功能材料介紹課件

1、走近科技第二講 功能材料 Functional Materials郝長(zhǎng)中2010 年 5 月目 錄概述電功能材料導(dǎo)電材料的分類半導(dǎo)體材料超導(dǎo)材料電接點(diǎn)（觸頭）材料磁功能材料概念軟磁材料硬磁材料磁致伸縮材料 光功能材料概念軟磁材料硬磁材料磁致伸縮材料點(diǎn)（觸頭）材料熱功能材料膨脹材料形狀記憶材料測(cè)溫材料聲功能材料聲吸收基本原理常用吸聲材料一、概述 1、21世紀(jì)的時(shí)代特征 1) 人口、資源(能源)、環(huán)境（生態(tài)）三大 壓力； 2) 信息與經(jīng)濟(jì)的全球一體化； 3) 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代意味著科學(xué)技術(shù)與教育將 受到更高的重視； 4) 國(guó)防與戰(zhàn)爭(zhēng)仍是促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng) 力； 2、功能材料的定義 材料科學(xué)是研究材料

2、的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能，以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是多學(xué)科交叉、與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué)。 材料是人類用來(lái)制造機(jī)器、構(gòu)件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。但并不是所有物質(zhì)都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥品等，一般都不算作材料。 材料可按多種方法進(jìn)行分類。按化學(xué)狀態(tài)分為金屬材料、無(wú)機(jī)物非金屬材料、陶瓷材料、有機(jī)材料和高分子材料；按物理性質(zhì)分為高強(qiáng)度材料、耐高溫材料、超硬材料、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、絕緣材料、磁性材料和透光材料；按物理效應(yīng)分為壓電材料、熱電材料、鐵電材料、光電材料、電光材料、聲光材料、磁光材料和激光材料；按用途分為建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、

3、研磨材料、耐火材料、耐酸材料、電工材料、電子材料、光學(xué)材料、感光材料、能源材料、生物材料和包裝材料； 功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對(duì)外界變化產(chǎn)生的不同反應(yīng)而制成的一類材料。功能材料以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)及生物學(xué)等性能作為主要性能指標(biāo)，是用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。 1965年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.A. Morton博士首先提出功能材料概念。 3、功能材料的分類 功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性能進(jìn)行分類。按化學(xué)組成金屬功能材料陶瓷功能材料 高分子功能材料 復(fù)合功能材料按應(yīng)用領(lǐng)域電工電子功能材料能源功能材

4、料信息功能材料光學(xué)功能材料儀器儀表功能材料航空航天功能材料生物醫(yī)學(xué)功能材料傳感器用敏感功能材料按使用性能電功能材料磁功能材料光功能材料熱功能材料聲功能材料化學(xué)功能材料生物功能材料隱形功能材料4、功能材料的現(xiàn)狀 近年來(lái)，功能材料迅速發(fā)展，已有10萬(wàn)多品種，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)的以物理功能材料最多，主要有： 1）單功能材料，如：導(dǎo)電材料、介電材料、 鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、 熱控材料、光學(xué)材料、激光材料、紅外材料等。 2）功能轉(zhuǎn)換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電 材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏 材料、磁致伸縮材料、電色材料等。3）多功能材料，如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激

5、光和防核）、電磁材料等。 4）復(fù)合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、 隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、 分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。 5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。 目前，化學(xué)和生物功能材料的種類雖少，但發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。（一）導(dǎo)電材料的分類 按照導(dǎo)電機(jī)理分為兩大類：電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料。 離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理源于離子的運(yùn)動(dòng)，由于離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子的運(yùn)動(dòng)速度，因此其電導(dǎo)率較小，目前最高不超過(guò)102 S/m ，一般在100 S/m以下。10-710-610-510-410-310-210-1100101

6、102103104105106電導(dǎo)率 S/m絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體超導(dǎo)體：1、電子導(dǎo)電材料電子導(dǎo)電材料又分為導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。2、導(dǎo)體材料的種類 導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下三種：1）金屬材料。電導(dǎo)率在107108 S/m之間； 銀（6.63 107 S/m ）、銅（5.85 107 S/m ）和鋁 （3.45 107 S/m ）2）合金材料。電導(dǎo)率在105107 S/m之間； 黃銅（1.60 107 S/m ）、鎳鉻合金（9.30 105S/m ）3）無(wú)機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105108 S/m之間。 石墨在基晶方向?yàn)?.5106 S/m。3、導(dǎo)體材料的應(yīng)用 金屬導(dǎo)體材料主要用作：電纜材料、

7、電機(jī)材料、導(dǎo)電引線材料、導(dǎo)體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開(kāi)關(guān)材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點(diǎn)材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬?gòu)?fù)合材料。 合金導(dǎo)體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，如鉑銠-鉑熱電偶等。 非金屬導(dǎo)體材料主要用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料。（二）半導(dǎo)體材料1、基本概念 導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間；（10-7104）具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。（導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)）2、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時(shí)（如，1019個(gè)原子大約可形成1mm3的晶體），由于相鄰原子電子云相互交疊，對(duì)應(yīng)于孤立原子中的每一能級(jí)都將分裂成有一定能量寬度的能帶。帶隙 Band G

