新型金屬材料制備與應用前景

1、新型金屬材料制備與應用前景冶金 115 05 李凌云摘要：有色金屬是高技術發(fā)展的支撐材料，產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度高達90以上。新世紀以來，物質(zhì)科學、材料科 技、生命科學、信息科技等領域都醞釀著巨大 的發(fā)展突破，無疑將為有色金屬的應用開辟廣泛空間。未來，有色金屬工業(yè) 將同全球產(chǎn)業(yè)革命息息相關。本文將介幾種新型金屬材料的制備與應用前景。 關鍵詞：金屬 新材料 制備 應用金屬是人類使用的最多，最悠久的材料之一。隨著時代的發(fā)展和技術的進 步，人們對與金屬材料的要求也越來越高，特種金屬功能材料是指具有獨特 的聲、光、電、熱、磁等性能的金屬材料。 新型金屬材料的制備和應用技術在當下有 著越來越重要的地位。下面就來介紹

2、幾種新型金屬材料。1形狀記憶合金的發(fā)展、制備與應用前景1.1 形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展 縱觀形狀記憶合金的發(fā)展，與鋼鐵、鋁合金等廣泛使用的金屬相比， 形狀記憶合金是一種具有感知和驅(qū)動能力的新型功能材料，其應用的最大價值 在于 “記憶”效應（Shape Memory Effect，簡稱SME?！坝洃洝毙陌l(fā)現(xiàn)最 早要追溯到 1932年，由瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到。合金的形狀在 某一溫度下受外力被改變，當外力去除時，仍保持變形后的形狀，但一旦加熱 到一定的躍變溫度時，材料又可以自動回復到原來的形狀，似乎對以前的形狀 保持記憶，這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金 （Shape memor

3、y Alloy 簡稱 SMA。形狀記憶效應是指形狀記憶合金材料在完全母相狀態(tài)下定型，然后冷卻 到一定溫度形成完全馬氏體，將馬氏體在該溫度下施加變形，使它產(chǎn)生殘余變 形，如果從變形溫度加熱，伴隨逆相變，就可以使原來存在的殘余變形消失， 并回復到母相所固有的形狀，仿佛合金記住了母相狀態(tài)所賦予的形狀。當馬氏 體變形后經(jīng)逆相變，能恢復母相形狀的稱為單程形狀記憶效應。有的材料經(jīng)適 當“訓練”后，不但對母相形狀具有記憶，而且在再次冷卻時能恢復馬氏體變 形后的形狀，稱為雙程形狀記憶效應。 形狀記憶效應被發(fā)現(xiàn)之后，人們從未停 止過對記憶效應微觀原理的探索，并逐步利用這一特性來應用于特殊的場合。 形狀記憶合金最

4、早應用于工業(yè)生產(chǎn)是在 1969年，人們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)徑比對接管子外徑 略微小一點的短管（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。 據(jù)外國資料介紹，美國的F-14戰(zhàn)斗機使用了 10萬個以上的類似這樣的接頭來連 接液雁管道，從未發(fā)生過漏油、脫落或破損事故。應用最早也最廣泛的形狀記 憶合金是鎳鈦形狀記憶合金，但為了進一步提升合金其他方面的性能，諸如耐 高溫性能、抗疲勞性能等，人們向鐵鎳

5、合金中不斷嘗試添加其他元素，從而進 一步研究開發(fā)了鈦鎳鐵、欽鎳銅、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金。除此以 外，其他種類的形狀記憶合金也相繼問世，如鐵系合金、銅鋅系合金、銅鎳系 合金等。人們還通過改變形狀記憶合金的組織結構來獲得某一優(yōu)良性能，如多 孔鎳鈦形狀記憶合金，其組織內(nèi)數(shù)量巨大的晶界（包括孿晶晶界）和內(nèi)部大量 的微孔結構使得合金具備了優(yōu)于一般合金材料的阻尼特性，從而能夠應用于減1.2 形狀記憶舍金的制備方法1.2.1 自蔓延高溫合成法 自蔓延高溫合成法也稱燃燒合成法，其實質(zhì)是燃燒合成。具體流程是 將按一定比例配置好的合金元素粉末均勻混合， 并施加壓力形成一定的形狀后， 在一定溫度下置于保護

