第2章新型金屬材料

1、第第3 3章章 新型金屬材料新型金屬材料 一、鋼鐵材料發(fā)展簡介一、鋼鐵材料發(fā)展簡介 第一次工業(yè)革命第一次工業(yè)革命 1818世紀世紀6060年代，蒸汽機的發(fā)明和應用是工業(yè)革命開始的標志年代，蒸汽機的發(fā)明和應用是工業(yè)革命開始的標志 第一次工業(yè)革命第一次工業(yè)革命 無論是紡紗機、織布機、切削機床的工作機，還是作為動力機的蒸汽機，以及火車、鐵軌等，無論是紡紗機、織布機、切削機床的工作機，還是作為動力機的蒸汽機，以及火車、鐵軌等， 都離不開鋼鐵。都離不開鋼鐵。 紡織、冶金、采煤、機器制造和交通運輸成為資本主義工業(yè)的五大支柱。紡織、冶金、采煤、機器制造和交通運輸成為資本主義工業(yè)的五大支柱。 冶煉技術(shù)發(fā)展史冶

2、煉技術(shù)發(fā)展史 公元前公元前14001400年興起的塊煉鐵技術(shù)，（中國在公元前年興起的塊煉鐵技術(shù)，（中國在公元前8 8世紀開始用世紀開始用生鐵技術(shù)生鐵技術(shù)制造滲碳鋼，比歐洲制造滲碳鋼，比歐洲 早早20002000年）年） 公元前公元前2 2世紀中葉，炒鋼技術(shù)的發(fā)明（兩步世紀中葉，炒鋼技術(shù)的發(fā)明（兩步煉鋼法煉鋼法）。）。 18741874年，英國人亨利年，英國人亨利. .考特考特反射爐炒煉熟鐵法（攪拌法）反射爐炒煉熟鐵法（攪拌法） 1818世紀中葉，普德林法生產(chǎn)熟鐵用于建造鐵軌。世紀中葉，普德林法生產(chǎn)熟鐵用于建造鐵軌。 18561856年，德國貝塞麥法（年，德國貝塞麥法（底吹轉(zhuǎn)爐法底吹轉(zhuǎn)爐法） 1

3、8631863年，法國人馬?。?，法國人馬丁（平爐煉鋼法平爐煉鋼法） LDLD轉(zhuǎn)爐法轉(zhuǎn)爐法 二、新型金屬材料二、新型金屬材料 引言引言 智能材料：是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料：是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。 一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功 能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力。智能材料中最具代表性的材料即為形狀記憶材能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力。智能材料中最具代表性的材料即

4、為形狀記憶材 料。（包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物材料。）料。（包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物材料。） 形狀記憶效應源自材料中發(fā)生的馬氏體相變。形狀記憶效應源自材料中發(fā)生的馬氏體相變。 德國金屬學家德國金屬學家MartensMartens發(fā)現(xiàn)：鋼在奧氏體高溫區(qū)淬火時，原來面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)以原子發(fā)現(xiàn)：鋼在奧氏體高溫區(qū)淬火時，原來面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)以原子 無擴散形式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，得到的組織以他的名字被命名為馬氏體。無擴散形式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，得到的組織以他的名字被命名為馬氏體。 19381938年，美國的格里奈哥和穆拉迪安在年，美國的格里奈哥和穆拉

5、迪安在Cu-ZnCu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變，他們的研合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變，他們的研 究在當時并沒有受到世界的重視；究在當時并沒有受到世界的重視； 19511951年，年，美國的里德等人在美國的里德等人在Au-Au-CdCd合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應；合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應； 隨后，在隨后，在InTiInTi合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。 這些合金價格昂貴，難以實現(xiàn)應用，人們開始尋找成本低廉的形狀記憶合金。這些合金價格昂貴，難以實現(xiàn)應用，人們開始尋找成本低廉的形狀記憶合金。 低成本形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的

6、。低成本形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的。 1962 1962年，美國的一個空軍基地為研制一種耐海水腐蝕的合金而進行樣品鑒定時，年，美國的一個空軍基地為研制一種耐海水腐蝕的合金而進行樣品鑒定時， 就發(fā)現(xiàn)彎曲就發(fā)現(xiàn)彎曲 著著 的鎳鈦合金片能自動伸張開來，在場人員無不瞠目結(jié)舌。經(jīng)過一番研究之后，的鎳鈦合金片能自動伸張開來，在場人員無不瞠目結(jié)舌。經(jīng)過一番研究之后， 才發(fā)現(xiàn)秘密就在才發(fā)現(xiàn)秘密就在 研究人員手上拿的煙斗之中。研究人員手上拿的煙斗之中。 煙絲燃燒產(chǎn)生的熱引起了金屬片的伸展。煙絲燃燒產(chǎn)生的熱引起了金屬片的伸展。 1963 1963年，軍械研究所宣布在年，軍械研究所宣布在NiTiNiTi合金絲中

7、發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。 NiTiNiTi合金具有強度高、塑性大、耐腐蝕性好、成本相對低廉等許多特點而引起極大關(guān)注，合金具有強度高、塑性大、耐腐蝕性好、成本相對低廉等許多特點而引起極大關(guān)注， 人們開始考慮形狀記憶合金的廣泛應用。人們開始考慮形狀記憶合金的廣泛應用。19701970年，人們又在成本更為低廉的年，人們又在成本更為低廉的CuAlNiCuAlNi合金合金 中也發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特中也發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特 性。性。 以此為轉(zhuǎn)折點，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā)現(xiàn)這

8、種現(xiàn)象，如表所示。以此為轉(zhuǎn)折點，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，如表所示。 現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)一些有機高分子材料、無機陶瓷等都具有形狀記憶的功能?，F(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)一些有機高分子材料、無機陶瓷等都具有形狀記憶的功能。 形狀記憶效應：具有一定形狀的固體材料形狀記憶效應：具有一定形狀的固體材料( (通常是具有熱彈性馬氏體相變的材料通常是具有熱彈性馬氏體相變的材料) )，在某一，在某一 溫度下溫度下( (處于馬氏體狀態(tài)處于馬氏體狀態(tài)MMf f) )進行一定限度的塑性變形后，通過加熱到某一溫度進行一定限度的塑性變形后，通過加熱到某一溫度( (通常是該材料通常是該材料 馬氏體完全消失溫度馬氏體完全消失溫

