冶金新方法与新材料制备.ppt

冶金新方法与新材料制备,吴林丽,一、国际背景,1、新材料产业已经成为世界上主要国家的战略性产业新材料领域的国际竞争日趋激烈，发展新材料产业已然成为国家之间进行战略竞争的组成部分，为发展新材料产业，世界主要大国纷纷制定优先发展战略，加大研发投入。新材料产业的发展在一定程度上已经超越了经济层面，而成为国家取得经济支配权、政治话语权、军事主导权的重要砝码。2、新材料产业的发展已经越来越呈加速的趋势,二、国内背景,发展新材料产业使中国在基础性产业追赶上甚至超越世界先进水平成为可能，同时由于新材料产业所具有的独特的战略性意义，加快发展新材料产业也是中国加强自身战略力量的必需选择。中国从“九五”开始将发展新材料列为重点发展的民用产业，各地开始积极推进新材料产业的发展，对新材料产业发展的渴望，使该行业发展迅速，2006年中国新材料产业的市场规模为342亿元，同比增长43.64，2007年和2008年分别达到450.7亿元和560.9亿元，而2010年预计会突破823.7亿元。但发展水平及应用范围与美国等国家相比有一定的差距，特别是在宏观管理政策及地区产业政策的协调上，与发达国家有相当差距，同时各地产业结构雷同的情况开始出现。,,1、新材料产业已经被列为中国国家重点发展的战略性产业由于材料研究前期投入较大，时间较长，因此材料领域的发展主要依靠国家政策及资金的支持。国家主要通过七个方面支持新材料产业（1）前国家计委的高技术产业化新材料专项（2）火炬计划（3）中小企业创新基金（4）国家科技攻关计划（“863”计划）（5）国家高技术研究和发展计划（6）国家重点基础研究计划（“973”计划）（7）国家自然科学基金,,2、已经形成以异域特色为基础的各类新材料产业化基地（1）长江三角洲（2）闽东南及珠江三角洲（3）京津冀鲁地区（4）东北地区（5）中部地区（6）西部地区,,3、我国很多行业在重大共性技术上取得了突破（1）信息材料（2）新能源材料（3）生物医用材料（4）纳米技术（5）超导材料与技术（6）化工新材料,,4、新材料产业发展的瓶颈（1）科研力量的投入上重复浪费，整合能力不足（2）在产业的总体规划上，存在着产业结构和产品结构的不合理状况（3）行业结构性调整与行业转型的时滞期过长（4）管理体制条块分割，致使新材料企业优势集成不够，达不到合理经济规模（5）新材料的基础研究与开发应用衔接不够好，缺乏高水平人才，工程化、产业化未得到足够重视,,参考文献陈建勋.中国新材料产业成长与发展研究.上海人民出版社.2009.（F426/2）,2004年中国新材料产业发展报告,一、信息材料包括微电子材料、光电子材料、存储和显示材料、光纤传输材料、传感材料、磁性材料、电子陶瓷材料等。二、新能源材料新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料则是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，是发展新能源的核心和基础。主要包括以储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料，以嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料，以Ｓi半导体材料代表的太阳能电池材料及以铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等,,三、生物医用材料高分子生物材料、金属生物材料和无机生物材料四、生态环境材料是指对资源和能源消耗尽可能少、对生态环境影响小，循环再生利用率高或可降解能够再使用的材料，也可指赋予传统的结构材料、功能材料以优异的环境协调性的材料，或是指那些直接具有净化和修复环境等功能的材料。包括工程材料、绿色包装材料、环境建筑材料、环境降解材料、环境净化材料、环境修复材料、环境替代材料等。,,五、纳米材料高分子纳米复合材料在较低纳米材料含量时力学性能发生明显改进，刚性、韧性和耐热性等性能可同时提高，这对提升塑料、橡胶、纤维等传统产业具有重要意义。纳米介孔材料在化工催化、环保过滤、光学器件等领域有重要用途。纳米材料技术在汽车产业的应用＋分广阔，预计可形成约10亿元的市场。我国是世界纺织大国，纳米材料在纺织行业中的应用将带来数十亿元的收益；纳米功能氧化物填充将为织物纤维的发展带来了一场健康革命，其市场规模超过20亿元。纳米材料的小尺寸效应及表面效应使其具有极高的表面活性，作为化工催化剂具有广泛的应用市场；我国科技工作者已研制出各种纳米氧化物、金属及复合催化剂，显示出良好的应用前景。纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。