6、氣體中局部點燃，使反應自蔓延傳播，待燃燒完畢后便 可生成化合物。按照燃燒方式的不同，自蔓延可分為熱爆模式和層燃模式。自 蔓延燃燒合成法可制備非平衡態(tài)、非化學計量比和功能梯度材料，具有合成速 度快、節(jié)能及產(chǎn)物純度高、多孔、離散性大等優(yōu)點。1.2.2 常規(guī)粉末燒結法 以鎳鈦舍金為例，常規(guī)粉末燒結法是將鎳、鈦金屬粉末 昆合均勻后，在某一較高的溫度下長時間燒結，形成合金。反應過程中，鈦原子的遷移擴散 速率較鎳原子的遷移擴散速率大， 故鈦原子更易于擴散至鎳顆粒間并與其化合， 鈦原子處則由于沒有擴散來的原子補償，會形成微孔，這一現(xiàn)象被稱為柯肯達 爾效應。由于柯肯達爾效應的作用，長時間燒結的鎳、鈦金屬粉末最

7、終獲得多 孔的鎳鈦合金。 常規(guī)粉末燒結法的工藝過程簡單易行、 反應可控、技術要求低。 但同時反應方式的局限性也導致生產(chǎn)過程費時、材料孔隙率低、孔隙尺寸不大 及合金組織均一性不高等缺點。1.2.3 熱等靜壓法 熱等靜壓法也是利用金屬粉末燒結成型的原理，是目前制備形狀記憶 合金的教有效和較理想的手段。熱等靜壓法是將特定氣體作為壓力媒介，在加 熱燒結過程中對粉體或坯料施加氣體壓力來制備合金的方法。由于氣體本身的 性質(zhì)，無論被成型材料幾何形狀如何，氣體產(chǎn)生的高壓力均能保持其各個方向 上受壓力相同或相近。同時，高壓氣體也能像液體一樣滲入粉體或坯料中的空 洞，這樣，在高溫高壓的共同作用下，合金內(nèi)部的缺陷和

8、孔洞易被消除，晶體 組織結構改善，并伴隨著材料致密度和強度大幅提高，綜合性能優(yōu)異。但熱等 箭壓法繼承了燒結法燒結時間長的缺點，設備投入也較大。1.3 形狀記憶合金的應用前景1.3 1 建筑工程材料 形狀記憶合金在建筑工程上的應用的例子還很少，現(xiàn)在研究較多的是 SM智能混凝土。SM智能混凝土通過在混凝土結構中植入形狀記憶合金來 改善混凝土諸多性能。 由于形狀記憶合金具有形狀記憶效應、 超彈性效應、 高阻尼等特性，其加入到混凝土中可以增加結構阻尼， 提高建筑物的抗震能力， 并且能夠自我感知、自我修復，達到建筑結構、控制一體化，使工程材料向智 能化發(fā)展。1.3.2 減震材料使用形狀記憶合金能夠開發(fā)出

9、優(yōu)良的減震器，其工作原理是在SM裝置變形后，會產(chǎn)生較大的變形位移耗能，減少下部結構地震能量向上部結構的傳 輸，從而達到保護上部結構的目的，提高結構的抗震性能。1.3.3 機械工程材料將形狀記憶合金加工成特定的形狀， 可充當機械工程中的連接緊固件， 如管接頭、緊固鉚釘、緊固圈等，由于形狀記憶效應，緊固件工作更加穩(wěn)定可 靠。1.3.4 醫(yī)用材料 在醫(yī)學中應用最廣泛的是多孔鎳鈦記憶合金，主要用于人體骨骼的替換和修補。鎳鈦合金具有與人體骨骼強度相當?shù)膹姸龋瑫r其多孔的特性保證 植入人體后不會因為纖維組織的包覆而使植人材料產(chǎn)生松動或偏移而失效，使 植入物號被修復骨組織形成牢固的結合體。其優(yōu)于其他材料的形

