金屬功能材料

金屬功能材料無機非金屬功能材料高分子功能材料復合功能材料特殊功能材料電性材料磁性材料超導材料膨脹材料及彈性材料……電介質材料功能陶瓷功能玻璃材料半導體材料……光功能高分子材料電功能高分子材料化學功能高分子材料……磁性復合材料電性復合材料梯度復合材料隱身復合材料其他功能復合材料非晶態(tài)合金納米材料儲氫材料形狀記憶材料智能材料能源材料生物醫(yī)學材料……傳統(tǒng)功能金屬材料：電性，磁性，彈性等新發(fā)展起來的功能材料：

非晶合金，儲氫合金，形狀記憶合金……電性材料磁性材料超導材料膨脹材料及彈性材料金屬的熱電性塞貝克效應三種熱電效應：塞貝克（Seebeck）效應；由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象

珀耳貼(Peltier)效應

湯姆遜(Thomson)效應——制作熱電偶珀耳貼效應湯姆遜效應

兩種不同金屬或半導體接頭處，當電流沿某個方向通過時放出熱量，而電流反向時則吸收熱量。

金屬中溫度不均勻時，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動能大。像氣體一樣，當溫度不均勻時會產生熱擴散，因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴散，在低溫端堆積起來，從而在導體內形成電場，在金屬棒兩端便引成一個電勢差。這種自由電子的擴散作用一直進行到電場力對電子的作用與電子的熱擴散平衡為止——可以制作熱電轉換器或加熱（制冷）器，半導體制冷二.磁性材料

磁性材料指那些有實際工程意義具有較強磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前幾世紀人類就發(fā)現自然界中存在天然磁體，磁性(Magnetism)一詞就因盛產天然磁石的Magnesia地區(qū)而得名。早期的磁性材料主要是軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀六十年代起，非晶態(tài)軟磁材料、納米晶軟磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相繼出現。磁性材料廣泛應用于計算機及聲像記錄用大容量存儲裝置如磁盤、磁帶，電工產品如變壓器、電機，以及通訊、無線電、電器和各種電子裝置中，是電子和電工工業(yè)、機械行業(yè)和日常生活中不可缺少的材料之一。磁性材料的常用參數1剩磁Br:一般材料經過加磁后再去掉外部的加磁設備后磁場會減弱，但不會全部消失，這些剩余的磁場就是剩磁，把磁鐵比喻成海綿，剩磁就好似海綿吸水吸飽和了，這個時候顯示的磁鐵磁力值2矯頑力Hc:是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。海綿里的水吸到最大，然后把水壓出來，壓到海綿里沒有水，這個使用的壓力就好比是矯頑力；3磁能積BH:海綿吸水飽和，里面水的總量。

物質磁性的分類物質磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同

鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同被磁化后，磁化場方向與外場方向相反抗磁性與外加磁場的關系與原來不具有磁性的磁介質放在磁場中，由于受磁場的作用很快顯出磁性，從而產生附加磁場，改變空間原有磁場的分布：順磁性與鐵磁性：與同向抗磁性：與反向按用途分類鐵芯材料磁記錄材料磁頭材料磁屏蔽材料變壓器、繼電器錄音機通訊儀器、電器磁帶、磁盤磁性材料分類磁屏蔽材料主要是利用電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場一旦外界磁場去掉很易退磁外界磁場長時間不變介于二者之間用途：發(fā)電機、電動機、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質；計算機磁心等。例如硅鋼片、純鐵、鐵氧體、鐵鎳合金等要求：高的飽和磁感應強度、高的最大磁導率、高的居里溫度和低的損耗。磁導率：表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流后、產生磁通的阻力、或者是其在磁場中導通磁力線的能力軟磁材料用途：變壓器、電機與繼電器的鐵(磁)心。要求：低的矯頑力、高的磁導率和低的鐵損。主要材料：如工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、非晶態(tài)軟磁合金和鐵鈷合金；（一）工業(yè)純鐵資源豐富、價格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年熱軋純鐵就用于制造電機和變壓器鐵芯。是直流技術中非常重要的高磁飽和材料，主要用于制造電磁鐵的鐵心；繼電器和揚聲器的磁導體；電話機的振動膜；電工儀器儀表及磁屏蔽元件等。鐵芯材料（二）電工硅鋼片（Fe-Si軟磁合金）

