第十二章新型工程材料

第十二章新型材料第一节形状记忆合金

一、形状记忆效应

某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复变形前的形状和体积，这种现象称为形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效应的合金称形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy）。形状记忆合金应具备以下三个条件：①马氏体相变是热弹性类型的；②马氏体相变通过孪生（切变）完成，而不是通过滑移产生；③母相和马氏体相均属有序结构。二、形状记忆合金的应用已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。1、工程应用形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。2、医学应用利用Ti-Ni合金与生物体良好的相容性，可制造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。第二节非晶态合金

非晶态是指原子呈长程无序排列的状态。具有非晶态结构的合金称非晶态合金，非晶态合金又称金属玻璃。

一、非晶态合金的制备

1、气态急冷法气态急冷法即气相沉积法，主要包括溅射法和蒸发法。这两种方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，不能进行工业生产，但由于其可制成非晶态材料的范围较宽，因而可用于研究。2、液态急冷法目前最常用的液态急冷法是旋辊急冷法，分为单辊法和双辊法。图12-2是单辊法示意图。将试块放入石英坩埚中，在氩气保护下用高频感应加热使其熔化，再用气压将熔融金属从管底部的扁平口喷出，落在高速旋转的铜辊轮上，经过急冷立即形成很薄的非晶带。

单辊法制备非晶带示意图二、非晶态合金的特性1、力学性能：具有高的强度和硬度2、耐蚀性：非晶态合金具有很强的耐腐蚀能力。3、电性能：与晶态合金相比，非晶态合金的电阻率显著增高（2-3倍）。多数非晶态合金具有负的电阻温度系数，即随温度升高电阻率连续下降。4、软磁性：非晶态合金磁性材料具有高导磁率、高磁感、低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸氢能力，超导电性，低居里温度等特性。

三、非晶态合金的应用

利用非晶态合金的高强度、高韧性、以及工艺上可以制成条带或薄片，目前已用它来制作轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。还可用来制作各种切削刀具和保安刀片。非晶态的铁合金是极好的软磁材料，它容易磁化和退磁，比普通的晶体磁性材料导磁率高、损耗小，电阻率大。非晶态合金耐腐蚀，特别是在氯化物和硫酸盐中的抗腐蚀性大大超过不锈钢，获得了“超不锈钢”的名称，可以用于海洋和医学方面。

第三节超塑性合金

一、超塑性现象所谓超塑性是指合金在一定条件下所表现的具有极大伸长率和很小变形抗力的现象。合金发生超塑性时的断后伸长率通常大于100%，有的甚至可以超过1000%。从本质上讲，超塑性是高温蠕变的一种，因而发生超塑性需要一定的温度条件，称超塑性温度Ts。根据金属学特征可将超塑性分为细晶超塑性和相变超塑性两大类。1、细晶超塑性细晶超塑性也称等温超塑性，是研究得最早和最多的一类超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有这一类超塑性的合金产生细晶超塑性的必要条件是：⑴温度要高，Ts=(0.4-0.7)Tm。⑵变形速率要小（≤10-3/秒）。⑶材料组织为非常细的等轴晶粒，晶粒直径<5m。2、相变超塑性

相变超塑性是指合金受小应力作用时，在其相变温度上下反复加热冷却获得极大伸长率的现象，又称动态超塑性。具有固态相变的合金都有可能发生相变超塑性。二、超塑性合金

1、锌基合金：用于一般不需切削的简单零件。2、铝基合金：含有微量细化晶粒元素（如Zr等）的超塑性铝合金具有较好的综合力学性能，可加工成复杂形状部件。3、镍合金：利用超塑性进行精密锻造，压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。4、超塑性钢：将超塑性用于钢方面，至今尚未达到商品化程度。5、钛基合金：利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制出形状复杂的精密零件。

三、超塑性合金的应用1、高变形能力的应用2、固相粘结能力的应用3、减振能力的应用4、其他第四节纳米材料

纳米材料（NanoMaterials）是指尺寸为1-100nm的纳米粒子、由纳米粒子凝聚成的纤维、薄膜、块体及与其他纳米粒子或常规材料（薄膜、块体）组成的复合材料。

一、纳米材料的特性

1、三个效应⑴小尺寸效应当超微粒子的尺寸小到纳米数量级时，其声、光、电、磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。⑵表面与界面效应随纳米微粒尺寸减小，比表面积增大，三维纳米材料中界面占的体积分数增加。此时已不能把界面简单地把它看作是一种缺陷，它已成为纳米固体的基本组分之一，并对纳米材料的性能起着举足轻重的作用。⑶量子尺寸效应随粒子尺寸减小，能级间距增大，从而导致磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性显著不同。2、物理特性⑴低的熔点、烧结开始温度及晶化温度⑵具有顺磁性或高矫顽力

⑶光学特性：一是宽频吸收。二是蓝移现象。⑷电特性：随粒子尺寸降到纳米数量级，金属由良导体变为非导体，而陶瓷材料的电阻则大大下降。3、化学特性由于纳米材料比表面积大，处于表面的原子数多，键态严重失配，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，化学活性高，很容易与其他原子结合。如纳米金属的粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体并与其反应。4、结构特性纳米微粒的结构受到尺寸的制约和制备方法的影响。5、力学性能特性

高强度、高硬度，良好的塑性和韧性是纳米材料引人注目的特性之一。二、纳米材料的分类1、按纳米颗粒结构状态可分为纳米晶体材料（又称纳米微晶材料）和纳米非晶态材料。2、按结合键类型可分为纳米金属材料、纳米离子晶材料、纳米半导体材料及纳米陶瓷材料。3、按组成相数量可分为纳米相材料（由单相微粒构成的固体）和纳米复相材料（每个纳米微粒本身由两相构成）。三、纳米新材料

1、C60、纳米管、纳米丝：

C60原子团簇的结构2、人工纳米阵列体系：是指将金属熔入Al2O3纳米管状阵列空洞模板，或将导电高分子单体聚合于聚合物纳米管状空洞模板的空洞内，形成具有阵列体系的纳米管和纳米丝。可用于微电子元件、纳米级电极及大规模集成电路的线接头等。3、纳米颗粒膜：是由纳米小颗粒嵌镶在薄膜基体中构成的复合体，可采用共蒸发、共溅射的工艺制得。四、纳米复合材料1、纳米复合涂层材料具有高强、高韧、高硬度，在材料表面防护和改性上有广阔的应用前景，

2、金属基纳米复合材料纳米粒子可以是金属和陶瓷，其强度、硬度和塑韧性大大提高，而不损害其他性能。3、陶瓷基纳米复合材料有可能突破陶瓷增韧问题。4、高分子基纳米复合材料

5、功能纳米复合材料

六、纳米材料的应用1、陶瓷增韧

近年来，陶瓷增韧研究集中于通过纳米添加来改善常规陶瓷的综合性能。2、磁性液体

将化学吸附一层长链高分子的纳米铁氧体（如Fe3O4）高度弥散于基液（如水、煤油、烃等）中而形成的稳定胶体体系，在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂（即长链高分子）包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，称为磁性液体。可用于旋转轴的动态密封、制作阻尼件、润滑剂、磁性液体发电机、比重分离、造影剂等。

3、制作超微粒传感器如气体、温度、速度、光传感器等。4、在生物和医学上的应用由于纳米微粒的尺寸比生物体内的细胞、红血球小得多，因此可用于细胞