8、ap 能帶之間的區(qū)域禁帶 Forbidden Band 帶隙不存在電子的能級(jí)價(jià)帶 Valence Band 對(duì)應(yīng)價(jià)電子能級(jí)的能帶空帶Empty Gap：價(jià)帶上面的能帶導(dǎo)帶Conduction Band：最靠近價(jià)帶的空帶 滿帶Filled Band：價(jià)帶被電子填滿導(dǎo)體的能帶中都有末被填滿的價(jià)帶，在外電場(chǎng)的作用下，電子可由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而形成電流。絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶與導(dǎo)帶之間被一個(gè)較寬的禁帶所隔開(kāi)，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發(fā)越過(guò)禁帶，因此其電導(dǎo)率很低。3、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下

9、空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來(lái)源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。4、典型半導(dǎo)體材料按組成分類元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體廣泛研究的元素是Si、Ge和金剛石。金剛石可看作是碳元素半導(dǎo)體，它的性質(zhì)是1952年由Guster發(fā)現(xiàn)的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導(dǎo)體元素一般不單獨(dú)使用。 因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體單位體積內(nèi)載流子數(shù)目比較少，需要在高溫下工作電導(dǎo)率才大，故應(yīng)用不多。A. 本征半導(dǎo)體B. 雜質(zhì)半導(dǎo)體利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊(cè)刂?，把電子從雜質(zhì)能級(jí)（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而

10、在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也存在本征激發(fā)，一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低，如十億分之一就可達(dá)到目的。雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體摻雜原子的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，又稱施主型半導(dǎo)體摻雜原子的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子，又稱受主型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（電子型，施主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成摻雜元素的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，其導(dǎo)電機(jī)理是電子導(dǎo)電占主導(dǎo)，這類半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體（空穴型，受主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以A族元素（如B）時(shí)，摻雜元素的價(jià)電

11、子少于純?cè)氐膬r(jià)電子，它們的原子間生成共價(jià)鍵以后，還缺一個(gè)電子，而在價(jià)帶其中產(chǎn)生空穴。以空穴導(dǎo)電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導(dǎo)體是p型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體逾量電子處于施主能級(jí)，施主能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差Ed遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg（相差近三個(gè)數(shù)量級(jí)）。因此，雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到導(dǎo)帶。例如Si摻雜十億分之一As時(shí)，其Eg為1.610-19 J，Ed為6.410-21 J。Ge摻雜十億分之一Sb時(shí)，其Eg為1.1510-19 J，Ed為1.610-21 J。P型半導(dǎo)體逾量空穴處于受主能級(jí)。由于受主能級(jí)與價(jià)帶頂端的能隙Ea遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg，價(jià)帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級(jí)上

12、，在價(jià)帶形成空穴導(dǎo)電。2）化合物半導(dǎo)體二元化合物：GaAs（砷化鎵）、CdS鎘、SiC、 GeS鍺、AsSe3硒等。三元化合物：AgGeTe2、AgAsSe2、 CuCdSnTe4等（碲）GaAs制備發(fā)光二極管隧道二極管主要化合物半導(dǎo)體及其用途領(lǐng)域材 料器 件用 途微電子GaAs、InP 超高速 IC電腦GaAs FET攜帶電話光電子GaAs InP Sb InAs LD光通訊GaAs 紅外 LED遙控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外顯示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe熱成像儀InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe紅外探測(cè)器Ga

13、As、InP、GaSb太陽(yáng)能電池3） 固溶體半導(dǎo)體由兩種或多種元素或化合物互溶而成的。二元系固溶體半導(dǎo)體：Bi-Sb三元系固溶體半導(dǎo)體：（碲鎘汞）Hg1-xCdxTe （鎵砷磷）GeAs1-xPx最重要的紅外探測(cè)器材料用于高速響應(yīng)器件、光通信等5、半導(dǎo)體材料的應(yīng)用1）半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用：初期用鍺單晶制造二極管和三極管，現(xiàn)在以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導(dǎo)地位。化合物半導(dǎo)體砷化鎵用于微波、超高頻晶體管等；2）半導(dǎo)體在光電子器件、微波器件和電聲耦合器上的應(yīng)用：發(fā)光管、激光器、光電池、光集成等；3）半導(dǎo)體材料用于制造半導(dǎo)體傳感器。4）顯示材料 液晶顯示(LCD)材料(1968年發(fā)

14、明)為21世紀(jì)上半葉主要顯示材料發(fā)光二級(jí)管（LED）如下表。 表 LED 發(fā)光材料及可見(jiàn)光區(qū) 發(fā) 光 尺襯 底發(fā)光顏色波長(zhǎng)（nm) Ga0.65Al0.35As GaAs紅 660 GaAs0.35P0.65(N) GaP紅 650 GaAs0.1P0.9(N) GaP橙 610 GaAs0.1P0.9(N) GaP黃 583 GaP Gap綠 555 GaN-Al2O3藍(lán) 490 SiC SiC藍(lán)480(全包顯示屏) 6、以硅為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)仍占十分重要位置 芯片特征尺寸以每三年縮小一倍計(jì), 到2010年可能到極限(0.07m)（量子效應(yīng)、磁場(chǎng)及熱效應(yīng)、制作困難、投資大）。 但不同檔次的硅

