第二章 新型材料及材料的未来

第二章新型材料及材料的未来第一节新型高性能结构材料一、超硬材料超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近10的材料。主要是指金刚石和立方氮化硼。出土的大金刚石天然钻石

立方氮化硼

黑色立方氮化硼时间超硬材料公司方法用途1955人造单晶金刚石美国GE高温高压磨料1957立方氮化硼美国GE高温高压磨料1977人造聚晶金刚石，立方氮化硼烧结体美国GE高温高压刀具1995人造单晶金刚石刀具近年人造单晶立方氮化硼刀具近年类金刚石膜刀具近年金刚石薄膜CVD刀具近年金刚石厚膜CVD刀具超硬材料发展史

图2-5金刚石锯片图2-6金刚石砂轮图2-7PCD刀具

二、超塑性合金1．金属的超塑性的发现凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。1920年，德国人罗森海因在对锌铝铜合金发现1945年，前苏联学者包奇瓦尔在许多有色金属合金中发现这一现象。（像麦芽糖一样柔软可塑）具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。

金属材料在一般条件下没有超塑性。要使其能够发生超塑性形变，必须具备以下三个条件：①材料须为具有细小等轴晶粒的两相组织，晶粒直径须小于10μｍ(超细晶粒)，且在超塑性形变过程中晶粒不显著长大；②超塑性形变要求一定的温度范围，一般为熔点的0.5~0.65倍；③超塑性形变时的应变速率很小，一般需在0.01~0.0001/s的范围内。2．超塑性合金的应用铸铁具有超塑性行为第一个实用的超塑性合金是Zn-22Al车身外壳、汽车门内板以及具有凸肚精细花纹的空心球体。★日常生活中★超塑性合金最大的应用就是航空航天材料超塑性钛合金三、高温合金从20世纪30年代后期，英、美等国就开始研究高温合金：1941年80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛较高的高温强度三年后80Ni-20Cr合金中加入少量硼和锆耐热温度提到820℃1948年钴镍高温合金耐热达830℃现在高温合金的最高使用温度超过千度，达到实用化的高温合金已有四百多种，高温合金中常见的合金元素有铝、钛、铌、碳、钨、钼、钽、钴、锆、硼、铈、镧等。

在600～1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。1．高温合金及其分类1）按照基体组元的不同铁基高温合金镍基高温合金钴基高温合金2）按制备工艺不同变形高温合金铸造高温合金粉末冶金高温合金氧化物弥散强化(ODS)合金2．高温合金的应用科学、技术和各工业领域中的斑用越来越广泛。航空航天、核能等尖端技术领域；电力、煤炭、石化等能源工业；冶金材料、建材陶瓷等基础工业；国防军工等工业。四、超低温材料1.超低温世界的奇异现象

金属材料在超低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率等力学性质与常温下有很大不同。在超低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，塑性明显下降。2.超低温合金的分类及应用

应用较多的超低温合金主要有三类：9%镍钢、钛合金和铝合金。而在-253℃的极低温度以下，应用较多的则是奥氏体不锈钢。钛合金有三大优点：

①比强度高；②强度随温度的降低而提高，且有足够的韧性；③在低温下对缺口敏感性小，即不易出现裂纹。铝合金：在超低温下保持良好的韧性，冲击值也基本保持不变奥氏体不锈钢：强、韧、塑性配合良好，低温韧性极佳第二节新型高性能功能材料功能材料是指在光、电、磁、热、化学、生化等方面具有特定功能的材料。按使用性能，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料等。一、形状记忆合金1.形状记忆效应

是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一形状后，通过热、光、电灯物理刺激或化学刺激的处理后，又恢复成初始状态（形状）的材料，即无生命的材料却具有一定的“记忆”功能。2.形状记忆合金的分类

按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为三大系列：Ti-Ni系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁基系形状记忆合金。金属家族里的“变形金刚”

——形状记忆合金记忆：

人类思维中信息内容的储备与使用过程

人脑高级动物金属也会“记忆”！（a）原始形状（b）室温下加外力变形（c）加热形状开始恢复（d）形状回复终了（e）冷却至室温又回复到原变形状态

反复加热，撤温，金属丝的形状就随之变直，变弯，反复多次，皆可复原。为什么呢？

合金的形状记忆效应行为是特殊的热-机械行为，表现为：合金在低于马氏体回复相变开始温度（As）下变形，当加热到马氏体回复相变终止温度（Af）时，通过逆相变恢复其原始形状。冷却加热（a）（b）（c）变形记忆合金发展历史：1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应；1963年，美国海军武器实验室发现TiNi合金形状记忆效应；70年代，日本和西德开始探索形状记忆效应机理及应用；1970年，美国将TiNi记忆合金丝材制成宇宙飞船的天线；80年代，我国开展相关研究工作，起步较晚，但起点比较高。3.形状记忆合金的应用1）飞行器用天线2）连接紧固件（美国F14战斗机的油压管线）3）智能驱动元件4）医学上的应用（人造骨骼、手术缝合线）5）日常生活应用(1)防烫伤阀(2)眼镜框架(3)移动电话天线和火灾检查阀门(4)其他方面的应用No.1航空航天半球形宇宙飞船天线记忆合金应用：

