1、第第12章章 金属功能材料金属功能材料 功能材料往往在能量与信息的显示、转换、功能材料往往在能量与信息的显示、转换、传输、存储等方面，具有独特的功能。这些特传输、存储等方面，具有独特的功能。这些特殊功能是以它们所具有优良的电学、磁学、光殊功能是以它们所具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能为基础的。学、热学、声学等物理性能为基础的。新材料中功能材料大约占新材料中功能材料大约占85%,85%,种类很多种类很多.功功能材料对现代科学技术进步、社会发展起着巨能材料对现代科学技术进步、社会发展起着巨大的作用。大的作用。一一 形状记忆合金形状记忆合金 定定义义 合金在低温下被施加应力产生变形，
2、应力合金在低温下被施加应力产生变形，应力去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并恢复原来形状，这种现象称为形状记忆效应恢复原来形状，这种现象称为形状记忆效应（shape memory effect），简称），简称SME。具有形。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金状记忆效应的合金称为形状记忆合金(shape memery alloy)，简称，简称SMA.利用记忆效应进行工作的元件、机构和装置利用记忆效应进行工作的元件、机构和装置,其应用领域遍及温度继电器、玩具、机械、电子、其应用领域遍及温度继电器、玩具、机械、电子、自动控制、机器人、医学应用等许多领域
3、。自动控制、机器人、医学应用等许多领域。应应用用1 1、形状记忆基本概念形状记忆基本概念 热弹性马氏体热弹性马氏体 ：马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度：马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度 回升时马氏体片又随温度上升而缩小回升时马氏体片又随温度上升而缩小.应力诱发马氏体应力诱发马氏体：在在Ms以上某一温度对合金施加外力也以上某一温度对合金施加外力也 可以引起马氏体转变可以引起马氏体转变.具备形状记忆材料的条件具备形状记忆材料的条件：马氏体相变是热弹性的；马：马氏体相变是热弹性的；马 氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错；氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错；母相和马氏体均为有序
4、点阵结构。母相和马氏体均为有序点阵结构。形状记忆效应形式形状记忆效应形式：单向形状记忆效应；双向形状记忆效：单向形状记忆效应；双向形状记忆效 应（或可逆形状记忆效应）；全方位形状记忆效应应（或可逆形状记忆效应）；全方位形状记忆效应。形状记忆效应的三种形式形状记忆效应的三种形式 单向记忆单向记忆 双向记忆双向记忆 全方位记忆全方位记忆2、常用形状记忆台金常用形状记忆台金(1)Ti-Ni(1)Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金特特点点 具有记忆效应优良、性能稳定、可靠性高、生具有记忆效应优良、性能稳定、可靠性高、生物相容性好等一系列的优点。但成本高，加工困物相容性好等一系列的优点。但成本高，加
5、工困难。难。Ti-Ni合金是所有记忆合金中抗疲劳性能最好合金是所有记忆合金中抗疲劳性能最好的材料。已用于航天航空、海军舰艇和海上石油的材料。已用于航天航空、海军舰艇和海上石油平台等方面平台等方面合合金金化化 在在Ti-Ni合金基础上，加入合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Mo、V、Cr等元素等元素.(2)Cu(2)Cu系形状记忆合金系形状记忆合金特特点点 记忆性能良好、相变点可调节、价格便宜和记忆性能良好、相变点可调节、价格便宜和易于制造。易于制造。CuZnAl合金已实用化，但由于脆性合金已实用化，但由于脆性2相的析出使其加工性能极差，严重限制了其相的析出使其加工性能极差，严重限制了其应用范围
6、应用范围.类类型型 Cu-Zn-A1基和基和Cu-A1-Ni基形状记忆合金是最基形状记忆合金是最主要的两种主要的两种Cu基记忆合金基记忆合金 与与Ti-Ni相比，相比，Cu基记忆合金疲劳强度和循基记忆合金疲劳强度和循环寿命等力学性能。强度较低，稳定性及耐疲环寿命等力学性能。强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。劳性能差，不具有生物相容性。(3)Fe(3)Fe系形状记忆合金系形状记忆合金类类型型 具有热弹性可逆具有热弹性可逆M相变的相变的有有Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Ni-Co-Ti 等等和和具有非热弹性可逆具有非热弹性可逆M相变的相变的Fe-Mn-Si等等特特点点 热弹性马氏体
