新型金属材料制备与应用前景

1、新型金属材料制备与应用前景冶金 115 05 李凌云摘要：有色金属是高技术发展的支撑材料，产业关联度高达90以上。新世纪以来，物质科学、材料科 技、生命科学、信息科技等领域都酝酿着巨大 的发展突破，无疑将为有色金属的应用开辟广泛空间。未来，有色金属工业 将同全球产业革命息息相关。本文将介几种新型金属材料的制备与应用前景。 关键词：金属 新材料 制备 应用金属是人类使用的最多，最悠久的材料之一。随着时代的发展和技术的进 步，人们对与金属材料的要求也越来越高，特种金属功能材料是指具有独特 的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。 新型金属材料的制备和应用技术在当下有 着越来越重要的地位。下面就来介绍

2、几种新型金属材料。1形状记忆合金的发展、制备与应用前景1.1 形状记忆合金的发现与发展 纵观形状记忆合金的发展，与钢铁、铝合金等广泛使用的金属相比， 形状记忆合金是一种具有感知和驱动能力的新型功能材料，其应用的最大价值 在于 “记忆”效应（Shape Memory Effect，简称SME。“记忆”效应的发现最 早要追溯到 1932年，由瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到。合金的形状在 某一温度下受外力被改变，当外力去除时，仍保持变形后的形状，但一旦加热 到一定的跃变温度时，材料又可以自动回复到原来的形状，似乎对以前的形状 保持记忆，这种特殊功能的合金称为形状记忆合金 （Shape memor

3、y Alloy 简称 SMA。形状记忆效应是指形状记忆合金材料在完全母相状态下定型，然后冷却 到一定温度形成完全马氏体，将马氏体在该温度下施加变形，使它产生残余变 形，如果从变形温度加热，伴随逆相变，就可以使原来存在的残余变形消失， 并回复到母相所固有的形状，仿佛合金记住了母相状态所赋予的形状。当马氏 体变形后经逆相变，能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应。有的材料经适 当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，而且在再次冷却时能恢复马氏体变 形后的形状，称为双程形状记忆效应。 形状记忆效应被发现之后，人们从未停 止过对记忆效应微观原理的探索，并逐步利用这一特性来应用于特殊的场合。 形状记忆合金最

4、早应用于工业生产是在 1969年，人们采用了一种与众不同的管 道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度 的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比对接管子外径 略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到 该接头的转变温度时， 接头就自动收缩而扣紧被接管道， 形成牢固紧密的连接。 据外国资料介绍，美国的F-14战斗机使用了 10万个以上的类似这样的接头来连 接液雁管道，从未发生过漏油、脱落或破损事故。应用最早也最广泛的形状记 忆合金是镍钛形状记忆合金，但为了进一步提升合金其他方面的性能，诸如耐 高温性能、抗疲劳性能等，人们向铁镍

5、合金中不断尝试添加其他元素，从而进 一步研究开发了钛镍铁、钦镍铜、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金。除此以 外，其他种类的形状记忆合金也相继问世，如铁系合金、铜锌系合金、铜镍系 合金等。人们还通过改变形状记忆合金的组织结构来获得某一优良性能，如多 孔镍钛形状记忆合金，其组织内数量巨大的晶界（包括孪晶晶界）和内部大量 的微孔结构使得合金具备了优于一般合金材料的阻尼特性，从而能够应用于减1.2 形状记忆舍金的制备方法1.2.1 自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成法也称燃烧合成法，其实质是燃烧合成。具体流程是 将按一定比例配置好的合金元素粉末均匀混合， 并施加压力形成一定的形状后， 在一定温度下置于保护

6、气体中局部点燃，使反应自蔓延传播，待燃烧完毕后便 可生成化合物。按照燃烧方式的不同，自蔓延可分为热爆模式和层燃模式。自 蔓延燃烧合成法可制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料，具有合成速 度快、节能及产物纯度高、多孔、离散性大等优点。1.2.2 常规粉末烧结法 以镍钛舍金为例，常规粉末烧结法是将镍、钛金属粉末 昆合均匀后，在某一较高的温度下长时间烧结，形成合金。反应过程中，钛原子的迁移扩散 速率较镍原子的迁移扩散速率大， 故钛原子更易于扩散至镍颗粒间并与其化合， 钛原子处则由于没有扩散来的原子补偿，会形成微孔，这一现象被称为柯肯达 尔效应。由于柯肯达尔效应的作用，长时间烧结的镍、钛金属粉末最

