《機(jī)械工程材料(第4版)》教學(xué)課件第10章功能材料

1、第十章 功能材料FUNCTIONAL MATERIALS 第十章 功能材料第一節(jié) 概述 一、什么是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)的材料 二、功能材料的分類按應(yīng)用領(lǐng)域按使用性能 金 屬 功 能 材 料陶瓷功能材料高分子功能材料復(fù)合功能材料電工材料能源材料信息材料光學(xué)材料儀器儀表材料航空航天材料光功能材料隱形材料熱功能材料聲功能材料電功能材料磁功能材料按化學(xué)成分THE END第一節(jié) 概述 一、什么是功能材料以特殊的電、磁、聲、第二節(jié) 電功能材料 一、固體的能帶理論簡(jiǎn)介利用其電學(xué)性能或各種電效應(yīng)的材料 1. 能帶的形成 大量原子組成晶體時(shí)，各個(gè)原子的電子云

2、重疊而使能級(jí)分裂。由N 個(gè)原子組成的晶體， N 個(gè)相同能級(jí)構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的能量帶能帶第二節(jié) 電功能材料 一、固體的能帶理論簡(jiǎn)介利用其電學(xué)能級(jí)能帶能級(jí)重疊能級(jí)能帶能級(jí)重疊能帶理論禁帶：能帶之間不存在電子能級(jí)的區(qū)域。價(jià)帶：價(jià)電子填充的能帶?？諑В簝r(jià)帶上面的能帶。導(dǎo)帶：最靠近價(jià)帶的空帶?？諑В▽?dǎo)帶）禁帶價(jià)帶滿帶滿帶1s2s2p3s能帶理論禁帶：能帶之間不存在電子能級(jí)的區(qū)域。價(jià)帶：價(jià)電子填充 2. 絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)比較THE END能隙價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能量間隙稱為能隙，也稱禁帶寬度，其大小用Eg表示。 絕緣體：能隙較大 導(dǎo)體：能隙為零 半導(dǎo)體：能隙較小價(jià)帶導(dǎo)帶能隙 2. 絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)

3、體的能帶結(jié)構(gòu)比較THE EN 二、半導(dǎo)體 1. 本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體高純度的不摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體. 如Si、Ge導(dǎo)電性溫 度本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性隨溫度的變化示意圖本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度的變化 二、半導(dǎo)體 1. 本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo) 2. 摻雜半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻入少量特定雜質(zhì)的半導(dǎo)體. 摻雜半導(dǎo)體n 型半導(dǎo)體p 型半導(dǎo)體1) n 型半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻入少量A族（P、As、Sb）雜質(zhì)的半導(dǎo)體。n 型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性隨溫度的變化示意圖 2. 摻雜半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻入少量特定雜質(zhì)的2) p 型半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻入少量A族（B、Al、Ga、In）雜質(zhì)的半導(dǎo)體。

4、p 型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化與 n 型半導(dǎo)體的相似3) p-n 結(jié)p 型或 n 型半導(dǎo)體不能直接用來(lái)制造半導(dǎo)體器件，必須制備成 p-n 結(jié)，才具有單向?qū)щ娞匦?) p 型半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻入少量A族（B、A1) 元素半導(dǎo)體 3. 常用半導(dǎo)體材料Si、Ge、Se、TeSi是制造大規(guī)模集成電路的關(guān)鍵材料。2) 化合物半導(dǎo)體GaAs、CdS 、GeS等應(yīng)用最廣泛的是Si。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體摻雜P-N結(jié)1) 元素半導(dǎo)體 3. 常用半導(dǎo)體材料Si、Ge、Se化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用(GaAs)制備發(fā)光二極管，優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高、低電壓、小電流、低功耗、高速響應(yīng)和高亮度等，容易與晶體管集成電路匹配，用于固

