1、赵赵 健健 闯闯 第第4 4章章 非金属材料与新型材料非金属材料与新型材料4.1 4.1 高分子材料高分子材料 高分子化合物高分子化合物有机高分子化合物有机高分子化合物无机高分子化合物无机高分子化合物 有机高分子有天然的和合成的两种有机高分子有天然的和合成的两种.工程工程中使用的主要是人工合成的高分子聚合物中使用的主要是人工合成的高分子聚合物,简简称高聚物称高聚物.4.1.1 4.1.1 高聚物的人工合成高聚物的人工合成低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成. 1、加聚反应：一种或多种单体相互加成形成聚、加聚反应：一种或多种单体相互加成形成聚合物的反应。无
2、低分子副产物生成。单体为一种的合物的反应。无低分子副产物生成。单体为一种的叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。单体为一种或两叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。单体为一种或两种以上的称为共加聚。如种以上的称为共加聚。如ABS工程塑料就是有丙烯工程塑料就是有丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成。腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成。 2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成高聚物，同时析出新的低分子副产物的反应。其单高聚物，同时析出新的低分子副产物的反应。其单体是含有两种或两种以上活泼官能团的低分子化合体是含有两种或两种以上活泼官能团的低分子化合物。按照参加反应的单
3、体不同，缩聚反应分为均缩物。按照参加反应的单体不同，缩聚反应分为均缩聚和共缩聚两种。酚醛树脂（电木），聚酰胺（尼聚和共缩聚两种。酚醛树脂（电木），聚酰胺（尼龙），环氧树脂等都是缩聚反应产物。龙），环氧树脂等都是缩聚反应产物。4.1.2 4.1.2 有机高分子材料的组成及性能特点有机高分子材料的组成及性能特点1、有机高分子材料的组成：、有机高分子材料的组成：基料基料:高聚物（树脂、生橡胶），决定性能高聚物（树脂、生橡胶），决定性能辅料辅料:(添加剂添加剂) 填充剂、增塑剂、软化剂、填充剂、增塑剂、软化剂、 固化剂、稳定剂、防老化剂、固化剂、稳定剂、防老化剂、 润滑剂、发泡剂、着色剂等润滑剂、发泡
4、剂、着色剂等 改善性能，补充性能改善性能，补充性能2、有机高分子材料的性能特点：、有机高分子材料的性能特点：1）与金属材料相比，性能特点：）与金属材料相比，性能特点：A、比强度高：强度、比强度高：强度/密度密度B、高弹性和低弹性模量、高弹性和低弹性模量C、高耐磨性和低硬度、高耐磨性和低硬度2）物理性能特点：）物理性能特点：A、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能 力低力低B、耐热性差：分子间力弱，受热、受力易软化、耐热性差：分子间力弱，受热、受力易软化、 熔化熔化C、导热性低：线膨胀系数是金属的、导热性低：线膨胀系数是金属的3-4倍，机倍，机 械中会因
5、膨胀变形过量，引起开械中会因膨胀变形过量，引起开 裂，脱落，松动等裂，脱落，松动等3）化学性能特点：）化学性能特点： 化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性强，如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定，强，如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定，但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发生软化、熔胀等现象。生软化、熔胀等现象。4）有机高分子化合物的老化：）有机高分子化合物的老化： 高聚物在长期的使用和存放过程中，由于外高聚物在长期的使用和存放过程中，由于外界物理、化学及生物因素的影响（如热、光、辐界物理、化学及生物因素的影响（如热、光、辐射
6、、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等），使得射、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等），使得聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能，这能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能，这个过程成为老化。个过程成为老化。 橡胶：龟裂、变软、变粘橡胶：龟裂、变软、变粘 塑料：脱色、失去光泽、开裂塑料：脱色、失去光泽、开裂 防止方法：表面防护，抗老化剂防止方法：表面防护，抗老化剂4.1.3 4.1.3 工程塑料工程塑料1、塑料的组成：、塑料的组成：基料基料:合成树脂，对塑料性能起决定性作用合成树脂，对塑料性能起决定性作用辅料辅料:(添加
