《金屬材料工程概論（第2版）》7金屬功能材料課件

7金屬功能材料定義：功能材料一般是指在能量與信息的顯示、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)等方面具有獨(dú)特的功能。這些特殊功能是以它們所具有的優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等物理性能，特殊的力學(xué)性能，優(yōu)異的化學(xué)以及生物學(xué)性能為基礎(chǔ)的。分類(lèi)：按照材料的原子結(jié)合鍵、化學(xué)成分特征出發(fā)，可將功能材料分成金屬功能材料、無(wú)機(jī)非金屬功能材料、有機(jī)功能材料和復(fù)合功能材料。按照材料的性能分類(lèi)，選擇介紹磁性材料(包括軟磁和硬磁材料)，電性材料，彈性、減振與熱膨脹合金，形狀記憶合金等。7.1磁性材料

7.1.1物質(zhì)磁性的基礎(chǔ)知識(shí)磁性材料是利用材料的磁性特點(diǎn)，在一定空間建立磁場(chǎng)或改變?cè)艌?chǎng)狀態(tài)的一類(lèi)功能材料。工程中應(yīng)用的有金屬磁性材料和鐵氧體陶瓷材料兩類(lèi)。一般物質(zhì)的磁性按磁化率X或磁導(dǎo)率μ的大小分類(lèi)。（1）抗磁性物質(zhì)；呈抗磁性。這類(lèi)物質(zhì)特征是磁化率為負(fù)值。惰性氣體、非金屬硅、磷、硫及元素周期表中11～16列的元素(如銻、灰錫、鉈等)都是典型的抗磁物質(zhì)。（2）順磁物質(zhì)：呈順磁性。這類(lèi)物質(zhì)特征是磁化率為正值。氧、氮、稀土金屬、堿金屬、鐵族元素的鹽類(lèi)及鐵族元素的高溫態(tài)、其它過(guò)渡族金屬(如鈦、釩、鉻、錳等)都屬于順磁物質(zhì)。（3）鐵磁物質(zhì)：呈鐵磁性這類(lèi)物質(zhì)與順磁物質(zhì)相似，但它呈鐵磁性，鐵磁物質(zhì)易磁化，有磁滯現(xiàn)象和磁滯回線(xiàn)，有居里點(diǎn)。典型的鐵磁元素鐵、鈷、鎳的居里點(diǎn)分別為770℃、113l℃、358℃。7.1

磁性材料7.1.2

磁性材料的分類(lèi)及特點(diǎn)

磁性材料按其特性和應(yīng)用通常分為軟磁材料和永磁材料(又稱(chēng)為硬磁材料)兩大類(lèi)。在工程中實(shí)用的磁性材料屬于強(qiáng)磁性物質(zhì)。軟磁材料軟磁材料磁性能的主要特點(diǎn)是磁導(dǎo)率高，矯頑力低。這類(lèi)材料在較低的外磁場(chǎng)下，磁感應(yīng)強(qiáng)度很快達(dá)到飽和。當(dāng)外磁場(chǎng)去掉后，磁性又基本消失。屬于軟磁材料的品種很多，如電工用純鐵、硅鋼片、鐵鎳合金、鐵鋁合金、軟磁鐵氧體、鐵鈷合金等。軟磁材料的品種不同，其特性和用途也不相同。它主要用作傳遞、轉(zhuǎn)換能量和信息的磁性元器件。2)永磁材料永磁材料磁性能的主要特點(diǎn)是矯頑力高。經(jīng)飽和磁化后再去掉外磁場(chǎng)時(shí)，將儲(chǔ)存一定的磁能量，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持強(qiáng)而穩(wěn)定的磁性。屬于永磁材料的品種有鋁鎳鈷、稀土鈷、永磁鐵氧體等。永磁材料主要用于能夠產(chǎn)生恒定磁通的磁路中，在一定空間內(nèi)作為磁場(chǎng)源提供恒定的磁場(chǎng)。7.1