鐵中加Si的作用：可提高鐵的最大磁導率，增大電阻率，還可顯著改善磁性時效。但Si加入量過多時，會降低飽和磁化強度、居里溫度、磁晶各向異性常數K1、磁致伸縮系數含Si量的增大會使材料變脆。

電工硅鋼片中Si的含量在0.5～4.8%Si。1903年開始投入實際生產，用量極大。主要用于制造大電流、頻率50～400Hz的中、強磁場條件下的電動機、發(fā)電機、變壓器等；中、弱磁場和較高頻率(達10KHz)條件下的音頻變壓器、高頻變壓器、電視機與雷達中的大功率變壓器、大功率磁變壓器、以及各種繼電器、電感線圈、脈沖變壓器和電磁式儀表等；純鐵中加入鈷后，剩磁Bs明顯提高，含鈷35%的鐵鈷合金的Bs達2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。在合金中加入少量的V和Cr可顯著提高其磁導率。實際應用的鐵鈷合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.7V1.3合金的國內牌號為1J22鐵鈷合金具有高的Bs，適用于小型化、輕型化以及有較高要求的飛行器及儀器儀表元件的制備，制造電磁鐵極頭和高級耳膜震動片等。但電阻率偏低，不適于高頻場合的應用，但價格昂貴。（三）鐵鈷合金磁記錄材料（一）磁記錄介質材料要求:材料具有高的剩余磁化強度、微細的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合適的矯頑力值。用途：磁帶，磁盤等記錄介質材料：磁性顆粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上發(fā)展到磁性薄膜記錄介質主要磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導磁合金、鐵硅鋁合金和高導磁鐵氧體材料。（二）磁頭材料用途：從磁記錄介質中讀出信號用途：高磁導率、低矯頑力和高電阻率之外，還要求高的耐磨性。永磁材料主要用途：提供永磁場主要種類：鋁鎳鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、鐵鉻鈷系永磁合金、汝鐵硼材料、稀土永磁材料和復合粘結永磁材料。主要性能要求：高的磁能積，高的轎頑力，高的居里點，高穩(wěn)定性，好的經濟性。三.超導材料形狀記憶合金儲氫合金天然氣為：88MJ/Kg

氫氣熱值：1.56*10^3MJ/Kg有色冶金概論§1有色金屬及其分類

1金屬：通常把元素周期表中具有光亮的金屬光澤，很高的導熱、導電性及良好的延展加工性的化學元素稱為金屬。

109種元素中93種金屬元素分類：（1）鐵金屬和非鐵金屬：鐵金屬指鐵和鐵基合金，包括生鐵、鐵合金和鋼；

非鐵金屬：鐵和鐵合金以外的金屬元素；（2）黑色金屬和有色金屬：黑色金屬：鐵、鉻、錳；有色金屬：將鐵、鉻、錳以外的金屬。（90種）通常按密度大小、礦物原料富集程度、發(fā)現的早晚、用途和價格將有色金屬分為：輕金屬、重金屬、稀有金屬和貴金屬四大類。

2輕金屬：密度小于5.0,具有很大活性的有色金屬,如：鋁(2.7)、鎂(1.74)、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇，不能用一般的火法冶金方法，而是用熔鹽電解或真空冶金方法來提取。

3重金屬：密度大于5.0，而化學性質不如輕金屬活潑的有色金屬，如銅(8.95)、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、汞、鎘、鉍等，一般用火法冶金或濕法冶金方法來提取。我國10種常用有色金屬(鋁AlCuZnPb（鉛）NiMgSnSbTiHg)因產量大，用途廣，價格低，稱為常用有色金屬或賤金屬。