7、剂添加剂) 填充剂、增塑剂、填充剂、增塑剂、 固化剂、固化剂、 稳定剂（防老化剂）。此外还稳定剂（防老化剂）。此外还 有阻燃剂、发泡剂、着色剂、抗有阻燃剂、发泡剂、着色剂、抗 静电剂等静电剂等 改善性能，补充性能改善性能，补充性能2、塑料的分类：、塑料的分类：1）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：（1） 为热塑性塑料为热塑性塑料 ：加热时软化、熔融、冷却时：加热时软化、熔融、冷却时 凝固，变硬，可反复进行。如聚乙烯、聚氯凝固，变硬，可反复进行。如聚乙烯、聚氯 乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、 A
8、BS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有机玻璃等。、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有机玻璃等。（2） 热固性塑料：密网型分子链结构。酚醛塑料、热固性塑料：密网型分子链结构。酚醛塑料、 氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和 聚酯树脂。不可再生使用。聚酯树脂。不可再生使用。2）按应用范围分为通用塑料，工程）按应用范围分为通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐热塑料）：塑料和其他塑料（如耐热塑料）：A、通用塑料：产量大，用途广，价格低。聚乙烯、通用塑料：产量大，用途广，价格低。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料B、工程塑料：主要用于
9、制作工程结构，机器零件，、工程塑料：主要用于制作工程结构，机器零件，工业容器和设备。有聚酰胺（尼龙）、工业容器和设备。有聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲、聚甲醛、聚碳酸酯醛、聚碳酸酯C、其他塑料：如耐热塑料，工作温度、其他塑料：如耐热塑料，工作温度100，有，有聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、环氧树脂、有）、聚三氟乙烯、环氧树脂、有机硅树脂机硅树脂4.1.4 4.1.4 合成橡胶合成橡胶 1、橡胶的特性和应用：、橡胶的特性和应用：A 室温下处于高弹态室温下处于高弹态B 弹性模量低，只有弹性模量低，只有1-10MPaC 弹性变形量很大：弹性变形量很大：100-1000%D 具有优良的伸
10、缩性和积储能量的能力具有优良的伸缩性和积储能量的能力E 良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和绝缘性良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和绝缘性F 可做密封件，减震、防震件，传动件，运可做密封件，减震、防震件，传动件，运输胶带绝缘材料。输胶带绝缘材料。2、橡胶的组成：、橡胶的组成：（1）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶（2）配合剂：为提高和改善橡胶制品的各种）配合剂：为提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。性能而加入的物质称为配合剂。 硫化剂：相当于固化剂，为硫磺和硫化物硫化剂：相当于固化剂，为硫磺和硫化物 填料：提高力学性能，降低成本，主要是填料：提高力学
11、性能，降低成本，主要是碳黑，纤维，金属丝，织品或金属编织物等碳黑，纤维，金属丝，织品或金属编织物等 硫化促进剂，增塑剂，防老化剂等。硫化促进剂，增塑剂，防老化剂等。 3、常用橡胶、常用橡胶 ：按来源分为：天然橡胶按来源分为：天然橡胶NR和合成橡胶和合成橡胶按用途分为：通用橡胶和特种橡胶按用途分为：通用橡胶和特种橡胶 天然橡胶属于通用橡胶，广泛用于制造轮胎、胶带、天然橡胶属于通用橡胶，广泛用于制造轮胎、胶带、胶管等。常量最大的是丁苯橡胶胶管等。常量最大的是丁苯橡胶SBR，60-70%，发展最，发展最快的是顺丁橡胶快的是顺丁橡胶BR。 特种橡胶主要用于要求耐热、耐寒、耐特种橡胶主要用于要求耐热、耐
12、寒、耐蚀的特殊环境，价格较贵。蚀的特殊环境，价格较贵。4.1.5 4.1.5 胶粘剂胶粘剂 胶粘剂是一种将同种或不同种材料粘胶粘剂是一种将同种或不同种材料粘合在一起，并在胶接面有足够强度的物质，合在一起，并在胶接面有足够强度的物质，它能起胶接、固定、密封、浸渗、补漏和它能起胶接、固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。修复的作用。1、胶粘剂的组成：、胶粘剂的组成：（1）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子材料；无机胶粘剂有硅酸盐类，磷酸盐类、陶瓷类材料；无机胶粘剂有硅酸盐类，磷酸盐类、陶瓷类（2）固化剂：胺、酸酐、咪唑。）固化剂：胺、酸酐、咪唑。（3）该性
