第十二章新型材料第一節形狀記憶合金

一、形狀記憶效應

某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態下進行一定限度的變形或變形誘發馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當超過馬氏體相消失的溫度時，材料就能完全恢復變形前的形狀和體積，這種現象稱為形狀記憶效應（SME）。具有形狀記憶效應的合金稱形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy）。形狀記憶合金應具備以下三個條件：①馬氏體相變是熱彈性類型的；②馬氏體相變通過孿生（切變）完成，而不是通過滑移產生；③母相和馬氏體相均屬有序結構。二、形狀記憶合金的應用已發現的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只有Ti-Ni系合金和銅系合金。1、工程應用形狀記憶合金在工程上的應用很多，最早的應用就是作各種結構件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關的傳感及自動控制。2、醫學應用利用Ti-Ni合金與生物體良好的相容性，可制造醫學上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。利用合金的超彈性可代替不銹鋼作齒形矯正用絲等。第二節非晶態合金

非晶態是指原子呈長程無序排列的狀態。具有非晶態結構的合金稱非晶態合金，非晶態合金又稱金屬玻璃。

一、非晶態合金的制備

1、氣態急冷法氣態急冷法即氣相沉積法，主要包括濺射法和蒸發法。這兩種方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，不能進行工業生產，但由于其可制成非晶態材料的范圍較寬，因而可用于研究。2、液態急冷法目前最常用的液態急冷法是旋輥急冷法，分為單輥法和雙輥法。圖12-2是單輥法示意圖。將試塊放入石英坩堝中，在氬氣保護下用高頻感應加熱使其熔化，再用氣壓將熔融金屬從管底部的扁平口噴出，落在高速旋轉的銅輥輪上，經過急冷立即形成很薄的非晶帶。

單輥法制備非晶帶示意圖二、非晶態合金的特性1、力學性能：具有高的強度和硬度2、耐蝕性：非晶態合金具有很強的耐腐蝕能力。3、電性能：與晶態合金相比，非晶態合金的電阻率顯著增高（2-3倍）。多數非晶態合金具有負的電阻溫度系數，即隨溫度升高電阻率連續下降。4、軟磁性：非晶態合金磁性材料具有高導磁率、高磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，而且無磁各向異性。5、其他性能：非晶態合金還具有好的催化特性，高的吸氫能力，超導電性，低居里溫度等特性。

三、非晶態合金的應用

利用非晶態合金的高強度、高韌性、以及工藝上可以制成條帶或薄片，目前已用它來制作輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強纖維。還可用來制作各種切削刀具和保安刀片。非晶態的鐵合金是極好的軟磁材料，它容易磁化和退磁，比普通的晶體磁性材料導磁率高、損耗小，電阻率大。非晶態合金耐腐蝕，特別是在氯化物和硫酸鹽中的抗腐蝕性大大超過不銹鋼，獲得了“超不銹鋼”的名稱，可以用于海洋和醫學方面。

第三節超塑性合金

一、超塑性現象所謂超塑性是指合金在一定條件下所表現的具有極大伸長率和很小變形抗力的現象。合金發生超塑性時的斷后伸長率通常大于100%，有的甚至可以超過1000%。從本質上講，超塑性是高溫蠕變的一種，因而發生超塑性需要一定的溫度條件，稱超塑性溫度Ts。根據金屬學特征可將超塑性分為細晶超塑性和相變超塑性兩大類。1、細晶超塑性細晶超塑性也稱等溫超塑性，是研究得最早和最多的一類超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有這一類超塑性的合金產生細晶超塑性的必要條件是：⑴溫度要高，Ts=(0.4-0.7)Tm。⑵變形速率要小（≤10-3/秒）。⑶材料組織為非常細的等軸晶粒，晶粒直徑<5m。2、相變超塑性

相變超塑性是指合金受小應力作用時，在其相變溫度上下反復加熱冷卻獲得極大伸長率的現象，又稱動態超塑性。具有固態相變的合金都有可能發生相變超塑性。二、超塑性合金

1、鋅基合金：用于一般不需切削的簡單零件。2、鋁基合金：含有微量細化晶粒元素（如Zr等）的超塑性鋁合金具有較好的綜合力學性能，可加工成復雜形狀部件。3、鎳合金：利用超塑性進行精密鍛造，壓力小，節約材料和加工費，制品均勻性好。4、超塑性鋼：將超塑性用于鋼方面，至今尚未達到商品化程度。5、鈦基合金：利用超塑性進行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制出形狀復雜的精密零件。

