第二章 新型材料及材料的未來

第二章新型材料及材料的未來第一節(jié)新型高性能結(jié)構(gòu)材料一、超硬材料超硬材料通常是指莫氏硬度達(dá)到或接近10的材料。主要是指金剛石和立方氮化硼。出土的大金剛石天然鉆石

立方氮化硼

黑色立方氮化硼時間超硬材料公司方法用途1955人造單晶金剛石美國GE高溫高壓磨料1957立方氮化硼美國GE高溫高壓磨料1977人造聚晶金剛石，立方氮化硼燒結(jié)體美國GE高溫高壓刀具1995人造單晶金剛石刀具近年人造單晶立方氮化硼刀具近年類金剛石膜刀具近年金剛石薄膜CVD刀具近年金剛石厚膜CVD刀具超硬材料發(fā)展史

圖2-5金剛石鋸片圖2-6金剛石砂輪圖2-7PCD刀具

二、超塑性合金1．金屬的超塑性的發(fā)現(xiàn)凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速度10毫米秒時產(chǎn)生本身長度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。1920年，德國人羅森海因在對鋅鋁銅合金發(fā)現(xiàn)1945年，前蘇聯(lián)學(xué)者包奇瓦爾在許多有色金屬合金中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。（像麥芽糖一樣柔軟可塑）具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。

金屬材料在一般條件下沒有超塑性。要使其能夠發(fā)生超塑性形變，必須具備以下三個條件：①材料須為具有細(xì)小等軸晶粒的兩相組織，晶粒直徑須小于10μｍ(超細(xì)晶粒)，且在超塑性形變過程中晶粒不顯著長大；②超塑性形變要求一定的溫度范圍，一般為熔點(diǎn)的0.5~0.65倍；③超塑性形變時的應(yīng)變速率很小，一般需在0.01~0.0001/s的范圍內(nèi)。2．超塑性合金的應(yīng)用鑄鐵具有超塑性行為第一個實(shí)用的超塑性合金是Zn-22Al車身外殼、汽車門內(nèi)板以及具有凸肚精細(xì)花紋的空心球體?！锶粘Ｉ钪小锍苄院辖鹱畲蟮膽?yīng)用就是航空航天材料超塑性鈦合金三、高溫合金從20世紀(jì)30年代后期，英、美等國就開始研究高溫合金：1941年80Ni-20Cr合金中加入少量鋁和鈦較高的高溫強(qiáng)度三年后80Ni-20Cr合金中加入少量硼和鋯耐熱溫度提到820℃1948年鈷鎳高溫合金耐熱達(dá)830℃現(xiàn)在高溫合金的最高使用溫度超過千度，達(dá)到實(shí)用化的高溫合金已有四百多種，高溫合金中常見的合金元素有鋁、鈦、鈮、碳、鎢、鉬、鉭、鈷、鋯、硼、鈰、鑭等。

在600～1200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。1．高溫合金及其分類1）按照基體組元的不同鐵基高溫合金鎳基高溫合金鈷基高溫合金2）按制備工藝不同變形高溫合金鑄造高溫合金粉末冶金高溫合金氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)合金2．高溫合金的應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)和各工業(yè)領(lǐng)域中的斑用越來越廣泛。航空航天、核能等尖端技術(shù)領(lǐng)域；電力、煤炭、石化等能源工業(yè)；冶金材料、建材陶瓷等基礎(chǔ)工業(yè)；國防軍工等工業(yè)。四、超低溫材料1.超低溫世界的奇異現(xiàn)象

金屬材料在超低溫下的屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性質(zhì)與常溫下有很大不同。在超低溫下，金屬材料的拉伸強(qiáng)度上升，但延展性降低，塑性明顯下降。2.超低溫合金的分類及應(yīng)用

應(yīng)用較多的超低溫合金主要有三類：9%鎳鋼、鈦合金和鋁合金。而在-253℃的極低溫度以下，應(yīng)用較多的則是奧氏體不銹鋼。鈦合金有三大優(yōu)點(diǎn)：

①比強(qiáng)度高；②強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，且有足夠的韌性；③在低溫下對缺口敏感性小，即不易出現(xiàn)裂紋。鋁合金：在超低溫下保持良好的韌性，沖擊值也基本保持不變奧氏體不銹鋼：強(qiáng)、韌、塑性配合良好，低溫韌性極佳第二節(jié)新型高性能功能材料功能材料是指在光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等方面具有特定功能的材料。按使用性能，可分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料和機(jī)敏（智能）材料等。一、形狀記憶合金1.形狀記憶效應(yīng)