15、芯片在21世紀(jì)仍大量存在，并將有所發(fā)展。* 在絕緣襯底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏電、集成度高、高速度、工藝簡(jiǎn)單等。SOI器件用于便攜式通信系統(tǒng)，既耐高溫又抗輻照。* 集成系統(tǒng)（IS，Integrated System)：在單個(gè)芯片上完成整系統(tǒng)的功能，集處理器、存儲(chǔ)器直到器件設(shè)計(jì)于一個(gè)芯片 (System on a Chip)。* 集成電路的總發(fā)展趨勢(shì)：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高靈敏度、低噪聲、高可靠、長(zhǎng)壽命、多功能。為了達(dá)到上述目標(biāo)，有賴于外延技術(shù)（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的發(fā)展，同時(shí)對(duì)硅單晶的要求也愈來(lái)愈高。表1為集成電路的發(fā)展對(duì)

16、材料質(zhì)量的要求。表 集成電路發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求首批產(chǎn)品出現(xiàn)年代1999200220052008工藝水平（ m)0.180.130.100.07 DRAM256 M1 G4 G16 G硅片直徑 (mm)200300300450表面關(guān)鍵雜質(zhì) (At / cm 2) (10 9) 13 7.5 5 2.5局部平坦度（nm) 180 130 100 100光散射缺陷(個(gè)/ cm2) 0.29 0.14 0.06 0.037、第二代半導(dǎo)體材料是-族化合物 GaAs 電子遷移率是Si的6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。 GaAs用于集成電路其處理容量大1

17、00倍，能力強(qiáng)10倍，抗輻射能力強(qiáng)2個(gè)量級(jí)，是攜帶電話的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更優(yōu)越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。8、第三代半導(dǎo)體材料是禁帶更寬的SiC、GaN 及金剛石。9、下一代集成電路的探索 光集成 原子操縱（三）超導(dǎo)材料 1、超導(dǎo)材料定義 超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。 超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。 1911年Onnes H K在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材料。 低溫（液氦溫度）超導(dǎo)已產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格問(wèn)題 高溫（液氮溫度

18、）超導(dǎo)已發(fā)現(xiàn)30多種 YBaCuO，Je10 5 A/cm2 薄膜,塊體(Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 帶絲線材生產(chǎn)穩(wěn)定，質(zhì)量均一性未能解決。 探索高溫超導(dǎo)，及高溫超導(dǎo)機(jī)理問(wèn)題 趨導(dǎo)失超后的安全問(wèn)題2、超導(dǎo)體的基本特性 1）完全導(dǎo)電性（零電阻） File和Mills利用精確核磁共振方法測(cè)量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，來(lái)研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時(shí)間不短于10萬(wàn)年。 2）完全抗磁性 處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，不管其經(jīng)歷如何，磁感應(yīng)強(qiáng)度B始終為零。這一現(xiàn)象為邁斯納（Meissner）1933年發(fā)現(xiàn)，稱為邁斯納效應(yīng)。磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部3）臨界溫度

19、（Tc）、臨界磁場(chǎng)（Hc）、臨界電流JC是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。 當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個(gè)條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時(shí)，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）。 4）約瑟夫森（B D Josephson）效應(yīng)（承擔(dān)超導(dǎo)電的 超導(dǎo)電子還可以穿越極薄絕緣體勢(shì)壘） 經(jīng)典力學(xué)中，若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢(shì)壘隔開(kāi)，則只有粒子具有足夠的能量時(shí)，其才會(huì)從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域。 量子力學(xué)中，粒子具有足夠的能力不再是一個(gè)必要條件，一個(gè)能量不太高的粒子也可能會(huì)以一定的概率“穿過(guò)”勢(shì)壘，即

20、所謂的“隧道效應(yīng)”。（約瑟夫森語(yǔ)言并被后人證實(shí)）3、超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分） 按照邁斯納（Meissner）效應(yīng)分類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體1）第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）當(dāng)H HC 時(shí)，BH第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)，即HC 只有一個(gè)特征值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體2）第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體） 當(dāng)H HC1 時(shí)，B0，處于邁斯納狀態(tài)，完全抗磁。 當(dāng)Hc1H HC2 時(shí)，BH。釩、鈮以及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體均屬于第二類。4、超導(dǎo)體的種類（按組成分類）元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體陶瓷超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體在低溫常壓下，具有超導(dǎo)特性的化學(xué)元素共有26種，由于臨界

