第十二章新型工程材料

第十二章新型材料第一節(jié)形狀記憶合金

一、形狀記憶效應(yīng)

某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失的溫度時，材料就能完全恢復(fù)變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)（SME）。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy）。形狀記憶合金應(yīng)具備以下三個條件：①馬氏體相變是熱彈性類型的；②馬氏體相變通過孿生（切變）完成，而不是通過滑移產(chǎn)生；③母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)。二、形狀記憶合金的應(yīng)用已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只有Ti-Ni系合金和銅系合金。1、工程應(yīng)用形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。2、醫(yī)學(xué)應(yīng)用利用Ti-Ni合金與生物體良好的相容性，可制造醫(yī)學(xué)上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。利用合金的超彈性可代替不銹鋼作齒形矯正用絲等。第二節(jié)非晶態(tài)合金

非晶態(tài)是指原子呈長程無序排列的狀態(tài)。具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱非晶態(tài)合金，非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃。

一、非晶態(tài)合金的制備

1、氣態(tài)急冷法氣態(tài)急冷法即氣相沉積法，主要包括濺射法和蒸發(fā)法。這兩種方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，不能進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，但由于其可制成非晶態(tài)材料的范圍較寬，因而可用于研究。2、液態(tài)急冷法目前最常用的液態(tài)急冷法是旋輥急冷法，分為單輥法和雙輥法。圖12-2是單輥法示意圖。將試塊放入石英坩堝中，在氬氣保護(hù)下用高頻感應(yīng)加熱使其熔化，再用氣壓將熔融金屬從管底部的扁平口噴出，落在高速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪上，經(jīng)過急冷立即形成很薄的非晶帶。

單輥法制備非晶帶示意圖二、非晶態(tài)合金的特性1、力學(xué)性能：具有高的強(qiáng)度和硬度2、耐蝕性：非晶態(tài)合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕能力。3、電性能：與晶態(tài)合金相比，非晶態(tài)合金的電阻率顯著增高（2-3倍）。多數(shù)非晶態(tài)合金具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻率連續(xù)下降。4、軟磁性：非晶態(tài)合金磁性材料具有高導(dǎo)磁率、高磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，而且無磁各向異性。5、其他性能：非晶態(tài)合金還具有好的催化特性，高的吸氫能力，超導(dǎo)電性，低居里溫度等特性。

三、非晶態(tài)合金的應(yīng)用

利用非晶態(tài)合金的高強(qiáng)度、高韌性、以及工藝上可以制成條帶或薄片，目前已用它來制作輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維。還可用來制作各種切削刀具和保安刀片。非晶態(tài)的鐵合金是極好的軟磁材料，它容易磁化和退磁，比普通的晶體磁性材料導(dǎo)磁率高、損耗小，電阻率大。非晶態(tài)合金耐腐蝕，特別是在氯化物和硫酸鹽中的抗腐蝕性大大超過不銹鋼，獲得了“超不銹鋼”的名稱，可以用于海洋和醫(yī)學(xué)方面。

第三節(jié)超塑性合金

一、超塑性現(xiàn)象所謂超塑性是指合金在一定條件下所表現(xiàn)的具有極大伸長率和很小變形抗力的現(xiàn)象。合金發(fā)生超塑性時的斷后伸長率通常大于100%，有的甚至可以超過1000%。從本質(zhì)上講，超塑性是高溫蠕變的一種，因而發(fā)生超塑性需要一定的溫度條件，稱超塑性溫度Ts。根據(jù)金屬學(xué)特征可將超塑性分為細(xì)晶超塑性和相變超塑性兩大類。1、細(xì)晶超塑性細(xì)晶超塑性也稱等溫超塑性，是研究得最早和最多的一類超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有這一類超塑性的合金產(chǎn)生細(xì)晶超塑性的必要條件是：⑴溫度要高，Ts=(0.4-0.7)Tm。⑵變形速率要?。ā?0-3/秒）。⑶材料組織為非常細(xì)的等軸晶粒，晶粒直徑<5m。2、相變超塑性

相變超塑性是指合金受小應(yīng)力作用時，在其相變溫度上下反復(fù)加熱冷卻獲得極大伸長率的現(xiàn)象，又稱動態(tài)超塑性。具有固態(tài)相變的合金都有可能發(fā)生相變超塑性。二、超塑性合金

1、鋅基合金：用于一般不需切削的簡單零件。2、鋁基合金：含有微量細(xì)化晶粒元素（如Zr等）的超塑性鋁合金具有較好的綜合力學(xué)性能，可加工成復(fù)雜形狀部件。3、鎳合金：利用超塑性進(jìn)行精密鍛造，壓力小，節(jié)約材料和加工費，制品均勻性好。4、超塑性鋼：將超塑性用于鋼方面，至今尚未達(dá)到商品化程度。5、鈦基合金：利用超塑性進(jìn)行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制出形狀復(fù)雜的精密零件。