5、體顯示器、信號(hào)顯示、文字顯示等。還可以用于微波及毫米波的放大、震蕩調(diào)制和高速邏輯電路等。化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用(GaAs)制備發(fā)光二極管，優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率特點(diǎn)及應(yīng)用：物理性能隨著成分連續(xù)變化，可制成高速響應(yīng)器件、滿足高頻調(diào)制、外差探測(cè)和光通信等；目前最重要的紅外探測(cè)器材料，可覆蓋1-25mm的紅外波段。3) 固溶體半導(dǎo)體Bi-Sb二元系多元系Hg-Cd-TeGa-As-P應(yīng)用最多特點(diǎn)及應(yīng)用：物理性能隨著成分連續(xù)變化，可制成高速響應(yīng)器件、滿 三、超導(dǎo)材料 1. 超導(dǎo)現(xiàn)象材料的電阻隨溫度降低而減小，并最終呈現(xiàn)零電阻TC超導(dǎo)臨界溫度超導(dǎo)材料：具有超導(dǎo)特性的材料。 三、超導(dǎo)材料 1. 超導(dǎo)現(xiàn)象材料的電阻隨溫

6、度降低 2. 超導(dǎo)體的基本特性1) 零電阻閉合回路中電流永久流動(dòng)2) 抗磁性(邁斯納效應(yīng))3) 約瑟夫森效應(yīng)電子可穿過超導(dǎo)體中的絕緣體夾層(1nm)JC臨界電流密度HC臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度磁懸浮 2. 超導(dǎo)體的基本特性1) 零電阻閉合回路中電流永久 3. 常用超導(dǎo)材料1) 元素超導(dǎo)體 共26種：Ti，Zr TC太低（最高的Nb, 9.2K）, 無(wú)實(shí)用價(jià)值2) 合金超導(dǎo)體 （23.2K）, Ti-Nb 系合金（10K） GeNb3 強(qiáng)度高，HC低， 早期應(yīng)用JC高，3) 金屬間化合物超導(dǎo)體 脆性大，不易加工成帶材、線材 （18.3K）, Nb3SnHC 比合金超導(dǎo)體高 3. 常用超導(dǎo)材料1) 元素超導(dǎo)體

7、 共26種：Ti4) 陶瓷超導(dǎo)體 YBaCuO（90K）, BiCrCoCuO（110K）, TiBaCaCuO（120K） 可在液氮溫度（77K），稱為高溫超導(dǎo)體 可望實(shí)用5) 高分子超導(dǎo)體 在數(shù)億帕氣壓下，可超導(dǎo)，但 低（10K）TC 4. 超導(dǎo)材料應(yīng)用舉例4) 陶瓷超導(dǎo)體 YBaCuO（90K）, BiCrCo科技部門戶網(wǎng)站 2011年11月16日 來(lái)源：科技部科技部門戶網(wǎng)站 超導(dǎo)磁體的場(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng),成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低,一個(gè)直徑為3.5米,磁感強(qiáng)度為2特的超導(dǎo)磁體和常規(guī)銅線繞成磁體相比,超導(dǎo)體的建造和運(yùn)轉(zhuǎn)總費(fèi)用是262萬(wàn)美元,常規(guī)的是638萬(wàn)美元。 THE END超導(dǎo)磁體的場(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng),成本和運(yùn)轉(zhuǎn)

8、費(fèi)用低,一個(gè)直徑為3.5米,磁德國(guó)的常導(dǎo)磁浮列車2004年我國(guó)自制的新原理超導(dǎo)磁浮列車日本的超導(dǎo)磁浮列車磁浮列車德國(guó)的常導(dǎo)磁浮列車2004年我國(guó)自制的新原理超導(dǎo)磁浮列車日本超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)電纜THE END超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)電纜THE END強(qiáng)磁場(chǎng)處理種子超導(dǎo)磁分離裝置THE END強(qiáng)磁場(chǎng)處理種子超導(dǎo)磁分離裝置THE END在軍事工業(yè)中的應(yīng)用THE END在軍事工業(yè)中的應(yīng)用THE END 1. 軟磁材料的特性 一、軟磁材料在外磁場(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。 高磁導(dǎo)率，高的磁感應(yīng)強(qiáng)度、低矯頑力較高電阻、反復(fù)磁化、退磁電能損耗小第三節(jié) 磁功能材料 1. 軟磁材料的特性 一、軟磁材