21、溫度太低，無(wú)太大實(shí)用價(jià)值Nb的Tc最高，僅為9.26K1）元素超導(dǎo)體 2）合金超導(dǎo)體 合金超導(dǎo)體是機(jī)械強(qiáng)度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場(chǎng)強(qiáng)度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實(shí)際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。 3）金屬間化合物超導(dǎo)體 金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場(chǎng)一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。 1986年發(fā)現(xiàn)了陶瓷超導(dǎo)體，使超導(dǎo)材料獲得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺點(diǎn)為脆性大，加工困難。高溫超導(dǎo)材料

22、：Tc77K（液N溫度）4）陶瓷金超導(dǎo)體5） 高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對(duì)苯醌二甲烷目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到10K。5、超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。 1）超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用 主要基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場(chǎng)。 主要應(yīng)用在電力方面如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體（如超導(dǎo)磁懸浮列車）、巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。2）超導(dǎo)弱電弱磁的應(yīng)用 基于Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測(cè)量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)，發(fā)展了低溫

23、電子學(xué)。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測(cè)量裝置，主要功能是測(cè)量磁場(chǎng)。它可以在電工儀表、醫(yī)學(xué)、生物、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、固體材料、地球物理等領(lǐng)域應(yīng)用。電力輸送與儲(chǔ)存目前有大約30%的電能損耗在輸電線路上，采用超導(dǎo)體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。使用巨大的超導(dǎo)線圈，經(jīng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生磁場(chǎng)而儲(chǔ)存能量。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無(wú)損耗的儲(chǔ)存下去，其轉(zhuǎn)換率可高達(dá)95%。3）超導(dǎo)材料的應(yīng)用實(shí)例磁懸浮列車時(shí)速 400 500km.超導(dǎo)計(jì)算機(jī)速度是計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)追求的主題（四）電接點(diǎn)（觸頭）材料 電接點(diǎn)是建立和解除電接觸的導(dǎo)電構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電器裝置，儀器儀表、電信和電子設(shè)備。 按電

24、負(fù)荷的大小，電接點(diǎn)分為：強(qiáng)電、中電和弱電。1、強(qiáng)電接點(diǎn)材料電負(fù)荷大，要求電接點(diǎn)材料：接觸電阻低、耐電蝕、耐磨損、高的耐電壓強(qiáng)度、良好的來(lái)電弧能力，一定的機(jī)械強(qiáng)度。一般采用合金材料?？諝忾_(kāi)關(guān)接點(diǎn)材料 銀系合金 ： Ag-CdO、 Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。 銅系合金 如：Cu-W、 Cu-石墨真空開(kāi)關(guān)接點(diǎn)材料 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等2、弱電接點(diǎn)材料弱電接點(diǎn)電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷都很小，要求接點(diǎn)材料有極好的導(dǎo)電性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的抗電火花燒損性和耐磨性。大多用貴金屬合金材料。常用的弱電接點(diǎn)材料有：Au系 （金）、Ag系 （銀） P

25、t系（鉑）、Pd系（鈀）3、復(fù)合接點(diǎn)材料通過(guò)合理工藝將貴金屬接點(diǎn)材料與非貴金屬基體材料結(jié)合在一起，國(guó)外90%以上的弱電接點(diǎn)采用復(fù)合接點(diǎn)材料。三、磁功能材料（一）基本概念 磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。一切物質(zhì)都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在實(shí)際工程意義上具有較強(qiáng)磁性的材料。 磁性材料是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)功能材料，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁性材料的需求將空前廣闊。當(dāng)前我國(guó)磁性材料的發(fā)展居世界之首，已經(jīng)成為世界上永磁材料生產(chǎn)量最大的國(guó)家。 “磁”來(lái)源于電。一個(gè)環(huán)形電流在其運(yùn)動(dòng)中心產(chǎn)生的磁矩為P=is，i為電流強(qiáng)度，s為環(huán)形回路所

26、包圍的面積。 原子內(nèi)的電子做循軌運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)，這必然產(chǎn)生磁矩，產(chǎn)生的磁矩分別稱為軌道磁矩P1和自旋磁矩Ps。原子核雖然也產(chǎn)生磁矩，但它的值比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，一般情況下可忽略不計(jì)。故原子磁矩的產(chǎn)生是電子的循軌運(yùn)動(dòng)與電子自旋這二者組合的結(jié)果。磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）：指空間某處磁場(chǎng)的大小，單位：安/米；磁化強(qiáng)度（M）：物質(zhì)的磁性來(lái)源于內(nèi)部的磁矩，只有當(dāng)內(nèi)部磁矩同向有序排列時(shí)才對(duì)外顯示強(qiáng)磁性。單位體積內(nèi)磁矩矢量和稱為M，單位：安/米；磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）：物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)。在磁性材料內(nèi)部外加磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)的和，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。B=0(H+M) ，0是一個(gè)系數(shù)

27、，叫做真空磁導(dǎo)率。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）；磁導(dǎo)率（） ：=B/H，是磁化曲線上任意一點(diǎn)上B和H的比值。導(dǎo)磁率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說(shuō)是材料對(duì)外部磁場(chǎng)的靈敏程度；磁化率（ ）：磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值， = M /H。磁滯回線 在外加磁場(chǎng)的作用下磁體會(huì)被磁化，磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場(chǎng)H的變化是非線性的，當(dāng)H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。右圖為磁性物質(zhì)的磁滯曲線；BsBrHcBHO 要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將 B=0時(shí)的H值稱為矯頑磁力Hc；Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，Bs稱為最大磁感應(yīng)

