第12章金属功能材料.ppt

第12章金属功能材料,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。新材料中功能材料大约占85,种类很多.功能材料对现代科学技术进步、社会发展起着巨大的作用。,一形状记忆合金,定义,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，并恢复原来形状，这种现象称为形状记忆效应（shapememoryeffect），简称SME。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金shapememeryalloy，简称SMA.,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、自动控制、机器人、医学应用等许多领域。,应用,1、形状记忆基本概念,热弹性马氏体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.,应力诱发马氏体在Ms以上某一温度对合金施加外力也可以引起马氏体转变.,具备形状记忆材料的条件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；母相和马氏体均为有序点阵结构。,形状记忆效应形式单向形状记忆效应；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。,形状记忆效应的三种形式,单向记忆双向记忆全方位记忆,2、常用形状记忆台金1Ti-Ni基形状记忆合金,特点,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，加工困难。Ti-Ni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平台等方面,合金化,在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Mo、V、Cr等元素.,2Cu系形状记忆合金,特点,记忆性能良好、相变点可调节、价格便宜和易于制造。CuZnAl合金已实用化，但由于脆性γ2相的析出使其加工性能极差，严重限制了其应用范围.,类型,Cu-Zn-A1基和Cu-A1-Ni基形状记忆合金是最主要的两种Cu基记忆合金,与Ti-Ni相比，Cu基记忆合金疲劳强度和循环寿命等力学性能。强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。,3Fe系形状记忆合金,类型,具有热弹性可逆M相变的有Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Ni-Co-Ti等和具有非热弹性可逆M相变的Fe-Mn-Si等,特点,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Pt、Pd和Co，工业应用受到限制。Fe-Mn-Si系弹性模量与强度均明显高于铜基和Ni-Ti合金，合金原料丰富，价格低。硅降低合金塑性，一般应6％Si。Fe-Mn-Si合金的缺点是抗蚀性很差，易于发生氧化、腐蚀。,欧洲航天计划研制的形状记忆合金材料Ni-Ti合金可以像橡皮筋一样拉伸，拉伸后一旦加热到一定温度就会变回原来的形状。,这是魔力水车，周而复始运转。水车叶片是由Cu基形状记忆合金做的.当外界温度发生变化时，水车叶片外形也会发生变形，而驱动水车转动。,形状记忆合金应用例子,新型功能材料不断开发,水下舰艇声纳系统中超磁致伸缩合金GMM制造的声纳装置GiantMagnetostrictiveMaterial,GMM,江苏大学开发的铜基形状记忆合金过热保护器,12.2贮氢合金,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。储氢合金为金属氢化物储氢材料.是目前正在迅速发展的一种储氢方式.目前研究和使用的贮氢合金主要有镁系、稀土系、钛系。,储氢合金原理,许多金属或合金可固溶H2形成含氢固溶体（MHx）,其溶解度[H]与其平衡氢压PH2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物→贮氢。这是一可逆过程。正向吸氢、放热；逆向放氢、吸热。改变温度、压力可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸氢与放氢功能。,1、镁系贮氢合金,优点贮氢量大，重量轻，资源丰富，价格低等缺点分解温度过高（250℃），吸放氢速度慢，使镁系合金实用受到限制。,特点,原理,镁与氢在300400℃和较高的氢压下反应生成MgH2，属离子型氢化物，过于稳定，放氢困难。目前通过合金化改善Mg基合金氢化反应的动力学和热力学。Ni，Cu，Re等元素对Mg的氢化反应有良好的催化作用。正在研究Mg-Ni-Cu-M（M为Cu/Mn/Ti）系,Mg-Ni-Cu系，Mg-Re系等镁基贮氢合金.,2、稀土系贮氢合金,特点,LaNi5稀土系贮氢合金优点室温即可活化、吸氢放氢容易、平衡压力低、滞后小和抗杂质等优点。缺点成本高，大规模应用受到限制。,类型,,LaNi5三元系最主要的是LaNi5-xAlx合金，A1的置换改变了平衡压力和生成热值。,MmNi5系MmNi5用混合稀土和多元合金化A1、Cu等置换LaNi5中La→Mm1-xAxNi5型,使平衡压力升高，改善贮氢性能.,MINi5系发展了MINi5-xMx系列合金，其中MINi5-xAlx已应用于氢贮运、回收和净化。,3、钛系贮氢合金,钛铁系合金,TiFe可在室温与氢反应生成氢化物.研究了以Co、Cr、Cu,、Mn、Mo、Ni等元素置换部分铁的TiFe1-xMx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.,Ti-Mn二元合金中TiMn1.5贮氢性能最佳，在室温下即可活化，与氢反应生成TiMn1.5H2.4。TiMn原子比Mn/Ti1.5时，合金吸氢量较大，以TiMn为基的多元合金主要有TiMn1.4M0.1（M为Fe，Co，Ni等）。,钛锰系合金,