7、终获得多 孔的镍钛合金。 常规粉末烧结法的工艺过程简单易行、 反应可控、技术要求低。 但同时反应方式的局限性也导致生产过程费时、材料孔隙率低、孔隙尺寸不大 及合金组织均一性不高等缺点。1.2.3 热等静压法 热等静压法也是利用金属粉末烧结成型的原理，是目前制备形状记忆 合金的教有效和较理想的手段。热等静压法是将特定气体作为压力媒介，在加 热烧结过程中对粉体或坯料施加气体压力来制备合金的方法。由于气体本身的 性质，无论被成型材料几何形状如何，气体产生的高压力均能保持其各个方向 上受压力相同或相近。同时，高压气体也能像液体一样渗入粉体或坯料中的空 洞，这样，在高温高压的共同作用下，合金内部的缺陷和

8、孔洞易被消除，晶体 组织结构改善，并伴随着材料致密度和强度大幅提高，综合性能优异。但热等 箭压法继承了烧结法烧结时间长的缺点，设备投入也较大。1.3 形状记忆合金的应用前景1.3 1 建筑工程材料 形状记忆合金在建筑工程上的应用的例子还很少，现在研究较多的是 SM智能混凝土。SM智能混凝土通过在混凝土结构中植入形状记忆合金来 改善混凝土诸多性能。 由于形状记忆合金具有形状记忆效应、 超弹性效应、 高阻尼等特性，其加入到混凝土中可以增加结构阻尼， 提高建筑物的抗震能力， 并且能够自我感知、自我修复，达到建筑结构、控制一体化，使工程材料向智 能化发展。1.3.2 减震材料使用形状记忆合金能够开发出

9、优良的减震器，其工作原理是在SM装置变形后，会产生较大的变形位移耗能，减少下部结构地震能量向上部结构的传 输，从而达到保护上部结构的目的，提高结构的抗震性能。1.3.3 机械工程材料将形状记忆合金加工成特定的形状， 可充当机械工程中的连接紧固件， 如管接头、紧固铆钉、紧固圈等，由于形状记忆效应，紧固件工作更加稳定可 靠。1.3.4 医用材料 在医学中应用最广泛的是多孔镍钛记忆合金，主要用于人体骨骼的替换和修补。镍钛合金具有与人体骨骼强度相当的强度，同时其多孔的特性保证 植入人体后不会因为纤维组织的包覆而使植人材料产生松动或偏移而失效，使 植入物号被修复骨组织形成牢固的结合体。其优于其他材料的形

10、状记忆效应又 使得植入过程变得容易，降低手术难度，减轻病人的痛苦。人们在镍钛合金与 人体相容性方面又做了大量的研究工作，新的材料甚至能促进骨组织的生长， 植人物与肌体组织的排异反应也大为降低。2超导材料的应用及前景展望2.1 超导材料应用2.1.1 超导材料在电力技术中的应用 当今，电已经成为人们生活及社会生产等不可或缺的一方面。如何提高超导电力技术作为一种高效节能的供电方式，被美国能源部誉为“21世纪电力工业唯一的高新技术”。超导技术的研究为我们研究电力开辟了一条新的道2.1.1.1 超导电缆人们将无电阻损耗、 高电流密度的低温或高温超导线材制成超导电缆， 并以液态氦或液态氮作为冷却介质冷却

11、。超导电缆电流输送能力高于同样截面 的普通电缆 2-4 倍；损耗仅为常规电缆的 10%葚至更低；其强大的载流能力可减 少输电线的使用，节约资源；同时符合绿色地球理念，绿色无污染。2.1.1.2 超导发电机 超导发电机的应用是在常规发电机的基础上，把发电机转子用超导材 料代替而制成的。超导发电机体积仅是常规发电机的 1/2 ，重量为常规发电机的 1/3 ，但它的发电效率却可提高 50%，紧凑性也大为提高。在飞机、舰艇等方面 应用超导发电机，可以使超导发电机如鱼得水的发挥其优势，同时也可满足人 们在速度效率等方面的要求除超导电缆，超导发电机外，超导电力技术还被应 用在了超导变压器，超导故障电流限制