9、度A Af f) )上時，上時， 材料恢復到變形前的初始形狀。材料恢復到變形前的初始形狀。 熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變 面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)的原子經(jīng)無擴散位移，產(chǎn)生形狀改變和表面浮凸，這種呈現(xiàn)不面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)的原子經(jīng)無擴散位移，產(chǎn)生形狀改變和表面浮凸，這種呈現(xiàn)不 變平面特征的一級相變、形核長大型相變稱為馬氏體相變，相變后形成體心立方的馬氏變平面特征的一級相變、形核長大型相變稱為馬氏體相變，相變后形成體心立方的馬氏 體。體。 把馬氏體相變開始和相變結(jié)束的溫度表示為把馬氏體相變開始和相變結(jié)束的溫度表示為MMs s和和MMf f，把馬氏體逆相變，把馬氏體逆相變( (轉(zhuǎn)變成奧氏體轉(zhuǎn)變成

10、奧氏體) )的溫的溫 度表示為度表示為A As s和和A Af f。 熱驅(qū)動力與彈性能平衡，稱之為熱彈性平衡，此時馬氏體將停止生長。熱彈性馬氏體與熱驅(qū)動力與彈性能平衡，稱之為熱彈性平衡，此時馬氏體將停止生長。熱彈性馬氏體與 鋼中的淬火馬氏體不一樣，通常它比母相還軟。鋼中的淬火馬氏體不一樣，通常它比母相還軟。 形狀記憶效應原理形狀記憶效應原理 形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到某一溫度后能夠恢復變形，實質(zhì)形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到某一溫度后能夠恢復變形，實質(zhì) 是熱彈性馬氏體相變。是熱彈性馬氏體相變。 馬氏體在外力下變形成某一特定形狀，加熱時已發(fā)生形變的馬氏體會

11、回到原來奧氏體狀馬氏體在外力下變形成某一特定形狀，加熱時已發(fā)生形變的馬氏體會回到原來奧氏體狀 態(tài)，這就是宏觀形狀記憶現(xiàn)象，如右圖所示。態(tài)，這就是宏觀形狀記憶現(xiàn)象，如右圖所示。 形狀恢復完全可逆需具備以下條件：馬氏體相變是熱彈性的；形狀恢復完全可逆需具備以下條件：馬氏體相變是熱彈性的； 母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點陣結(jié)構(gòu)；母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點陣結(jié)構(gòu)； 馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e；馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e； 馬氏體相變在晶體學上是可逆的。馬氏體相變在晶體學上是可逆的。 隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應。隨著

12、形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應。 溫度場可以誘導形狀記憶效應，磁場、應力場等也可誘導馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應。溫度場可以誘導形狀記憶效應，磁場、應力場等也可誘導馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應。 利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的 變體變體( (表現(xiàn)為孿晶界的移動表現(xiàn)為孿晶界的移動) )，從而產(chǎn)生宏觀變形；磁場強度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位，從而產(chǎn)生宏觀變形；磁場強度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位 置。置。

13、 相變偽彈性和超彈性相變偽彈性和超彈性 外加應力也可引起馬氏體消長，這樣形成的馬氏體叫應力誘發(fā)馬氏體外加應力也可引起馬氏體消長，這樣形成的馬氏體叫應力誘發(fā)馬氏體(SIM)(SIM)。 A Af f溫度以上的馬氏體只在應力下穩(wěn)定。溫度以上的馬氏體只在應力下穩(wěn)定。 隨應力增加或減小，馬氏體也相應長大或縮??；隨應力增加或減小，馬氏體也相應長大或縮??； 應力除去后，應力誘發(fā)馬氏體當即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定母相，相變引起的變形消失。應力除去后，應力誘發(fā)馬氏體當即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定母相，相變引起的變形消失。 這種不通過加熱即恢復到原先形狀的相變，看起來像彈性變形，但其應力應變曲線是非線性的，這種不通過加熱即恢復到原先形狀

14、的相變，看起來像彈性變形，但其應力應變曲線是非線性的， 稱為相變偽彈性，應變完全恢復時稱為超彈性。稱為相變偽彈性，應變完全恢復時稱為超彈性。 分類分類 合金成分合金成分 呈現(xiàn)形狀記憶效應的合金，其基本合金系就有呈現(xiàn)形狀記憶效應的合金，其基本合金系就有1010種以上，如果把相互組合的合金或者添加適當元種以上，如果把相互組合的合金或者添加適當元 素的合金都算在內(nèi)，則有素的合金都算在內(nèi)，則有100100種以上。種以上。 得到實際應用的只有得到實際應用的只有TiTi基合金、基合金、CuCu基合金以及基合金以及FeFe基合金?；辖?。 其余合金則因為有些化學成分不是常用元素而導致價格昂貴，或者有些只能在

15、單晶狀態(tài)下使用，其余合金則因為有些化學成分不是常用元素而導致價格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使用， 不適于工業(yè)生產(chǎn)。不適于工業(yè)生產(chǎn)。 TiNiTiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料。合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料。 TiNiTiNi合金強度高、塑性大、耐蝕性好、穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的生物相容性合金強度高、塑性大、耐蝕性好、穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的生物相容性 在醫(yī)學上的應用是其它形狀記憶合金不能替代的在醫(yī)學上的應用是其它形狀記憶合金不能替代的 形狀記憶合金的經(jīng)濟性是一個重要因素。形狀記憶合金的經(jīng)濟性是一個重要因素。 CuCu基合金的記憶性能、耐

16、蝕性能、力學性能等都比基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學性能等都比TiNiTiNi合金差，但價格僅為合金差，但價格僅為TiNiTiNi合金合金 的的l/10l/10，在性能要求不高、反復使用次數(shù)少，特別是要降低成本的情況下使用；，在性能要求不高、反復使用次數(shù)少，特別是要降低成本的情況下使用； FeFe基合金價格低，加工性能好，力學強度高，在應用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其基合金價格低，加工性能好，力學強度高，在應用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其 形狀記憶效應不是很好。形狀記憶效應不是很好。 形狀記憶效應形狀記憶效應 形狀記憶合金形狀記憶合金的形狀記憶效應按形狀恢復情況可以分為三類：的形狀記憶效應按