13、剂：增塑剂、增韧剂、增粘剂、填料、）该性剂：增塑剂、增韧剂、增粘剂、填料、稀释剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂，阻燃稀释剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂，阻燃剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂、防腐蚀剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂、防腐蚀剂等，有利于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性剂等，有利于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性能等方面的改进能等方面的改进2、胶粘剂的分类原则和表示方法：、胶粘剂的分类原则和表示方法：按应用性能分为：按应用性能分为：（1）结构胶：强度要求较高）结构胶：强度要求较高（2）非（半）结构胶：强度要求较低）非（半）结构胶：强度要求较低（3）密封胶：承受一定压力，
14、不泄漏）密封胶：承受一定压力，不泄漏（4）浸渗胶：填塞微孔沙眼，渗透性好）浸渗胶：填塞微孔沙眼，渗透性好（5）功能胶：具有导电、导磁、导热、耐热、耐超）功能胶：具有导电、导磁、导热、耐热、耐超低温应变及点焊胶接等，以及有特殊的固化反应，低温应变及点焊胶接等，以及有特殊的固化反应，如厌氧性、热熔性、光敏性等如厌氧性、热熔性、光敏性等GB/T13553-1996 A B C被粘物材质被粘物材质胶粘剂的硬化方法胶粘剂的硬化方法胶粘剂的物理形态胶粘剂的物理形态胶粘剂的主要粘料胶粘剂的主要粘料3、常用胶粘剂、常用胶粘剂 ：（1）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该 性酚醛树脂胶
15、粘剂、无机胶粘剂性酚醛树脂胶粘剂、无机胶粘剂（2）非（半）结构胶粘剂：聚氨酯胶粘）非（半）结构胶粘剂：聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶、有机硅胶粘剂、橡胶胶剂、丙烯酸酯胶、有机硅胶粘剂、橡胶胶粘剂、热熔胶粘剂、厌氧胶粘剂等粘剂、热熔胶粘剂、厌氧胶粘剂等（3）密封胶粘剂：以合成树脂或橡胶为）密封胶粘剂：以合成树脂或橡胶为基料，防止渗漏，机械松动，冲击损伤等，基料，防止渗漏，机械松动，冲击损伤等，起密封作用。起密封作用。4.2 4.2 陶瓷材料陶瓷材料 4.2.1 4.2.1 陶瓷的分类陶瓷的分类1 1、 普通陶瓷普通陶瓷 以天然硅酸盐矿物如黏土、长石、石以天然硅酸盐矿物如黏土、长石、石英、高岭土等为原料
16、烧结而成的。有日用英、高岭土等为原料烧结而成的。有日用陶瓷，卫生瓷，建筑瓷，电工瓷，化工瓷陶瓷，卫生瓷，建筑瓷，电工瓷，化工瓷等。等。 采用纯度较高的人工合成原料，如氧采用纯度较高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物等制成的具有各种特殊力学，物理，化学等制成的具有各种特殊力学，物理，化学性能。性能。2、 特种陶瓷特种陶瓷 在工程结构上使用的陶瓷。主要在高在工程结构上使用的陶瓷。主要在高温下使用，因此也称为高温陶瓷。具有在温下使用，因此也称为高温陶瓷。具有在高温下优越的力学，物理和化学性能，在高温下优越的力学，物理和化学性能，在某些科技场合
17、和工作环境往往是唯一可用某些科技场合和工作环境往往是唯一可用的材料。有氧化铝，氮化硅，碳化硅和增的材料。有氧化铝，氮化硅，碳化硅和增韧氧化物等材料。韧氧化物等材料。3、 工程陶瓷工程陶瓷 利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异的功能陶瓷材料。例如导电陶瓷，半导体陶瓷，的功能陶瓷材料。例如导电陶瓷，半导体陶瓷，压电陶瓷，绝缘陶瓷，磁性陶瓷，光学陶瓷以及压电陶瓷，绝缘陶瓷，磁性陶瓷，光学陶瓷以及利用某些精密陶瓷对声，光，电，热，磁，力，利用某些精密陶瓷对声，光，电，热，磁，力，湿度，射线及各种气氛等信息显示的敏感特性而湿度，射线及各种气氛等信息显示的敏感特性而
18、制得的各种陶瓷传感器材料。制得的各种陶瓷传感器材料。4、 功能陶瓷功能陶瓷4.2.2 4.2.2 陶瓷的性能特点陶瓷的性能特点 同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高抗拉强度低，抗压强度高 。1、 力学性能力学性能 熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000 1000 。但陶瓷的热膨胀系数和导热系数。但陶瓷的热膨胀系数和导热系数小，承受温度快速变化的能力差，在温度小，承受温度快速变化的能力差，在温度剧变时会开裂。剧变时会开裂。2、 热性热性能