12、器，超导储能器等方面，可以说超导材 料的不断发展也伴随着电力技术的不断进步。2.1.2 超导在交通领域的应用 随着人们对出行方式的不断优化，超导磁悬浮列车将会作为一种新的 交通工具走进人们的生活。 磁悬浮列车以其优于常规列车的速度， 环境友好性， 安全性，爬坡能力，舒适度等特性，必将极大地改善人们的出行方式与质量。 磁悬浮列车的研制，也符合当前改善交通拥堵问题的基本要求。2.1.3 超导在医疗领域的应用 利用超导材料的周围磁场高均匀度，超级导磁能力等性质，超导体被 运用在某些检测仪器中。例如超导技术在医疗上应用的成功范例之一核磁 共振仪。核磁共振成像在主磁体采用超导磁体后，磁场强度更强，稳定性

13、大大 提高，缩短了测量时间且成像更加清晰。 它可以用来进行某些疾病的早期诊断， 如检查骨头或肌肉的损伤以及癌症等疾病，中医经络原理的研究，化学活体检 测等。2.2超导材料发展随着科技的日新月异， 新的超导材料不断被发现。 但因不同的本征特征， 合成工艺及环境污染等因素的限制，使得有的超导材料失去了实用价值，而有 的超导材料却极具实用价值。如制造超导电缆的各种线材，磁悬浮列车的应用 等。以磁悬浮列车为例，目前磁悬浮列车技术处于前列的是日本与德国，日本 与德国分别于 1962年、 1968年开始研究磁悬浮技术。德国在 1971年进行了时速 90km/h的列车载人实验，日本在1972年研制出了时速达

14、204km/h的列车，而中国 在1994年磁悬浮列车载人实验成功，成为了掌握磁悬浮技术的少数国家之一， 继而在 2002年研制出了可以载客的磁悬浮列车。除以上谈到的发展之外，超导材料还在制造超导逻辑器件与超导电脑，航 海与航空领域等得以发展。2.3超导材料前景展望超导技术是 21世纪具有战略意义的高科技， 它的研制将会带来难以估测经 济及社会效益。当超导材料及技术达到普及之后 会给国家带来变革性的影响， 我国的科技水平的提高以及综合国力的提升，也会迈上一个新的台阶。因此， 对于超导的研究，将会是各国的一个热点问题。例如，美国将超导技术作为能 源战略之一，以此足见超导材料的重要性。3半导体材料的

15、制备Zn0是一种应用较广的半导体材料，在很多光学器件和电学器件中有很广泛 的应用，由此也产生了多种纳米半导体器件的制备方法，主要有以下几种：3.1 模板制备法 模板制备法是一种用化学方法进行纳米材料制备的方法，被广泛地用 来合成各种各样的纳米棒、纳米线、纳米管等。此种方法使分散的纳米粒子在 已做好的纳米模板中成核和生长，因此，纳米模板的尺寸和形状决定了纳米产 物的外部特征。科学家们已经利用直径为 40 nm和20 nm左右的多种氧化铝模板 得到了高度有序的Zn0纳米线。郑华均等人用电化学阳极氧化一化学溶蚀技术制 备出了一种新型铝基纳米点阵模板，此模板由无数纳米凹点和凸点构成，并在 此模板上沉积

16、出ZnQ纳米薄膜。此外，李长全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸钠为 模板制备出Zn0纳米管。该方法优点：较容易控制纳米产物的尺寸、形状。缺点： 需要模板有较高的质量。3.2 物理气相沉积 (PVD)物理气相沉积可以用来制备一维Zn0纳米线和二维Zn0纳米薄膜，原理 是通过对含Zn材料迸行溅射、蒸发或电离等过程，产生 Zn粒子并与反应气体中 的C反应，生成Zn0化合物，在衬底表面沉积。物理气象沉积技术已经演化出三 种不同的方法，它们是真空蒸发法，真空溅射法和离子镀，离子镀是目前应用 较广的。离子镀是人们在实践中获得的一种新技术，将真空蒸发法和溅射法结 合起来，在高真空环境中加热材料使之汽化后通入氢气，