近几年我国每年城乡工业和民用建筑的建造量平均约12亿平方米，需要门窗3亿平方米，年需塑钢门窗约3000万平方米，年需要硬PVC异型材约30万吨，纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。,,六、超导材料1911年，在发现水银的超导电性现象以后人们已经在单元素金属，多元素合金，过渡金属氧化物，有机高分子材料中发现了超导现象。1986年发现的氧化物超导体的最高临界温度已经高达160Ｋ，远远突破了液氮瓶颈的限制。钇系（ＹＢＣＯ）和秘系（ＢＳＳＣＯ）高温超导体已经得到初步应用。,,七、半导体照明半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。半导体照明光源（发光二极管LED）具有高效、节能、环保、使用寿命长、易维护等显著特点，被认为是有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。半导体照明光源的诞生和发展，被誉为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。自1962年首只GaAsP红光LED诞生以来，人类一直致力于半导体照明光源技术的实现。经过40多年的努力，已经实现了红、绿、黄、蓝光LED的生产应用，发光效率提高了近千倍。特别是1994年日本Nichia（日亚）化学工业公司的Nakamura博士宣布成功地开发出亮度达到2烛光的氮化稼基蓝光LED后，在全球掀起了氮化稼基发光材料及器件的研究开发与应用热潮。现在已经制备出蓝光、绿光到紫外波段的高亮度LED，并由此发展出高亮度白光LED，为半导体白光照明产业的发展奠定了基础。,,八、汽车材料我国汽车工业经过五十年的发展，现已形成了年产超过300万辆的生产能力，2002年汽车产量达到333万辆，居世界第6位。汽车工业在我国国民经济中的重要性日益凸现。根据我国汽车工业“十五”规划的发展目标，我国汽车产业将在2010年前发展成为国民经济的支柱产业，为实现全面进入小康社会的目标做出更大的贡献。当前，汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期，以机械技术为主的传统汽车技术将被微电子信息技术、新材料技术、新工艺技术和新能源技术等高新技术所取代，轻量化、智能化、节能、安全和环保是当今汽车技术的重要发展方向。,,汽车技术的发展对汽车材料提出了更高的要求，材料技术是汽车工业技术创新的重要内容和物质基础。从数量上来讲，虽然汽车用材料在整个材料市场中所占的比例很小，但它们往往是属于技术要求高、技术含量高、附加值高的“三高”产品，代表了行业的最高水平。以钢材为例，2002年我国汽车工业钢材消耗量约为700万吨（含进口钢材），不到当年钢材产量的4，但其中的板材和优质钢占了80％以上，其平均价格是普通钢材的1.3-2倍。目前我国汽车用钢材大约有25％仍然需要进口，主要是高档材料。为了改变这种局面，宝钢、鞍钢、武钢等钢铁企业纷纷加大了汽车钢材的开发力度，并以此带动了整个行业的产品升级换代。因此，新材料的开发与应用不仅促进了汽车的技术进步，同时也将推动材料工业本身的发展与进步，对我国国民经济的发展具有重要意义。,,国际发展现状与趋势当前世界汽车材料技术发展的主要特征如下。”轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向；尽管近阶段钢铁材料仍保持主导地位，但各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化，主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量将有较大的增长，铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降，但载重车的用材变化不如轿车明显，轻量化材料技术与汽车产品设计、制造工艺的结合将更为密切，汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向；更重视汽车材料的回收技术；电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强。,,九、稀土材料稀土元素具有优异的磁、光、电等特性。人们利用其特殊性质开发出了一系列不可取代的、性能优越的新材料，如磁性材料、储氢材料、发光材料、催化材料等功能材料，被广泛应用于冶金机械、石油化工、轻工农业、电子信息、能源环保、国防军工和高新材料等13个领域的40多个行业，是当今世界各国改造传统产业，发展高新技术和国防尖端技术不可缺少的战略物资。