磁性材料7.1.3

軟磁材料的性能軟磁材料性能基本要求如下：具有高的磁感應(yīng)強(qiáng)度可縮小鐵芯體積，減輕產(chǎn)品重量，或者可節(jié)約導(dǎo)線(xiàn)，降低導(dǎo)體電阻引起的損耗。具有高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力磁導(dǎo)率高，當(dāng)線(xiàn)圈匝數(shù)一定時(shí)，通以不大的激磁電流就能產(chǎn)生較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而獲得高的輸出電壓；矯頑力低，磁滯回線(xiàn)的面積小，則鐵損也小，從而有助于縮小產(chǎn)品尺寸，提高靈敏度。高靈敏度對(duì)用于信息傳輸方面的元件尤其重要。具有低的鐵損鐵損低，可降低產(chǎn)品的總損耗，提高產(chǎn)品效率。此外，在高頻下使用的軟磁材料應(yīng)具有高的電阻率，以降低渦流損耗。穩(wěn)定性好軟磁材料要求其磁性不隨外界條件的變化而改變，如溫度、時(shí)間、應(yīng)力及輻照等。其變化率越小，則磁性越穩(wěn)定。其它特殊要求如飽和磁致伸縮系數(shù)等，以滿(mǎn)足某些特殊性能要求。所謂磁致伸縮是指當(dāng)鐵磁體磁化狀態(tài)改變時(shí)，引起磁體的尺寸及形狀的變化。在磁化過(guò)程中，沿磁化方向單位長(zhǎng)度上所發(fā)生的變化稱(chēng)為磁致伸縮系數(shù)。由于軟磁材料品種繁多，分類(lèi)方法很不一致。按合金系列可分為工業(yè)純鐵、鐵一硅合金(硅鋼片)、鐵一鎳合金(坡莫合金)及其它軟磁材料等。7.1.3

軟磁材料的性能工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵作為軟磁材料突出的特點(diǎn)是：具有較高的磁導(dǎo)率及很高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，電阻率很低，鐵損很大，是重要的軟磁材料，主要用于直流電機(jī)和電磁鐵的鐵芯、磁電式儀表中的元件、繼電器的鐵芯、磁屏蔽罩等。工業(yè)純鐵的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度很高，但電阻率很低，在高頻磁場(chǎng)中使用時(shí)鐵芯損耗很大，因而使用受到限制。Fe-Si軟磁合金(硅鋼片)在工業(yè)純鐵中加入1％～4.5％Si的鐵—硅合金(又稱(chēng)硅鋼片)，具有顯著的優(yōu)越性，目前已成為電工、電訊工業(yè)中用途最廣、用量最多的軟磁材料，約占磁性材料重量的90％～95％。硅鋼片按制造工藝不同，可分為熱軋和冷軋兩種，冷軋又有取向和無(wú)取向之分。鐵—鎳合金

含30％～90％Ni的鐵—鎳系軟磁合金，一般稱(chēng)為坡莫合金。坡莫合金的出現(xiàn)克服了硅鋼片在弱磁場(chǎng)中性能不夠好的缺陷，成為軟磁材料的核心，被廣泛應(yīng)用于電訊、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等方面。坡莫合金大約70多種、工業(yè)牌號(hào)300多個(gè)，按成分可分類(lèi)為低鎳(Ni<45％)、中鎳(Ni47％～50％)、高鎳(Ni70％～80％)合金；按用途可分類(lèi)為磁芯材料、磁頭材料、熱磁材料等；按磁性能要求可分類(lèi)為高磁導(dǎo)率、矩磁、恒磁導(dǎo)率三類(lèi)。7.1.4