17、形狀恢復情況可以分為三類： 單程形狀記憶效應單程形狀記憶效應 雙程形狀記憶效應雙程形狀記憶效應 全程全程記憶效應記憶效應 形狀記憶合金的制備形狀記憶合金的制備 形狀記憶處理形狀記憶處理 形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后進行熱軋、模鍛、擠壓，然后進行冷加形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后進行熱軋、模鍛、擠壓，然后進行冷加 工。為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給定形狀。工。為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給定形狀。 形狀記憶處理形狀記憶處理( (一定的熱處理一定的熱處理) )是實現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺，至關(guān)重要的一環(huán)。是實現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺，至

18、關(guān)重要的一環(huán)。 TiNiTiNi合金單程形狀記憶處理合金單程形狀記憶處理 單程記憶處理方法有三種單程記憶處理方法有三種 中溫處理中溫處理 低溫處理低溫處理 時效處理時效處理 中中溫處理是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的合金成形成給定形狀，在溫處理是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的合金成形成給定形狀，在400-500400-500溫度下保溫度下保 溫幾分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法溫幾分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法。此。此方法由于工藝簡單而被廣泛采用方法由于工藝簡單而被廣泛采用。 低溫處理是在高于低溫處理是在高于800800的溫度下保溫后進行完全退火，然后在室溫下制成特定形狀，在的溫度下保溫

19、后進行完全退火，然后在室溫下制成特定形狀，在200-200- 300300的低溫下保溫一定時間，以記憶其形狀的方法。的低溫下保溫一定時間，以記憶其形狀的方法。 由于在完全退火的軟狀態(tài)下進行加工，有利于合金記住復雜形狀或曲率很小的形狀。由于在完全退火的軟狀態(tài)下進行加工，有利于合金記住復雜形狀或曲率很小的形狀。 時效處理是一種在時效處理是一種在800-1000800-1000溫度下固溶處理后進行淬火，然后在溫度下固溶處理后進行淬火，然后在400-500400-500的溫度下進行幾小的溫度下進行幾小 時時效處理的方法。只對時時效處理的方法。只對NiNi含量高于含量高于50.5at50.5at的富的富

20、NiNi合金有效。合金有效。 TiNiTiNi合金雙程記憶處理合金雙程記憶處理 合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的應力場或晶體缺陷，相變時馬氏體容易在合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的應力場或晶體缺陷，相變時馬氏體容易在 這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長。這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長。 通過記憶訓練通過記憶訓練( (強制變形強制變形) )獲得雙程記憶能力：獲得雙程記憶能力： 先獲得單程記憶效應，記憶高溫相的形狀；先獲得單程記憶效應，記憶高溫相的形狀； 隨后在低于隨后在低于MMs s溫度，根據(jù)需要形狀進行一定限度的可恢復變形；溫度，根據(jù)需要形狀進行一定限度的可恢復變形；

21、加熱到加熱到A As s以上溫度，試樣恢復到高溫態(tài)形狀后，又降低到以上溫度，試樣恢復到高溫態(tài)形狀后，又降低到MMs s以下，再變形試件，使之成為低溫所以下，再變形試件，使之成為低溫所 需形狀；需形狀； 如此反復多次后，就可獲得雙向記憶效應。如此反復多次后，就可獲得雙向記憶效應。 TiNiTiNi合金全程記憶處理合金全程記憶處理 全程記憶效應的出現(xiàn)是由于與基體共格的全程記憶效應的出現(xiàn)是由于與基體共格的TiTi11 11Ni Ni14 14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應力所導致，應力 析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應力所導致，應力 場控制了馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆相變按固定路徑進行。場控制了馬氏

22、體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆相變按固定路徑進行。 全程記憶處理的關(guān)鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時效工藝。全程記憶處理的關(guān)鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時效工藝。 形狀記憶合金的其他處理形狀記憶合金的其他處理 1 1、改變合金成份的配方比例，可以調(diào)節(jié)記憶合金的喚醒溫度。例如在制造、改變合金成份的配方比例，可以調(diào)節(jié)記憶合金的喚醒溫度。例如在制造NiTiNiTi記憶合金時，如記憶合金時，如 使兩種成分對半摻，喚醒溫度為使兩種成分對半摻，喚醒溫度為8080，如把，如把NiNi的配合比例減少千分之一，而將的配合比例減少千分之一，而將TiTi增加千分之增加千分之 一，則喚醒溫

23、度降為一，則喚醒溫度降為7070，當，當NiTiNiTi之比為之比為45.554.345.554.3時，喚醒溫度恰巧是時，喚醒溫度恰巧是00。 2 2、在、在TiNiTiNi合金中摻雜合金中摻雜AuAu或或PtPt可以顯著提高合金的相變溫度，使之成為高溫形狀記憶合金，加入可以顯著提高合金的相變溫度，使之成為高溫形狀記憶合金，加入 NbNb可以使相變熱滯增大到可以使相變熱滯增大到140140，而加入，而加入CuCu后相變熱滯則銳減至后相變熱滯則銳減至4 4 。 3 3、另一方面，隨著材料先進制備技術(shù)的飛速發(fā)展，納米化處理也越來越多地應用于形狀記憶合、另一方面，隨著材料先進制備技術(shù)的飛速發(fā)展，納米

24、化處理也越來越多地應用于形狀記憶合 金中。金中。 形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金使用中的問題 1 1、形狀記憶合金并不是無論承受怎樣的變形只要受熱就能恢復原狀，有時可殘留永久變形。、形狀記憶合金并不是無論承受怎樣的變形只要受熱就能恢復原狀，有時可殘留永久變形。 2 2、為保持良好形狀記憶特性，形變量不能超過一定值。、為保持良好形狀記憶特性，形變量不能超過一定值。 3 3、循環(huán)使用次數(shù)少時，、循環(huán)使用次數(shù)少時，TiNiTiNi合金約為合金約為6 6，CuZnAlCuZnAl合金約為合金約為2 2； 4 4、循環(huán)使用次數(shù)多時，分別低于、循環(huán)使用次數(shù)多時，分別低于2 2和和0.50.5。 5

25、5、形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達到比、形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達到比AfAf點高很多的溫度。點高很多的溫度。 6 6、線圈過熱，相變引起的形狀恢復應力超過絲材本身的屈服應力，合金的形狀記憶特性變壞。、線圈過熱，相變引起的形狀恢復應力超過絲材本身的屈服應力，合金的形狀記憶特性變壞。 7 7、合金長時間置于高溫，產(chǎn)生不能完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，即記憶力減退。、合金長時間置于高溫，產(chǎn)生不能完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，即記憶力減退。 8 8、當、當TiNiTiNi合金和合金和CuZnAlCuZnAl合金長時間分別置于合金長時間分別置