我国是世界第一稀土资源大国，稀土生产已经形成一套完整的工业体系，已迅速成长为世界稀土生产大国（2002年产量7.5万吨，占世界稀土消费量的90％左右）、消费大国（2002年2.2万吨）和出口贸易大国（2002年4.3万吨）。但在稀土新材料的研究开发及产业化方面与国外相比仍存在一定的差距。面对高新技术的快速发展和国际经济全球化的发展趋势，我们急需提高技术创新能力，加快稀土新材料的开发及应用研究，逐步用深加工、高附加值产品替代中低档产品，从而提高我国稀土行业的国际竞争能力，使我国宝贵的稀土资源得到有效的、合理的利用。,,十、有色金属新材料有色金属材料是最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的一类有色金属材料，主要包括高性能铝合金、镁合金、铜合金、钛合金材料、贵金属材料及复合材料十一、化工新材料化工材料是化学工业的重要组成部分。它的主要范围，目前尚无一个统一的划分方法。一般而言它是由合成树脂、合成橡胶、橡胶复合材料、合成纤维、无机化工材料、有机硅材料、有机氟材料、生物化工材料、功能高分子材料、粘接材料、涂饰材料等组成。“化工新材料”是在传统材料基础上发展起来的，性能优于传统材料的一类材料。结合化学工业的实际，“化工新材料”大体包括高性能通用塑料新品种，高性能塑料合金，工程塑料，特种合成橡胶，高性能橡胶复合材料，特种合成纤维，精细无机化工材料，有机硅，有机氟材料，生物化工材料，高性能功能高分子材料特种涂料等。近年来，世界化工新材料取得了飞速的发展，目前已广泛应用于电子、电器、航空航天、汽车、机械制造等领域，成为推动国民经济和社会发展的重要力量。,2005年中国新材料产业发展报告,2001～2004年已实施的201个项目的领域分布和投资额列于表2-1。从表2-1可以看出新型高分子材料及功能助剂、特种功能材料、电子信息材料、新型能源材料、生态环境材料的项目较多，是支持重点，同样，项目的投资规模和国家资金的支持力度也偏重于这几个领域。,,1、铝及铝合金2、镁及镁合金3、钛及钛合金4、难熔金属材料5、先进功能陶瓷材料6、高性能结构陶瓷7、新型建筑材料8、特种合成纤维9、先进复合材料,,10、高速铁路及汽车用关键材料11、激光晶体材料12、半导体照明材料与器件13、平板显示材料与器件14、微电子材料与器件15、稀土功能材料16、药物传递材料,,17、冠心病介入治疗与相关材料及器械18、血液净化材料19、组织工程材料20、新能源材料21、生物质能源材料22、天然生物质工程材料23、膜材料与海水淡化24、热法海水淡化材料与装备25、纳米材料26、环境治理材料与废弃物资源化,2007年中国新材料产业发展报告,1、生态环境材料20世纪90年代初出现了“生态环境材料”ecomaterials）的概念，这类材料要求在满足使用性能的同时还要具有良好的全寿命过程的环境协调性，赋予了材料及材料产业以环境协调功能。发展生态环境材料，实现材料产业的可持续发展，已成为必由之路。生态环境材料概念的最早提出时间是1990年10月，在一次关于材料服务于人类生活、行为的未来状况与环境关系的讨论会上，由日本材料科学家和工程师提出来，目前已在世界范围内得到普及。东京大学的山本良一教授等提出了生态环境材料的英文名称ecomaterials，由environmentalconsciousmaterials或ecologicalmaterial、缩写而成，按英文字面含义可理解为环境意识的材料或生态材料，也即环境友好型材料或环境协调性材料。ecomaterial、一词的出现也展示出材料领域适应社会可持续发展的时代潮流，为世界所接受。从改善环境的角度出发，具有环境改善功能的材料、高效率利用和低耗能材料、全寿命环境协调材料、零排放的制备技术等生态环境材料与技术是材料科学与技术对全球环境的重要贡献。,,从材料本身性质来看，生态环境材料的主要特征应该是①无毒无害、减少污染，包括避免温室效应和臭氧层破坏等；②全寿命过程对资源和能源消耗小；③可再生循环利用、容易回收；④材料的高使用效率等。按照有关的研究报道和生态环境材料的要求，可将有关的材料特征分为十类。（1）节约能源,（2）节约资源，（3）可重复使用，（4）可循环再生，（5）结构可靠性，（6）化学稳定性，（7）生物安全性，（8）有毒、有害替代，（9）舒适性，（10）环境清洁、治理功能,,2、稀土材料稀土永磁材料、稀土软磁材料、稀土发光材料、稀土催化剂材料、稀土储氢材料,,3、太阳能电池材料早在1839年，法国科学家贝克雷尔发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光伏效应”。1954年，美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。