熱功能材料-西安交通大學(xué)-材料科學(xué)與工程學(xué)院

第四節(jié)熱功能材料1內(nèi)容隨著溫度的變化，有些材料的某些物理性能會(huì)發(fā)生顯著變化，如熱脹冷縮、出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)或熱電效應(yīng)等，這類材料稱為熱功能材料。本章主要內(nèi)容：膨脹材料形狀記憶材料測(cè)溫材料內(nèi)容1-12膨脹材料熱膨脹是指材料的長(zhǎng)度或體積在不加外力時(shí)隨溫度的升高而變大的現(xiàn)象。材料熱膨脹的本質(zhì)是原子間的平均距離隨溫度的升高而增大，即是由原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)引起的。材料熱膨脹系數(shù)的大小與其原子間的接合鍵強(qiáng)弱有關(guān)，結(jié)合鍵越強(qiáng)，則給定溫度下的熱膨脹系數(shù)越小，材料中陶瓷的結(jié)合鍵（離子鍵和共價(jià)鍵）最強(qiáng)，金屬的（金屬鍵）次之，高聚物的（范德華力）最弱，因此熱膨脹系數(shù)依次增大。常用的膨脹材料包括低膨脹材料、定膨脹材料和熱雙金屬材料31、低膨脹材料低膨脹材料是熱膨脹系數(shù)較小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。主要應(yīng)用于精密儀器、標(biāo)準(zhǔn)量具等以保證儀器精度的穩(wěn)定及設(shè)備的可靠性。42、定膨脹材料定膨脹材料是指在某一溫度范圍內(nèi)具有一定膨脹系數(shù)的材料，也稱可伐（Kovar）合金；主要用于與玻璃、陶瓷等材料相封接，要求與被封接材料的膨脹系數(shù)相匹配。53、熱雙金屬材料由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片沿層間焊合在一起的疊層復(fù)合材料；較高膨脹系數(shù)金屬層為主動(dòng)層，較低的為被動(dòng)層。如5J11熱雙金屬是由Mn75Ni15Cu10（主動(dòng)層）與Ni36（被動(dòng)層）組成。受熱時(shí)，雙金屬片向被動(dòng)層彎曲，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能?？捎米鞲鞣N測(cè)量和控制儀表的傳感元件。6高主動(dòng)層Mn75Ni15Cu10低被動(dòng)層Ni36未受熱受熱后可作為各種測(cè)量和控制儀表的傳感元件7二、形狀記憶材料將具有某種初始形狀的制品進(jìn)行變形后，通過(guò)加熱等手段處理時(shí)，制品又恢復(fù)到初始形狀。形狀記憶材料通常包括：形狀記憶合金形狀記憶聚合物形狀記憶陶瓷。8（一）形狀記憶合金合金的形狀記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是在溫度和應(yīng)力的作用下，合金內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過(guò)程的宏觀表現(xiàn)。這種熱彈性馬氏體不像Fe-C合金中的馬氏體那樣，在加熱轉(zhuǎn)變成它的母相（奧氏體）之前即發(fā)生分解，而是加熱時(shí)直接轉(zhuǎn)成它的母體。熱彈性馬氏體冷卻時(shí)馬氏體長(zhǎng)大，加熱時(shí)馬氏體收縮，熱彈性馬氏體的相變是可逆的，且相變的過(guò)冷度很小。9熱彈性馬氏體形狀記憶效應(yīng)將一定形狀的記憶合金試樣冷卻到Mf點(diǎn)以下，對(duì)之進(jìn)行一定限度的變形，卸去載荷后，變形被保留下來(lái)；將變形了的試樣加熱到As以上，試樣開始恢復(fù)，加熱到Af點(diǎn)，試樣恢復(fù)到變形前的形狀。10常用形狀記憶合金目前用量最大優(yōu)點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度小、與人體有生物相容性缺點(diǎn)：成本高、加工困難缺點(diǎn)：功能不如鎳-鈦系優(yōu)點(diǎn)：成本低、加工容易缺點(diǎn)：功能不如銅系優(yōu)點(diǎn)：具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)11（二）形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物不同于馬氏體相變，而是基于高分子材料中分子鏈的取向與分布的變化過(guò)程；這種聚合物具有兩相結(jié)構(gòu)，即固定相和可逆相；可逆相是能夠隨溫度變化在結(jié)晶與熔融態(tài)間，或者在玻璃態(tài)與高彈狀態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變的相，隨溫度的升高或降低，可逆相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使之發(fā)生軟化、硬化。固定相則在工作溫度范圍內(nèi)保持不變。12聚合物的形狀記憶原理兩相結(jié)構(gòu)：固定相+可逆相冷卻加熱冷卻加熱T>Tf(粘流態(tài)）進(jìn)行初次成型T<Tg(玻璃態(tài)）使制成品變形，固定相分子鏈的纏繞確定了制成品的初次形狀Tg<T<Tf

