài)急冷法n 氣態(tài)急冷法即氣態(tài)急冷法即氣相沉積法氣相沉積法，主要包括濺射法和蒸，主要包括濺射法和蒸發(fā)法。這兩種方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，發(fā)法。這兩種方法制得的非晶材料只是小片的薄

5、膜，不能進行工業(yè)生產(chǎn)，但由于其可制成非晶態(tài)材料的范不能進行工業(yè)生產(chǎn)，但由于其可制成非晶態(tài)材料的范圍較寬，因而可用于研究。圍較寬，因而可用于研究。n2 2、液態(tài)急冷法、液態(tài)急冷法n 目前最常用的液態(tài)急冷法是目前最常用的液態(tài)急冷法是旋輥急冷法旋輥急冷法，分為單，分為單輥法和雙輥法。圖輥法和雙輥法。圖12-212-2是單輥法示意圖。將試塊放入是單輥法示意圖。將試塊放入石英坩堝中，在氬氣保護下用高頻感應(yīng)加熱使其熔化，石英坩堝中，在氬氣保護下用高頻感應(yīng)加熱使其熔化，再用氣壓將熔融金屬從管底部的扁平口噴出，落在高再用氣壓將熔融金屬從管底部的扁平口噴出，落在高速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪上，經(jīng)過急冷立即形成很薄的非晶帶。

6、速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪上，經(jīng)過急冷立即形成很薄的非晶帶。 單輥法制備非晶帶示意圖單輥法制備非晶帶示意圖n二、非晶態(tài)合金的特性二、非晶態(tài)合金的特性n1 1、力學性能：、力學性能：具有高的強度和硬度具有高的強度和硬度 n2 2、耐蝕性：、耐蝕性：非晶態(tài)合金具有很強的耐腐蝕能力。非晶態(tài)合金具有很強的耐腐蝕能力。 n3 3、電性能：、電性能：與晶態(tài)合金相比，非晶態(tài)合金的電阻率與晶態(tài)合金相比，非晶態(tài)合金的電阻率顯著增高（顯著增高（2-32-3倍）。多數(shù)非晶態(tài)合金具有負的電阻倍）。多數(shù)非晶態(tài)合金具有負的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻率連續(xù)下降。溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻率連續(xù)下降。 n4 4、軟磁性：、軟磁性：

7、非晶態(tài)合金磁性材料具有高導磁率、高非晶態(tài)合金磁性材料具有高導磁率、高磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，而且無磁各向異性。磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，而且無磁各向異性。 n5 5、其他性能：、其他性能：非晶態(tài)合金還具有好的催化特性，高非晶態(tài)合金還具有好的催化特性，高的吸氫能力，超導電性，低居里溫度等特性。的吸氫能力，超導電性，低居里溫度等特性。 n三、非晶態(tài)合金的應(yīng)用三、非晶態(tài)合金的應(yīng)用 n利用非晶態(tài)合金的利用非晶態(tài)合金的高強度、高韌性高強度、高韌性、以及工藝上可以、以及工藝上可以制成條帶或薄片，目前已用它來制作輪胎、傳送帶、制成條帶或薄片，目前已用它來制作輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強纖

8、維。還可用來制作各種水泥制品及高壓管道的增強纖維。還可用來制作各種切削刀具和保安刀片。切削刀具和保安刀片。n非晶態(tài)的鐵合金是非晶態(tài)的鐵合金是極好的軟磁材料極好的軟磁材料，它容易磁化和退，它容易磁化和退磁，比普通的晶體磁性材料導磁率高、損耗小，電阻磁，比普通的晶體磁性材料導磁率高、損耗小，電阻率大。率大。 n非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金耐腐蝕耐腐蝕，特別是在氯化物和硫酸鹽中的抗，特別是在氯化物和硫酸鹽中的抗腐蝕性腐蝕性大大超過不銹鋼大大超過不銹鋼，獲得了，獲得了“超不銹鋼超不銹鋼”的名稱，的名稱，可以用于海洋和醫(yī)學方面?？梢杂糜诤Ｑ蠛歪t(yī)學方面。 第三節(jié)第三節(jié) 超塑性合金超塑性合金 n一、超塑性現(xiàn)象一、超