是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)變形并固定成另一形狀后，通過熱、光、電燈物理刺激或化學(xué)刺激的處理后，又恢復(fù)成初始狀態(tài)（形狀）的材料，即無生命的材料卻具有一定的“記憶”功能。2.形狀記憶合金的分類

按照合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金可分為三大系列：Ti-Ni系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵基系形狀記憶合金。金屬家族里的“變形金剛”

——形狀記憶合金記憶：

人類思維中信息內(nèi)容的儲備與使用過程

人腦高級動物金屬也會“記憶”！（a）原始形狀（b）室溫下加外力變形（c）加熱形狀開始恢復(fù)（d）形狀回復(fù)終了（e）冷卻至室溫又回復(fù)到原變形狀態(tài)

反復(fù)加熱，撤溫，金屬絲的形狀就隨之變直，變彎，反復(fù)多次，皆可復(fù)原。為什么呢？

合金的形狀記憶效應(yīng)行為是特殊的熱-機(jī)械行為，表現(xiàn)為：合金在低于馬氏體回復(fù)相變開始溫度（As）下變形，當(dāng)加熱到馬氏體回復(fù)相變終止溫度（Af）時，通過逆相變恢復(fù)其原始形狀。冷卻加熱（a）（b）（c）變形記憶合金發(fā)展歷史：1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)；1963年，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)TiNi合金形狀記憶效應(yīng)；70年代，日本和西德開始探索形狀記憶效應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用；1970年，美國將TiNi記憶合金絲材制成宇宙飛船的天線；80年代，我國開展相關(guān)研究工作，起步較晚，但起點(diǎn)比較高。3.形狀記憶合金的應(yīng)用1）飛行器用天線2）連接緊固件（美國F14戰(zhàn)斗機(jī)的油壓管線）3）智能驅(qū)動元件4）醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用（人造骨骼、手術(shù)縫合線）5）日常生活應(yīng)用(1)防燙傷閥(2)眼鏡框架(3)移動電話天線和火災(zāi)檢查閥門(4)其他方面的應(yīng)用No.1航空航天半球形宇宙飛船天線記憶合金應(yīng)用：

在高溫環(huán)境下制作好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球。放置于月球后，在陽光照射下，達(dá)到該合金的轉(zhuǎn)變溫度，天線“記”起了自己本來面貌，變成一個巨大的半球，按照需求向地球發(fā)回宇宙信息。制作：

操作演示：

No.2醫(yī)學(xué)“房間”隔缺損封堵器No.3工業(yè)管接頭

1969年，TiNi合金的“形狀記憶效應(yīng)”在工業(yè)上應(yīng)用。采用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對接的金屬管連接，選用轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的某種形狀記憶合金，在高于其轉(zhuǎn)變溫度的條件下，做成內(nèi)徑比待對接管子外徑略微小一點(diǎn)的短管(作接頭用)，然后在低于其轉(zhuǎn)變溫度下將其內(nèi)徑稍加擴(kuò)到該接頭的轉(zhuǎn)變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道，形成牢固緊密的連接。No.4生活眼鏡架

用它制作眼鏡架，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。優(yōu)勢：

汽車的外殼也可以用記憶合金制作。如果不小心碰癟了，只要用電吹風(fēng)加溫就可恢復(fù)原狀，既省錢又省力，很是方便。不久的將來！二、儲氫合金儲貯氫合金是一種能在晶體的空隙中大量貯存氫原子的合金材料。這種合金具有可逆吸、放氫的神奇特性。氫原子很容易進(jìn)入合金內(nèi)并與之形成金屬氫化物，可以貯存相當(dāng)于合金自身體積1000~3000倍的氫氣。1．儲氫合金的發(fā)展自20世紀(jì)60年代中期發(fā)現(xiàn)LaNi5和FeTi等金屬間化合物的可逆儲氫作用以來，儲氫合金及其應(yīng)用研究得到迅速發(fā)展。狀態(tài)氫的密度/原子·cm-3氣態(tài)氫(0.1MPa)5.4×1019液態(tài)氫4.2×1022固態(tài)氫5.3×1022LaNi5儲氫合金中的氫7.6×1022Ti系儲氫合金中的氫9.1×102表2儲氫合金種類2.分類（1）稀土系儲氫合金（2）鈦系儲氫合金、鈦鐵系儲氫合金、鈦錳系儲氫合金（3）鎂系儲氫合金3.儲氫合金材料的應(yīng)用（1）鎳金屬氫化物電池（2）熱泵、空調(diào)及熱貯存（3）氫能汽車三、非晶態(tài)合金一、非晶態(tài)合金的形成如果金屬或合金的凝固速度非?？?，原子來不及整齊排列便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶態(tài)合金。（金屬玻璃）非晶態(tài)合金具有兩個重要性質(zhì)：第一，合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂“共晶”點(diǎn)附近，他們的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，第二，由于原子的種類多了，合金在液體時他們的原子更加難以移動，在冷卻時更加難以整齊排列，也就是說更加容易被“凍結(jié)”成非晶了。2.非晶態(tài)合金的發(fā)展3.非晶態(tài)合金的優(yōu)點(diǎn)（1）高強(qiáng)韌性（2）優(yōu)良的磁性（3）簡單的制造工藝和節(jié)能環(huán)保4.非晶態(tài)合金的應(yīng)用（1）電子技術(shù)（2）電力系統(tǒng)四、海綿金屬和“無聲”合金1.海綿金屬這種金屬從里到外，布滿了孔洞，孔洞大小不一，相互連通，像海綿一樣，被稱為海綿金屬。因?yàn)樗悬c(diǎn)像泡沫塑料，所以也稱為泡沫金屬。2.海綿金屬的實(shí)現(xiàn)（1）起泡劑法（氫化鋰、氫化鋇）（2）泡沫樹脂法（3）金屬條直接制造