26、于250250和和9090以上的溫度時，不管載荷大小如何，以上的溫度時，不管載荷大小如何， 都出現(xiàn)不良影響。都出現(xiàn)不良影響。 形狀記憶合金的應用形狀記憶合金的應用 密閉中空結(jié)構(gòu)件中很難進行緊固操作，形狀記憶緊固鉚釘依靠形狀恢復可進行這種操密閉中空結(jié)構(gòu)件中很難進行緊固操作，形狀記憶緊固鉚釘依靠形狀恢復可進行這種操 作。作。 此外，形狀記憶合金還可應用于智能機器人、能量轉(zhuǎn)換熱機、保險器和繼電器等。此外，形狀記憶合金還可應用于智能機器人、能量轉(zhuǎn)換熱機、保險器和繼電器等。 醫(yī)學應用醫(yī)學應用 TiNiTiNi合金的生物相容性合金的生物相容性 金屬埋植入人體內(nèi)時必須考慮其生物相容性。金屬埋植入人體內(nèi)時必須

27、考慮其生物相容性。 如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它會造成周圍的組織和細胞發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它會造成周圍的組織和細胞發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥 充血循環(huán)障礙，導致人體組織壞死；充血循環(huán)障礙，導致人體組織壞死； 如果埋植體是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細胞分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這如果埋植體是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細胞分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這 種纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織中能夠穩(wěn)定存在。種纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織中能夠穩(wěn)定存在。 經(jīng)過試驗觀察覆膜形狀、覆膜組織、埋植周圍的骨骼和肌肉狀態(tài)以及

28、接骨板的耐腐蝕性發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過試驗觀察覆膜形狀、覆膜組織、埋植周圍的骨骼和肌肉狀態(tài)以及接骨板的耐腐蝕性發(fā)現(xiàn)： TiNiTiNi合金的生物相容性很好，在醫(yī)學領域具有巨大的應用價值合金的生物相容性很好，在醫(yī)學領域具有巨大的應用價值 牙齒矯形絲牙齒矯形絲 矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正。矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正。 牙齒矯形用金屬絲有不銹鋼絲和牙齒矯形用金屬絲有不銹鋼絲和CoCrCoCr合金絲，這些材料具有彈性模量高、彈性應變小，微小變合金絲，這些材料具有彈性模量高、彈性應變小，微小變 形可獲得很大的矯正力，對患者造成疼痛和不適，同時還容易產(chǎn)生塑性變形。形可獲得很大的矯正力，對患者造

29、成疼痛和不適，同時還容易產(chǎn)生塑性變形。 利用利用NiTiNiTi形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒定，即使應變高達形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒定，即使應變高達1010也不會也不會 產(chǎn)生塑性變形。產(chǎn)生塑性變形。 應力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性，即使應變增大，矯正力卻增加很少，應力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性，即使應變增大，矯正力卻增加很少， 永久應變遠遠小于不銹鋼絲，在大變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他材料更加恒定的矯正力。永久應變遠遠小于不銹鋼絲，在大變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他材料更加恒定的矯正力。 NiTiNiTi矯形絲不僅操作簡便，而且療效

30、也好，可減輕患者的不適感。矯形絲不僅操作簡便，而且療效也好，可減輕患者的不適感。 19801980年，中國就開始研制年，中國就開始研制NiTiNiTi合金矯形絲，北京有色金屬研究總院與北京口腔醫(yī)院合作，合金矯形絲，北京有色金屬研究總院與北京口腔醫(yī)院合作， 研制出研制出NiTiNiTi合金牙弓絲，稱為合金牙弓絲，稱為“中國中國NiTiNiTi牙弓絲牙弓絲”。 此外，此外， NiTiNiTi形狀記憶合金還可用做牙根種植體、形狀記憶合金還可用做牙根種植體、 形脊柱人造關(guān)節(jié)、形脊柱人造關(guān)節(jié)、 NiTiNiTi合金聚髕器、合金聚髕器、 接骨用騎縫釘、鋸齒臂環(huán)抱固定器、接骨用騎縫釘、鋸齒臂環(huán)抱固定器、人工

31、心臟用人造肌肉、血栓人工心臟用人造肌肉、血栓過濾器、過濾器、冠狀動脈內(nèi)支冠狀動脈內(nèi)支 架等等。架等等。 日常生活日常生活空調(diào)百葉板空調(diào)百葉板 空調(diào)排氣口上裝有百葉板，風向在制冷時向上、取暖時向下。利用形狀記憶元件傳感和空調(diào)排氣口上裝有百葉板，風向在制冷時向上、取暖時向下。利用形狀記憶元件傳感和 驅(qū)動特性制造上下自動轉(zhuǎn)換的百葉板。安裝在排氣口的形狀記憶線圈隨排氣溫度變化進驅(qū)動特性制造上下自動轉(zhuǎn)換的百葉板。安裝在排氣口的形狀記憶線圈隨排氣溫度變化進 行收縮或張開，和另一側(cè)偏動彈簧一起完成雙程動作，自動控制百葉板運動。經(jīng)行收縮或張開，和另一側(cè)偏動彈簧一起完成雙程動作，自動控制百葉板運動。經(jīng)1010萬

32、次萬次 以上的動作后證實，形狀記憶特性沒有任何下降。以上的動作后證實，形狀記憶特性沒有任何下降。 利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過高時通過利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過高時通過“記憶記憶”功能，功能， 調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。 形狀記憶路燈形狀記憶路燈 法國巴黎用形狀記憶合金制造城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮、滅而逐漸張開或合上的法國巴黎用形狀記憶合金制造城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮、滅而逐漸張開或合上的 葉片。葉片。 白天，路燈熄滅，葉片合上；傍晚之后，葉片受燈泡熱度的作用而逐漸張開，讓燈泡顯露出白天，路燈熄

33、滅，葉片合上；傍晚之后，葉片受燈泡熱度的作用而逐漸張開，讓燈泡顯露出 來來 進行照明。形狀記憶合金在自動收進煙頭的煙灰缸、為調(diào)整頭發(fā)受力通過加熱溫度改變卷發(fā)進行照明。形狀記憶合金在自動收進煙頭的煙灰缸、為調(diào)整頭發(fā)受力通過加熱溫度改變卷發(fā) 管管 徑的卷發(fā)軸環(huán)、眼鏡、兒童玩具等上也有不少應用。徑的卷發(fā)軸環(huán)、眼鏡、兒童玩具等上也有不少應用。 2 2、剛?cè)嵯酀某苄院辖?、剛?cè)嵯酀某苄院辖?超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）超塑性是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境） 條件下（如溫度、應變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變