(高彈態(tài)），可逆相軟化，施加應(yīng)力T<Tg，制成品形狀發(fā)生改變，固定相處于高應(yīng)力狀態(tài)T>Tg，可逆相軟化，固定相在回復(fù)應(yīng)力的作用下使制品恢復(fù)到初始形狀13凡是有固定相和可逆相結(jié)構(gòu)的聚合物都具有形狀記憶效應(yīng)。以固定相可分：14密度小、強(qiáng)度較低、塑韌性較高形狀恢復(fù)可能允許的變形量大形狀恢復(fù)的溫度范圍窄形狀恢復(fù)應(yīng)力及形狀變化所需要的外力小成本低形狀記憶聚合物的特點(diǎn)15（三）形狀記憶陶瓷20世紀(jì)60年底人們確認(rèn)陶瓷材料也存在馬氏體相變，一個(gè)著名的例子就是ZrO2陶瓷中的馬氏體相變，這一相變現(xiàn)象可以使陶瓷材料具有形狀記憶效應(yīng)。隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型：?jiǎn)涡本怠⑺姆骄?、立方晶系。單斜向四方轉(zhuǎn)變有5％的體積變化，而且應(yīng)力也可誘發(fā)單斜向四方的轉(zhuǎn)變16氧化鋯陶瓷的形狀記憶效應(yīng)第一步：在室溫下施加壓力，樣品首先發(fā)生彈性變形，接著在近乎恒定的應(yīng)力下發(fā)生流變；第二步：卸載。卸載后彈性變形消失而塑性變形則保留下來(lái)。第三步：加熱到Af以上，樣品從60oC開始逆轉(zhuǎn)變，到200oC逆轉(zhuǎn)變結(jié)束，變形也隨著消失。17形狀記憶材料的應(yīng)用機(jī)械工程領(lǐng)域熱套生物醫(yī)學(xué)方面接骨板、人工關(guān)節(jié)等空間技術(shù)壓縮天線18記憶合金的應(yīng)用將記憶合金制成在Af溫度以上具有（a）所示形狀鉚釘，鉚接時(shí)先將其冷卻到Mf溫度以下，這時(shí)合金處于完全的馬氏體態(tài)很容易變形，略施加一點(diǎn)力將鉚釘扳成（b）所示并插入鉚釘孔（c），然后隨溫度回升到Af以上，鉚釘回復(fù)到變形前的形狀達(dá)到鉚接的目的（d）。19三、測(cè)溫材料熱電偶是應(yīng)用最廣的一種測(cè)溫原件，它是由兩種不同材料導(dǎo)線連接成的回路，其感溫的基本原理是熱電效應(yīng)。由兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組成閉合回路，當(dāng)兩接觸點(diǎn)保持在不同的溫度T1，T2時(shí)，回路中將有電流通過(guò)，此回路稱為熱電回路?；芈分谐霈F(xiàn)的電流稱為熱電流?；芈分谐霈F(xiàn)的電動(dòng)勢(shì)EAB稱為珀?duì)栙N電動(dòng)勢(shì)。20常用熱電偶材料適合溫度范圍-200-400℃適合溫度范圍<1300℃適合溫度范圍<1350℃短期可達(dá)1600℃適合溫度范圍<2500℃短期可達(dá)2800℃適合溫度范圍-269-0℃適合溫度范圍-270-0℃21常用熱電偶材料22標(biāo)準(zhǔn)熱電偶材料對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑的熱電動(dòng)勢(shì)23第五節(jié)光功能材料24一、固體激光材料（一）激光的產(chǎn)生入射光子引發(fā)受激輻射或被吸收E2E1hE2E1h引發(fā)受激輻射吸收hhAAA電子從E2返回E1，并釋放出一個(gè)光子hv=E2-E125只有能量為hv=E2-E1的光子才能引起受激輻射；受激輻射后，就有兩個(gè)能量都是hv的光子；受激輻射光的位相、偏振都與入射光相同；在外界光子引發(fā)受激輻射的同時(shí)，也發(fā)生吸收的過(guò)程；處于低能態(tài)的原子數(shù)總是很多，外界光子被吸收的可能性更大，引發(fā)受激輻射的可能性很小。