海綿鎳網(wǎng)

3.海綿金屬的性能及其應(yīng)用由于獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，海綿金屬有一些獨(dú)特的性能及應(yīng)用。如減噪消振、過濾、控制導(dǎo)熱導(dǎo)電、催化以及熱交換和集熱等。2.“無聲”合金（1）噪音危害及其噪音的防護(hù)（2）無聲合金減振原理：

利用內(nèi)耗現(xiàn)象，使振動物體靠自身內(nèi)部某種機(jī)制吸收振動能量。特點(diǎn)：內(nèi)耗大，能有效的把振動能轉(zhuǎn)化為熱能貨其他形式的能量。（3）無聲合金的分類相界面作用內(nèi)耗的無聲合金磁性變化的內(nèi)耗強(qiáng)磁性無聲合金位錯內(nèi)耗的位錯型無聲合金孿晶界內(nèi)耗的孿晶型無聲合金（4）無聲合金的應(yīng)用——降低噪音。

潛水艇。五、梯度功能材料梯度功能材料是兩種或多種材料復(fù)合，構(gòu)成組分和結(jié)構(gòu)沿（構(gòu)件）截面呈連續(xù)變化的一種新型復(fù)合材料。1.梯度功能材料概念的提出2.梯度功能材料的特點(diǎn)和分類（1）從材料的組合方式來看，梯度功能材料可分為金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷以及陶瓷/塑料等多種結(jié)合方式。（2）從組成變化來看，梯度功能材料可分為三類：梯度功能整體型(組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料）梯度功能涂覆型（在基體材料上形成組成漸變的涂層）梯度功能連接型（粘接兩個基體間的界面層呈梯度變化）3.梯度功能材料的應(yīng)用（1）航空航天材料和核反應(yīng)堆材料（2）生物醫(yī)學(xué)材料（3）電子材料圖2-12梯度功能材料制成的人工牙齒六、生物醫(yī)學(xué)材料1.醫(yī)用高分子材料（1）人工臟器（2）修復(fù)性醫(yī)用高分子材料人工角膜和接觸眼鏡人工骨美容材料（3）高分子醫(yī)療器材一次性高分子醫(yī)療用品醫(yī)用導(dǎo)管高分子繃帶材料2.生物陶瓷材料泛指與生物體或生物化學(xué)相關(guān)的陶瓷材料。最早的生物材料的應(yīng)用——鑲牙根據(jù)生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，生物陶瓷可分為三種類型：接近于生物惰性的陶瓷，如氧化鋁，氧化鋯及氧化鈦陶瓷等；表面活性生物陶瓷，包括致密羥基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；可吸收生物陶瓷，如熟石膏、磷酸三鈣及鋁酸鈣等。人工血管人造肌肉纖維，它以近年來倍受人們注目的納米碳管為成份，其伸縮性和靈敏度超過迄今的任何人造材料。羥基磷灰石生物陶瓷是一種安全、方便的聽小骨缺損替代品，適用于因炎癥(如慢性化膿性中耳炎)或外傷等病癥造成聽小骨缺損、畸形的患者作聽小骨置換手術(shù)。HA生物陶瓷聽小骨置換假體β-TCP移植后手術(shù)后8年

β-磷酸三鈣化學(xué)式為Ca3(PO4)2，簡稱β-TCP。第三節(jié)未來材料的發(fā)展一、各種材料的發(fā)展趨勢金屬在結(jié)構(gòu)材料中仍占主要位置功能陶瓷將會有更大發(fā)展有機(jī)高分子材料將得到更大發(fā)展先進(jìn)復(fù)合材料有發(fā)展，但應(yīng)