7、相变驱动力很小、热滞很小。热弹性马氏体相变驱动力很小、热滞很小。由于含有极昂贵的由于含有极昂贵的Pt、Pd和和Co，工业应用受到，工业应用受到限制。限制。Fe-Mn-Si系弹性模量与强度均明显高于铜基系弹性模量与强度均明显高于铜基和和Ni-Ti合金，合金原料丰富，价格低。硅降低合金，合金原料丰富，价格低。硅降低合金塑性，一般应合金塑性，一般应6Si。Fe-Mn-Si合金的缺合金的缺点是抗蚀性很差，易于发生氧化、腐蚀。点是抗蚀性很差，易于发生氧化、腐蚀。欧洲航天计划研制的欧洲航天计划研制的形状记忆合金材料形状记忆合金材料(Ni-Ti合金合金)可以像橡皮筋一样可以像橡皮筋一样拉伸，拉伸后一旦加热到
8、拉伸，拉伸后一旦加热到一定温度就会变回原来的一定温度就会变回原来的形状。形状。这是魔力水车，周而复始运这是魔力水车，周而复始运转。水车叶片是由转。水车叶片是由Cu基基形状记形状记忆合金做的忆合金做的.当外界温度发生变当外界温度发生变化时，水车叶片外形也会发生化时，水车叶片外形也会发生变形，而驱动水车转动。变形，而驱动水车转动。形状记忆合金应用例子形状记忆合金应用例子 新型功能材料不断开发新型功能材料不断开发 水下舰艇声纳系统中超磁致伸缩水下舰艇声纳系统中超磁致伸缩合金合金GMM制造的声纳装置制造的声纳装置(Giant Magnetostrictive Material,GMM)江苏大学开发的铜
9、基江苏大学开发的铜基形状记忆合金过热保护形状记忆合金过热保护器器 12.2 贮氢合金贮氢合金 人类可持续发展的关键是开发和利用新能源人类可持续发展的关键是开发和利用新能源.氢是一种非常重要的二次能源。氢资源丰富，氢氢是一种非常重要的二次能源。氢资源丰富，氢比任何一种化学燃料的发热值高，不污染环境，比任何一种化学燃料的发热值高，不污染环境，是一种洁净的能源。是一种洁净的能源。储氢合金为金属氢化物储氢材料储氢合金为金属氢化物储氢材料.是目前正是目前正在迅速发展的一种储氢方式在迅速发展的一种储氢方式.目前研究和使用的目前研究和使用的贮氢合金主要有镁系、稀土系、钛系。贮氢合金主要有镁系、稀土系、钛系。
10、储氢储氢合金合金原理原理 许多金属或合金可固溶许多金属或合金可固溶H2形成含氢固形成含氢固溶体（溶体（MHx）,其溶解度其溶解度H与其平衡氢与其平衡氢压压PH2平方根成正比。在一定温度和压力平方根成正比。在一定温度和压力条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化物物贮氢。贮氢。这是一可逆过程。正向吸氢、放热；这是一可逆过程。正向吸氢、放热；逆向放氢、吸热。改变温度、压力可使逆向放氢、吸热。改变温度、压力可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸氢与放氢功能。的吸氢与放氢功能。1、镁系贮氢合金、镁系贮氢合金 优点优点:贮氢量大，重量轻，
11、资源丰富，价格低等贮氢量大，重量轻，资源丰富，价格低等 缺点缺点:分解温度过高（分解温度过高（250），吸放氢速度慢，），吸放氢速度慢，使镁系合金实用受到限制。使镁系合金实用受到限制。特特点点原原理理 镁与氢在镁与氢在300400和较高的氢压下反应生和较高的氢压下反应生成成MgH2，属离子型氢化物，过于稳定，放氢困，属离子型氢化物，过于稳定，放氢困难。目前通过合金化改善难。目前通过合金化改善Mg基合金氢化反应的基合金氢化反应的动力学和热力学。动力学和热力学。Ni，Cu，Re等元素对等元素对Mg的的氢化反应有良好的催化作用。氢化反应有良好的催化作用。正在研究正在研究Mg-Ni-Cu-M（M为为C
12、u/Mn/Ti）系）系,Mg-Ni-Cu系，系，Mg-Re系等镁基贮氢合金系等镁基贮氢合金.2、稀土系贮氢合金、稀土系贮氢合金 特特点点 LaNi5稀土系贮氢合金稀土系贮氢合金 优点优点:室温即可活化、吸氢放氢容易、平衡压力室温即可活化、吸氢放氢容易、平衡压力低、滞后小和抗杂质等优点。低、滞后小和抗杂质等优点。缺点缺点:成本高，大规模应用受到限制。成本高，大规模应用受到限制。类类型型 LaNi5三元系：最主要的是三元系：最主要的是LaNi5-xAlx合金，合金，A1的置换改变了平衡压力和生成热值。的置换改变了平衡压力和生成热值。MmNi5系：系：MmNi5用混合稀土和用混合稀土和多元合金化多元
13、合金化(A1、Cu等等)置换置换LaNi5中中LaMm1-xAxNi5型型,使平衡压力升高，改善贮氢性能使平衡压力升高，改善贮氢性能.MINi5系：发展了系：发展了MINi5-xMx系列合金，其中系列合金，其中MINi5-xAlx已应用于氢贮运、回收和净化。已应用于氢贮运、回收和净化。3、钛系贮氢合金、钛系贮氢合金 钛钛铁铁系系合合 金金 TiFe可在室温与氢反应生成氢化物可在室温与氢反应生成氢化物.研究了以研究了以Co、Cr、Cu,、Mn、Mo、Ni等元素置换部分铁等元素置换部分铁的的TiFe1-xMx合金。过渡金属的加入，使合金活合金。过渡金属的加入，使合金活化性能得到改善，氢化物稳定性增加化性能得到改善，氢化物稳定性增加.Ti-Mn二元合金中二元合金中TiMn1.5贮氢性能最佳，在贮氢性能最佳，在室温下即可活化，与氢反应生成室温下即可活化，与氢反应生成TiMn1.5H2.4。TiMn原子比原子比Mn/Ti=1.5时，合金吸氢量较大，时，合金吸氢量较大，以以TiMn为基的多元合金主要有为基的多元合金主要有TiMn1.4M0.1（M为为Fe，Co，Ni等）。等）。钛钛 锰锰 系系合合 金金