9、料在外磁場(chǎng)作用下 2. 常用軟磁材料1) 電工純鐵2) 硅鋼片3) Fe-Al合金4) 鐵氧體軟磁材料適用于直流變壓器鐵芯適用于交流變壓器鐵芯適用于弱磁場(chǎng)變壓器鐵芯以 為主要成分的復(fù)相氧化物，廣泛用于廣播、通訊和電視工業(yè)，是制作磁性天線、中周變壓器、增感線圈、電視聚集線圈的重要材料Fe2O3 2. 常用軟磁材料1) 電工純鐵2) 硅鋼片3) F 1. 硬磁材料的特性 二、硬磁材料在外磁場(chǎng)作用下不容易磁化，去掉外磁場(chǎng)時(shí)又不容易去磁的磁性材料。 低磁導(dǎo)率，高矯頑力 2. 常用硬磁材料1) 鋁鎳鈷系（Fe-Ai-Ni-Co, 阿爾尼科）良好的磁特性和熱穩(wěn)定性，剩磁高，磁能面積大，矯頑力適中。硬而脆，

10、難加工。鑄造或粉末燒結(jié)成形。剩磁高、磁滯損耗大、抗干擾性好 1. 硬磁材料的特性 二、硬磁材料在外磁場(chǎng)作用下3) 稀土系永磁（釹鐵硼永磁合金，磁王）與金屬因此材料相比，電阻大、渦流損失小，成本低，耐化學(xué)腐蝕稀土元素與過渡族金屬Fe、Co、Cu、Zr等或非金屬元素B、C、N等組成的化合物。2) 鐵氧體硬磁材料（ BaFe12O9 ，鋇恒磁）高矯頑力，磁能面積最大，而且體積小、重量輕、比功率大、效率高、成本較低3) 稀土系永磁（釹鐵硼永磁合金，磁王）與金屬因此材料相比，硬磁材料的應(yīng)用實(shí)例可以單獨(dú)使用或者組成磁器件，在發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)量?jī)x器、發(fā)聲裝置、微波器件、質(zhì)譜儀、核磁共振成像儀等。需要10噸

11、的釹鐵硼永磁鐵石油管中的除臘裝置：在油管中形成磁路，原油經(jīng)過時(shí)臘不易析出，減少了油井因清臘而停產(chǎn)的次數(shù)。美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的磁質(zhì)譜儀用6000塊釹鐵硼永磁鐵構(gòu)成質(zhì)量達(dá)2噸的關(guān)鍵部件。核磁共振成像儀硬磁材料的應(yīng)用實(shí)例可以單獨(dú)使用或者組成磁器件，在發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)三 磁致伸縮材料1 磁致伸縮現(xiàn)象磁性材料在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生伸長(zhǎng)或者縮短的現(xiàn)象。2 常用的磁致伸縮材料（1）金屬磁致伸縮材料Fe-Co（49%）-V（2%）8%Al-Fe46%Ni-FeNi：電阻低、渦流損耗大、高疲勞強(qiáng)度、耐蝕性好主要用于100W以下的超聲裝置中高的飽和感應(yīng)強(qiáng)度、高居里溫度，適合大功率裝置三 磁致伸縮材料1 磁致伸縮現(xiàn)象磁性材

12、料在外磁場(chǎng)作用下(2) 磁致伸縮諧振子及其應(yīng)用利用磁致伸縮特性制備磁致伸縮諧振子，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。典型應(yīng)用：產(chǎn)生超聲波超聲波裝置醫(yī)學(xué)B超影像超聲波確定位置(2) 磁致伸縮諧振子及其應(yīng)用利用磁致伸縮特性制備磁致伸縮諧第四節(jié) 熱功能材料 熱功能材料：隨著溫度的變化，有些材料的某些物理性能發(fā)生變化，比如熱脹冷縮、形狀記憶效應(yīng)和熱電效應(yīng)等，將其稱為熱功能材料。熱功能材料形狀記憶材料膨脹材料測(cè)溫材料第四節(jié) 熱功能材料 熱功能材料：隨著溫度的變化，有些材料的一 形狀記憶合金 1 問題的提出 1969年7月20日晚上10時(shí)56分，全世界數(shù)以萬(wàn)計(jì)的科學(xué)家，數(shù)以億計(jì)的公眾凝視著電視屏幕，關(guān)注著那遠(yuǎn)在