貴金屬：金(Au)、銀(Ag)和鉑族金屬（PtPdRu等)。由于化學活性低，又稱惰性金屬。3稀有金屬：93種金屬元素中占60種。有的在地殼中豐度小，天然資源少；有的雖豐度大，賦存狀態(tài)分散，不能經濟提??；有的物理化學性質接近不容易分離成單一金屬；§2有色金屬冶金方法有色金屬冶金學：是一門研究如何經濟地從礦石或精礦或其它原料中提取有色金屬或有色金屬化合物，并用各種加工方法制成具有一定性能的有色金屬材料的科學。

廣義：礦石采礦、選礦、冶煉和加工。

狹義：礦石或精礦的冶煉，提取冶金。

有色金屬冶金方法：

（1）火法冶金：它是指在高溫下礦石或精礦經熔煉與精煉反應及熔化作業(yè)，使其中的有色金屬與脈石和雜質分開，獲得較純有色金屬的過程。整個過程包括原料準備、熔煉和精煉三個工序。過程所需能源主要靠燃料燃燒供給，也有依靠過程中的化學反應熱來提供。

（2）濕法冶金：它是在常溫（或低于100℃）常壓或高溫（100~300℃）高壓下，用溶劑處理礦石或精礦，使所要提取的有色金屬溶解于溶液中，而其它雜質不溶解，然后再從溶液中將有色金屬提取和分離出來的過程。該方法主要包括浸出、分離、富集和提取的過程。

（3）電冶金：它是利用電能提取和精煉有色金屬的方法。

A、電熱冶金：利用電能轉變成熱能在高溫下提煉有色金屬，本質同火法冶金。

B、電化學冶金：用電化學反應使有色金屬從所含鹽類的水溶液或熔體中析出。后者稱為水溶液電解，可歸入濕法冶金前者稱為熔鹽電解，可歸入火法冶金。

§3有色金屬冶金工藝過程：火法冶金主要經過焙燒、煅燒、燒結、精煉、浸出等工序（1）焙燒：是指將礦石或精礦置于適當的氣氛下，加熱至低于它們的熔點溫度，發(fā)生氧化、還原或其它化學變化的過程。其目的是改變原料中提取對象的化學組成，滿足熔煉或浸出的要求。焙燒過程按控制的氣氛不同，分為：氧化焙燒、還原焙燒、硫酸化焙燒、氯化焙燒等。

（2）煅燒：是指將碳酸鹽或氫氧化物的礦物原料在空氣中加熱分解，除去二氧化碳或水分變成氧化物的過程，如石灰石煅燒為石灰；氫氧化鋁煅燒成氧化鋁，作電解鋁原料。

（3）燒結和球團：

將粉礦或精礦經加熱焙燒，固結成多孔狀或球狀的物料，以適應下一工序熔煉的要求。

（4）熔煉：是指將處理好的礦石、精礦或其他原料，在高溫下通過氧化還原反應，使礦物原料中有色金屬組分與脈石和雜質分離為兩個液相層即金屬液和熔渣的過程，也叫冶煉。分為還原熔煉、造锍熔煉和氧化吹煉。

（5）火法精煉：在高溫下進一步處理熔煉、吹煉所得的含有少量雜質的粗金屬以提高其純度。種類：氧化精煉、硫化精煉、氯化精煉、熔析精煉、堿性精煉、區(qū)域精煉、真空冶金、蒸餾等。

（6）浸出：用適當的浸出劑（如酸、堿、鹽等水溶液）選擇性地與礦石、精礦、焙砂等礦物原料中金屬組分發(fā)生化學作用，并使之溶解而與其它不溶組分初步分離的過程。浸出又稱浸?。ㄖ亟饘伲?、溶出（輕金屬）和濕法分解（稀有金屬）。（7）液固分離：該過程是將礦物原料經過酸、堿等溶液處理后的殘渣與浸出液組成的懸浮液分離成液相與固相的濕法冶金單元過程。主要有物理方法和機械方法：重力沉降、離心分離、過濾等。

（8）溶液凈化：

將礦物原料中與欲提取的有色金屬一道溶解進入浸出液的雜質金屬除去的濕法冶金單元過程。凈液的目的是使雜質不至于危害下一工序對主金屬的提取。方法主要有：結晶、蒸餾、沉淀、置換、溶劑萃取、離子交換、電滲析和膜分離等。濕法冶金：濕法冶金包括：浸出、凈化、沉積三個主要過程。這三個過程是靠控制過程的條件，以控制物質在水溶液中的穩(wěn)定性而實現的。而反應的自由焓變化決定著水溶液中物質的穩(wěn)定性。熔鹽電解：