太阳能是取之不尽、无污染、人类能够自由利用的能源。假如把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转换率5，每年发电量可达5.6只1012kwh，相当于目前世界上能耗的40倍。当煤炭、石油、天然气等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。,,另一方面，现在世界能源约4/5是由含碳矿物燃料提供的，燃料用量逐年增加，二氧化碳排放量越来越大，对人类生存环境造成严重后果。为改善人类生存空间，保护生态环境，要求发展绿色能源。这又为太阳能电池的发展创造了一个新的机遇。太阳能电池产业（也称光伏产业）包括太阳能电池材料、太阳能电池片、太阳电池组件、封装和光伏系统应用、专用材料、专用设备及光伏系统平衡部件制造等，它们构成一个完整的光伏产业链。太阳能电池材料主要包括产生光伏效应的半导体材料、衬底材料、减反射膜材料、电极与导线材料和组件封装材料等。学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经历了三个阶段。第一阶段为单晶硅太阳能电池，第二阶段为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，第三阶段就是目前正在兴起的薄膜太阳能电池。此外，原来用于太空的多结砷化稼等化合物太阳电池的研制和应用也取得显著进展,,4、薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池在成本方面比晶体硅太阳能电池具有极大的成本优势，为了适应太阳电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要，最有效的办法是发展薄膜太阳电池的技术。20世纪70年代开始，发展了许多制作薄膜太阳电池的新材料。近30年来大量的研究人员在该领域中的工作取得了可喜的成绩。薄膜太阳电池以其低成本、高转换效率、适合规模生产等优点，引起生产厂家的兴趣，薄膜太阳电池的产量迅速增长。,,薄膜太阳能电池主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池中的铜锢硒（CuInSe2）、铜锢硫CuInS2（简称CIS）太阳能电池、硫化镉太阳能电池。介绍了国际上薄膜太阳能电池产业化发展情况，最后提出我国发展薄膜太阳能电池的机遇，指出大力发展低成本的铜铟硫太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池将是中国太阳能电池产业的发展方向。,,5、风力发电与先进复合材料我国能源生产和消费以煤为主，燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量均占其排放总量的80％-90％。由此而造成我国的环境污染形势非常严峻。主要污染物排放量已经超过环境承载能力，流经城市的河段普遍受到污染，许多城市空气污染严重。生态破坏呈加剧之势，水土流失量大面广，草原退化，生物多样性减少。资源短缺，能源紧张，环境污染已被提到危及人类生存的高度，在我国，这个问题更不容忽视。因此，大力节约能源资源，减轻能源资源消费增长给生态环境保护带来的巨大压力，不断开发新的绿色能源，关系到国家民族的生存与发展。,,我国政府对能源环境问题历来十分重视，在新能源开发、节能降耗、推进技术进步、调整产业结构、机制创新、严格管理措施、加强宣传教育等方面制定了一系列政策和法规，有效地缓解了我国的能源紧张和日益突出的环境问题。新能源的开发在我国受到越来越多重视，政府通过各种激励措施和政策导向，大力引导和鼓励新能源的开发与利用。在此背景下，风力产业作为一种清洁的可再生能源产业，近年来在我国得到了很快的发展。风电的优点是蕴藏量大、可再生、分布广泛、污染小，还可以并网运行，为边远地区和农村的用电提供方便。是目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的可再生能源。要实现风力发电，要解决两个关键技术问题，即风力发电机组和捕捉风能的叶片。风能叶片是用复合材料制造的大型构件，叶片数量按发电站的要求可有一个叶片、两个叶片和三个叶片。风能叶片的制造和应用是当今新材料产业的一个重要领域，也是新材料和资源、能源和环境协调发展的一个重要的方面。,,6、生物基塑性复合材料（木塑复合材料）,新材料,主要是指那些“新近发展或正在发展之中的具有比传统材料更优异功能和效能的材料”。,材料的分类,（一）根据材料的来源分类1、天然材料指纯的未经加工的材料2、人工材料指人类以天然材料为原料，通过物理、化学方法加工制得的材料（二）根据材料的用途分类1、结构材料利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件。