10、狀記憶效應又 使得植入過程變得容易，降低手術難度，減輕病人的痛苦。人們在鎳鈦合金與 人體相容性方面又做了大量的研究工作，新的材料甚至能促進骨組織的生長， 植人物與肌體組織的排異反應也大為降低。2超導材料的應用及前景展望2.1 超導材料應用2.1.1 超導材料在電力技術中的應用 當今，電已經(jīng)成為人們生活及社會生產(chǎn)等不可或缺的一方面。如何提高超導電力技術作為一種高效節(jié)能的供電方式，被美國能源部譽為“21世紀電力工業(yè)唯一的高新技術”。超導技術的研究為我們研究電力開辟了一條新的道2.1.1.1 超導電纜人們將無電阻損耗、 高電流密度的低溫或高溫超導線材制成超導電纜， 并以液態(tài)氦或液態(tài)氮作為冷卻介質(zhì)冷卻

11、。超導電纜電流輸送能力高于同樣截面 的普通電纜 2-4 倍；損耗僅為常規(guī)電纜的 10%葚至更低；其強大的載流能力可減 少輸電線的使用，節(jié)約資源；同時符合綠色地球理念，綠色無污染。2.1.1.2 超導發(fā)電機 超導發(fā)電機的應用是在常規(guī)發(fā)電機的基礎上，把發(fā)電機轉(zhuǎn)子用超導材 料代替而制成的。超導發(fā)電機體積僅是常規(guī)發(fā)電機的 1/2 ，重量為常規(guī)發(fā)電機的 1/3 ，但它的發(fā)電效率卻可提高 50%，緊湊性也大為提高。在飛機、艦艇等方面 應用超導發(fā)電機，可以使超導發(fā)電機如魚得水的發(fā)揮其優(yōu)勢，同時也可滿足人 們在速度效率等方面的要求除超導電纜，超導發(fā)電機外，超導電力技術還被應 用在了超導變壓器，超導故障電流限制

12、器，超導儲能器等方面，可以說超導材 料的不斷發(fā)展也伴隨著電力技術的不斷進步。2.1.2 超導在交通領域的應用 隨著人們對出行方式的不斷優(yōu)化，超導磁懸浮列車將會作為一種新的 交通工具走進人們的生活。 磁懸浮列車以其優(yōu)于常規(guī)列車的速度， 環(huán)境友好性， 安全性，爬坡能力，舒適度等特性，必將極大地改善人們的出行方式與質(zhì)量。 磁懸浮列車的研制，也符合當前改善交通擁堵問題的基本要求。2.1.3 超導在醫(yī)療領域的應用 利用超導材料的周圍磁場高均勻度，超級導磁能力等性質(zhì)，超導體被 運用在某些檢測儀器中。例如超導技術在醫(yī)療上應用的成功范例之一核磁 共振儀。核磁共振成像在主磁體采用超導磁體后，磁場強度更強，穩(wěn)定性

13、大大 提高，縮短了測量時間且成像更加清晰。 它可以用來進行某些疾病的早期診斷， 如檢查骨頭或肌肉的損傷以及癌癥等疾病，中醫(yī)經(jīng)絡原理的研究，化學活體檢 測等。2.2超導材料發(fā)展隨著科技的日新月異， 新的超導材料不斷被發(fā)現(xiàn)。 但因不同的本征特征， 合成工藝及環(huán)境污染等因素的限制，使得有的超導材料失去了實用價值，而有 的超導材料卻極具實用價值。如制造超導電纜的各種線材，磁懸浮列車的應用 等。以磁懸浮列車為例，目前磁懸浮列車技術處于前列的是日本與德國，日本 與德國分別于 1962年、 1968年開始研究磁懸浮技術。德國在 1971年進行了時速 90km/h的列車載人實驗，日本在1972年研制出了時速達