利用電熱維持熔鹽所要求的高溫，又利用直流電轉換的化學能自熔鹽中還原金屬，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產。

§4有色金屬冶金工業(yè)在國民經濟中的地位和作用國民經濟的基礎產業(yè)高科技發(fā)展的支柱產業(yè)資源優(yōu)勢，世界第三：總量豐富、儲量可觀、品種齊全、資源配套程度高，世界首位儲量：WSnTa（鉭）以及LiBeMg稀土材料產量：世界第一：ZnSbWMg稀土

世界第二：Pb（鉛）Mo第三：HgBi第四：CuTiCd（鎘）（

第七：Ni第八：Ag輕金屬冶金學鋁冶金鋁在自然界中的分布地殼中鋁8%，僅次于氧和硅，在金屬元素中，鋁居首位。我國開采歷史悠久

化學法制取鋁

1825Oersted丹麥鉀汞還原無水氯化鋁1827Wohler德國鉀還原無水氯化鋁1854Deville法國鈉還原NaCl-AlCl1865Bektob俄國鎂還原冰晶石

電解法煉鋁

1886年美國Hall法國Heroult申請專利：方法不同，結果一樣

Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化鋁法

法國：1889挪威：1906英國：1890意大利：1907德國：1898西班牙：1927奧地利1899前蘇聯：1931中國：1938冰晶石：六氟鋁酸鈉（Na3AlF6），微溶于水，熔融的冰晶石能溶解氧化鋁，在電解鋁工業(yè)作助熔劑、

1.1.2

現代鋁工業(yè)

全世界原鋁產量1890180t19006990t192518萬t1950150萬t19701025萬t19801560萬t20002400萬t

中國：2001年350萬噸，世界第二

用電解法或其它方法直接生產出來的純鋁稱為原鋁，現代工業(yè)還生產精鋁、高純鋁及多種鋁基合金。

現代鋁工業(yè)三個主要生產環(huán)節(jié)：

（1）從鋁土礦提取純氧化鋁（2）用冰晶石（六氟鋁酸鈉，能溶解氧化鋁）-氧化鋁熔鹽電解法生產鋁（3）鋁加工輔助環(huán)節(jié)：（1）炭素電極制造（2）氟鹽生產現代鋁工業(yè)生產流程簡圖拜耳法（堿法）生產氫氧化鋁：Al2O3·H2O+2NaOH+(3-n)H2O→2NaAl(OH)4（鋁酸鈉）

溶出NaAl(OH)4===Al(OH)3+NaOH

（降溫、不斷攪拌）分解燒結法生產氫氧化鋁：把鋁土礦、堿粉、石灰（小石渣）、循環(huán)堿液和拜爾法赤泥按比例配料并磨制成合格的生料漿，噴入熟料窯中在高溫下燒結成熟料，熟料和調整液在濕磨中粉碎溶出，溶出液分離得到粗液，粗液經脫硅、過濾后得鋁酸鈉精液在降溫、不斷攪拌的條件下，析出氫氧化鋁?，F代鋁工業(yè)生產流程簡圖鋁的熔點660℃鋁電解原理：

現代鋁工業(yè)生產，主要采用冰晶石（Na3AlF6）-氧化鋁熔鹽電解法，其中氧化鋁是煉鋁的原料，冰晶石是熔劑。直流電通入電解槽，在陰極和陽極上發(fā)生電化學反應。電解產物，陰極上是液體鋁，陽極上是氣體CO2（75~80%）和CO（20~25%）。在工業(yè)電解槽內，電解質通常由質量分數為95%的冰晶石和5%的氧化鋁組成，電解溫度為950~970℃。電解液的密度約為2.1g/cm3，鋁液密度為2.3g/cm3，兩者因密度差而上下分層。鋁液用真空泵抽出后，經過凈化和過濾，澆鑄成商品鋁錠，純度達99.5~9