19、能3、 化学性能化学性能 化学稳定性高，有良好的抗氧化能化学稳定性高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质高温共同作用下有良力，在强腐蚀介质高温共同作用下有良好的抗蚀性能。好的抗蚀性能。4、 其他物理性能其他物理性能 大多数是电绝缘体，功能陶瓷材料具大多数是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、瓷、声等特殊性能。有光、电、瓷、声等特殊性能。4.2.3 4.2.3 常用工程结构陶瓷的常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途种类、性能和用途普通陶瓷普通陶瓷普通工业陶瓷普通工业陶瓷化工陶瓷化工陶瓷绝缘子，绝缘的机绝缘子，绝缘的机械支撑件，静电纺械支撑件，静电纺织导纱器织导纱器受力不大，工作温受力不大，工作温度低的
20、酸碱容器，度低的酸碱容器，反应塔，管道反应塔，管道特种陶瓷特种陶瓷氧化铝瓷氧化铝瓷氧化硅瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氮化硼瓷氧化镁瓷氧化镁瓷氧化铍瓷氧化铍瓷火花塞，轴承，密封环，刀具火花塞，轴承，密封环，刀具耐磨，耐腐蚀，耐高温零件耐磨，耐腐蚀，耐高温零件坩埚、绝缘零件，高温轴承坩埚、绝缘零件，高温轴承熔化高纯度铀、钍及其合金的坩埚熔化高纯度铀、钍及其合金的坩埚高温绝缘电子元件，核反应堆中子高温绝缘电子元件，核反应堆中子减速剂和反射材料，高频电炉坩埚减速剂和反射材料，高频电炉坩埚4.3 4.3 复合材料复合材料 由两种或多种不同性能的材料用由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合成的多相材料。某种工艺
21、方法合成的多相材料。 复合材料既保持组成材料各自的特性，有复合材料既保持组成材料各自的特性，有具有复合后的新特性，其性能往往超过组成材具有复合后的新特性，其性能往往超过组成材料的性能之和或平均值组成材料的种类、性能、料的性能之和或平均值组成材料的种类、性能、比例、形态不同，复合方法不同，会得到不同比例、形态不同，复合方法不同，会得到不同的强化效果。的强化效果。4.3.1 4.3.1 复合材料的分类复合材料的分类 以高分子材料、陶瓷材料、金属材料为以高分子材料、陶瓷材料、金属材料为基体，以粒子、纤维和片状为增强体组成。基体，以粒子、纤维和片状为增强体组成。 按基体材料的不同可将复合材料分为两类：
22、非按基体材料的不同可将复合材料分为两类：非金属基复合材料（塑料基、橡胶基、陶瓷基等）和金属基复合材料（塑料基、橡胶基、陶瓷基等）和金属基复合材料（如铝基、铜基等）。金属基复合材料（如铝基、铜基等）。 按增强材料的不同可将复合材料分为三类：按增强材料的不同可将复合材料分为三类：纤维增强橡胶（橡胶轮胎、传动皮带）、纤纤维增强橡胶（橡胶轮胎、传动皮带）、纤维增强塑料（如玻璃钢）；维增强塑料（如玻璃钢）；颗粒增强复合材颗粒增强复合材料（如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等）；料（如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等）；叠层复合材料，如双层金属（巴氏合金叠层复合材料，如双层金属（巴氏合金钢双钢双金属滑动轴承材料）等
23、。金属滑动轴承材料）等。4.3.2 4.3.2 复合材料的性能特点复合材料的性能特点1 1、比模量高、比强度大、比模量高、比强度大 比模量是弹性模量与密度之比；比强度是抗拉比模量是弹性模量与密度之比；比强度是抗拉强度和密度之比。实质是单位质量所提供的变形抗强度和密度之比。实质是单位质量所提供的变形抗力和承载能力，这对要求自重小，运转速度高的结力和承载能力，这对要求自重小，运转速度高的结构零件很重要。构零件很重要。 由于纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感小，由于纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感小，纤维纤维-基体界面能阻止疲劳裂纹扩展，使裂纹扩展改变基体界面能阻止疲劳裂纹扩展，使裂纹扩展改变
24、方向。实验测定表明，碳纤维复合材料的疲劳极限可方向。实验测定表明，碳纤维复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的达抗拉强度的70-80%，而金属的疲劳极限只有其抗，而金属的疲劳极限只有其抗拉强度的一半左右。纤维增强复合材料中有大量独立拉强度的一半左右。纤维增强复合材料中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根，当的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根，当少数纤维断裂后载荷就会重新分配到其它未破断的纤少数纤维断裂后载荷就会重新分配到其它未破断的纤维上使构件不致发生突然破坏。维上使构件不致发生突然破坏。2、良好的抗疲劳和破断安全性、良好的抗疲劳和破断安全性3、优良的高温性能、优良的高温性能