14、204km/h的列車，而中國 在1994年磁懸浮列車載人實驗成功，成為了掌握磁懸浮技術的少數(shù)國家之一， 繼而在 2002年研制出了可以載客的磁懸浮列車。除以上談到的發(fā)展之外，超導材料還在制造超導邏輯器件與超導電腦，航 海與航空領域等得以發(fā)展。2.3超導材料前景展望超導技術是 21世紀具有戰(zhàn)略意義的高科技， 它的研制將會帶來難以估測經(jīng) 濟及社會效益。當超導材料及技術達到普及之后 會給國家?guī)碜兏镄缘挠绊懀?我國的科技水平的提高以及綜合國力的提升，也會邁上一個新的臺階。因此， 對于超導的研究，將會是各國的一個熱點問題。例如，美國將超導技術作為能 源戰(zhàn)略之一，以此足見超導材料的重要性。3半導體材料的

15、制備Zn0是一種應用較廣的半導體材料，在很多光學器件和電學器件中有很廣泛 的應用，由此也產(chǎn)生了多種納米半導體器件的制備方法，主要有以下幾種：3.1 模板制備法 模板制備法是一種用化學方法進行納米材料制備的方法，被廣泛地用 來合成各種各樣的納米棒、納米線、納米管等。此種方法使分散的納米粒子在 已做好的納米模板中成核和生長，因此，納米模板的尺寸和形狀決定了納米產(chǎn) 物的外部特征?？茖W家們已經(jīng)利用直徑為 40 nm和20 nm左右的多種氧化鋁模板 得到了高度有序的Zn0納米線。鄭華均等人用電化學陽極氧化一化學溶蝕技術制 備出了一種新型鋁基納米點陣模板，此模板由無數(shù)納米凹點和凸點構成，并在 此模板上沉積

16、出ZnQ納米薄膜。此外，李長全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸鈉為 模板制備出Zn0納米管。該方法優(yōu)點：較容易控制納米產(chǎn)物的尺寸、形狀。缺點： 需要模板有較高的質(zhì)量。3.2 物理氣相沉積 (PVD)物理氣相沉積可以用來制備一維Zn0納米線和二維Zn0納米薄膜，原理 是通過對含Zn材料迸行濺射、蒸發(fā)或電離等過程，產(chǎn)生 Zn粒子并與反應氣體中 的C反應，生成Zn0化合物，在襯底表面沉積。物理氣象沉積技術已經(jīng)演化出三 種不同的方法，它們是真空蒸發(fā)法，真空濺射法和離子鍍，離子鍍是目前應用 較廣的。離子鍍是人們在實踐中獲得的一種新技術，將真空蒸發(fā)法和濺射法結 合起來，在高真空環(huán)境中加熱材料使之汽化后通入氫氣，

17、在基體相對于材料間 加負高壓，產(chǎn)生輝光放電，通過電場作用使大量被電離的材料的正離子射向負 高壓的襯底，進行沉積。張琦鋒、孫暉等人用氣相沉積方法已經(jīng)制備出了一維 Zn0納米半導體材料。優(yōu)點：所得到的納米產(chǎn)物純度高，污染?。槐∧ず穸纫子?控制；材料不受限制。但是這種方法對真空度要求較高。3.3 脈沖激光沉積( Pulsed Laser Deposition)脈沖激光沉積也稱PLD常用于納米薄膜的制備。其工作原理就是用特 定波長和功率的激光脈沖聚焦光束，濺射真空狀態(tài)下特定氣壓中的加熱靶材， 激光束與靶材相互作用而產(chǎn)生的粒子團噴射到襯底表面，通過控制氣流速度控 制材料在襯底表面的沉積速度。牛海軍等人用