2、功能材料指具有某种优良的电学、磁学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的功能，并用于非结构目的的高技术材料。,,（三）按照材料的结晶状态分类由于材料的分子、原子构成情况不一，从而使各种材料表现出不同的性能和用途，从其结晶状态可以分为单晶材料、多晶材料、准晶材料和非晶材料，其材料内部的原子结构排列有序程度以该顺序降低，到玻璃与非晶态材料，它们只具有原子结构单元层次的短程有序，而长程是无序的。（四）根据材料的物理效应分类许多材料在物理场（如光、电、磁、声、力、热）作用下，会有某种物性效应，于是人们就可以利用这种效应制作各种仪器、设备。按照材料产生的物理效应可以分为压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、电光材料、激光材料、非线性光学材料、磁光材料、磁致伸缩材料和声光材料等，它们都属于功能材料的范畴。,,（五）根据材料的化学组成分类按照这种分类方法，材料可分为四大类，即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。前三类是我们通常所说的材料的三大支柱，而最后一类是它们之间的相互复合。1．金属材料金属材料是指以过渡金属为基础的纯金属和含有金属、半金属或非金属的合金，它们的性质取决于构成元素的种类和含量。金属材料可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属又包括铁、锰、铬及其合金，尤以钢铁最重要。有色金属包括重金属（如铅、铜、锌、镍等）、轻金属（如铝、镁、钙等）、贵金属（如金、银、铂等）、稀有金属（如钨、钥、铆、钦等）和稀土金属（如铰、钪、钇等）。,,2．无机非金属材料无机非金属材料主要是指几种金属元素与非金属元素组成的氧化物、碳化物、氯化物、氢氧化物、硅化物等。3．有机高分子材料高分子聚合物是以碳与氢、氧中的一种或两种结合而成，也有些含有氯、硫、氨、硅、硼等元素，其分子量大。4．复合材料复合材料是现代科学技术发展的产物。它既是多种学科成果的综合，又与其他学科相互渗透、相辅相成、相互促进。目前已经研制成功并付诸应用的复合材料有三类，分别为l）纤维增强复合材料2）颗粒复合材料3）叠层复合材料,二、材料的结构,人类使用材料的过程就是运用材料的某一种或某几种性能的过程，而材料的性能在很大程度上取决于其内部结构，内部结构又与原子间键的类型有紧密关系，原子间键又是由原子内的电子排布情况决定的。因此，有必要简要介绍一下原子结构的原理。,,（一）原子内的电子排布原子可以简单地看成由一个带正电的原子核和四周带负电的电子所构成。核的电荷数与电子数相同，这个数即为原子序数。（二）材料的化学键原子中未充满的最外层电子可以用于与其他原子形成化学键，有时次外层电子也可用于成键，使各原子不稳定的电子结构变为稳定。除主量子数为1的原子以外，原子的最外层电子结构包含8个电子时最稳定。所以原子间成键时可以失去最外层的少量电子或在电子数较多时补充少量电子形成稳定的电子结构。正由于各种原子对电子的竞争能力不同，从而出现了不同的化学键，主要有共价键、金属键、离子键，其他次要的还有范德华力。,,1．共价键共价键是由两个原子共有最外层电子的键合，使每个原子都达到稳定的饱和电子层。共价键具有方向性和饱和性。金刚石就是碳原子之间通过共价键方式成键的，碳的最外层电子数为4，因而每个碳原子都要获得或失去4个电子，以便形成稳定的电子结构。2．金属键金属键可视为多原子共价键的极限情况，自由电子和正离子组成的晶体格子之间的相互作用就是金属键。3．离子键当原子最外层电子数较少时容易失去电子形成带正电的阳离子，而最外层电子数较多时则获得电子的能力较强，易形成带负电的阴离子，因而当这两类原子相互成键时，它们往往是阴阳离子间库仑引力相互吸引的离子键。4．范德华力分子之间的作用力叫范德华力，它比前三种键合力要弱得多。,不同化学键形成的物质,,（三）晶体结构及其分类微粒（原子、分子、离子等）在空间按一定的规律呈周期性重复排列组成的固体叫晶体。一般当晶体的外形发生变化时，晶格的类型并不改变。按晶胞（组成晶体的最小单元）的边长、晶轴相交的角度等分析，晶体可分为7种晶系。