28、強(qiáng)度（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）。根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，磁性材料分成三類：(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)硬磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB（二）軟磁材料 1、定義 指在外磁場(chǎng)作用下，很容易磁化，去掉外磁場(chǎng)時(shí)又很容易去磁的磁性材料。2、軟磁材料的特性高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度；矯頑力和磁滯損耗低；（矯頑力一般小于1kA/m）電阻率較高，反復(fù)磁化和退磁時(shí)產(chǎn)生的渦流損耗小。3、典型軟磁材料及其應(yīng)用 常用的軟磁材料有：電工純鐵、硅鋼片、鐵鋁合金、鎳鐵合金、鐵氧體軟磁材料等。1）電工用純鐵電工用

29、純鐵是一種含碳量低，wFe99.95的軟鋼。它在平爐中進(jìn)行冶煉時(shí)，用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，出鋼時(shí)在鋼包中加入脫氧劑而得。電工用純鐵具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的磁導(dǎo)率、較小的矯頑力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺點(diǎn)是電阻小，鐵損大，只適用于直流情況。主要用于制造電磁鐵的鐵心和磁極，繼電器的磁路和各種零件，電話中的振動(dòng)膜等。2）硅鋼片（硅鐵合金）在電工用純鐵中加入0.54.5的硅，使之形成固溶體，可以提高材料電阻率，減少渦流損耗，這種材料稱為硅鐵合金，或者稱電工用硅鋼片。硅鐵合金屬于高飽和材料，主要用于各種形式的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器中。wSi3的Si-Fe合金片由于

30、其飽和磁通密度高，是電力變壓器和配電變壓器中大量采用的材料。硅鋼片是最重量要的軟磁材料（全世界650萬(wàn)噸） 純鐵中加入硅后，材料的物理性能發(fā)生如下變化： 1）鐵的熱導(dǎo)率在加入硅后劇烈的降低。 2）隨著硅含量的增加到5，硅鐵合金的電阻率急劇上升。當(dāng)wSi=0.255，電阻率與含硅量的關(guān)系如下： 13.25+11.30wSi 3）隨著含硅量的增加，比重幾乎是直線的降低。d7.8740-0.062wSi3）鎳鐵合金鎳鐵合金主要是含鎳量為34-80的Fi-Ni合金，通常稱坡莫合金。鎳鐵合金有很高的起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。鎳鐵合金廣泛應(yīng)用在電訊工業(yè)、儀表、電子計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中。4）軟磁鐵氧體鐵氧

31、體是氧離子和金屬離子組成的尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物，是以Fe2O3為主要成分的復(fù)相氧化物。根據(jù)磁滯回線特征，可分為軟磁、硬磁和矩磁鐵氧體。軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中的一種，是一種容易磁化和退磁的鐵氧體。其特點(diǎn)是起始的磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗小，使用頻率可達(dá)高頻、超高頻范圍。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體軟磁鐵氧體廣泛應(yīng)用于錄音、錄像記錄磁頭，變壓器磁心等。利用軟磁鐵氧體的磁導(dǎo)率或飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在居里溫度附件的激烈變化，還可以制成熱敏器件等。 （三）硬磁材料1、基本概念硬磁材料是具有很強(qiáng)的抗退磁能力和高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)磁性材料，又稱永磁材料。硬磁材料一旦經(jīng)外加磁場(chǎng)飽和強(qiáng)化后，如果撤去外加磁

32、場(chǎng)，在磁鐵兩個(gè)磁極之間的空隙便可產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，對(duì)外界提供有用的磁能。硬磁材料的磁滯回線又寬又高，有較大的矯頑力，典型只為104106A/m。硬磁材料抗干擾性好，對(duì)溫度、振動(dòng)、時(shí)間、輻射及其它因素的干擾不敏感。典型的硬磁材料主要包括鋁鎳鈷系永磁、鐵氧體永磁和稀土系永磁。2、鋁鎳鈷系永磁 鋁鎳鈷系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co組成，有良好的磁特性和熱穩(wěn)定性，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度高，磁能積大，矯頑力適中，但硬而脆，難以加工，主要用鑄造和粉末燒結(jié)兩種方法成形。3、硬磁鐵氧體 硬磁鐵氧體包括鋇鐵氧體BaFe12O19，鍶鐵氧體SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矯頑力大，電阻率大，密度小，重量輕、溫度系