9、塑性現(xiàn)象n 所謂所謂超塑性超塑性是指合金在一定條件下所表現(xiàn)的具有是指合金在一定條件下所表現(xiàn)的具有極大伸長率和很小變形抗力極大伸長率和很小變形抗力的現(xiàn)象。合金發(fā)生超塑性的現(xiàn)象。合金發(fā)生超塑性時的斷后伸長率通常大于時的斷后伸長率通常大于100%100%，有的甚至可以超過，有的甚至可以超過1000%1000%。從本質(zhì)上講，超塑性是高溫蠕變的一種，因。從本質(zhì)上講，超塑性是高溫蠕變的一種，因而發(fā)生超塑性需要一定的溫度條件，稱超塑性溫度而發(fā)生超塑性需要一定的溫度條件，稱超塑性溫度TsTs。n 根據(jù)金屬學特征可將超塑性分為根據(jù)金屬學特征可將超塑性分為細晶超塑性細晶超塑性和和相相變超塑性變超塑性兩大類。兩大類

10、。n1 1、細晶超塑性、細晶超塑性n 細晶超塑性也稱細晶超塑性也稱等溫超塑性等溫超塑性，是研究得最早和最，是研究得最早和最多的一類超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具多的一類超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有這一類超塑性的合金有這一類超塑性的合金n產(chǎn)生細晶超塑性的產(chǎn)生細晶超塑性的必要條件必要條件是：是：n 溫度要高溫度要高，T Ts s=(0.4-0.7)T=(0.4-0.7)Tm m。n 變形速率要?。ㄗ冃嗡俾室。?1010-3-3/ /秒秒）。n 材料組織為材料組織為非常細的等軸晶粒非常細的等軸晶粒，晶粒直徑，晶粒直徑55 m m。 n2、相變超塑性相變超塑性n 相變超塑性相變超

11、塑性是指合金受小應(yīng)力作用時，在是指合金受小應(yīng)力作用時，在其相變溫度上下反復加熱冷卻獲得極大伸長率其相變溫度上下反復加熱冷卻獲得極大伸長率的現(xiàn)象，又稱的現(xiàn)象，又稱動態(tài)超塑性動態(tài)超塑性。n具有具有固態(tài)相變的合金固態(tài)相變的合金都有可能發(fā)生相變超塑性。都有可能發(fā)生相變超塑性。n二、超塑性合金二、超塑性合金 n1 1、鋅基合金鋅基合金：用于一般不需切削的簡單零件。：用于一般不需切削的簡單零件。n2 2、鋁基合金鋁基合金：含有微量細化晶粒元素（如：含有微量細化晶粒元素（如ZrZr等）的超塑等）的超塑性鋁合金具有較好的綜合力學性能，可加工成復雜形狀部性鋁合金具有較好的綜合力學性能，可加工成復雜形狀部件。件。

12、 n3 3、鎳合金鎳合金：利用超塑性進行精密鍛造，壓力小，節(jié)約材：利用超塑性進行精密鍛造，壓力小，節(jié)約材料和加工費，制品均勻性好。料和加工費，制品均勻性好。 n4 4、超塑性鋼超塑性鋼 ：將超塑性用于鋼方面，至今尚未達到商品：將超塑性用于鋼方面，至今尚未達到商品化程度?；潭?。 n5 5、鈦基合金鈦基合金：利用超塑性進行等溫模鍛或擠壓，變形抗：利用超塑性進行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制出形狀復雜的精密零件。力大為降低，可制出形狀復雜的精密零件。 n三、超塑性合金的應(yīng)用三、超塑性合金的應(yīng)用n1 1、高變形能力的應(yīng)用、高變形能力的應(yīng)用 n2 2、固相粘結(jié)能力的應(yīng)用、固相粘結(jié)能力的應(yīng)用n3