永磁材料定義：經(jīng)飽和磁化后能儲(chǔ)存較大的磁能量，將所加磁化磁場(chǎng)去掉以后，仍能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持強(qiáng)而穩(wěn)定磁性的材料稱(chēng)為永磁材料?；拘阅芤鬄椋鹤畲蟠拍芊e(BH)m要大；磁穩(wěn)定性好。分類(lèi)永磁材料包括金屬和鐵氧體兩大類(lèi)，其中金屬永磁材料目前已發(fā)展到幾百種。若按制造工藝分類(lèi)，可分為鑄造永磁合金、粉末冶金永磁材料、塑性變形永磁材料、淬火磁鋼等。按永磁硬化機(jī)理可分為淬火硬化型、時(shí)效硬化型等。按化學(xué)成分可分為鐵基永磁合金、鐵鎳鋁系鑄造合金、稀土鈷永磁合金等。主要應(yīng)用：精密儀器儀表(磁電式儀表、示波器、電子鐘等)、電訊、電聲器件(揚(yáng)聲器、磁錄音頭等)、控制器件(極化繼電器、斷路器等)、磁無(wú)觸點(diǎn)軸承、磁性開(kāi)關(guān)的磁鐵，以及醫(yī)療設(shè)備等。7.2

形狀記憶合金定義：某些特殊合金在較低溫度下受力發(fā)生塑性變形后，經(jīng)過(guò)加熱，又恢復(fù)到受力前的形狀，即塑性變形因受熱消失。在該變形和溫度變化過(guò)程中，合金似乎對(duì)初始形狀有記憶性，故稱(chēng)這種特性為形狀記憶效應(yīng)，或“SME”(shapememoryeffect)。具有形狀記憶效應(yīng)的合金，就是形狀記憶合金，或“SMA"(shapememoryalloy)。合金的形狀記憶可分成單程、雙程和全程形狀記憶三種。（a）單程形狀記憶（b）雙程形狀記憶（c）全程形狀記憶7.3

貯氫合金

貯氫材料，是一類(lèi)能夠大量吸收氫氣并與之結(jié)合成金屬氫化物的材料。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，氫化物分解，將氫氣重新釋放出來(lái)。貯氫材料有很多種：?jiǎn)钨|(zhì)類(lèi)材料有鈦、鋯、鎂；合金類(lèi)可分為AB5、AB2、AB、A2B和BCC固溶體幾種類(lèi)型。作為貯氫材料，其性能要求包括：氫氣儲(chǔ)存量大，吸收與釋放速度高，并且離解溫度(即氫與材料的化學(xué)結(jié)合破壞，從而還原成氫氣并釋放出來(lái)的溫度)較低。貯氫材料中的氫密度最高，又沒(méi)有氣瓶的高壓危險(xiǎn)性，是比較理想的氫儲(chǔ)運(yùn)工具。不同貯氫合金有比較大的差異。各類(lèi)合金以質(zhì)量比表示的貯氫量分別是：AB5型—1.3％，AB2型—1.8％，AB型—2.0％，A2B型—3.6％，BCC型—3.8％。AB5型的合金主要是LaNi5和MM—Ni(MnAlCo)，這里MM為混合稀土。它們的晶體結(jié)構(gòu)為CaCu5型，開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)70年代。目前其實(shí)用化程度較高，主要用于電池負(fù)極材料。其特點(diǎn)是易活化，不易吸附雜質(zhì)致使吸氫能力降低而“中毒”。AB2型，具有Laves相結(jié)構(gòu)，不過(guò)其成分并不固定，可在很大范圍變化。代表性合金有：TiMnl.5、ZrMn2等多種合金。其特點(diǎn)在于更高的氫氣儲(chǔ)存能力。AB型合金主要是FeTi合金，結(jié)構(gòu)是CsCl型。優(yōu)點(diǎn)是貯氫量大，缺點(diǎn)是初期活化困難，通過(guò)添加合金元素錳、鈮、氧、鋯等可明顯改善。A2B型合金主要指Mg2Ni合金，故又稱(chēng)鎂系合金。其突出特點(diǎn)是單位質(zhì)量貯氫合金存儲(chǔ)的氫氣量高，原因是鎂合金自身密度低。其重要的發(fā)展方向是車(chē)用動(dòng)力型電池。BCC型合金是指晶體結(jié)構(gòu)屬于bcc空間點(diǎn)陣的合金，主要是V—Ti、V—Ti—Cr、V—Ti—Mn、V-Ti-Ni等合金。這些合金的特點(diǎn)及應(yīng)用方向與鎂系貯氫合金很相似。7.4其他功能材料7.4.1生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料被單獨(dú)地或與藥物一起用于人體內(nèi)組織及器官，起替代、增強(qiáng)、修復(fù)等醫(yī)療作用。隨著醫(yī)學(xué)及醫(yī)療技術(shù)的提高，這類(lèi)功能材料性能涉及面越來(lái)越廣，用量也越來(lái)越大。金屬類(lèi)材料應(yīng)用最早，一百多年前人們已經(jīng)用耐腐蝕的金屬來(lái)修復(fù)或替代人體器官；它的應(yīng)用也是最多的，與聚合物類(lèi)生物材料相當(dāng)?，F(xiàn)在，金屬生物材料比較廣泛地用于承受力的骨骼、關(guān)節(jié)和牙等硬組織的修復(fù)與替換。這類(lèi)材料既要滿(mǎn)足強(qiáng)度、耐磨性以及較好的疲勞性能等力學(xué)性能的要求，又要具有生物功能性(biofunctionability)和生理相容性(biocompati—bility)，即滿(mǎn)足生物學(xué)性能的具體要求，還要無(wú)毒、不引起人體組織病變，對(duì)人體內(nèi)各種體液具有足夠抗侵蝕能力。金屬類(lèi)生物醫(yī)學(xué)材料主要是不銹鋼、鈷鉻合金和鈦合金。其中，不銹鋼與鈷鉻合金的生理相容性最好。7.4生物醫(yī)學(xué)等功能材料7.4.2