13、38萬(wàn)公里以外、乘坐“阿波羅” 11號(hào)登月艙的美國(guó)宇航員阿姆斯特朗在月球上踏下的第一個(gè)人類的腳印，諦聽著這位勇士從月宮里傳回的富于哲理的聲音： “對(duì)一個(gè)人來(lái)說(shuō)，這是一小步；但對(duì)人類來(lái)說(shuō)，這是跨了一大步”。 歷史事件回放一 形狀記憶合金 1 問題的提出 1969年7月 提兩個(gè)問題 宇航員的形象和聲音是怎么從月球上返回來(lái)的呢？ 天線可是一個(gè)直徑數(shù)米的龐然大物，怎么能夠裝在小小的登月艙送上太空呢？ 提兩個(gè)問題 宇航員的形象和聲音是怎么從月球上返回來(lái)的呢？形狀記憶現(xiàn)象（一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)）主要內(nèi)容形狀記憶效應(yīng)形狀記憶原理簡(jiǎn)介常用形狀記憶合金形狀記憶合金應(yīng)用舉例做一個(gè)工程設(shè)計(jì)練習(xí)形狀記憶現(xiàn)象（一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)）主

14、要內(nèi)容形狀記憶效應(yīng)形狀記憶原理THE END 2 形狀記憶現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)THE END 2 形狀記憶現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn) 3 形狀記憶原理簡(jiǎn)介冷卻加熱形狀記憶功能與合金在某一個(gè)臨界溫度以上加熱后快冷母相轉(zhuǎn)變成熱彈性馬氏體有關(guān)。再次加熱，熱彈性馬氏體不分解而是直接轉(zhuǎn)變成目相的晶格結(jié)構(gòu)。形狀記憶原理 3 形狀記憶原理簡(jiǎn)介冷卻加熱形狀記憶功能與合金在某一個(gè)臨單 程雙 程全 程低溫變形初始狀態(tài)加 熱冷 卻 4 形狀記憶效應(yīng) 合金處于低溫相時(shí)變形,加熱到臨界溫度(逆相變點(diǎn))通過逆相變恢復(fù)其原始形狀，稱之為形狀記憶效應(yīng)。包括單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)、全程記憶效應(yīng)。單 程雙 程全 程低溫變形初始狀態(tài)加 熱冷 卻 4

15、單程記憶效應(yīng)單程記憶效應(yīng) 5、常用形狀記憶合金 (1) Ti-Ni 系合金Ti-Ni 系合金Cu 系合金Fe 系合金常用形狀記憶合金 的Ti-Ni 合金是最早成功應(yīng)用的實(shí)用合金，也是目前用量最大的形狀記憶合金。它具有很高的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度及很好的耐蝕性，且密度較小。 Ti-Ni-Nb、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Fe 等是新型的形狀記憶合金。 Ti-Ni 系合金性能優(yōu)良, 但成本高、難加工 5、常用形狀記憶合金 (1) Ti-Ni 系合金Ti Cu-Zn-Al、Cu-Ni-Al 是比較實(shí)用的 Cu 系形狀記憶合金。 （2） Cu 系合金 與Ti-Ni 合金相比，Cu-Ni-Al 功能要差一

16、些，但加工容易，成本低。 Fe 系形狀記憶合金主要有 Fe-Pt、Fe-Pd、 Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Ni-C、Fe-Mn-Si 等系列合金 （3） Fe 系合金 Fe 系形狀記憶合金的成本比 Ti-Ni 系合金及 Cu 系合金低得多，且易于加工， 具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 Cu-Zn-Al、Cu-Ni-Al 是比較實(shí) 中國(guó)科技館里有一件展品, 名叫“魔力水車”. 你看，一個(gè)大大的輪子, 沒有任何驅(qū)動(dòng)力, 但它卻在自動(dòng)地、永不停息地旋轉(zhuǎn)著. 你一定會(huì)感到很奇怪, 為什么它會(huì)無(wú)動(dòng)力地自動(dòng)旋轉(zhuǎn)？ 6 形狀記憶合金應(yīng)用舉例（1）“魔力水車” 中國(guó)科技館里有 6 形狀記憶合金應(yīng)用舉例（ “魔力水車