13、 3、減振能力的應(yīng)用、減振能力的應(yīng)用 n4 4、其他、其他 第四節(jié)第四節(jié) 納米材料納米材料 n 納米材料（納米材料（NanoNano Materials Materials）是指尺寸為）是指尺寸為1-100nm1-100nm的納米粒子、由納米粒子凝聚成的纖維、薄膜、塊體的納米粒子、由納米粒子凝聚成的纖維、薄膜、塊體及與其他納米粒子或常規(guī)材料（薄膜、塊體）組成的及與其他納米粒子或常規(guī)材料（薄膜、塊體）組成的復合材料。復合材料。 一、納米材料的特性一、納米材料的特性n1 1、三個效應(yīng)、三個效應(yīng)n 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當超微粒子的尺寸小到納米數(shù)量級時，當超微粒子的尺寸小到納米數(shù)量級時，其聲、光、電

14、、磁、熱力學等特性均會呈現(xiàn)新的尺寸效其聲、光、電、磁、熱力學等特性均會呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。應(yīng)。n 表面與界面效應(yīng)表面與界面效應(yīng) 隨納米微粒尺寸減小，比表面積隨納米微粒尺寸減小，比表面積增大，三維納米材料中界面占的體積分數(shù)增加。此時已增大，三維納米材料中界面占的體積分數(shù)增加。此時已不能把界面簡單地把它看作是一種缺陷，它已成為納米不能把界面簡單地把它看作是一種缺陷，它已成為納米固體的基本組分之一，并對納米材料的性能起著舉足輕固體的基本組分之一，并對納米材料的性能起著舉足輕重的作用。重的作用。n 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 隨粒子尺寸減小，能級間距增大，隨粒子尺寸減小，能級間距增大，從而導致磁、光、聲、

15、熱、電及超導電性與宏觀特性顯從而導致磁、光、聲、熱、電及超導電性與宏觀特性顯著不同。著不同。n2 2、物理特性、物理特性n 低的熔點、燒結(jié)開始溫度及晶化溫度低的熔點、燒結(jié)開始溫度及晶化溫度n 具有具有順磁性順磁性或或高矯頑力高矯頑力 n 光學特性：一是光學特性：一是寬頻吸收寬頻吸收。二是。二是藍移現(xiàn)象。藍移現(xiàn)象。 n 電特性：隨粒子尺寸降到納米數(shù)量級，金電特性：隨粒子尺寸降到納米數(shù)量級，金屬由屬由良導體變?yōu)榉菍w良導體變?yōu)榉菍w，而，而陶瓷材料的電阻則陶瓷材料的電阻則大大下降。大大下降。 n3 3、化學特性、化學特性 由于納米材料比表面積大，處于表面由于納米材料比表面積大，處于表面的原子數(shù)多，

16、鍵態(tài)嚴重失配，表面出現(xiàn)非化學平衡、的原子數(shù)多，鍵態(tài)嚴重失配，表面出現(xiàn)非化學平衡、非整數(shù)配位的化學價，非整數(shù)配位的化學價，化學活性高化學活性高，很容易與其他原，很容易與其他原子結(jié)合。如納米金屬的粒子在空氣中會燃燒，無機材子結(jié)合。如納米金屬的粒子在空氣中會燃燒，無機材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與其反應(yīng)。料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與其反應(yīng)。n4 4、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)特性 納米微粒的結(jié)構(gòu)受到納米微粒的結(jié)構(gòu)受到尺寸的制約和制尺寸的制約和制備方法的影響備方法的影響。 n5 5、力學性能特性、力學性能特性 高強度、高硬度，良好的塑性和高強度、高硬度，良好的塑性和韌性韌性是納米材料引人注目的