在高温环境下制作好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己本来面貌，变成一个巨大的半球，按照需求向地球发回宇宙信息。制作：

操作演示：

No.2医学“房间”隔缺损封堵器No.3工业管接头

1969年，TiNi合金的“形状记忆效应”在工业上应用。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，做成内径比待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。No.4生活眼镜架

用它制作眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。优势：

汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。不久的将来！二、储氢合金储贮氢合金是一种能在晶体的空隙中大量贮存氢原子的合金材料。这种合金具有可逆吸、放氢的神奇特性。氢原子很容易进入合金内并与之形成金属氢化物，可以贮存相当于合金自身体积1000~3000倍的氢气。1．储氢合金的发展自20世纪60年代中期发现LaNi5和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。状态氢的密度/原子·cm-3气态氢(0.1MPa)5.4×1019液态氢4.2×1022固态氢5.3×1022LaNi5储氢合金中的氢7.6×1022Ti系储氢合金中的氢9.1×102表2储氢合金种类2.分类（1）稀土系储氢合金（2）钛系储氢合金、钛铁系储氢合金、钛锰系储氢合金（3）镁系储氢合金3.储氢合金材料的应用（1）镍金属氢化物电池（2）热泵、空调及热贮存（3）氢能汽车三、非晶态合金一、非晶态合金的形成如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶态合金。（金属玻璃）非晶态合金具有两个重要性质：第一，合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，他们的熔点远低于纯金属，第二，由于原子的种类多了，合金在液体时他们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶了。2.非晶态合金的发展3.非晶态合金的优点（1）高强韧性（2）优良的磁性（3）简单的制造工艺和节能环保4.非晶态合金的应用（1）电子技术（2）电力系统四、海绵金属和“无声”合金1.海绵金属这种金属从里到外，布满了孔洞，孔洞大小不一，相互连通，像海绵一样，被称为海绵金属。因为他有点像泡沫塑料，所以也称为泡沫金属。2.海绵金属的实现（1）起泡剂法（氢化锂、氢化钡）（2）泡沫树脂法（3）金属条直接制造

海绵镍网

3.海绵金属的性能及其应用由于独特的多孔结构，海绵金属有一些独特的性能及应用。如减噪消振、过滤、控制导热导电、催化以及热交换和集热等。2.“无声”合金（1）噪音危害及其噪音的防护（2）无声合金减振原理：

利用内耗现象，使振动物体靠自身内部某种机制吸收振动能量。特点：内耗大，能有效的把振动能转化为热能货其他形式的能量。（3）无声合金的分类相界面作用内耗的无声合金磁性变化的内耗强磁性无声合金位错内耗的位错型无声合金孪晶界内耗的孪晶型无声合金（4）无声合金的应用——降低噪音。

潜水艇。五、梯度功能材料梯度功能材料是两种或多种材料复合，构成组分和结构沿（构件）截面呈连续变化的一种新型复合材料。1.梯度功能材料概念的提出2.梯度功能材料的特点和分类（1）从材料的组合方式来看，梯度功能材料可分为金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷以及陶瓷/塑料等多种结合方式。（2）从组成变化来看，梯度功能材料可分为三类：梯度功能整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料）梯度功能涂覆型（在基体材料上形成组成渐变的涂层）梯度功能连接型（粘接两个基体间的界面层呈梯度变化）3.梯度功能材料的应用（1）航空航天材料和核反应堆材料（2）生物医学材料（3）电子材料图2-12梯度功能材料制成的人工牙齿六、生物医学材料1.医用高分子材料（1）人工脏器（2）修复性医用高分子材料人工角膜和接触眼镜人工骨美容材料（3）高分子医疗器材一次性高分子医疗用品医用导管高分子绷带材料2.生物陶瓷材料泛指与生物体或生物化学相关的陶瓷材料。最早的生物材料的应用——镶牙根据生理环境中所发生的生物化学反应，生物陶瓷可分为三种类型：接近于生物惰性的陶瓷，如氧化铝，氧化锆及氧化钛陶瓷等；表面活性生物陶瓷，包括致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；可吸收生物陶瓷，如熟石膏、磷酸三钙及铝酸钙等。人工血管人造肌肉纤维，它以近年来倍受人们注目的纳米碳管为成份，其伸缩性和灵敏度超过迄今的任何人造材料。羟基磷灰石生物陶瓷是一种安全、方便的听小骨缺损替代品，适用于因炎症(如慢性化脓性中耳炎)或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形的患者作听小骨置换手术。HA生物陶瓷听小骨置换假体β-TCP移植后手术后8年

β-磷酸三钙化学式为Ca3(PO4)2，简称β-TCP。第三节未来材料的发展一、各种材料的发展趋势金属在结构材料中仍占主要位置功能陶瓷将会有更大发展有机高分子材料将得到更大发展先进复合材料有发展，但应