17、在基体相对于材料间 加负高压，产生辉光放电，通过电场作用使大量被电离的材料的正离子射向负 高压的衬底，进行沉积。张琦锋、孙晖等人用气相沉积方法已经制备出了一维 Zn0纳米半导体材料。优点：所得到的纳米产物纯度高，污染小；薄膜厚度易于 控制；材料不受限制。但是这种方法对真空度要求较高。3.3 脉冲激光沉积( Pulsed Laser Deposition)脉冲激光沉积也称PLD常用于纳米薄膜的制备。其工作原理就是用特 定波长和功率的激光脉冲聚焦光束，溅射真空状态下特定气压中的加热靶材， 激光束与靶材相互作用而产生的粒子团喷射到衬底表面，通过控制气流速度控 制材料在衬底表面的沉积速度。牛海军等人用

18、一种新颖的垂直靶向脉冲激光沉 积(VIP LD)方法，在常温常压空气环境下，在玻璃基底上得到 Zn0纳米薄膜。该 方法优点：制备的薄膜物质比例与靶材相同；实验控制条件较少，易于控制； 衬底温度要求较低。缺点：薄膜杂志较多；单纯溅射产生的粒子团密度不易控 制，因此无法大面积生长均匀的薄膜。3.4 分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy)分子束外延(MBE)技术可以制备高质量薄膜。MB技术可以在特定超高 真空条件下较为精确的控制分子束强度，把分子束入射到被加热的基片上，可 使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。分子束外延设备 主要包括超高真空系统、分子束源、样品

19、架、四极质谱计 QM和反射式高能电子 衍射装置RH EED周映雪等人利用分子束外延(MBE)和氧等离子体源辅助MB方 法分别在三种不同衬底硅 (100) 、砷化镓(100) 和蓝宝石(0001)上先制备合适的 缓冲层，然后在缓冲层上得到外延生长的Zn0薄膜。该方法优点：生长速度极慢， 每秒110;薄膜可控性较强；外延生长所需温度较低。缺点：真空环境要求较 高；无法大量生产。目前常用于生长高质量的 Zn0薄膜分子束外延有两种：一种 是等离子增强，另一种是激光，两种方法均已生长出高质量的Zn0薄膜。4纳米磁性材料的制备 纳米磁性材料的制备主要分为磁流体的制备、纳米磁性微粒的制备、 纳米磁性微晶的制

20、备以及纳米磁性复合材料的制备。4.1 磁流体的制备磁性流体指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基液中高度弥散分布 而形成的稳定胶体体系，它由三部分组成：磁性粒子、基液和表面活性剂 (稳定剂)。其中铁磁性颗粒一般选取四氧化三铁和铁、钴、镍等磁性好 的超细颗粒。正是由于铁磁性颗粒分散在基液中，因而磁流体呈现磁性。最常 用的稳定剂有油酸、丁二酸、氟醚酸，能够防止磁性颗粒相互聚集，即使在重 力、电场力、磁场力等力的作用下磁流体亦能长期稳定存在，不产生沉淀。基 液的种类很多，可以是水、煤油和汞等。磁流体的制备方法有物理法和化学法。物理法又可分为研磨法、蒸发 冷凝法、超声波法、机械合成法、等离子 CV法等；

21、化学法又可分为气相沉积 法、水热合咸法、溶胶凝胶法、溶剂蒸发法、热分解法、微乳液法及化学 沉降法等。这些方法各具有优缺点，根据不同的需求选择不同的制备方法。 研磨法一般是在表面活性剂存在下，研磨几周制得。此法工艺简单，耗能高， 制备的微粒粒径分布不均匀；材料利用率低，球磨罐及球的磨损严重，杂质较 多，成本昂贵，还不能得到高浓度的磁流体，因而实用性差。 蒸发冷凝法 是在旋转的真空滚筒的底部放入含有表面活性剂的基液，随着滚筒的旋转，要 其内表面上形成一液体膜。该法制备的金属磁性液体具有磁性粒子分布均匀、 分散性好的特点。超声波法是在磁流体中加入高分子物质作稳定剂，将易挥发的金属有 机物在纯氧条件下