17、特性之一。是納米材料引人注目的特性之一。 n二、納米材料的分類二、納米材料的分類n1 1、按、按納米顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)納米顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)可分為可分為納米晶體材料納米晶體材料（又稱（又稱納米微晶材料）和納米微晶材料）和納米非晶態(tài)材料納米非晶態(tài)材料。n2 2、按、按結(jié)合鍵類型結(jié)合鍵類型可分為可分為納米金屬材料、納米離子晶納米金屬材料、納米離子晶材料、納米半導體材料及納米陶瓷材料。材料、納米半導體材料及納米陶瓷材料。n3 3、按、按組成相數(shù)量組成相數(shù)量可分為可分為納米相材料納米相材料（由單相微粒構(gòu)（由單相微粒構(gòu)成的固體）和成的固體）和納米復相材料納米復相材料（每個納米微粒本身由兩（每個納米微粒本身由兩相構(gòu)成

18、）。相構(gòu)成）。n三、納米新材料三、納米新材料 n1 1、C C6060、納米管、納米絲：、納米管、納米絲：n n C C6060原子團簇的結(jié)構(gòu)原子團簇的結(jié)構(gòu)n2 2、人工納米陣列體系：、人工納米陣列體系：是指將金屬熔入是指將金屬熔入 Al2O3 Al2O3 納米管狀陣列空洞模板，納米管狀陣列空洞模板，或?qū)щ姼叻肿訂误w聚合于聚合物納米管狀空洞模板的空洞內(nèi)，形成具或?qū)щ姼叻肿訂误w聚合于聚合物納米管狀空洞模板的空洞內(nèi)，形成具有陣列體系的納米管和納米絲?？捎糜谖㈦娮釉?、納米級電極及大規(guī)有陣列體系的納米管和納米絲?？捎糜谖㈦娮釉?、納米級電極及大規(guī)模集成電路的線接頭等。模集成電路的線接頭等。n3

19、3、納米顆粒膜：、納米顆粒膜：是由納米小顆粒嵌鑲在薄膜基體中構(gòu)成的復合體，可采是由納米小顆粒嵌鑲在薄膜基體中構(gòu)成的復合體，可采用共蒸發(fā)、共濺射的工藝制得。用共蒸發(fā)、共濺射的工藝制得。 n四、納米復合材料四、納米復合材料n1 1、納米復合涂層材料納米復合涂層材料 具有高強、高韌、高硬度，具有高強、高韌、高硬度，在材料表面防護和改性上有廣闊的應(yīng)用前景，在材料表面防護和改性上有廣闊的應(yīng)用前景， n2 2、金屬基納米復合材料金屬基納米復合材料 納米粒子可以是金屬和陶納米粒子可以是金屬和陶瓷，其強度、硬度和塑韌性大大提高，而不損害其他瓷，其強度、硬度和塑韌性大大提高，而不損害其他性能。性能。 n3 3、

20、陶瓷基納米復合材料陶瓷基納米復合材料 有可能突破陶瓷增韌問題。有可能突破陶瓷增韌問題。 n4 4、高分子基納米復合材料高分子基納米復合材料 n5 5、功能納米復合材料功能納米復合材料 n六、納米材料的應(yīng)用六、納米材料的應(yīng)用n1 1、陶瓷增韌、陶瓷增韌 近年來，陶瓷增韌研究集中于通過納近年來，陶瓷增韌研究集中于通過納米添加來改善常規(guī)陶瓷的綜合性能。米添加來改善常規(guī)陶瓷的綜合性能。n2 2、磁性液體、磁性液體 將化學吸附一層長鏈高分子的納米鐵將化學吸附一層長鏈高分子的納米鐵氧體（如氧體（如Fe3O4Fe3O4）高度彌散于基液（如水、煤油、烴）高度彌散于基液（如水、煤油、烴等）中而形成的穩(wěn)定膠體體系，在磁場作用下，磁性等）中而形成的穩(wěn)定膠體體