17、”的葉片是用有雙程記憶功能的形狀記憶合金片制作的，能記住自己兩個(gè)溫度時(shí)的形狀。水槽里的水有60左右，葉片入水后，它要回到60溫度時(shí)的形狀。在形狀變化的過程中，葉片對(duì)水有一個(gè)作用力，水對(duì)葉片的反作用力就使輪子旋轉(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)葉片出水冷卻后，葉片會(huì)恢復(fù)到低溫時(shí)的形狀。葉片的形狀在這兩個(gè)溫度之間循環(huán)變化，就使輪子自動(dòng)地永不停息地旋轉(zhuǎn)。THE END “魔力水車”的葉片是用有雙程記憶功能的形狀記憶合金（2）臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用記憶合金肋骨骨折接骨板 （2）記憶合金肋骨骨折接骨板 （3）日常生活中的應(yīng)用（3）日常生活中的應(yīng)用（4）機(jī)械工程方面的應(yīng)用管接頭和緊固件形狀記憶合金最早的工程應(yīng)用套管第一步：用形狀記憶合

18、金加工套管，套管內(nèi)徑比連接管外徑小4%。第二步：低溫下將形狀記憶合金加工套管擴(kuò)徑約8%。第三步：低溫下將連接管從兩端插入到套管中。第四步：溫度升高，套管收縮到原來(lái)尺寸，形成緊固連接。美國(guó)在某種噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的油壓系統(tǒng)中便使用了一種鎳-鈦合金接頭，從未發(fā)生過漏油、脫落或破損事故。 （4）機(jī)械工程方面的應(yīng)用管接頭和緊固件形狀記憶合金最早的工程（5）航空航天方面的應(yīng)用制造碗狀月面天線（5）航空航天方面的應(yīng)用制造碗狀月面天線怎樣用形狀記憶合金鉚釘將兩塊板鉚接？(6) 工程設(shè)計(jì)練習(xí)怎樣用形狀記憶合金鉚釘將兩塊板鉚接？(6) 工程設(shè)計(jì)練習(xí)二 膨脹材料1 熱膨脹材料的長(zhǎng)度和體積隨溫度的升高而增加的現(xiàn)象。熱膨脹

19、的本質(zhì)原子間的平均距離隨溫度的升高而增大。取決于原子間的結(jié)合鍵的強(qiáng)弱陶瓷材料熱膨脹系數(shù)最小0.51510-6K-1金屬材料熱膨脹系數(shù)適中52510-6K-1高分子材料熱膨脹系數(shù)最大5030010-6K-1二 膨脹材料1 熱膨脹材料的長(zhǎng)度和體積隨溫度的升高而增加的1 低膨脹材料（因瓦合金）膨脹系數(shù)比較小的材料應(yīng)用：精密儀器、標(biāo)準(zhǔn)量具、微波諧振腔等。1 低膨脹材料（因瓦合金）膨脹系數(shù)比較小的材料應(yīng)用：精密儀2 低膨脹材料（可伐合金）在一定溫度范圍內(nèi)具有一定膨脹系數(shù)的材料。應(yīng)用：主要用來(lái)與玻璃、陶瓷等材料相封接，要求與被封接的材料的膨脹系數(shù)相匹配。2 低膨脹材料（可伐合金）在一定溫度范圍內(nèi)具有一定膨

20、脹系數(shù)3 雙金屬材料由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片沿層面焊合在一起的疊層材料，較高膨脹系數(shù)的金屬層為主動(dòng)層，較低膨脹系數(shù)的金屬層為被動(dòng)層。較高膨脹系數(shù)的金屬層為主動(dòng)層較低膨脹系數(shù)的金屬層為被動(dòng)層雙金屬受熱膨脹彎曲，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。作為測(cè)量和控制儀表的傳感元件。3 雙金屬材料由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片沿層面焊合在一起的第五節(jié) 光功能材料主要內(nèi)容固體激光材料光導(dǎo)纖維第五節(jié) 光功能材料主要內(nèi)容一 固體激光材料1 激光的產(chǎn)生受激輻射：在外界光子的作用下，電子在不同能級(jí)E1和E2之間躍遷，并放出一個(gè)能量為h=E2-E1的光子，稱為受激輻射激光產(chǎn)生的條件：使高能級(jí)的原子數(shù)大于低能級(jí)的原子數(shù)，以使受激輻射的幾率大于光子被吸收的幾率，這是產(chǎn)生激光的必要條件，也成為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生激光后