22、超声处理，可制得粒径分布均一的磁流体。化学沉淀法是最经济的制备纳米流体的方法。用该方法能够制成稳定 的ZD基磁性液体，在磁场和电场中长期放置或高速离心没有观测到分层或沉淀 现象。热分解法是在载液中加入表面活性剂和金属羰基化合物进行回流，羰 基化合物便分解生成磁性超微金属粒子，吸附表面活性剂后分散到载液里形成 金属磁流体。产生的CO体会污染环境，不适宜规模生产。4.2 磁性微粒的制备方法磁性微粒的制备方法有分散法、 单体聚合法、沉淀法、化学转化法等。 利用纳米礅性微粒构成海绵状体和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛用于 各种过滤器、活性电极材料，如备受关注的汽车尾气交净化器。4.3 纳米磁性微晶

23、的制备方法非晶化方法制备纳米晶粒是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程， 将非晶化材料转变为纳米尺寸的晶粒，是目前较常用的方法，尤其适合于薄膜 材料与磁性材料的研究中。深度塑形变形法制备纳米晶体：该方法是材料在准静态压力的作用下 发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸在力的作用下发生严重塑性变形， 材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。4.4 纳米磁性结构复合材料的制备方法由于磁性复合材料的种类繁多，因此其制备方法也不尽相同。同一种 功能材料可以采用不同的制备方法，也可以用同一种方法制备出不同功能 的复合材料。4.5 纳米磁性材料的应用纳米磁性材料是当今世界材料领域的研究热点之一， 在高密度磁记录、 磁

24、流体、磁传感器和微波材料以及催化、 环境治理等方面将得到广泛应用。 4.5.1 在磁记录，通讯及计算机方面的应用 磁性纳米材料由于其特殊的超顺磁性，因而在巨磁电阻、磁性液体和 磁记录、软磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方面 具有广阔的应用前景。纳米氧化铁是新型高磁记录材料，记录密度是普通氧化 铁的 1 0倍。超顺磁性纳米微粒的磁性液体被广泛用在宇航和部分民用领域作为 长寿命的动态旋转密封。软磁铁氧体在无线电通讯、广播电视、自动控制宇宙 航行、雷达导航、测量仪表、计算机、印刷、家用电器等方面均得到了广泛应 用。稀土纳米材料尺寸小、具有单畴结构，矫顽力很高，用于制作磁记录材料

25、 可以提高信噪比，改善图像质量。4.5.2 在纳米永磁材料方面的应用 对于永磁材料，要求磁性强、保持磁性的能力强、磁性稳定，即要求永磁材料具有高的最大磁能积 (B H) max 、高的剩余磁通密度 (Br) 和高的矫 顽力(H0),同时要求这三个磁学量对温度等环境条件具有较高的稳定性。在一 定条件下，纳米磁性材料可得到单畴结构，可显著提高永磁材料的矫顽力和永 磁性能；其性能比普通永磁材料更优越，永磁性能可以随合金的组元、含量和 制造工艺等不同而有显著的变化。目前研究较多的主要有铁铬钒系、钕铁硼系 和铁铬钴系，这些合金掺杂少量其它元素，如钛、铜、钴、钨等还可进一步改 善其永磁性或加工性。还有是稀土永磁材料，一些稀土元素具有较高的原子磁 矩、高的磁晶各向异性、 高的磁致伸缩系数、 高的磁光效应及低的磁转变点 (居 里点)且以稀土永磁材料制成的电机高效节能方面符合节能减排的要求。4.5.3 在生物医学领域的应用运用于生物医学领域的纳米材料被称之为纳米生物材料，其中具有生 物相容性和一定生物医学功能的磁性纳米生物材料具有小尺寸效应，良好的磁 导向性、生物相容性、生物降解性和活动性功能基团等特点。纳米磁性材料经 过表面