25、 大多数增强纤维在高温下仍保持高的强大多数增强纤维在高温下仍保持高的强度，用其增强金属和树脂时能显著提高高温度，用其增强金属和树脂时能显著提高高温性能。例如铝合金在性能。例如铝合金在400时弹性模量大幅时弹性模量大幅度下降，强度也显著降低，而用碳纤维增强度下降，强度也显著降低，而用碳纤维增强后，在此温度下弹性模量可基本保持不变。后，在此温度下弹性模量可基本保持不变。4.3.3 4.3.3 复合材料的应用复合材料的应用1、玻璃纤维、玻璃纤维-树脂复合材料树脂复合材料 以玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强以玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强材料比普通塑料具有更高的强度和冲击韧度。玻璃材料比
26、普通塑料具有更高的强度和冲击韧度。玻璃纤维和塑料基体组成的复合材料通常叫做玻璃钢。纤维和塑料基体组成的复合材料通常叫做玻璃钢。按所用基体可分为热固性玻璃钢（以环氧树脂、酚按所用基体可分为热固性玻璃钢（以环氧树脂、酚醛树脂等为基体）和热塑性玻璃钢（以尼龙，聚苯醛树脂等为基体）和热塑性玻璃钢（以尼龙，聚苯乙烯等为基体）两种。强度较高，接近或超过铜铝乙烯等为基体）两种。强度较高，接近或超过铜铝合金，而密度只有钢的合金，而密度只有钢的1/4-1/5。因此其比强度。因此其比强度甚至高于合金钢。此外，还具有良好的耐蚀性。甚至高于合金钢。此外，还具有良好的耐蚀性。2、碳纤维、碳纤维-树脂复合材料树脂复合材料
27、 碳纤维通常和碳纤维通常和 环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它在保持了玻璃钢许多性能乙烯等组成复合材料。它在保持了玻璃钢许多性能优点的基础上，还有一些优异的性能。它的强度和优点的基础上，还有一些优异的性能。它的强度和弹性模量都高于铝合金，接近高强度钢；它的密度弹性模量都高于铝合金，接近高强度钢；它的密度比玻璃钢还小，因此比强度和比模量在现有复合材比玻璃钢还小，因此比强度和比模量在现有复合材料中居第一位。此外，它还有优良的耐磨、减摩及料中居第一位。此外，它还有优良的耐磨、减摩及自润滑、耐蚀、耐热等优点。在机械工业中，碳纤自润滑、耐蚀、耐热等优点。在机械工业
28、中，碳纤维复合材料可用作承载零件和耐磨零件，如齿轮、维复合材料可用作承载零件和耐磨零件，如齿轮、连杆、活塞和轴承等。它也可用作耐蚀化工零件，连杆、活塞和轴承等。它也可用作耐蚀化工零件，如容器、管道、泵等。如容器、管道、泵等。4.4 4.4 其它新型材料其它新型材料4.4.1 4.4.1 高温材料高温材料 在在600,600,甚至甚至1000 1000 以上能满足工作要求的材料以上能满足工作要求的材料, ,可承受可承受较高的应力及具有相应的使用寿命较高的应力及具有相应的使用寿命. .应用于锅炉、蒸汽机、石应用于锅炉、蒸汽机、石油化工用各种高温物理化学反应装置、原子反应堆的热交换器、油化工用各种高
29、温物理化学反应装置、原子反应堆的热交换器、喷气涡轮发动机和航天部件。喷气涡轮发动机和航天部件。 高温合金主要有铁基高温合金、镍基高温合金和高温陶瓷高温合金主要有铁基高温合金、镍基高温合金和高温陶瓷材料等。新型高温合金主要有定向凝固高温合金、单晶高温合材料等。新型高温合金主要有定向凝固高温合金、单晶高温合金、粉末冶金高温合金、快速凝固高温合金、金属间化合物高金、粉末冶金高温合金、快速凝固高温合金、金属间化合物高温合金和其它难熔金属高温合金等。温合金和其它难熔金属高温合金等。4.4.2 4.4.2 形状记忆材料形状记忆材料 1963年，美国海军一个研究所奉命研制一种年，美国海军一个研究所奉命研制一
30、种新式装备。在一次试验中他们需要一些镍新式装备。在一次试验中他们需要一些镍- 钛合金钛合金丝，然而当他们将合金丝领回来时，却发现这些镍丝，然而当他们将合金丝领回来时，却发现这些镍钛合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便。于是他钛合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便。于是他们就将这些细丝一根根地拉直，并用在试验中。在们就将这些细丝一根根地拉直，并用在试验中。在试验过程中，奇怪的现象出现了：当温度升到一定试验过程中，奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得直直的镍钛合金丝，突值的时候，这些已经被拉得直直的镍钛合金丝，突然又全部恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且丝毫不然又全部恢复到原来弯弯曲曲