34、抗力、異常高的流變性能（例如大條件下（如溫度、應變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大 的延伸率）的現(xiàn)象。的延伸率）的現(xiàn)象。 一般說來，如果材料的延伸率超過一般說來，如果材料的延伸率超過100100，就可稱為超塑性。凡具有能超過，就可稱為超塑性。凡具有能超過100100延伸率的材延伸率的材 料，則稱之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過料，則稱之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過10001000有的甚至可有的甚至可 達達20002000 , ,個別達到個別達到6000%6000%。 超塑性合金簡介超塑性合金簡介 19081908年，英國里

35、蘭德汽車公司生產(chǎn)了工業(yè)用年，英國里蘭德汽車公司生產(chǎn)了工業(yè)用Zn-22%A1Zn-22%A1共析合金，用該合金薄板在低應力作共析合金，用該合金薄板在低應力作 用下超塑成型汽車門和冰箱門等的內(nèi)襯，轟動一時。用下超塑成型汽車門和冰箱門等的內(nèi)襯，轟動一時。 19701970年湯姆生等人也是用年湯姆生等人也是用Zn-22%A1Zn-22%A1合金用不大的氣體壓力（合金用不大的氣體壓力（1.98N/MM21.98N/MM2）吹脹成具有凸肚）吹脹成具有凸肚 和花紋的調(diào)味品瓶子。和花紋的調(diào)味品瓶子。 由于鋅合金在性能上的限制，其后超塑合金的發(fā)展擴展向鋁合金、鈦合金、銅合金及碳鋼、由于鋅合金在性能上的限制，其后

36、超塑合金的發(fā)展擴展向鋁合金、鈦合金、銅合金及碳鋼、 不銹鋼等領域，并在電子、儀表、紡織、機械、汽車、航空航天及工藝制品等行業(yè)中獲得不銹鋼等領域，并在電子、儀表、紡織、機械、汽車、航空航天及工藝制品等行業(yè)中獲得 了應用。了應用。 2021-7-2510 超塑性產(chǎn)生的條件超塑性產(chǎn)生的條件 相變超塑性相變超塑性 有些金屬當受熱達到某個溫度區(qū)域時，會出現(xiàn)一些異常變化，若使這種金屬在內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)有些金屬當受熱達到某個溫度區(qū)域時，會出現(xiàn)一些異常變化，若使這種金屬在內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā) 生變化的溫度范圍內(nèi)上下波動，同時又對金屬施加作用力，就會使金屬呈現(xiàn)變化的超塑性，生變化的溫度范圍內(nèi)上下波動，同時又對金屬施加作用力，就

37、會使金屬呈現(xiàn)變化的超塑性， 及相變超塑性。及相變超塑性。 微細晶粒超塑性微細晶粒超塑性 超塑性合金晶粒一般為微細晶粒（超塑性合金晶粒一般為微細晶粒（1010 m m） 應變速率應變速率 ：1010-4 -41010-2 -2/s/s 溫度：溫度：T0.5TT0.5Tm m 晶粒尺寸：晶粒尺寸：50.550.5 m m 超塑性的應用超塑性的應用 1 1、無模拉伸、無模拉伸 如圖所示，這種拉伸方法巧妙地利用了材料的超塑性，在拉伸時，根據(jù)超塑性材料對溫如圖所示，這種拉伸方法巧妙地利用了材料的超塑性，在拉伸時，根據(jù)超塑性材料對溫 度和變形速度的敏感性，用一感應線圈控制加熱溫度使工件進行局部加熱，并在拉

38、伸時對拉度和變形速度的敏感性，用一感應線圈控制加熱溫度使工件進行局部加熱，并在拉伸時對拉 拔速度加以控制。在拉伸過程中可利用不同形狀的感應線圈，通過控制感應熱的大小或斷續(xù)，拔速度加以控制。在拉伸過程中可利用不同形狀的感應線圈，通過控制感應熱的大小或斷續(xù)， 制出任意斷面的各種形狀的管材、棒材。制出任意斷面的各種形狀的管材、棒材。 2 2、板料沖壓、板料沖壓 板料沖壓是最適宜的超塑成形的方法之一。如圖所示，板料沖壓成形的一例。這是一種借板料沖壓是最適宜的超塑成形的方法之一。如圖所示，板料沖壓成形的一例。這是一種借 助于栓塞頂頭的成型方法。助于栓塞頂頭的成型方法。 3 3、氣壓或液壓漲形、氣壓或液壓

39、漲形 人造衛(wèi)星上使用的鈦合金燃料箱為中空球體，壁厚人造衛(wèi)星上使用的鈦合金燃料箱為中空球體，壁厚0.75-1.5mm0.75-1.5mm，采用常規(guī)方法幾乎無法成，采用常規(guī)方法幾乎無法成 形，采用超塑成形，很順利制成。形，采用超塑成形，很順利制成。 目前已有應變速率達目前已有應變速率達1010-1 -1/S /S者，甚至達到者，甚至達到100100-1 -1/s /s者，已接近常規(guī)金屬加工變形時的應變速者，已接近常規(guī)金屬加工變形時的應變速 率，這是目前超塑技術(shù)研究發(fā)展的一個重點。率，這是目前超塑技術(shù)研究發(fā)展的一個重點。 超塑性成型的特點：超塑性成型的特點： 優(yōu)點：優(yōu)點： 1 1、可采用真空成型、吹

40、塑成型等加工方法生產(chǎn)薄殼容器、薄壁件和帶復雜剖面的零件。、可采用真空成型、吹塑成型等加工方法生產(chǎn)薄殼容器、薄壁件和帶復雜剖面的零件。 2 2、節(jié)約能源和原材料，降低成本，節(jié)省時間。、節(jié)約能源和原材料，降低成本，節(jié)省時間。 3 3、在一定程度上代替焊接和鉚接，減輕制件重量，降低成本。、在一定程度上代替焊接和鉚接，減輕制件重量，降低成本。 缺點：缺點： 1 1、加工時間比普通熱模鍛稍長，但比一本加工方法時間還是短很多。、加工時間比普通熱模鍛稍長，但比一本加工方法時間還是短很多。 2 2、由于是熱加工，在加工中零件表面往往會產(chǎn)生氧化和熱吸縮作用，因此加工精度低于冷、由于是熱加工，在加工中零件表面往往