33、數(shù)大，制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是硬磁材料中價(jià)格最低、用量最大的一類磁鐵。4、稀土硬磁材料稀土硬磁合金包括稀土鈷和稀土鐵系金屬間化合物，為硬磁材料中性能最高的一類。其中最著名的是釹鐵硼永磁合金，號(hào)稱磁王，具有其它永磁材料所不及的高矯頑力和最大磁能積，而且體積小、重量輕、效率高、成本較低等特點(diǎn)。不含戰(zhàn)略物質(zhì)Co和Ni，它能吸起相當(dāng)于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍。如一臺(tái)核磁共振成像儀需用鐵氧體永磁材料100t，而改用釹鐵硼永磁后，僅需10t。（四）磁致伸縮材料 1、磁致伸縮效應(yīng) 磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象為磁致伸縮效應(yīng)。 為磁致伸縮系數(shù)，常用磁致伸縮材料室溫下的飽

34、和磁致伸縮系數(shù)為10-810-6Fe 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而伸長(zhǎng)Ni 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而縮短2、磁致收縮的各種變形模式3、常用磁致伸縮材料常用磁致伸縮材料鎳鐵鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體4、磁致伸縮材料的應(yīng)用在磁（電）-聲換能器中的應(yīng)用聲納、超聲換能器、揚(yáng)聲器等在磁(電) - 機(jī)械致動(dòng)器中的應(yīng)用精密流體控制、超精密加工、超精密定位、機(jī)器人、精密閥門、微馬達(dá)以及振動(dòng)控制等工程領(lǐng)域。傳感器敏感元件超磁致伸縮材料除用于驅(qū)動(dòng)之外，利用其磁致伸縮效應(yīng)或逆效應(yīng)還可以制作檢測(cè)磁場(chǎng)、電流、應(yīng)變、位移、扭矩、壓力和加速度等的傳感器敏感元件。磁致伸縮液位傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的高精度計(jì)量,其測(cè)量分辨率高于0.11 mm。四、光功

35、能材料optical function materials在外場(chǎng)（電、光、磁、熱、聲、力等）作用下，利用材料本身光學(xué)性質(zhì)（如折射率或感應(yīng)電極化）發(fā)生變化的原理，去實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光信號(hào)的探測(cè)、調(diào)制以及能量或頻率轉(zhuǎn)換作用的光學(xué)材料的統(tǒng)稱。 按照具體作用機(jī)理或應(yīng)用目的之不同，尚可把光功能材料進(jìn)一步區(qū)分為電光材料、磁光材料、彈光材料、聲光材料、熱光材料、非線性光學(xué)材料以及激光材料等多種。1、電光材料 電光材料通常是指折射率在外界電場(chǎng)（直流或交變場(chǎng)）作用下發(fā)生感應(yīng)雙折射式變化的材料；其作用原理一種是基于線性電光效應(yīng)（泡克耳斯效應(yīng)），另一種是基于二次電光效應(yīng)（光學(xué)克爾效應(yīng)）。 這兩類電光材料通常用來(lái)制成光開(kāi)關(guān)

36、元件或光調(diào)制元件，由外加電場(chǎng)加以控制。 線性電光效應(yīng)的特點(diǎn)是感應(yīng)折射率變化正比于外界電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方，因而要求產(chǎn)生該效應(yīng)的材料必須是不具對(duì)稱中心的各向異性晶體。 二次電光效應(yīng)的特點(diǎn)是感應(yīng)折射率變化正比于外加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方，產(chǎn)生該效應(yīng)的材料可以是具有任意對(duì)稱性質(zhì)的晶體或各向同性介質(zhì)。 常用的線性電光效應(yīng)的材料是諸如磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨（ADP）、鈮酸鋰(LiNbO)碘酸鋰(LiIO)等不具有中心對(duì)稱性的晶體。 常用的二次電光效應(yīng)的材料是一些具有較大克爾常數(shù)的有機(jī)液體如硝基苯苯kg2CS等。2、磁光材料 磁光材料指折射率在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生感應(yīng)變化的一類光學(xué)材料；其作用原理是基于各種

37、磁光效應(yīng)，如法拉第磁致旋轉(zhuǎn)、磁致二向色性以及磁致雙折射效應(yīng)等。 磁光材料分為抗磁和順磁材料兩類。常用的抗磁材料為特高鉛玻璃、硫化砷玻璃等；順磁材料為含氧化鋱(TbO)玻璃以及氧化銪(EuO)、硒化銪(EuSe)晶體，此外還有鐵磁晶體如氟化鐵(FeF)釔鐵石榴石(YFeO)等。3、聲光材料 聲光材料是指其析射率特性在聲波場(chǎng)作用下發(fā)生感應(yīng)變化的一類透明光學(xué)介質(zhì)。 在聲波場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部的密度發(fā)生周期性起伏變化，從而引起折射率的周期性起伏變化，這使介質(zhì)本身相當(dāng)于一種相位光柵，從而可對(duì)定向入射光束產(chǎn)生衍射作用。 對(duì)聲光材料的要求是應(yīng)具有較高的聲光作用的品質(zhì)因數(shù)，以及較小的聲損耗與光損耗。 常用的聲光