31、的形状，而且丝毫不差，和原来一模一样。差，和原来一模一样。 所谓形状记忆效应是指某些合金材料在一定条所谓形状记忆效应是指某些合金材料在一定条件下，虽经变形但仍然能够恢复到变形前原始形状的件下，虽经变形但仍然能够恢复到变形前原始形状的能力。目前发现的有能力。目前发现的有“记忆记忆”能力的金属都是合金，能力的金属都是合金，是通过人工的方法由几种不同金属混合而成的一类金是通过人工的方法由几种不同金属混合而成的一类金属。在这种金属里，金属原子是按一定的方式排列起属。在这种金属里，金属原子是按一定的方式排列起来的，而且这些金属原子有一个特点就是当受到一定来的，而且这些金属原子有一个特点就是当受到一定的外
32、力时，它们可以离开自己原来的位置而的外力时，它们可以离开自己原来的位置而“迁居迁居”到邻近的另一个地方去暂时到邻近的另一个地方去暂时“借住借住”。这个过程，也。这个过程，也就是金属做成的物体发生形变的过程。而当我们将这就是金属做成的物体发生形变的过程。而当我们将这金属加温后，由于获得了一定的能量，这种金属里的金属加温后，由于获得了一定的能量，这种金属里的原子又从原子又从“借住借住”的地方的地方“搬回搬回”原来的原来的“家家”去住。去住。 形状记忆合金的可贵之处，在于它是一种无疲形状记忆合金的可贵之处，在于它是一种无疲劳的材料，这种劳的材料，这种“回忆回忆”“变形变形”的本领可以的本领可以反复使
33、用反复使用 500万次而不产生疲劳断裂，而且它恢万次而不产生疲劳断裂，而且它恢复原状几乎可以达到复原状几乎可以达到100，即和原来一模一样。，即和原来一模一样。 开发成功的形状记忆合金有开发成功的形状记忆合金有Ti-Ni基形状记忆基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。（1）单程记忆效应）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆
34、效应）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。形状记忆合金可以分为三种形状记忆合金可以分为三种 1) 阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度
35、把它压成一团，装进登要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又温度升高，当达到转变温度时，天线又“记记”起起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。 形状记忆合金主要用途形状记忆合金主要用途 2) 记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，用记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时用记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时将管端内全扩大约将管端内全扩大约 4，装配时套接一起，一经加热，装配时套
36、接一起，一经加热，套管收缩恢复原形，形成紧密的接合。美国海军飞机套管收缩恢复原形，形成紧密的接合。美国海军飞机的液压系统使用了的液压系统使用了10万个这种接头，多年来从未发万个这种接头，多年来从未发生漏油和破损。船舰和海底油田管道损坏，用记忆合生漏油和破损。船舰和海底油田管道损坏，用记忆合金配件修复起来，十分方便。在一些施工不便的部位，金配件修复起来，十分方便。在一些施工不便的部位，用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾端自动分用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾端自动分开卷曲，形成单面装配件。开卷曲，形成单面装配件。 形状记忆合金液压系统管接头形状记忆合金液压系统管接头 3) 记忆合金特别
37、适合于热机械和恒温自动记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制，已制成室温自动开闭臂，能在阳光照耀的控制，已制成室温自动开闭臂，能在阳光照耀的白天打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。记白天打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。记忆合金热机的设计方案也不少，它们都能在具有忆合金热机的设计方案也不少，它们都能在具有低温差的两种介质间工作，从而为利用工业冷却低温差的两种介质间工作，从而为利用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。现在普遍存在的问题是效率不高，只有途径。现在普遍存在的问题是效率不高，只有 46，有待于进一步改进。，有待于进一步改进