41、會產(chǎn)生氧化和熱吸縮作用，因此加工精度低于冷 沖壓零件。沖壓零件。 2021-7-2512 3. 3.減振合金減振合金 減振合金又稱阻尼合金，是一種阻尼（內(nèi)耗）大，能使振動迅速衰減的特種金屬材減振合金又稱阻尼合金，是一種阻尼（內(nèi)耗）大，能使振動迅速衰減的特種金屬材 料。既具有作為結(jié)構(gòu)材料的力學性能，又具有高的振動衰減能力。料。既具有作為結(jié)構(gòu)材料的力學性能，又具有高的振動衰減能力。 減振途徑有三種：系統(tǒng)減振、結(jié)構(gòu)減振和材料減振。減振途徑有三種：系統(tǒng)減振、結(jié)構(gòu)減振和材料減振。 1 1）減振合金的減振機制和類型）減振合金的減振機制和類型 利用減振合金達到減振有三大優(yōu)點：防止和減少振動、防止利用減振合金

42、達到減振有三大優(yōu)點：防止和減少振動、防止 和減少噪聲、增加材料的疲勞壽命。和減少噪聲、增加材料的疲勞壽命。 減振機制：金屬的內(nèi)耗減振機制：金屬的內(nèi)耗 內(nèi)耗是指材料受到振動時，其內(nèi)部按照某種機制將振動能轉(zhuǎn)內(nèi)耗是指材料受到振動時，其內(nèi)部按照某種機制將振動能轉(zhuǎn) 變?yōu)闊崮芏p掉的過程。變?yōu)闊崮芏p掉的過程。 減振合金按振動衰減機理可分為：減振合金按振動衰減機理可分為： 復相型、鐵磁型、位錯型、孿晶型。復相型、鐵磁型、位錯型、孿晶型。 1 1、復相型、復相型 減振合金由兩相或兩相以上的復相組織構(gòu)成，一般是在強度高的基體中分布著軟的第二減振合金由兩相或兩相以上的復相組織構(gòu)成，一般是在強度高的基體中分布

43、著軟的第二 相，其減振機制是受振時由第二相與基體界面發(fā)生塑性流動或第二相反復變形而吸收振動相，其減振機制是受振時由第二相與基體界面發(fā)生塑性流動或第二相反復變形而吸收振動 能，并將振動能轉(zhuǎn)變成熱能耗散。其最大特點是可以在高溫下使用。能，并將振動能轉(zhuǎn)變成熱能耗散。其最大特點是可以在高溫下使用。 片狀石墨鑄鐵是比較常用的一種典型的復相型減振合金，研究表明，這類合金的阻尼性片狀石墨鑄鐵是比較常用的一種典型的復相型減振合金，研究表明，這類合金的阻尼性 能取決于第二相石墨的形態(tài)、數(shù)目及分布，其中形態(tài)影響最為重要，片狀石墨越發(fā)達，減能取決于第二相石墨的形態(tài)、數(shù)目及分布，其中形態(tài)影響最為重要，片狀石墨越發(fā)達，

44、減 振系數(shù)越大。振系數(shù)越大。 Al-ZnAl-Zn系合金也是典型的復相型合金，其特點主要有：比重小，強度高，在微小振動中就系合金也是典型的復相型合金，其特點主要有：比重小，強度高，在微小振動中就 能保持高的減振能力。能保持高的減振能力。 這種合金的阻尼性能與組織有很大關(guān)系，當出現(xiàn)細小的等軸晶時，具有較好的阻尼性能，這種合金的阻尼性能與組織有很大關(guān)系，當出現(xiàn)細小的等軸晶時，具有較好的阻尼性能， 而且與振動頻率也有關(guān)，隨頻率的的增大，阻尼降低。而且與振動頻率也有關(guān)，隨頻率的的增大，阻尼降低。 2 2、鐵磁型、鐵磁型 鐵磁型減振合金是以磁彈性內(nèi)耗為其功能基礎設計的。在一些鐵磁合金中，原子之間通過鐵磁

45、型減振合金是以磁彈性內(nèi)耗為其功能基礎設計的。在一些鐵磁合金中，原子之間通過 交換作用而產(chǎn)生磁矩，相同方向的磁矩排列起來形成磁疇。交換作用而產(chǎn)生磁矩，相同方向的磁矩排列起來形成磁疇。 磁彈性內(nèi)耗是鐵磁材料中磁性能與力學性質(zhì)間的耦合所引起的。由于在應力作用下存在磁磁彈性內(nèi)耗是鐵磁材料中磁性能與力學性質(zhì)間的耦合所引起的。由于在應力作用下存在磁 彈性能，因而可引起磁疇的轉(zhuǎn)動和疇壁的推移。由于這種交變應力引起磁疇的運動是一彈性能，因而可引起磁疇的轉(zhuǎn)動和疇壁的推移。由于這種交變應力引起磁疇的運動是一 個不可逆的過程，在能量上引起從機械能到熱能的轉(zhuǎn)換。個不可逆的過程，在能量上引起從機械能到熱能的轉(zhuǎn)換。 典型

46、代表：典型代表：Fe-CrFe-Cr基、基、Fe-AlFe-Al基、基、Co-NiCo-Ni基等合金?；群辖?。 鐵磁型阻尼合金的主要特點是強度較高，成本較低，較高溫度和低應變振幅下阻尼性能優(yōu)鐵磁型阻尼合金的主要特點是強度較高，成本較低，較高溫度和低應變振幅下阻尼性能優(yōu) 異，但其經(jīng)變形后或在磁場環(huán)境中阻尼性能會迅速下降甚至消失。異，但其經(jīng)變形后或在磁場環(huán)境中阻尼性能會迅速下降甚至消失。 3 3、位錯型、位錯型 這類材料中位錯運動引起能量損耗成為減振的主要原因。合金的高阻尼是由于在外力作用這類材料中位錯運動引起能量損耗成為減振的主要原因。合金的高阻尼是由于在外力作用 下，位錯的不可逆移動，以及在

