金屬功能材料

金屬功能材料無機(jī)非金屬功能材料高分子功能材料復(fù)合功能材料特殊功能材料電性材料磁性材料超導(dǎo)材料膨脹材料及彈性材料……電介質(zhì)材料功能陶瓷功能玻璃材料半導(dǎo)體材料……光功能高分子材料電功能高分子材料化學(xué)功能高分子材料……磁性復(fù)合材料電性復(fù)合材料梯度復(fù)合材料隱身復(fù)合材料其他功能復(fù)合材料非晶態(tài)合金納米材料儲氫材料形狀記憶材料智能材料能源材料生物醫(yī)學(xué)材料……傳統(tǒng)功能金屬材料：電性，磁性，彈性等新發(fā)展起來的功能材料：

非晶合金，儲氫合金，形狀記憶合金……電性材料磁性材料超導(dǎo)材料膨脹材料及彈性材料金屬的熱電性塞貝克效應(yīng)三種熱電效應(yīng)：塞貝克（Seebeck）效應(yīng)；由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象

珀耳貼(Peltier)效應(yīng)

湯姆遜(Thomson)效應(yīng)——制作熱電偶珀耳貼效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)

兩種不同金屬或半導(dǎo)體接頭處，當(dāng)電流沿某個方向通過時(shí)放出熱量，而電流反向時(shí)則吸收熱量。

金屬中溫度不均勻時(shí)，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動能大。像氣體一樣，當(dāng)溫度不均勻時(shí)會產(chǎn)生熱擴(kuò)散，因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴(kuò)散，在低溫端堆積起來，從而在導(dǎo)體內(nèi)形成電場，在金屬棒兩端便引成一個電勢差。這種自由電子的擴(kuò)散作用一直進(jìn)行到電場力對電子的作用與電子的熱擴(kuò)散平衡為止——可以制作熱電轉(zhuǎn)換器或加熱（制冷）器，半導(dǎo)體制冷二.磁性材料

磁性材料指那些有實(shí)際工程意義具有較強(qiáng)磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前幾世紀(jì)人類就發(fā)現(xiàn)自然界中存在天然磁體，磁性(Magnetism)一詞就因盛產(chǎn)天然磁石的Magnesia地區(qū)而得名。早期的磁性材料主要是軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀(jì)六十年代起，非晶態(tài)軟磁材料、納米晶軟磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相繼出現(xiàn)。磁性材料廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及聲像記錄用大容量存儲裝置如磁盤、磁帶，電工產(chǎn)品如變壓器、電機(jī)，以及通訊、無線電、電器和各種電子裝置中，是電子和電工工業(yè)、機(jī)械行業(yè)和日常生活中不可缺少的材料之一。磁性材料的常用參數(shù)1剩磁Br:一般材料經(jīng)過加磁后再去掉外部的加磁設(shè)備后磁場會減弱，但不會全部消失，這些剩余的磁場就是剩磁，把磁鐵比喻成海綿，剩磁就好似海綿吸水吸飽和了，這個時(shí)候顯示的磁鐵磁力值2矯頑力Hc:是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。海綿里的水吸到最大，然后把水壓出來，壓到海綿里沒有水，這個使用的壓力就好比是矯頑力；3磁能積BH:海綿吸水飽和，里面水的總量。

物質(zhì)磁性的分類物質(zhì)磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同

鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同被磁化后，磁化場方向與外場方向相反抗磁性與外加磁場的關(guān)系與原來不具有磁性的磁介質(zhì)放在磁場中，由于受磁場的作用很快顯出磁性，從而產(chǎn)生附加磁場，改變空間原有磁場的分布：順磁性與鐵磁性：與同向抗磁性：與反向按用途分類鐵芯材料磁記錄材料磁頭材料磁屏蔽材料變壓器、繼電器錄音機(jī)通訊儀器、電器磁帶、磁盤磁性材料分類磁屏蔽材料主要是利用電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場一旦外界磁場去掉很易退磁外界磁場長時(shí)間不變介于二者之間用途：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。例如硅鋼片、純鐵、鐵氧體、鐵鎳合金等要求：高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的最大磁導(dǎo)率、高的居里溫度和低的損耗。磁導(dǎo)率：表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流后、產(chǎn)生磁通的阻力、或者是其在磁場中導(dǎo)通磁力線的能力軟磁材料用途：變壓器、電機(jī)與繼電器的鐵(磁)心。要求：低的矯頑力、高的磁導(dǎo)率和低的鐵損。主要材料：如工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、非晶態(tài)軟磁合金和鐵鈷合金；（一）工業(yè)純鐵資源豐富、價(jià)格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年熱軋純鐵就用于制造電機(jī)和變壓器鐵芯。是直流技術(shù)中非常重要的高磁飽和材料，主要用于制造電磁鐵的鐵心；繼電器和揚(yáng)聲器的磁導(dǎo)體；電話機(jī)的振動膜；電工儀器儀表及磁屏蔽元件等。鐵芯材料（二）電工硅鋼片（Fe-Si軟磁合金）