①三斜晶系三根晶轴互相斜交，长度又各不相同的晶系（a≠b≠c，α≠β≠γ≠90；②单斜晶系三根晶轴中两根轴正交，另一根轴向一方斜交，三根轴长度互不相等的晶系（a≠b≠c，α＝β＝90，γ≠90）；③正交晶系三根轴互相正交且长度不等的晶系（a≠b≠c，α＝β＝γ＝90）；④三方晶系三根轴互相不正交但长度相等的晶系（a＝b＝c，α＝β＝γ≠90;⑤四方晶系互相正交的三根轴有两根等长，一根轴不等的晶系（a＝b≠c，α＝β＝γ＝90；⑥六方晶系长度相同的两根轴在同一面内相互以120角相交，长度不同的另一根轴同它们正交的晶系（a＝b≠c，α＝β＝90，γ＝120）；⑦立方晶系三根轴相互正交且等长的晶系（a＝b＝c，α＝β＝γ＝90）。这七种晶系可分为14种布拉菲点阵，如图2一2所示。,,,（四）非晶态结构前面所述的结构既具短程有序又具长程有序，而只有短程有序无长程有序周期性的结构叫非晶态或无定形结构。这种结构的材料，由液态到固态没有突变现象。非晶态固体的x射线衍射分析结果表明，其原子或分子的聚集方式与通常液体中原子和分子的聚集方式相同。（五）分子结构有机材料中每个分子的原子均以具有充满电子的外层的共价键牢固地结合在一起。六晶体的缺陷一般情况下，晶体在形成时常会受到外界的干扰，难以形成前面所述的理想结构，会有一些缺陷。晶体的缺陷可按它在空间中分布的范围划分为点缺陷、线缺陷（位错线）及面缺陷（层错、晶界），这些缺陷对晶体强度、范性以及由于缺陷运动而引起的各种现象，如原子扩散、催化、相变等起着重要的促进和控制作用。,,1．点缺陷晶体中较常见的点缺陷是原子空位、间隙原子、原子错位，杂质原子，甚至半导体中施主和受主都可认为是点缺陷，如图2-3。,,2．线缺陷位错晶体中原子尺寸的局部缺陷如果扩展分布在一维线度上，这样的缺陷称为线缺陷，又被称为位错（线）。位错是在晶格中某处有一列或若干列原子发生了规律性的错排现象，两种基本位错是刃型位错和螺型位错。纯粹的刃型位错或螺型位错只是位错的极端形式，实际上，晶体中出现的位错是这两种位错的交织构成的。3．面缺陷面缺陷是二维缺陷，它是晶体内偏离周期性点阵结构的二维缺陷，其中最常见的有层错及晶界，见图2-4。,三、材料的性能,（一）物理性能1．密度密度是指单位体积的质量，单位为g/cm3。为了明确地表述，有以下几种方式1）结晶学密度由组成的没有缺陷的连续晶格计算出来的理想密度。2）相对密度与结晶学密度意义相同。3）理论密度与结晶学密度含义相同，但考虑了固溶体和多相。4）体积密度由块体测出的密度，包括所有的晶格缺陷、各相和制备过程形成的气孔。,,2．熔点材料熔点主要是由构成材料的化学键强弱决定的。键合强度越大对应的熔点越高，键合力很强的共价键组成的陶瓷具有最高的熔点。许多陶瓷材料的应用都是直接利用其高熔点性能。有机材料由于靠分子间的范德华力作用而具有低熔点或低分解温度。线型结构，如热塑性树脂，能熔融，而网络结构，如热固性树脂，则易于分解或裂解。交联或接枝易提高热塑性树脂的熔点。,,（二）热学性能热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等热性能的物理本质，均与晶格热振动有关。1．热容热容是指材料升高温度所需吸收的能量。单位为J/molK）。热容也往往称做“比热”，其单位为J/gK）。陶瓷材料的热容在约1000℃以内是随温度升高而增加，在1000℃以上几乎不再增加。2．热导率当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这种现象称为热传导。衡量热传导的物理量是热导率，热导率是指热能流过材料的速率，其物理意义为单位温度梯度下，单位时间内通过垂直面积的热量，所以它的单位为J/m2SK）或W/mK）。,,（三）电学性能材料的电学性能取决于外场（电场）的大小、载流子数目和耗损量。材料的导电性与导热性有些类似。根据材料的导电特性可分为导体、绝缘体和半导体。1．导体导体通常指室温电导率大于103／Ωcm）的物质。大部分金属材料都是导体。在金属中载流子为电子。2．绝缘体绝缘体通常指室温电导率小于103／Ωcm）的物质。多数陶瓷及有机材料都是良好的绝缘体。3．半导体半导体通常指室温电导率介于103～10-10／Ωcm）的物质。但实用半导体材料的电导率应为101～10-3/Ωcm）。在元素周期表中第IV主族元素组成的材料为半导体，常为金刚石立方结构。某些金属化合物如硫化铅、砷化稼、三锑化铅等也属于金刚石结构，为半导体材料。,,（四）磁学性能材料的磁性是由电子结构和晶体结构决定的，主要是由电子自旋磁矩造成的。磁性材料可分为强磁材料、顺磁材料及逆磁材料。在磁场中沿磁场方向强烈被磁化的物质称为强磁材料，又叫铁磁材料，包括铁、钻、镍及其合金，以及磁性半导体和一些铁氧体材料（磁性陶瓷），强磁性与这些元素的原子具有未填满的3d层有关。在磁场中沿磁场方向被弱磁化，当撤去磁场时，磁化又可能消失，这类物质称为顺磁材料。这是由于热运动电子的自旋取向非常混乱，自旋处于非自发的排列状态之故，顺磁材料有铝、锰、铜、铬等。