38、。 4）通用汽车利用形状记忆合金实现可动把手）通用汽车利用形状记忆合金实现可动把手 美国通用汽车发表了该公司研发中心利美国通用汽车发表了该公司研发中心利用具有形状记忆功能的合金及树脂替代马达用具有形状记忆功能的合金及树脂替代马达的应用示例。该公司一直在研究当温度、受的应用示例。该公司一直在研究当温度、受力、受热及电压等影响时，形状、强度及刚力、受热及电压等影响时，形状、强度及刚性等发生变化的材料，作为其中的一例，此性等发生变化的材料，作为其中的一例，此次介绍了把手、格栅片及气坝。次介绍了把手、格栅片及气坝。 新开发的汽车把手使用施加电压后形状可发生变新开发的汽车把手使用施加电压后形状可发生变化
39、的形状记忆合金，在不使用马达的情况下实现了旋化的形状记忆合金，在不使用马达的情况下实现了旋转机构。其机制是：一般情况下，把手处于折叠状态，转机构。其机制是：一般情况下，把手处于折叠状态，在上下车时，通过按下车门按钮、打开车门来施加电在上下车时，通过按下车门按钮、打开车门来施加电压，由此使把手打开，从而实现轻松的抓扶。压，由此使把手打开，从而实现轻松的抓扶。 格栅片使用形状记忆合金，可利用形状记忆合格栅片使用形状记忆合金，可利用形状记忆合金的变形来实现旋转的：热机时打开格栅片，可缩金的变形来实现旋转的：热机时打开格栅片，可缩短热机时间；在行驶时关闭格栅片，可减小进入发短热机时间；在行驶时关闭格栅
40、片，可减小进入发动机室的空气流量，从而减小空气阻力。动机室的空气流量，从而减小空气阻力。 气坝在高速行驶气坝在高速行驶时可调整车辆下部及时可调整车辆下部及车轮周围产生的空气车轮周围产生的空气乱流，从而起到提高乱流，从而起到提高燃效的效果。不过，在低速行驶时，下侧突出的气燃效的效果。不过，在低速行驶时，下侧突出的气坝挡板容易碰到路面突起及冰雪等物体，时常会受坝挡板容易碰到路面突起及冰雪等物体，时常会受到损伤。因此此次在旋转机构中使用了形状记忆合到损伤。因此此次在旋转机构中使用了形状记忆合金、嵌入了根据行驶速度等提高挡板的机构。金、嵌入了根据行驶速度等提高挡板的机构。 5) 记忆合金在医疗上的应用
41、记忆合金在医疗上的应用 。例如接骨用的。例如接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复原形状骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复原形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。齿科的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。齿科用的矫齿丝，结扎脑动脉瘤和输精管的长夹，脊柱用的矫齿丝，结扎脑动脉瘤和输精管的长夹，脊柱矫直用的支板等，都是在植入人体内后靠体温的作矫直用的支板等，都是在植入人体内后靠体温的作用启动，血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉用启动，血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止止 95的凝血块流
42、向心脏和肺部。的凝血块流向心脏和肺部。 医疗器械产品医疗器械产品4.4.3 4.4.3 非晶态材料非晶态材料 某些金属熔体，以极快的速率急剧冷却，例如某些金属熔体，以极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于每秒钟冷却温度大于100万度，则可得到一种崭新万度，则可得到一种崭新的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的无序的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的无序状态，被迅速状态，被迅速“冻结冻结”而形成无定形的固体，这称而形成无定形的固体，这称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。从结构上讲非晶态金属与普通玻璃相近。金属玻璃。从结构上
43、讲非晶态金属与普通玻璃相近。 1960年，美国科学家皮年，美国科学家皮 杜威等首先发现某些杜威等首先发现某些贵金属合金（如金贵金属合金（如金-硅合金）在超快速冷却（冷却速硅合金）在超快速冷却（冷却速度达度达100万度每秒）情况下可凝固成非晶态合金。万度每秒）情况下可凝固成非晶态合金。 非晶态的合金有两大类；一类是金属之非晶态的合金有两大类；一类是金属之间的合金，典型的有间的合金，典型的有Cu60Zr40、La76Au24、U70Cr30等；另一类是金属与等；另一类是金属与某些非金属（最有效的是某些非金属（最有效的是B、P、Si）组成的）组成的合金，例如合金，例如Fe80B20、Fe40Ni40