鐵中加Si的作用：可提高鐵的最大磁導(dǎo)率，增大電阻率，還可顯著改善磁性時(shí)效。但Si加入量過多時(shí)，會降低飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度、磁晶各向異性常數(shù)K1、磁致伸縮系數(shù)含Si量的增大會使材料變脆。

電工硅鋼片中Si的含量在0.5～4.8%Si。1903年開始投入實(shí)際生產(chǎn)，用量極大。主要用于制造大電流、頻率50～400Hz的中、強(qiáng)磁場條件下的電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等；中、弱磁場和較高頻率(達(dá)10KHz)條件下的音頻變壓器、高頻變壓器、電視機(jī)與雷達(dá)中的大功率變壓器、大功率磁變壓器、以及各種繼電器、電感線圈、脈沖變壓器和電磁式儀表等；純鐵中加入鈷后，剩磁Bs明顯提高，含鈷35%的鐵鈷合金的Bs達(dá)2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。在合金中加入少量的V和Cr可顯著提高其磁導(dǎo)率。實(shí)際應(yīng)用的鐵鈷合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.7V1.3合金的國內(nèi)牌號為1J22鐵鈷合金具有高的Bs，適用于小型化、輕型化以及有較高要求的飛行器及儀器儀表元件的制備，制造電磁鐵極頭和高級耳膜震動片等。但電阻率偏低，不適于高頻場合的應(yīng)用，但價(jià)格昂貴。（三）鐵鈷合金磁記錄材料（一）磁記錄介質(zhì)材料要求:材料具有高的剩余磁化強(qiáng)度、微細(xì)的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合適的矯頑力值。用途：磁帶，磁盤等記錄介質(zhì)材料：磁性顆粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上發(fā)展到磁性薄膜記錄介質(zhì)主要磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導(dǎo)磁合金、鐵硅鋁合金和高導(dǎo)磁鐵氧體材料。（二）磁頭材料用途：從磁記錄介質(zhì)中讀出信號用途：高磁導(dǎo)率、低矯頑力和高電阻率之外，還要求高的耐磨性。永磁材料主要用途：提供永磁場主要種類：鋁鎳鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、鐵鉻鈷系永磁合金、汝鐵硼材料、稀土永磁材料和復(fù)合粘結(jié)永磁材料。主要性能要求：高的磁能積，高的轎頑力，高的居里點(diǎn)，高穩(wěn)定性，好的經(jīng)濟(jì)性。三.超導(dǎo)材料形狀記憶合金儲氫合金天然氣為：88MJ/Kg

氫氣熱值：1.56*10^3MJ/Kg有色冶金概論§1有色金屬及其分類

1金屬：通常把元素周期表中具有光亮的金屬光澤，很高的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性及良好的延展加工性的化學(xué)元素稱為金屬。

109種元素中93種金屬元素分類：（1）鐵金屬和非鐵金屬：鐵金屬指鐵和鐵基合金，包括生鐵、鐵合金和鋼；

非鐵金屬：鐵和鐵合金以外的金屬元素；（2）黑色金屬和有色金屬：黑色金屬：鐵、鉻、錳；有色金屬：將鐵、鉻、錳以外的金屬。（90種）通常按密度大小、礦物原料富集程度、發(fā)現(xiàn)的早晚、用途和價(jià)格將有色金屬分為：輕金屬、重金屬、稀有金屬和貴金屬四大類。

2輕金屬：密度小于5.0,具有很大活性的有色金屬,如：鋁(2.7)、鎂(1.74)、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇，不能用一般的火法冶金方法，而是用熔鹽電解或真空冶金方法來提取。

3重金屬：密度大于5.0，而化學(xué)性質(zhì)不如輕金屬活潑的有色金屬，如銅(8.95)、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、汞、鎘、鉍等，一般用火法冶金或濕法冶金方法來提取。我國10種常用有色金屬(鋁AlCuZnPb（鉛）NiMgSnSbTiHg)因產(chǎn)量大，用途廣，價(jià)格低，稱為常用有色金屬或賤金屬。