,,（五）光学性能材料的光学性能包括吸收、透射、折射、散射、反射、颜色、光泽及磷光等，这些性能主要由人射的电磁波辐射与材料内部的电子之间相互作用的能级决定。1．吸收与透射吸收与透射是密切相关的，如果人射的电磁辐射激发电子由其原来的能级移到不同的能级上去，则辐射被吸收，这种波长的光就不能透射这种材料。,,2．折射率折射率的意义是光在真空中的速度与在材料中的速度之比，一种材料的折射率随人射的辐射波长而变化叫色散，通常是使折射率随波长的增加而降低。光从一种材料通过另一种材料时，光速的变化引起光改变方向，这叫做折射。3．磷光磷光是材料受合适的能源激发而发射出光。无机磷光材料用于荧光灯、示波器荧光屏、电视机荧光屏、照相复制灯及其他应用中。4．激光激光（laser）是lightamplifiCationbytheStimulatedemissionofradiation，即光辐射受激发射而放大而成的。现在应用于激光的重要材料如掺铬的氧化铝激光晶体（红宝石）、掺忆的忆铝石榴石（YAG）激光晶体以及掺铰玻璃。,,（六）力学性能材料能否作为承受荷载的结构材料是由其力学性能决定的，因此了解一些力学性能的概念等是很有必要的。1．弹性当材料受载荷作用时，由于原子间隙内的微小变化而产生变形，该载荷叫应力σ，形变量叫应变ε。应变的量及类型取决于材料的原子间化学键强度、应力及外界条件如强度等。2．强度理论强度是使原子键断裂和使结构拉开所需的拉伸应力。实际上材料都没有达到其理论强度，这是由于材料中有制造缺陷和结构缺陷，如杂质、气孔等，从而造成应力集中，使之在远低于理论强度时就破坏。3．断裂韧性断裂韧性是裂纹扩展并导致材料断裂的应力强度因子。断裂韧性越高，引起裂纹和裂纹扩展越困难。,新型金属材料,一、形状记忆合金有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够恢复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）。形状记忆合金可以分为三种（1）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后右恢复变形前的形状，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（2）双程记忆效应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。（3）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同面取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应,,,,,,,,,,二、超塑性合金金属合金在特定的情况下（一定的组织结构状态、一定的温度条件、较慢的应变速率等）可以像麦芽糖一样在外力作用下发生粘滞性变形，达到非常大的变形量而不破裂，这就是所谓金属合金的超塑性现象。处于超塑性状态的合金，其变形抵抗力较小，而延伸率很高，可以达到百分之几千（普通的结构钢延伸率仅能达到百分之几十）。,,最初发现的超塑性合金是锌与22％铝的合金。1920年德国人罗森汉在锌-铝-铜三元共晶合金的研究中，发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。超塑性锌合金的形成条件为温度250℃-270℃，压力0.39MPa1.37MPa。超塑性锌合金具有成型加工温度低，成型性和耐腐蚀性好等优点。所以除了制作各种复杂形状的容器外，还广泛用作建筑材料。1928年英国物理学家森金斯下了一个定义金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软而且其应变速度为每秒10毫米时产生300以上的延伸率，均属超塑性现象。1945年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共晶体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。,,在通常情况下金属的延伸率不超过90，而超塑性材料的最大延伸率可高达1000～2000，个别的达到6000。金属只有在特定条件下才显示出超塑性，在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。产生超塑性的合金，昌粒一般为微细晶粒，这种超塑性叫做微晶超塑性。有此金属受热达到某个温度区域时，会出现一些异常的变化，若使这种金属在内部结构发生变化的温度范围上下波动，同时又对金属施力，就会使金属了呈现相变超塑性。,,据统计，目前已在一百多种金属合金中观察到超塑性现象包括纯的铅Pb，铝Al、铜Cu、铍（Be）以及铝Al、钛Ti、锌（Zn）、铁（Fe）、镍（Ni）为基的合金，对钢和铸铁的超塑性现象也有报道。