47、滑移時位錯相互作用引起的。典型代表為純鎂、下，位錯的不可逆移動，以及在滑移時位錯相互作用引起的。典型代表為純鎂、Mg-Mg-ZrZr、 Mg-MgMg-Mg2 2NiNi等合金。這類合金使用溫度常在等合金。這類合金使用溫度常在150150以下。以下。 4 4、孿晶型、孿晶型 孿晶是晶體中的面缺陷，以孿晶面為對稱面，孿晶面兩邊的晶體結(jié)構(gòu)鏡面對稱。孿晶面在孿晶是晶體中的面缺陷，以孿晶面為對稱面，孿晶面兩邊的晶體結(jié)構(gòu)鏡面對稱。孿晶面在 外力下的易動性和弛豫過程，造成對振動能的吸收。外力下的易動性和弛豫過程，造成對振動能的吸收。 2 2）減振合金的應用）減振合金的應用 潛艇螺旋槳是減振合金的最重要用途

48、。潛艇螺旋槳是減振合金的最重要用途。 英國石錳海洋公司開發(fā)的英國石錳海洋公司開發(fā)的SonostonSonoston（54Mn-37Cu-4Al-3Fe-2Ni)54Mn-37Cu-4Al-3Fe-2Ni)、國際銅研究協(xié)會開發(fā)的、國際銅研究協(xié)會開發(fā)的 IncramuteIncramute（43Mn-55Cu-2Al43Mn-55Cu-2Al）等就是專門為潛艇螺旋槳而研制的高阻尼合金；還有前蘇聯(lián)的）等就是專門為潛艇螺旋槳而研制的高阻尼合金；還有前蘇聯(lián)的 ABPOPAABPOPA合金和我國的合金和我國的“23102310”合金。采用合金。采用SilentalloySilentalloy合金（合金（F

49、e-12Cr-2AlFe-12Cr-2Al）制造汽輪機葉片，）制造汽輪機葉片， 大大提高其疲勞壽命。大大提高其疲勞壽命。 宇宙航天方面，用作衛(wèi)星、導彈、火箭、噴氣式飛機的控制盤和陀螺儀等精密儀器的防振臺宇宙航天方面，用作衛(wèi)星、導彈、火箭、噴氣式飛機的控制盤和陀螺儀等精密儀器的防振臺 架；架； 汽車方面，用于車體、制動器、發(fā)動機轉(zhuǎn)動部分、變速器、濾氣器等；汽車方面，用于車體、制動器、發(fā)動機轉(zhuǎn)動部分、變速器、濾氣器等； 土木建筑方面，用于橋梁、鑿巖機、鋼梯等。土木建筑方面，用于橋梁、鑿巖機、鋼梯等。 機械方面，用作大型鼓風機框架及葉片、圓盤鋸、各種齒輪等；機械方面，用作大型鼓風機框架及葉片、圓盤鋸

50、、各種齒輪等； 鐵路方面，用于火車車輪等；鐵路方面，用于火車車輪等； 船舶方面，用于空調(diào)器、洗衣機、垃圾處理機等；船舶方面，用于空調(diào)器、洗衣機、垃圾處理機等； 音響方面，用作演出轉(zhuǎn)動臺、擴音器框架、立體聲放大器底盤等。音響方面，用作演出轉(zhuǎn)動臺、擴音器框架、立體聲放大器底盤等。 4 4、貯氫合金、貯氫合金 儲氫材料儲氫材料2121世紀的能源庫世紀的能源庫 1 1、能源危機與環(huán)境問題、能源危機與環(huán)境問題 u 化石能源的有限性與人類需求的無限性化石能源的有限性與人類需求的無限性石油、煤炭等主要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百石油、煤炭等主要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百 年內(nèi)枯竭！年內(nèi)枯竭！ u化石能源的使用正在

51、給地球造成巨大的生態(tài)災難化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態(tài)災難溫室效應、酸雨等嚴重威脅地球動植物溫室效應、酸雨等嚴重威脅地球動植物 的生存！的生存！ u人類的出路何在人類的出路何在新能源的研究勢在必行！新能源的研究勢在必行！ u原子能原子能 太陽能太陽能 地熱能地熱能 風能風能 潮汐能潮汐能 氫能氫能 2 2、氫能開發(fā)，大勢所趨、氫能開發(fā)，大勢所趨 氫的熱值高，氫的熱值高，1Kg1Kg氫燃燒后可以放出氫燃燒后可以放出1414萬萬KJKJ的的熱量（汽油的熱量（汽油的3 3倍，焦炭的倍，焦炭的4.54.5倍），這是任何倍），這是任何 其他（除核燃料以外）化學燃燒都無法比擬的。且其燃燒產(chǎn)物為水其

52、他（除核燃料以外）化學燃燒都無法比擬的。且其燃燒產(chǎn)物為水零排放，無污染，零排放，無污染， 可循環(huán)利用。可循環(huán)利用。 氫是宇宙中分布最廣的元素：占宇宙質(zhì)量的氫是宇宙中分布最廣的元素：占宇宙質(zhì)量的3/43/4；地殼質(zhì)量的；地殼質(zhì)量的0.76%0.76%。如果海水中的氫全部。如果海水中的氫全部 提取，產(chǎn)生的總熱量是地球上所有化石燃料放出熱量的提取，產(chǎn)生的總熱量是地球上所有化石燃料放出熱量的90009000多倍。多倍。 氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，燃燒速度快；氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，燃燒速度快； 在所有氣體中，導熱性最好，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高在所

53、有氣體中，導熱性最好，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高1010倍，在能源工業(yè)中是極好的傳倍，在能源工業(yè)中是極好的傳 熱載體。熱載體。 用途廣泛，可做發(fā)動機燃料、化工原料、燃料電池燃料等，代替煤和石油，無需對現(xiàn)有技用途廣泛，可做發(fā)動機燃料、化工原料、燃料電池燃料等，代替煤和石油，無需對現(xiàn)有技 術(shù)裝備進行大改造，如內(nèi)燃機稍加改裝即可術(shù)裝備進行大改造，如內(nèi)燃機稍加改裝即可 氫氣可以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物存在，能適應儲運及各種應用環(huán)境的不同要求氫氣可以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)金屬氫化物存在，能適應儲運及各種應用環(huán)境的不同要求 可做儲能介質(zhì)，經(jīng)濟有效地輸送能源?？勺鰞δ芙橘|(zhì)，經(jīng)濟有效地輸送能源。 3 3、實現(xiàn)氫能經(jīng)