三、超塑性合金的應用1、高變形能力的應用2、固相粘結能力的應用3、減振能力的應用4、其他第四節納米材料

納米材料（NanoMaterials）是指尺寸為1-100nm的納米粒子、由納米粒子凝聚成的纖維、薄膜、塊體及與其他納米粒子或常規材料（薄膜、塊體）組成的復合材料。

一、納米材料的特性

1、三個效應⑴小尺寸效應當超微粒子的尺寸小到納米數量級時，其聲、光、電、磁、熱力學等特性均會呈現新的尺寸效應。⑵表面與界面效應隨納米微粒尺寸減小，比表面積增大，三維納米材料中界面占的體積分數增加。此時已不能把界面簡單地把它看作是一種缺陷，它已成為納米固體的基本組分之一，并對納米材料的性能起著舉足輕重的作用。⑶量子尺寸效應隨粒子尺寸減小，能級間距增大，從而導致磁、光、聲、熱、電及超導電性與宏觀特性顯著不同。2、物理特性⑴低的熔點、燒結開始溫度及晶化溫度⑵具有順磁性或高矯頑力

⑶光學特性：一是寬頻吸收。二是藍移現象。⑷電特性：隨粒子尺寸降到納米數量級，金屬由良導體變為非導體，而陶瓷材料的電阻則大大下降。3、化學特性由于納米材料比表面積大，處于表面的原子數多，鍵態嚴重失配，表面出現非化學平衡、非整數配位的化學價，化學活性高，很容易與其他原子結合。如納米金屬的粒子在空氣中會燃燒，無機材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與其反應。4、結構特性納米微粒的結構受到尺寸的制約和制備方法的影響。5、力學性能特性

高強度、高硬度，良好的塑性和韌性是納米材料引人注目的特性之一。二、納米材料的分類1、按納米顆粒結構狀態可分為納米晶體材料（又稱納米微晶材料）和納米非晶態材料。2、按結合鍵類型可分為納米金屬材料、納米離子晶材料、納米半導體材料及納米陶瓷材料。3、按組成相數量可分為納米相材料（由單相微粒構成的固體）和納米復相材料（每個納米微粒本身由兩相構成）。三、納米新材料

1、C60、納米管、納米絲：

C60原子團簇的結構2、人工納米陣列體系：是指將金屬熔入Al2O3納米管狀陣列空洞模板，或將導電高分子單體聚合于聚合物納米管狀空洞模板的空洞內，形成具有陣列體系的納米管和納米絲。可用于微電子元件、納米級電極及大規模集成電路的線接頭等。3、納米顆粒膜：是由納米小顆粒嵌鑲在薄膜基體中構成的復合體，可采用共蒸發、共濺射的工藝制得。四、納米復合材料1、納米復合涂層材料具有高強、高韌、高硬度，在材料表面防護和改性上有廣闊的應用前景，

2、金屬基納米復合材料納米粒子可以是金屬和陶瓷，其強度、硬度和塑韌性大大提高，而不損害其他性能。3、陶瓷基納米復合材料有可能突破陶瓷增韌問題。4、高分子基納米復合材料

5、功能納米復合材料

六、納米材料的應用1、陶瓷增韌

近年來，陶瓷增韌研究集中于通過納米添加來改善常規陶瓷的綜合性能。2、磁性液體

將化學吸附一層長鏈高分子的納米鐵氧體（如Fe3O4）高度彌散于基液（如水、煤油、烴等）中而形成的穩定膠體體系，在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑（即長鏈高分子）包裹著的液體一起運動，好象整個液體具有磁性，稱為磁性液體。可用于旋轉軸的動態密封、制作阻尼件、潤滑劑、磁性液體發電機、比重分離、造影劑等。

3、制作超微粒傳感器如氣體、溫度、速度、光傳感器等。4、在生物和醫學上的應用由于納米微粒的尺寸比生物體內的細胞、紅血球小得多，因此可用于細胞