38、材料有熔石英、高鉛玻璃以及鉬酸鉛(PbMoO)二氧化碲(TeO)和磷化鎵(GaP)晶體等。 聲光材料通常制成聲光開(kāi)關(guān)，用來(lái)對(duì)光進(jìn)行調(diào)制；或者制成聲光偏轉(zhuǎn)器，用來(lái)對(duì)光速指向進(jìn)行控制（見(jiàn)聲光作用）。4、彈光材料 彈光材料通常是指其折射率在外加力場(chǎng)作用下發(fā)生感應(yīng)雙折射式變化的一類光學(xué)材料。 彈光材料作用原理是基于彈性-光學(xué)效應(yīng)，亦即在外界力場(chǎng)作用下,材料本身產(chǎn)生彈性力學(xué)應(yīng)變，從而導(dǎo)致折射率的感應(yīng)變化。 常用的彈光材料是一些具有較大彈光系數(shù)的透明光學(xué)介質(zhì)，如玻璃、晶體、塑料等，它們多用在光測(cè)彈性力學(xué)研究中。 5、熱光材料thermophoto-polymer material 熱光材料指具有熱光效應(yīng)的

39、高分子材料。 熱光效應(yīng)是指當(dāng)溫度變化時(shí)，材料對(duì)光的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 由于材料的各向異性，熱光效應(yīng)表現(xiàn)為多種多樣的，可能是光率體的半軸長(zhǎng)度發(fā)生變化、或者光軸角的變化、光軸面的轉(zhuǎn)換、光率體的旋轉(zhuǎn)等。 熱光效應(yīng)可用于紅外輻射的檢測(cè)及生物中關(guān)于分子層狀結(jié)構(gòu)的研究。6、激光材料（詳見(jiàn)激光器） 激光材料通常是指在一定泵浦方式作用下，專門用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生激光發(fā)射或放大作用的光學(xué)介質(zhì)。 激光：高亮度、單色、高方向性 紅寶石（Cr+:Al2O3 ） 摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG) 7、光導(dǎo)纖維 光纖是一種非常細(xì)的可彎曲的導(dǎo)光材料。單根光纖的直徑約為幾到幾百微米，它由內(nèi)層材料（芯料）和包層材料（涂層

40、）組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。為了保護(hù)其不受損壞、最外面再加一層塑料套管。 一條光纖帶寬所容納信息量相當(dāng)于全世界無(wú)線電帶寬的1000倍. (25 T bps vs 25 G bps )總外徑125200m纖芯高透明固體材料包層折射率較纖芯低固體材料覆層高強(qiáng)材料全反射現(xiàn)象一切光纖的工作基礎(chǔ)都是光的全反射現(xiàn)象。如果一束光投射到折射率分別為n1和n2的兩種媒質(zhì)的界面上時(shí)（設(shè)n1n2 ），入射光將分為反射光和折射光。入射角1與折射角 2之間服從n1/n2=sin 1/sin 2 的折射定律。當(dāng)1增大時(shí)，2也相應(yīng)增加，當(dāng)2 =/2， 1=arcsin(n2/n1) 時(shí)，入射光全部返回原來(lái)的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做光的全

41、反射。光在光纖中的傳播原理 光纖芯料的折射率高于包層材料的折射率，當(dāng)入射光線由內(nèi)層射到兩層的界面時(shí)，只要入射角小于臨界角，就可全反射折回內(nèi)層，完全避免了傳輸過(guò)程中的折射損耗。 光纖材料: 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F多組分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3Na2O紅外玻璃： 重金屬氧化物、鹵化物摻稀土元素玻璃： Er、Nd、 多模只適于小容量近距離（40Km,100M bps)單?？蓚鬏斦{(diào)制后的信號(hào)40Gbps 到200Km，而不需放大。發(fā)展階段波長(zhǎng) (m) 模 數(shù) 衰 耗 (dB/km) 中繼距離 (Km)第一階段 0.85 多 模

42、1.5 10第二階段 1.30 單 模 0.8 60第三階段 1.55 單 模 0.16 500第四階段 2 - 5 310-4 2500光纖發(fā)展階段及所需材料 8、夜光粉 夜光粉通常分為光致儲(chǔ)能夜光粉和帶有放射性的夜光粉兩類。 光致儲(chǔ)能夜光粉是熒光粉在受到自然光、日光燈光、紫外光等照射后，把光能儲(chǔ)存起來(lái)，在停止光照射后，緩慢地以熒光的方式釋放出來(lái)。在夜間或者黑暗處能看到發(fā)光，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)至十幾小時(shí)。 帶有放射性的夜光粉是在熒光粉中摻入放射性物質(zhì)，利用放射性物質(zhì)不斷發(fā)出的射線激發(fā)熒光粉發(fā)光。這類夜光粉發(fā)光時(shí)間很長(zhǎng)，但有毒有害和環(huán)境污染等，應(yīng)用范圍小。 利用夜光粉長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光的特性，制成弱照