貴金屬：金(Au)、銀(Ag)和鉑族金屬（PtPdRu等)。由于化學(xué)活性低，又稱惰性金屬。3稀有金屬：93種金屬元素中占60種。有的在地殼中豐度小，天然資源少；有的雖豐度大，賦存狀態(tài)分散，不能經(jīng)濟(jì)提??；有的物理化學(xué)性質(zhì)接近不容易分離成單一金屬；§2有色金屬冶金方法有色金屬冶金學(xué)：是一門研究如何經(jīng)濟(jì)地從礦石或精礦或其它原料中提取有色金屬或有色金屬化合物，并用各種加工方法制成具有一定性能的有色金屬材料的科學(xué)。

廣義：礦石采礦、選礦、冶煉和加工。

狹義：礦石或精礦的冶煉，提取冶金。

有色金屬冶金方法：

（1）火法冶金：它是指在高溫下礦石或精礦經(jīng)熔煉與精煉反應(yīng)及熔化作業(yè)，使其中的有色金屬與脈石和雜質(zhì)分開，獲得較純有色金屬的過程。整個過程包括原料準(zhǔn)備、熔煉和精煉三個工序。過程所需能源主要靠燃料燃燒供給，也有依靠過程中的化學(xué)反應(yīng)熱來提供。

（2）濕法冶金：它是在常溫（或低于100℃）常壓或高溫（100~300℃）高壓下，用溶劑處理礦石或精礦，使所要提取的有色金屬溶解于溶液中，而其它雜質(zhì)不溶解，然后再從溶液中將有色金屬提取和分離出來的過程。該方法主要包括浸出、分離、富集和提取的過程。

（3）電冶金：它是利用電能提取和精煉有色金屬的方法。

A、電熱冶金：利用電能轉(zhuǎn)變成熱能在高溫下提煉有色金屬，本質(zhì)同火法冶金。

B、電化學(xué)冶金：用電化學(xué)反應(yīng)使有色金屬從所含鹽類的水溶液或熔體中析出。后者稱為水溶液電解，可歸入濕法冶金前者稱為熔鹽電解，可歸入火法冶金。

§3有色金屬冶金工藝過程：火法冶金主要經(jīng)過焙燒、煅燒、燒結(jié)、精煉、浸出等工序（1）焙燒：是指將礦石或精礦置于適當(dāng)?shù)臍夥障?，加熱至低于它們的熔點(diǎn)溫度，發(fā)生氧化、還原或其它化學(xué)變化的過程。其目的是改變原料中提取對象的化學(xué)組成，滿足熔煉或浸出的要求。焙燒過程按控制的氣氛不同，分為：氧化焙燒、還原焙燒、硫酸化焙燒、氯化焙燒等。

（2）煅燒：是指將碳酸鹽或氫氧化物的礦物原料在空氣中加熱分解，除去二氧化碳或水分變成氧化物的過程，如石灰石煅燒為石灰；氫氧化鋁煅燒成氧化鋁，作電解鋁原料。

（3）燒結(jié)和球團(tuán)：

將粉礦或精礦經(jīng)加熱焙燒，固結(jié)成多孔狀或球狀的物料，以適應(yīng)下一工序熔煉的要求。

（4）熔煉：是指將處理好的礦石、精礦或其他原料，在高溫下通過氧化還原反應(yīng)，使礦物原料中有色金屬組分與脈石和雜質(zhì)分離為兩個液相層即金屬液和熔渣的過程，也叫冶煉。分為還原熔煉、造锍熔煉和氧化吹煉。

（5）火法精煉：在高溫下進(jìn)一步處理熔煉、吹煉所得的含有少量雜質(zhì)的粗金屬以提高其純度。種類：氧化精煉、硫化精煉、氯化精煉、熔析精煉、堿性精煉、區(qū)域精煉、真空冶金、蒸餾等。

（6）浸出：用適當(dāng)?shù)慕鰟ㄈ缢帷A、鹽等水溶液）選擇性地與礦石、精礦、焙砂等礦物原料中金屬組分發(fā)生化學(xué)作用，并使之溶解而與其它不溶組分初步分離的過程。浸出又稱浸?。ㄖ亟饘伲?、溶出（輕金屬）和濕法分解（稀有金屬）。（7）液固分離：該過程是將礦物原料經(jīng)過酸、堿等溶液處理后的殘?jiān)c浸出液組成的懸浮液分離成液相與固相的濕法冶金單元過程。主要有物理方法和機(jī)械方法：重力沉降、離心分離、過濾等。