54、濟的關(guān)鍵技術(shù)、實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵技術(shù) 廉價而又高效的制氫技術(shù)（目前的制氫方法：利用太陽能分解海水）。廉價而又高效的制氫技術(shù)（目前的制氫方法：利用太陽能分解海水）。 安全高校的儲氫技術(shù)安全高校的儲氫技術(shù)開發(fā)新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術(shù)是當務之急。開發(fā)新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術(shù)是當務之急。 車用氫氣存儲系統(tǒng)目標：質(zhì)量儲氫容量車用氫氣存儲系統(tǒng)目標：質(zhì)量儲氫容量6.5%6.5%，體積容量，體積容量62kg62kg（H H2 2）/m/m3 3 4 4、氫的儲存方法、氫的儲存方法 氣態(tài)儲氫：氣態(tài)儲氫： 1 1）能量密度低；）能量密度低；2 2）不太安全）不太安全 液化儲氫：大規(guī)模用氫都是液

55、態(tài)貯存，雖然液態(tài)氫比氣態(tài)氫的密度大液化儲氫：大規(guī)模用氫都是液態(tài)貯存，雖然液態(tài)氫比氣態(tài)氫的密度大 許多倍，所占空間大許多倍，所占空間大 大減少，但在技術(shù)上，常壓下氫必須降大減少，但在技術(shù)上，常壓下氫必須降 溫到零溫到零253253才會變成液體。故液氫貯存箱要很厚才會變成液體。故液氫貯存箱要很厚 的保護層隔熱，防止液氫沸騰汽化。的保護層隔熱，防止液氫沸騰汽化。 1 1）能耗高）能耗高；2 2）對儲罐絕熱性能要求高）對儲罐絕熱性能要求高 固態(tài)儲氫：固態(tài)儲氫：（金屬或合金儲氫）（金屬或合金儲氫） 1 1）體積儲氫容量高；）體積儲氫容量高；2 2）無需高壓及隔熱容器）無需高壓及隔熱容器 3 3）安全性好

56、，無爆炸危險；）安全性好，無爆炸危險；4 4）可得到高純氫，提高氫的附加值）可得到高純氫，提高氫的附加值 二、金屬氫化物二、金屬氫化物 在室溫和常壓條件下能迅速吸氫（在室溫和常壓條件下能迅速吸氫（H H2 2）并反應生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯）并反應生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯 存起來，在需要的時候，適當加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。存起來，在需要的時候，適當加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。 1 1、金屬氫化物儲氫特點、金屬氫化物儲氫特點 反應可逆反應可逆M+xM+x/2H/2H2 2 MHMHx x+ H+ H 氫以原子形式存儲，固態(tài)儲氫，

57、安全可靠氫以原子形式存儲，固態(tài)儲氫，安全可靠 較高的儲氫體積密度較高的儲氫體積密度 高純氫高純氫 2 2、儲氫原理、儲氫原理 在一定溫度和壓力下，氫可與許多金屬、合金和金屬間化合物生成金屬固溶體在一定溫度和壓力下，氫可與許多金屬、合金和金屬間化合物生成金屬固溶體MM（HxHx） 和和MM（HyHy），反應分三步進行：），反應分三步進行： （1 1）開始吸收少量氫后，形成含氫固溶體（）開始吸收少量氫后，形成含氫固溶體（ 相），合金結(jié)構(gòu)保持不變。相），合金結(jié)構(gòu)保持不變。 （2 2）固溶體進一步與氫反應，產(chǎn)生相變，生成氫化物（）固溶體進一步與氫反應，產(chǎn)生相變，生成氫化物（ 相）相） （3 3）再提高

58、氫壓，金屬中的氫含量略有增加。）再提高氫壓，金屬中的氫含量略有增加。 這個反應是一個可逆反應，吸氫時放熱，吸熱時放出氫氣。這個反應是一個可逆反應，吸氫時放熱，吸熱時放出氫氣。 3 3、金屬氫化物平衡分解壓與溫度的關(guān)系、金屬氫化物平衡分解壓與溫度的關(guān)系 金屬吸氫和放氫是一種金屬和氫氣的相平衡反應，而影響平衡的因素是溫度、壓力和成分。金屬吸氫和放氫是一種金屬和氫氣的相平衡反應，而影響平衡的因素是溫度、壓力和成分。 因此可以將溫度、壓力及成分作為控制氫的吸收和放出的要素。反應過程中，壓力因此可以將溫度、壓力及成分作為控制氫的吸收和放出的要素。反應過程中，壓力P-P-濃度濃度C-C- 等溫溫度等溫溫度

59、T T之間的關(guān)系可用之間的關(guān)系可用P-C-TP-C-T曲線表示。曲線表示。 P-C-TP-C-T曲線是儲氫材料的重要特征曲線，它可反映出儲氫合金在工程應用中的許多重要特曲線是儲氫材料的重要特征曲線，它可反映出儲氫合金在工程應用中的許多重要特 性，例如通過該圖可以了解金屬氫化物中能含多少氫（性，例如通過該圖可以了解金屬氫化物中能含多少氫（%）和任一溫度下的分解壓力值）和任一溫度下的分解壓力值 四、貯氫合金四、貯氫合金 1 1、作為貯氫合金的條件、作為貯氫合金的條件 貯氫合金是由氫的吸收元素和氫的非吸收元素組成的金屬間化合物。如在貯氫合金是由氫的吸收元素和氫的非吸收元素組成的金屬間化合物。如在La

60、NiLaNi5 5中，中，LaLa 為吸氫元素，為吸氫元素，NiNi為非吸收元素，在為非吸收元素，在FeTiFeTi中中TiTi是吸收元素，而是吸收元素，而FeFe是非吸收元素。是非吸收元素。 這說明了合金氫化物的性質(zhì)介于每個組元純金屬氫化物的性質(zhì)之間，不會出現(xiàn)跳躍或漏這說明了合金氫化物的性質(zhì)介于每個組元純金屬氫化物的性質(zhì)之間，不會出現(xiàn)跳躍或漏 掉的特性。掉的特性。 2 2、對貯氫合金的要求、對貯氫合金的要求 （1 1）吸氫量大，釋放量也大。）吸氫量大，釋放量也大。 （2 2）用于貯氫時生成熱盡量小，蓄熱時生成熱盡量大，）用于貯氫時生成熱盡量小，蓄熱時生成熱盡量大， （3 3）平衡氫壓適當。室