卢柯制备出致密、高纯度的块状纳米晶体Cu样品，晶粒尺寸为30nm，纯度高于99.995wt，密度可达普通纯Cu理论密度的99.4。在室温仅为熔点的22下轧制该纳米晶Cu样品，其延伸率可高达5100，无明显的加工硬化效应，晶粒尺寸保持不变。说明晶界运动起重要作用。此工作在Science上发表，受到高度评价。,,三、减振合金（高阻尼合金）机械结构中的振动和噪音，是人们力求防止和避免的。振动和噪音不仅污染环境，损害人体健康，而且会影响机械产品的质量，缩短机械部件的寿命，降低仪表的精度和可靠性。噪音是由振动产生的，这各引起噪音并使它在空气或固体中传播的振动也是一各能量，叫做声能。振动越厉害，人们听到的噪音越强，声能也就越大。主要有耐腐蚀的钴-镍系合金、用作为箭卫星的精密仪器防振台架的镁-锆系合金、耐蚀性优良的镍-钛合金、加工性和耐蚀性均优的铁-锆-铝系合金、锰-铜合金等。,,四、贮氢合金氢在新能源开发中占有很重要的地位，因为它资源丰富，燃烧的发热值高，又没有环境污染。所以人们不仅探寻简便的氢的制取方法，同时也探寻着简便而有效的氢的贮存方法。目前采用的用钢瓶贮存氢气或在低温下贮存液态氢等方法，都不够理想。贮氢合金的研究和探索就是在这样的基础上产生的。金属具有吸氢的特性，许多金属或合金，如镁、镍、铜、铝、铁、钻、钦、铬、斓等，都可与氢发生化学反应，生成金属氢化物。这个化学反应是可逆的，它进行的方向（即究竟是金属合金吸氢生成氢化物，还是金属氢化物分解放出氢气）可以通过温度、压力以及合金成分来加以控制。需要贮氢时，让合金与氢反应生成氢化物；需要用氢时，则可将金属氢化物加热，叫它把氢释放出来，并可通过温度、压力调节其释放量。从理论上讲，某些贮氢合金在其吸收与一个氢气瓶容量相等的氢气时，其重量只有氢气瓶的1/3，而体积则不到氢气瓶的1/10。因此，利用贮氢合金来贮存氢气，是一种比较理想的途径，很有发展前途。,,虽然很多金属都能生成金属氢化物，但并非都适宜于作为贮氢材料。寻找有实用意义的贮氢材料时，要考虑1）吸氢能力强，这与金属合金中原子的堆砌结构有关，空隙较大的堆砌结构可以较多地吸藏氢。2）生成热要适当。当金属合金与氢反应生成氢化物时，伴随着热量（生成热）的释放，生成热太大意味着生成的氢化物太稳定，放氢时就需要高温。贮氢合金中合金元素的添加往往就是为了调节氢化物的稳定性。3）平衡氢气压不太高，以便于氢的吸藏与释放。此外，还需考虑材料性能的稳定性、重量、成本等问题。自从美国于20世纪60年代末率先推出镁一镍贮氢合金后，新型贮氢合金不断出现，成了研究热门之一。目前各国正在研究开发的贮氢合金有镁系、钦系、稀土系等。以贮氢合金贮存的氢为动力，取代汽油发动机而制成的氢能汽车已有实验样品。,,我国也已于20世纪80年代研制出了第一辆氢能汽车，乘员12人，时速50千米。目前使用的贮氢材料的重量比还太大，所以除了避免环境污染的优点外，其他优越性尚未能显示出来，这也是有待进一步研究的问题。镁系贮氢合金是美国最早研究的一类贮氢合金，如镁镍贮氢合金和镁铜贮氢合金。它们的吸氢量大，重量轻，有利于做成贮氢材料，但它们在室温时的反应速度慢，因而在实际中没有得到应用。后来，日本三菱钢铁公司又研制出两种新型镁系贮氢合金，即镁铝（或钙）镍贮氢合金和镁镍铁（或钒）贮氢合金，它们具有良好的贮氢性能，性质稳定，安全可靠，已在工业生产中得到应用。近年来，由于机械合金化方法在贮氢合金生产上的应用，使得用常规熔炼方法很难生产的镁铁、镁钦、镁钻等贮氢合金得到了迅速发展。特别是镁铁贮氢合金，由于可以在纯金属铁表面形成氢的吸附中心，从而使它的贮氢能力极高，其最佳氢化温度约为615K。后来，人们又开发出了稀土系贮氢合金。首先是荷兰富里茨布公司发现斓镍合金具有优良的贮氢性能，贮氢量大；当释放温度高于40℃时放氢迅速，但其价格昂贵。为了降低成本和改进贮氢性能，出现了用混合稀土金属代替斓镍合金的斓，以及用其他金属置换镍而形成的贮氢合金新材料。日本工业技术院主要从事这方面的研究，近几年相继开发出稀土镍铝、稀土镍钻、稀土钙镍和稀土钙镍钻等多元贮氢合金，其氢化和离解反应快，在适当的温度和压力下能迅速放出大量的氢。如果通过改变合金的组成比，还可连续改变它的吸氢和放氢特性。目前，人们还研制开发了许多种钦系贮氢合金，包括钦锰、钦铬、钦错、钦镍和钦铜等贮氢合金。其中以钦锰贮氢合金最为实用，它的成本较低，性能优良，因而受到人们的重视。钦锰贮氢合金吸氢容量较大，生成热每克分子氢为2万一3万焦耳，在室温下容易和氢发生反应，进行一次吸氢即可完成氢化反应，但它在吸氢和放氢循环中反应速度较慢。日本松下电器公司在钦锰贮氢合金中添加少量铬制成的钦锰铬贮氢合金，反应速度明显加快，是一种储放氢性能优良而