（8）溶液凈化：

將礦物原料中與欲提取的有色金屬一道溶解進(jìn)入浸出液的雜質(zhì)金屬除去的濕法冶金單元過程。凈液的目的是使雜質(zhì)不至于危害下一工序?qū)χ鹘饘俚奶崛?。方法主要有：結(jié)晶、蒸餾、沉淀、置換、溶劑萃取、離子交換、電滲析和膜分離等。濕法冶金：濕法冶金包括：浸出、凈化、沉積三個主要過程。這三個過程是靠控制過程的條件，以控制物質(zhì)在水溶液中的穩(wěn)定性而實(shí)現(xiàn)的。而反應(yīng)的自由焓變化決定著水溶液中物質(zhì)的穩(wěn)定性。熔鹽電解：

利用電熱維持熔鹽所要求的高溫，又利用直流電轉(zhuǎn)換的化學(xué)能自熔鹽中還原金屬，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產(chǎn)。

§4有色金屬冶金工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)高科技發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)資源優(yōu)勢，世界第三：總量豐富、儲量可觀、品種齊全、資源配套程度高，世界首位儲量：WSnTa（鉭）以及LiBeMg稀土材料產(chǎn)量：世界第一：ZnSbWMg稀土

世界第二：Pb（鉛）Mo第三：HgBi第四：CuTiCd（鎘）（

第七：Ni第八：Ag輕金屬冶金學(xué)鋁冶金鋁在自然界中的分布地殼中鋁8%，僅次于氧和硅，在金屬元素中，鋁居首位。我國開采歷史悠久

化學(xué)法制取鋁

1825Oersted丹麥鉀汞還原無水氯化鋁1827Wohler德國鉀還原無水氯化鋁1854Deville法國鈉還原NaCl-AlCl1865Bektob俄國鎂還原冰晶石

電解法煉鋁

1886年美國Hall法國Heroult申請專利：方法不同，結(jié)果一樣

Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化鋁法

法國：1889挪威：1906英國：1890意大利：1907德國：1898西班牙：1927奧地利1899前蘇聯(lián)：1931中國：1938冰晶石：六氟鋁酸鈉（Na3AlF6），微溶于水，熔融的冰晶石能溶解氧化鋁，在電解鋁工業(yè)作助熔劑、

1.1.2

現(xiàn)代鋁工業(yè)

全世界原鋁產(chǎn)量1890180t19006990t192518萬t1950150萬t19701025萬t19801560萬t20002400萬t

中國：2001年350萬噸，世界第二

用電解法或其它方法直接生產(chǎn)出來的純鋁稱為原鋁，現(xiàn)代工業(yè)還生產(chǎn)精鋁、高純鋁及多種鋁基合金。

現(xiàn)代鋁工業(yè)三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)：

（1）從鋁土礦提取純氧化鋁（2）用冰晶石（六氟鋁酸鈉，能溶解氧化鋁）-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁（3）鋁加工輔助環(huán)節(jié)：（1）炭素電極制造（2）氟鹽生產(chǎn)現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)流程簡圖拜耳法（堿法）生產(chǎn)氫氧化鋁：Al2O3·H2O+2NaOH+(3-n)H2O→2NaAl(OH)4（鋁酸鈉）

溶出NaAl(OH)4===Al(OH)3+NaOH

（降溫、不斷攪拌）分解燒結(jié)法生產(chǎn)氫氧化鋁：把鋁土礦、堿粉、石灰（小石渣）、循環(huán)堿液和拜爾法赤泥按比例配料并磨制成合格的生料漿，噴入熟料窯中在高溫下燒結(jié)成熟料，熟料和調(diào)整液在濕磨中粉碎溶出，溶出液分離得到粗液，粗液經(jīng)脫硅、過濾后得鋁酸鈉精液在降溫、不斷攪拌的條件下，析出氫氧化鋁?，F(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)流程簡圖鋁的熔點(diǎn)660℃鋁電解原理：

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采用冰晶石（Na3AlF6）-氧化鋁熔鹽電解法，其中氧化鋁是煉鋁的原料，冰晶石是熔劑。直流電通入電解槽，在陰極和陽極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。電解產(chǎn)物，陰極上是液體鋁，陽極上是氣體CO2（75~80%）和CO（20~25%）。在工業(yè)電解槽內(nèi)，電解質(zhì)通常由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的冰晶石和5%的氧化鋁組成，電解溫度為950~970℃。電解液的密度約為2.1g/cm3，鋁液密度為2.3g/cm3，兩者因密度差而上下分層。鋁液用真空泵抽出后，經(jīng)過凈化和過濾，澆鑄成商品鋁錠，純度達(dá)99.5~9