26產(chǎn)生激光的必要條件只有讓高能級(jí)的原子數(shù)大于低能級(jí)的原子數(shù)；（也叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）才可能使受激輻射的幾率大于吸收幾率；維持連續(xù)不斷的受激輻射。27產(chǎn)生激光的充分條件

單色光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激光壽命短、微弱，沒有實(shí)用價(jià)值；必須經(jīng)過(guò)光諧振器，使光子不斷增值，最后產(chǎn)生很強(qiáng)的位相相同的單色光，就是實(shí)用的激光。28激光器自1960年梅曼研制出第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，激光器的研制和應(yīng)用有了飛速發(fā)展，在工業(yè)、醫(yī)療、民用、國(guó)防等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。激光器主要由三部分組成：激光工作物質(zhì)、激勵(lì)能源、光學(xué)共振腔。1）工作物質(zhì)是激光器的核心，只有能實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。2）激勵(lì)能源（光泵）作用是給工作物質(zhì)以能量，即將原子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)的外界能量。3）光學(xué)共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行；二是不斷給光子加速；三是限制激光輸出的方向。根據(jù)激光工作物質(zhì)，可把激光器分為氣體激光器、固體激光器、分子激光器、半導(dǎo)體激光器等。29固體激光器固體激光器發(fā)展最早，其體積小，輸出功率大，應(yīng)用方便。但由于工作物質(zhì)很復(fù)雜，造價(jià)高。用于固體激光器的物質(zhì)主要有三種：紅寶石工作物質(zhì)，它是在單晶體剛玉基質(zhì)中摻入少量的三價(jià)鉻離子后形成的激活晶體。摻入的三價(jià)鉻離子是激活劑，起發(fā)光中心的作用。輸出波長(zhǎng)為694.3nm，為紅色光；摻釹鋁石榴石（Nd：YAG）工作物質(zhì)，輸出的波長(zhǎng)為1.06μm呈白藍(lán)色光；釹玻璃工作物質(zhì)，輸出波長(zhǎng)1.06μm呈紫藍(lán)色光。30氣體激光器工作物質(zhì)主要以氣體狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體，但有的物質(zhì)在通常條件下是液體（如非金屬粒子的有水、汞），及固體（如金屬離子結(jié)構(gòu)的銅，鎘等粒子），經(jīng)過(guò)加熱使其變?yōu)檎魵?，利用這類蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器，統(tǒng)歸氣體激光器之中。典型的氣體激光器為氦－氖（He-Ne）激光器

氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單得多，造價(jià)較低，操作簡(jiǎn)便，但是輸出功率常較小。31分子激光器分子氣體激光器通過(guò)分子能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生激發(fā)振蕩的一和種激光器，分子氣體激光器中主要使用的為CO2激光器；

CO2激光器效率高，不造成工作介質(zhì)損害，發(fā)射出10.6μm波長(zhǎng)的不可見激光，是一種比較理想的激光器。

32二、光導(dǎo)纖維光纖是一種非常細(xì)的可彎曲的導(dǎo)光材料。單根光纖的直徑約為幾到幾百微米，它由內(nèi)層材料（芯料）和包層材料（涂層）組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。為了保護(hù)其不受損壞、最外面再加一層塑料套管。33總外徑125~200μm纖芯高透明固體材料包層折射率較纖芯低固體材料覆層高強(qiáng)材料34全反射現(xiàn)象一切光纖的工作基礎(chǔ)都是光的全反射現(xiàn)象。如果一束光投射到折射率分別為n1和n2的兩種媒質(zhì)的界面上時(shí)（設(shè)n1>n2），入射光將分為反射光和折射光。入射角φ1與折射角φ2之間服從n1/n2=sinφ1/sinφ2

的折射定律。當(dāng)φ1增大時(shí)，φ2也相應(yīng)增加，當(dāng)φ2=π/2，φ1=arcsin(n2/n1)