44、P14O6和和Fe5Co70Si15B10等。后一类合金最容等。后一类合金最容易成为非晶态。易成为非晶态。 化学沉积法是利用还原剂使溶液中金属离子有选化学沉积法是利用还原剂使溶液中金属离子有选择地在活化表面上还原析出。用这种方法得到的第一择地在活化表面上还原析出。用这种方法得到的第一个非晶态合金，是个非晶态合金，是Ni-P合金，这一过程称化学镀镍，合金，这一过程称化学镀镍，作为金属的耐磨耐蚀镀层，现已被广泛应用，较快速、作为金属的耐磨耐蚀镀层，现已被广泛应用，较快速、经济。经济。实验技术和工业方法实验技术和工业方法4、离子注入法、离子注入法5、化学沉积法、化学沉积法6、电沉积法、电沉积法 1、
45、熔体急冷法、熔体急冷法2、气相沉积法、气相沉积法3、激光表层熔化法、激光表层熔化法特点：特点：1、强度和韧性兼具，一般的金属这两者是相互矛盾的，、强度和韧性兼具，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。同时耐磨性也明显即强度高而韧性低，或与此相反。同时耐磨性也明显地高于钢铁材料。地高于钢铁材料。2、 耐蚀性远优于不锈钢，因为其表面易形成薄而致耐蚀性远优于不锈钢，因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易产生引起电化学腐蚀存在的晶粒、晶界、缺陷且不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两
46、极。的阴、阳两极。 3、 具有优良的磁学性能；由于其电阻具有优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新型失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新型材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低降低60-80，被誉为节能的，被誉为节能的“绿色材料绿色材料”。 4、 明显的催化性能；它还可作为储氢明显的催化性能；它还可作为储氢材料。材料。 1.玻璃形成能力的理论判据及合金成分设玻璃形成能力的理论判据及合金成分设计。目前没有一个令人信服的理论判据，只有计。目前没有一个令人信服
47、的理论判据，只有经验规则。单组元，二元的金属玻璃凤毛麟角。经验规则。单组元，二元的金属玻璃凤毛麟角。三组元的成分也是屈指可数。三组元的成分也是屈指可数。 2.金属玻璃的力学行为是当前研究的绝对金属玻璃的力学行为是当前研究的绝对热点，占据了至少热点，占据了至少70%的研究方向和主力。的研究方向和主力。包括断裂机制及提高塑性等。包括断裂机制及提高塑性等。在理论和实际应用中存在的问题在理论和实际应用中存在的问题 3.计算机模拟方面，包括金属玻璃的微计算机模拟方面，包括金属玻璃的微观结构及宏观特性是当前研究热点。观结构及宏观特性是当前研究热点。 4. 制备成本，包括制备原料及制备环制备成本，包括制备原
48、料及制备环境等是制约其广泛应用的一个重要方面。境等是制约其广泛应用的一个重要方面。4.4.4 4.4.4 超导体超导体 具有在一定的低温条件下呈现出电阻等具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有现有28种元素和几千种合金和化合物可以种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。成为超导体。 superconducting material 性能性能 零电阻性：可无损耗传输电能。如果用零电阻性：可无损耗传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。毫不衰减地
49、维持下去。 完全抗磁性：只要外加磁场不超过一定完全抗磁性：只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。零。 约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可（也可加一电压加一电压U），同时，直流电流变成高频交
50、流），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波电，并向外辐射电磁波 。 分类分类 按其化学成分可分为元素材料、合按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。金材料、化合物材料和超导陶瓷。 超导元素：在常压下有超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，种元素具超导电性，其中铌（其中铌（Nb）的）的Tc最高，为最高，为9.26K。电工中实际应。电工中实际应用的主要是铌和铅用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制，已用于制造超导交流电力电缆、高造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。值谐振腔等。 合金材料：合金材料： 超导元素加入某些其他元超导元素加入某些其他元素作合