18、一種新穎的垂直靶向脈沖激光沉 積(VIP LD)方法，在常溫常壓空氣環(huán)境下，在玻璃基底上得到 Zn0納米薄膜。該 方法優(yōu)點：制備的薄膜物質(zhì)比例與靶材相同；實驗控制條件較少，易于控制； 襯底溫度要求較低。缺點：薄膜雜志較多；單純?yōu)R射產(chǎn)生的粒子團密度不易控 制，因此無法大面積生長均勻的薄膜。3.4 分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy)分子束外延(MBE)技術可以制備高質(zhì)量薄膜。MB技術可以在特定超高 真空條件下較為精確的控制分子束強度，把分子束入射到被加熱的基片上，可 使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。分子束外延設備 主要包括超高真空系統(tǒng)、分子束源、樣品

19、架、四極質(zhì)譜計 QM和反射式高能電子 衍射裝置RH EED周映雪等人利用分子束外延(MBE)和氧等離子體源輔助MB方 法分別在三種不同襯底硅 (100) 、砷化鎵(100) 和藍寶石(0001)上先制備合適的 緩沖層，然后在緩沖層上得到外延生長的Zn0薄膜。該方法優(yōu)點：生長速度極慢， 每秒110;薄膜可控性較強；外延生長所需溫度較低。缺點：真空環(huán)境要求較 高；無法大量生產(chǎn)。目前常用于生長高質(zhì)量的 Zn0薄膜分子束外延有兩種：一種 是等離子增強，另一種是激光，兩種方法均已生長出高質(zhì)量的Zn0薄膜。4納米磁性材料的制備 納米磁性材料的制備主要分為磁流體的制備、納米磁性微粒的制備、 納米磁性微晶的制

20、備以及納米磁性復合材料的制備。4.1 磁流體的制備磁性流體指的是吸附有表面活性劑的磁性微粒在基液中高度彌散分布 而形成的穩(wěn)定膠體體系，它由三部分組成：磁性粒子、基液和表面活性劑 (穩(wěn)定劑)。其中鐵磁性顆粒一般選取四氧化三鐵和鐵、鈷、鎳等磁性好 的超細顆粒。正是由于鐵磁性顆粒分散在基液中，因而磁流體呈現(xiàn)磁性。最常 用的穩(wěn)定劑有油酸、丁二酸、氟醚酸，能夠防止磁性顆粒相互聚集，即使在重 力、電場力、磁場力等力的作用下磁流體亦能長期穩(wěn)定存在，不產(chǎn)生沉淀。基 液的種類很多，可以是水、煤油和汞等。磁流體的制備方法有物理法和化學法。物理法又可分為研磨法、蒸發(fā) 冷凝法、超聲波法、機械合成法、等離子 CV法等；

21、化學法又可分為氣相沉積 法、水熱合咸法、溶膠凝膠法、溶劑蒸發(fā)法、熱分解法、微乳液法及化學 沉降法等。這些方法各具有優(yōu)缺點，根據(jù)不同的需求選擇不同的制備方法。 研磨法一般是在表面活性劑存在下，研磨幾周制得。此法工藝簡單，耗能高， 制備的微粒粒徑分布不均勻；材料利用率低，球磨罐及球的磨損嚴重，雜質(zhì)較 多，成本昂貴，還不能得到高濃度的磁流體，因而實用性差。 蒸發(fā)冷凝法 是在旋轉(zhuǎn)的真空滾筒的底部放入含有表面活性劑的基液，隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)，要 其內(nèi)表面上形成一液體膜。該法制備的金屬磁性液體具有磁性粒子分布均勻、 分散性好的特點。超聲波法是在磁流體中加入高分子物質(zhì)作穩(wěn)定劑，將易揮發(fā)的金屬有 機物在純氧條件下