43、明光源。把這種材料涂在航空儀表、鐘表、窗戶、機(jī)器上各種開(kāi)關(guān)標(biāo)志、門的把手等處，也可用各種透光塑料一起壓制成各種符號(hào)、部件、用品(如電源開(kāi)關(guān)、插座、釣魚(yú)鉤等)。這些發(fā)光部件經(jīng)光照射后，夜間或意外停電時(shí)仍在持續(xù)發(fā)光，為工作和生活帶來(lái)方便。 把夜光材料超細(xì)粒子摻入紡織品中，使顏色更鮮艷，小孩子穿上有夜光的紡織品，可減少交通事故。 隨著溫度的變化，有些材料的某些物理性能會(huì)發(fā)生顯著變化，如熱脹冷縮、出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)或熱電效應(yīng)等，這類材料稱為熱功能材料。 熱功能材料分為：膨脹材料形狀記憶材料測(cè)溫材料內(nèi)容 1-1五、熱功能材料1、膨脹材料 熱膨脹是指材料的長(zhǎng)度或體積在不加外力時(shí)隨溫度的升高而變大的現(xiàn)象。材料

44、熱膨脹的本質(zhì)是原子間的平均距離隨溫度的升高而增大，即是由原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)引起的。 材料熱膨脹系數(shù)的大小與其原子間的接合鍵強(qiáng)弱有關(guān)，結(jié)合鍵越強(qiáng)，則給定溫度下的熱膨脹系數(shù)越小，材料中陶瓷的結(jié)合鍵（離子鍵和共價(jià)鍵）最強(qiáng)，金屬的（金屬鍵）次之，高聚物的（范德華力）最弱，因此熱膨脹系數(shù)依次增大。 常用的膨脹材料包括低膨脹材料、定膨脹材料和熱雙金屬材料。 低膨脹材料是熱膨脹系數(shù)較小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。 主要應(yīng)用于精密儀器、標(biāo)準(zhǔn)量具等以保證儀器精度的穩(wěn)定及設(shè)備的可靠性。 定膨脹材料是指在某一溫度范圍內(nèi)具有一定膨脹系數(shù)的材料，也稱可伐（Kovar）合金； 主要用于與玻璃、陶瓷等材料相封接，要求

45、與被封接材料的膨脹系數(shù)相匹配。 熱雙金屬材料是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片沿層間焊合在一起的疊層復(fù)合材料。 較高膨脹系數(shù)金屬層為主動(dòng)層，較低的為被動(dòng)層。如5J11熱雙金屬是由Mn75Ni15Cu10（主動(dòng)層）與Ni36（被動(dòng)層）組成。受熱時(shí)，雙金屬片向被動(dòng)層彎曲，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。 可用作各種測(cè)量和控制儀表的傳感元件。高 主動(dòng)層 Mn75Ni15Cu10低 被動(dòng)層 Ni36未受熱受熱后可作為各種測(cè)量和控制儀表的傳感元件2、形狀記憶材料 形狀記憶材料：將具有某種初始形狀的制品進(jìn)行變形后，通過(guò)加熱等手段處理時(shí)，制品又恢復(fù)到初始形狀。 形狀記憶材料通常包括：形狀記憶合金形狀記憶聚合物形狀記憶陶瓷。1

46、）形狀記憶合金合金的形狀記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是在溫度和應(yīng)力的作用下，合金內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過(guò)程的宏觀表現(xiàn)。這種熱彈性馬氏體不像Fe-C合金中的馬氏體那樣，在加熱轉(zhuǎn)變成它的母相（奧氏體）之前即發(fā)生分解，而是加熱時(shí)直接轉(zhuǎn)成它的母體。熱彈性馬氏體冷卻時(shí)馬氏體長(zhǎng)大，加熱時(shí)馬氏體收縮，熱彈性馬氏體的相變是可逆的，且相變的過(guò)冷度很小。熱彈性馬氏體形狀記憶效應(yīng)將一定形狀的記憶合金試樣冷卻到Mf點(diǎn)以下，對(duì)之進(jìn)行一定限度的變形，卸去載荷后，變形被保留下來(lái)；將變形了的試樣加熱到As以上，試樣開(kāi)始恢復(fù)，加熱到Af點(diǎn)，試樣恢復(fù)到變形前的形狀。常用形狀記憶合金形狀記憶合金鎳-鈦系銅系鐵系目前用量最大優(yōu)點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度小、與人體有生物相容性缺點(diǎn)：成本高、加工困難缺點(diǎn)：功能不如鎳-鈦系優(yōu)點(diǎn)：成本低、加工容易缺點(diǎn)：功能不如銅系優(yōu)點(diǎn)：具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)2）形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物不同于馬氏體相變，而是基于高分子材料中分子鏈的取向與分布的變化過(guò)程；這種聚合物具有兩相結(jié)構(gòu)，即固定相和可逆相；可逆相是能夠隨溫度變化在結(jié)晶與熔融態(tài)間，或者在玻璃態(tài)與高彈狀態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變的相，隨溫度的升高或降低，可逆相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使之發(fā)生軟化、硬化。固定相則在工作溫度范圍內(nèi)保持不變。聚合物的形狀記憶原理兩相結(jié)構(gòu)： 固定相+可逆相冷卻加熱冷卻加熱TTf(粘流態(tài)）進(jìn)行初次成型TTg(玻璃態(tài)）