時(shí)，入射光全部返回原來(lái)的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做光的全反射。35光在光纖中的傳播原理光纖芯料的折射率高于包層材料的折射率，當(dāng)入射光線由內(nèi)層射到兩層的界面時(shí)，只要入射角小于臨界角，就可全反射折回內(nèi)層，完全避免了傳輸過(guò)程中的折射損耗。36石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、高雙折射偏振保持光纖、單偏振光纖、各種傳感器用光纖等。常用光纖材料37光纖材料按光纖材料的組分不同可分為石英光纖、多組分氧化物玻璃光纖、非氧化物玻璃光纖、晶體光纖和高聚物光纖。石英光纖是以SiO2為主成分制成的。目前通訊用光纖都是SiO2玻璃光纖。38主要紅外光纖的光學(xué)傳輸性能光纖被大量地應(yīng)用在光通訊方面，此外，光纖作為傳感器在軍事、醫(yī)學(xué)都有重要應(yīng)用。39第六節(jié)其它功能材料40敏感材料儲(chǔ)氫材料隱形材料聲功能材料41敏感材料可以分為：聲、光、電壓、磁、氣、熱、濕、力、電化學(xué)、生物等敏感材料一、敏感材料42（一）氣敏感材料隨著環(huán)境氣氛的變化，這類材料的電阻會(huì)明顯改變，俗稱“電鼻子”，用以檢測(cè)環(huán)境中氣氛的變化。43構(gòu)成成分：各種氧化物陶瓷。典型的有：

SnO2、ZnO、-Fe2O3、ZrO2、

α-Fe2O3、TiO2等幾何形狀：薄膜型、厚膜型、多孔型44應(yīng)用SnO2氣敏陶瓷：用于氫、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、煤氣、天然氣的檢測(cè)。ZrO2氣敏陶瓷：用于鋼水中含氧量的測(cè)定-Fe2O3氣敏陶瓷：用于檢測(cè)還原性氣體α-Fe2O3氣敏陶瓷：

用于檢測(cè)異丁烷氣體、石油液化氣等ZnO摻入不同的催化劑

用于檢測(cè)丁烷、丙烷等氣體45（二）光敏感材料光敏感材料是指與光發(fā)生作用后，某些性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化，以反映光信號(hào)的強(qiáng)弱及其攜帶的信息。46構(gòu)成主要有：光敏電阻材料光電池材料光敏纖維47應(yīng)用探測(cè)光信號(hào)用光敏電阻材料（CaAs、CdS、PbS、PbSe)，制成光電轉(zhuǎn)換元件太陽(yáng)能電池硅是較理想的太陽(yáng)能電池材料，硫化鎘、砷化鎘、砷化鎵、聚乙炔等也是太陽(yáng)能電池材料。48（三）聲敏感材料壓電材料：壓電晶體、壓電陶瓷。正、負(fù)電荷中心發(fā)生偏離晶體極化晶體受壓或拉與施力方向垂直的表面產(chǎn)生束縛電荷壓電效應(yīng)49正負(fù)電荷中心重合，故不帶電壓電效應(yīng)++++----受壓極化，產(chǎn)生表面束縛電荷50正負(fù)電荷中心重合，故不帶電逆壓電效應(yīng)++++----受外電場(chǎng)的作用，產(chǎn)生極化∽壓電晶體產(chǎn)生變形51壓電晶體在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的變形與外加電場(chǎng)的大小及極性（方向）有關(guān)。在交變外加電場(chǎng)的作用下，壓電晶體將產(chǎn)生拉伸及壓縮變形，變形頻率與外加電場(chǎng)的頻率相同。當(dāng)外加電場(chǎng)的頻率>20kHz時(shí)，則壓電晶體的變形頻率亦>20kHz。超聲波利用逆壓電效應(yīng)，超聲波探頭可產(chǎn)生和發(fā)射超聲波；利用正壓電效應(yīng)，探頭可接收超聲波。52常用的壓電材料壓電晶體石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、碘酸鋰、鉭酸鋰等壓電陶瓷鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等53應(yīng)用日用擴(kuò)音器、電話、鐘表、頻率穩(wěn)定器等超聲應(yīng)用水下觀測(cè)、通信、探測(cè)、機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能制成引爆裝置、壓電引火器、超聲波清洗、焊接、打孔、無(wú)損檢測(cè)等54waterT-transmittedwaveS-SurfaceechoF-FlawechoB-BottomechoCathode-rayoscilloscopeProbeTSFBMechanismofA-ScanUltrasonicNDT55JTUIS超聲成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)56a)Aphotoofaactualbondedinterfaceb)TheimageoftheleftobtainedbyJTUIS57二、儲(chǔ)氫材料（1）基本原理儲(chǔ)氫材料T、P與氫作用生成氫化物儲(chǔ)氫降低