三、超塑性合金的應(yīng)用1、高變形能力的應(yīng)用2、固相粘結(jié)能力的應(yīng)用3、減振能力的應(yīng)用4、其他第四節(jié)納米材料

納米材料（NanoMaterials）是指尺寸為1-100nm的納米粒子、由納米粒子凝聚成的纖維、薄膜、塊體及與其他納米粒子或常規(guī)材料（薄膜、塊體）組成的復(fù)合材料。

一、納米材料的特性

1、三個效應(yīng)⑴小尺寸效應(yīng)當(dāng)超微粒子的尺寸小到納米數(shù)量級時，其聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性均會呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。⑵表面與界面效應(yīng)隨納米微粒尺寸減小，比表面積增大，三維納米材料中界面占的體積分?jǐn)?shù)增加。此時已不能把界面簡單地把它看作是一種缺陷，它已成為納米固體的基本組分之一，并對納米材料的性能起著舉足輕重的作用。⑶量子尺寸效應(yīng)隨粒子尺寸減小，能級間距增大，從而導(dǎo)致磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)電性與宏觀特性顯著不同。2、物理特性⑴低的熔點、燒結(jié)開始溫度及晶化溫度⑵具有順磁性或高矯頑力

⑶光學(xué)特性：一是寬頻吸收。二是藍(lán)移現(xiàn)象。⑷電特性：隨粒子尺寸降到納米數(shù)量級，金屬由良導(dǎo)體變?yōu)榉菍?dǎo)體，而陶瓷材料的電阻則大大下降。3、化學(xué)特性由于納米材料比表面積大，處于表面的原子數(shù)多，鍵態(tài)嚴(yán)重失配，表面出現(xiàn)非化學(xué)平衡、非整數(shù)配位的化學(xué)價，化學(xué)活性高，很容易與其他原子結(jié)合。如納米金屬的粒子在空氣中會燃燒，無機(jī)材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與其反應(yīng)。4、結(jié)構(gòu)特性納米微粒的結(jié)構(gòu)受到尺寸的制約和制備方法的影響。5、力學(xué)性能特性

高強(qiáng)度、高硬度，良好的塑性和韌性是納米材料引人注目的特性之一。二、納米材料的分類1、按納米顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)可分為納米晶體材料（又稱納米微晶材料）和納米非晶態(tài)材料。2、按結(jié)合鍵類型可分為納米金屬材料、納米離子晶材料、納米半導(dǎo)體材料及納米陶瓷材料。3、按組成相數(shù)量可分為納米相材料（由單相微粒構(gòu)成的固體）和納米復(fù)相材料（每個納米微粒本身由兩相構(gòu)成）。三、納米新材料

1、C60、納米管、納米絲：

C60原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)2、人工納米陣列體系：是指將金屬熔入Al2O3納米管狀陣列空洞模板，或?qū)?dǎo)電高分子單體聚合于聚合物納米管狀空洞模板的空洞內(nèi)，形成具有陣列體系的納米管和納米絲?？捎糜谖㈦娮釉?、納米級電極及大規(guī)模集成電路的線接頭等。3、納米顆粒膜：是由納米小顆粒嵌鑲在薄膜基體中構(gòu)成的復(fù)合體，可采用共蒸發(fā)、共濺射的工藝制得。四、納米復(fù)合材料1、納米復(fù)合涂層材料具有高強(qiáng)、高韌、高硬度，在材料表面防護(hù)和改性上有廣闊的應(yīng)用前景，

2、金屬基納米復(fù)合材料納米粒子可以是金屬和陶瓷，其強(qiáng)度、硬度和塑韌性大大提高，而不損害其他性能。3、陶瓷基納米復(fù)合材料有可能突破陶瓷增韌問題。4、高分子基納米復(fù)合材料

5、功能納米復(fù)合材料

六、納米材料的應(yīng)用1、陶瓷增韌

近年來，陶瓷增韌研究集中于通過納米添加來改善常規(guī)陶瓷的綜合性能。2、磁性液體

將化學(xué)吸附一層長鏈高分子的納米鐵氧體（如Fe3O4）高度彌散于基液（如水、煤油、烴等）中而形成的穩(wěn)定膠體體系，在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑（即長鏈高分子）包裹著的液體一起運動，好象整個液體具有磁性，稱為磁性液體。可用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封、制作阻尼件、潤滑劑、磁性液體發(fā)電機(jī)、比重分離、造影劑等。

3、制作超微粒傳感器如氣體、溫度、速度、光傳感器等。4、在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用由于納米微粒的尺寸比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球小得多，因此可用于細(xì)胞