梯度功能材料梯度功能材料(functionallygradientmaterial}是將兩種性能截然不同的材料組合在一起時(shí)，在它們之間建立一個(gè)可控的材料微觀(guān)要素(化學(xué)成分、組織等)連續(xù)變化的過(guò)渡區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)性能平緩變化的材料。其發(fā)展背景是高速飛行器中承受巨大溫差部位的材料。從耐熱角度出發(fā)，高溫側(cè)應(yīng)選用陶瓷材料；在低溫一側(cè)，為了保證材料具有足夠的強(qiáng)度、韌性，應(yīng)選擇金屬材料。巨大的溫差以及陶瓷材料與金屬材料的熱膨脹差別，使兩者界面上形成很大熱應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致剝落或龜裂。為了減小熱應(yīng)力，人們提出了梯度材料的設(shè)想。即在高溫側(cè)的陶瓷與低溫側(cè)的金屬之間，制造一個(gè)陶瓷與金屬的混合過(guò)渡區(qū)，并且相對(duì)含量隨著位置變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)過(guò)渡。適當(dāng)設(shè)計(jì)該區(qū)內(nèi)組成的變化，可以將各位置上的熱應(yīng)力均控制在材料的承受范圍內(nèi)。7.4.3

智能材料智能材料比較全面、確切的概念是“智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”，是指在材料或結(jié)構(gòu)中植入傳感器、信號(hào)處理器、通信與控制器及執(zhí)行器，使材料或結(jié)構(gòu)具有自診斷、自適應(yīng)，甚至損傷自愈合等某些智能功能與生命特征。這種系統(tǒng)已被用于一些重要的工程和尖端技術(shù)領(lǐng)域中。如建筑、橋梁、水壩、電站、飛行器等的狀態(tài)監(jiān)督、振動(dòng)、形狀的自我調(diào)節(jié)，損傷的自愈合等。具體實(shí)例有，在機(jī)翼、潛艇甚至汽車(chē)上設(shè)計(jì)安裝一個(gè)智能系統(tǒng)，控制其外形，達(dá)到安全、節(jié)油的目的。7.4.4