22、超聲處理，可制得粒徑分布均一的磁流體?；瘜W沉淀法是最經(jīng)濟的制備納米流體的方法。用該方法能夠制成穩(wěn)定 的ZD基磁性液體，在磁場和電場中長期放置或高速離心沒有觀測到分層或沉淀 現(xiàn)象。熱分解法是在載液中加入表面活性劑和金屬羰基化合物進行回流，羰 基化合物便分解生成磁性超微金屬粒子，吸附表面活性劑后分散到載液里形成 金屬磁流體。產(chǎn)生的CO體會污染環(huán)境，不適宜規(guī)模生產(chǎn)。4.2 磁性微粒的制備方法磁性微粒的制備方法有分散法、 單體聚合法、沉淀法、化學轉(zhuǎn)化法等。 利用納米礅性微粒構成海綿狀體和輕燒結體可制成多種用途的器件，廣泛用于 各種過濾器、活性電極材料，如備受關注的汽車尾氣交凈化器。4.3 納米磁性微晶

23、的制備方法非晶化方法制備納米晶粒是通過控制非晶態(tài)固體的晶化動力學過程， 將非晶化材料轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米尺寸的晶粒，是目前較常用的方法，尤其適合于薄膜 材料與磁性材料的研究中。深度塑形變形法制備納米晶體：該方法是材料在準靜態(tài)壓力的作用下 發(fā)生嚴重塑性變形，從而將材料的晶粒尺寸在力的作用下發(fā)生嚴重塑性變形， 材料的晶粒尺寸細化到納米量級。4.4 納米磁性結構復合材料的制備方法由于磁性復合材料的種類繁多，因此其制備方法也不盡相同。同一種 功能材料可以采用不同的制備方法，也可以用同一種方法制備出不同功能 的復合材料。4.5 納米磁性材料的應用納米磁性材料是當今世界材料領域的研究熱點之一， 在高密度磁記錄、 磁

24、流體、磁傳感器和微波材料以及催化、 環(huán)境治理等方面將得到廣泛應用。 4.5.1 在磁記錄，通訊及計算機方面的應用 磁性納米材料由于其特殊的超順磁性，因而在巨磁電阻、磁性液體和 磁記錄、軟磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探測器等方面 具有廣闊的應用前景。納米氧化鐵是新型高磁記錄材料，記錄密度是普通氧化 鐵的 1 0倍。超順磁性納米微粒的磁性液體被廣泛用在宇航和部分民用領域作為 長壽命的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封。軟磁鐵氧體在無線電通訊、廣播電視、自動控制宇宙 航行、雷達導航、測量儀表、計算機、印刷、家用電器等方面均得到了廣泛應 用。稀土納米材料尺寸小、具有單疇結構，矯頑力很高，用于制作磁記錄材料

25、 可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。4.5.2 在納米永磁材料方面的應用 對于永磁材料，要求磁性強、保持磁性的能力強、磁性穩(wěn)定，即要求永磁材料具有高的最大磁能積 (B H) max 、高的剩余磁通密度 (Br) 和高的矯 頑力(H0),同時要求這三個磁學量對溫度等環(huán)境條件具有較高的穩(wěn)定性。在一 定條件下，納米磁性材料可得到單疇結構，可顯著提高永磁材料的矯頑力和永 磁性能；其性能比普通永磁材料更優(yōu)越，永磁性能可以隨合金的組元、含量和 制造工藝等不同而有顯著的變化。目前研究較多的主要有鐵鉻釩系、釹鐵硼系 和鐵鉻鈷系，這些合金摻雜少量其它元素，如鈦、銅、鈷、鎢等還可進一步改 善其永磁性或加工性。還有是稀土永磁材料，一些稀土元素具有較高的原子磁 矩、高的磁晶各向異性、 高的磁致伸縮系數(shù)、 高的磁光效應及低的磁轉(zhuǎn)變點 (居 里點)且以稀土永磁材料制成的電機高效節(jié)能方面符合節(jié)能減排的要求。4.5.3 在生物醫(yī)學領域的應用運用于生物醫(yī)學領域的納米材料被稱之為納米生物材料，其中具有生 物相容性和一定生物醫(yī)學功能的磁性納米生物材料具有小尺寸效應，良好的磁 導向性、生物相容性、生物降解性和活動性功能基團等特點。納米磁性材料經(jīng) 過表面