低維功能材料低維材料是相對(duì)于大塊狀的三維材料而言的，可分為二維材料(即薄膜材料)、一維材料(纖維材料)和零維材料(超細(xì)粉，或納米粉)，其特征是分別在1、2和3個(gè)方向上的幾何尺寸很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他方向上的尺度。薄膜材料近年來(lái)發(fā)展很快，特別要提到人造金剛石薄膜。由于金剛石有許多極其特殊的物理、力學(xué)性能，用途很廣。受到資源及價(jià)格因素的影響，其實(shí)際使用受到很大限制?，F(xiàn)在人們可以通過(guò)多種方法，甚至用很普通的設(shè)備制得這種曾被視為極稀缺難得的材料。納米材料屬于零維材料，其晶粒尺寸一般小于100nm，可低至數(shù)個(gè)nm，具有明顯納米特性的材料。納米材料的特點(diǎn)是表面極其發(fā)達(dá)，處于表面層的原子在所有原子中占有很高的比例。這一特點(diǎn)對(duì)于主要利用表面層原子進(jìn)行工作的材料，如催化劑材料，非常有利。低維材料性能特殊性的原因低維材料在許多方面的性能都表現(xiàn)出與一般三維塊狀材料明顯不同。這些性能的變化從根本上講，是以低維材料中原子結(jié)構(gòu)及電子狀態(tài)的特殊性為依據(jù)的。含有原子數(shù)目不大的納米金屬粉末，其外層電子的能級(jí)雖然發(fā)生分裂，但不足以形成準(zhǔn)連續(xù)的能帶，而是量子化效應(yīng)很強(qiáng)的分立能級(jí)。電子的波函數(shù)明顯不同于塊狀材料。這種效應(yīng)在尺寸很小的某個(gè)方向上也會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。為了保持最低能態(tài)，材料的原子結(jié)構(gòu)還會(huì)進(jìn)行必要的自我調(diào)整，發(fā)生諸如薄膜材料中表面原子層的結(jié)構(gòu)弛豫(即表層原子空間排布狀態(tài)的調(diào)整)等過(guò)程。因而低維材料性能的特殊性更多地體現(xiàn)在其物理和化學(xué)性能方面。7.4.5

超磁致伸縮材料許多鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性材料都具有磁致伸縮現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在很大程度上影響、決定磁性材料的磁性能(特別是軟磁材料)。磁致伸縮是磁有序材料的共性。作為一類(lèi)功能材料，超磁致伸縮材料的特點(diǎn)是，飽和磁致伸縮系數(shù)λs特別高，是一般材料的幾十至上百倍。這類(lèi)材料處于變化的外磁場(chǎng)中，其尺寸也不斷改變，因而可實(shí)現(xiàn)電與機(jī)械信號(hào)的轉(zhuǎn)換。70年代初，克拉克(Clark)等人發(fā)現(xiàn)稀土與鐵的AB2型Laves化合物具有極高的λs。經(jīng)過(guò)不斷研究，(Tb0.27Dyo.73)Fe2合金具有較好的使用性能，已進(jìn)入實(shí)際使用階段。如制成電聲換能器，用做船舶聲納的聲源。利用特殊的材料制備技術(shù)控制好合金成分，并且得到特定晶體學(xué)方向生長(zhǎng)的單晶或定向凝固材料，保證材料達(dá)到優(yōu)異的使用性能。7.4.6

磁制冷及磁蓄冷材料磁制冷是不使用氟立昂等有害工作介質(zhì)達(dá)到制冷的方法之一。它利用磁性材料的磁卡效應(yīng)進(jìn)行制冷。磁性材料在居里點(diǎn)附近發(fā)生磁有序向無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，磁性熵增大，需要吸收外界熱量。利用該特性，通過(guò)外磁場(chǎng)，控制材料的磁有序度，可以實(shí)現(xiàn)制冷。人們對(duì)于磁制冷的應(yīng)用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。最接近0K的極低溫就是利用物質(zhì)核磁的絕熱退磁獲得的。近期對(duì)磁制冷材料的研究集中于具有適當(dāng)?shù)木永餃囟?，磁性熵特別高，因而具有較大熱容量的材料。在磁制冷材料中，釓及它與另外的稀土金屬