12.1新型合金材料12.2先進陶瓷材料12.3先進高分子材料12.4先進成形技術(shù)第12章先進材料及成形技術(shù)《工程材料及成形工藝》機械工業(yè)出版社與晶體結(jié)構(gòu)不同,非晶態(tài)材料屬于典型的無序結(jié)構(gòu)材料。非晶態(tài)合金的原子在三維空間中呈拓撲無序狀的排列,沒有晶界與堆垛層錯等缺陷。非晶態(tài)合金既是結(jié)構(gòu)(或物理)無序,又是成分(或化學(xué))無序。為了能區(qū)別非晶與微晶,通常定義非晶態(tài)合金的短程有序區(qū)小于1.5nm,即不超過4~5個原子間距。與晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)相比較,非晶態(tài)材料具有以下主要特征。12.1新型合金材料

12.1.1非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特點(1)長程無序性在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中原子的排列從總體上看是無規(guī)則的,但近鄰原子的排列卻呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。可以把非晶態(tài)材料看作是均勻的和各向同性的結(jié)構(gòu)。(2)亞穩(wěn)態(tài)性非晶態(tài)材料處于一種亞穩(wěn)態(tài),有向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。非晶態(tài)及其結(jié)構(gòu)具有相對的穩(wěn)定性。這種相對穩(wěn)定性直接影響非晶態(tài)材料的使用壽命和應(yīng)用。2.非晶態(tài)合金的性能

(1)非晶態(tài)合金的力學(xué)性能非晶態(tài)合金具有極高的斷裂強度和屈服強度及良好的塑性?？山?jīng)受180°彎曲而不發(fā)生斷裂,而晶態(tài)合金很難具備這樣好的性能。例如,某非晶態(tài)Fe基合金屈服強度為2000~3000MPa,斷裂強度約3000MPa,最高可達4000MPa。非晶態(tài)合金的彈性模量隨溫度的變化極小。一般來說,非晶態(tài)合金的密度值比相應(yīng)的晶態(tài)合金低

1%~2%。(2)非晶態(tài)合金的熱學(xué)性能非晶態(tài)合金是溫度敏感材料。非晶態(tài)合金顯示出很低的熱膨脹系數(shù)。在較低溫度下,對非晶態(tài)合金進行單純加壓不會導(dǎo)致晶化。但是,若在加壓的同時加溫,則將使材料晶化溫度提高。非晶態(tài)合金在室溫下的電阻率ρ比晶態(tài)合金大得多；其電阻溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小,并且常常是負值。非晶態(tài)合金具有類似于晶態(tài)合金的磁致伸縮現(xiàn)象。非晶態(tài)合金在特殊條件下誘發(fā)的點蝕與縫隙腐蝕也能抑制腐蝕發(fā)展。3.非晶態(tài)的制備方法兩個關(guān)鍵問題:

一是必須形成原子(或分子)混亂排列的狀態(tài);二是將這種熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來,使之不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。用非晶態(tài)合金制造的配電變壓器鐵芯，與傳統(tǒng)的硅鋼鐵芯相比，空載損耗要降低60%~80%，具有明顯的節(jié)能效果。如果全用非晶態(tài)合金變壓器，那么我國每年可節(jié)約電90億千瓦小時。此外非晶態(tài)合金還被廣泛地應(yīng)用于電子、航空、航天、機械、微電子等眾多領(lǐng)域中。12.1.2納米材料納米材料的概念納米材料是指由特征尺寸在納米數(shù)量級(通常指1~100nm)的極細顆粒、纖維或薄膜組成的固體材料。納米材料由兩種組元構(gòu)成:晶體組元和界面組元。同取向的納米尺度小晶粒由晶界連接在一起,由于晶粒極微小,晶界所占比例相應(yīng)增大。若晶粒尺寸為5~10nm,晶界將占50%體積,即約50%原子位于排列不規(guī)則晶界處。納米晶材料是一種非平衡態(tài)結(jié)構(gòu),其中存在大量的晶體缺陷。納米材料中的晶界結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,處于無序到有序的中間狀態(tài),有的與粗晶界面結(jié)構(gòu)十分接近,而有的則更趨于無序狀態(tài)。2.納米材料的特殊效應(yīng)表面效應(yīng)(界面效應(yīng))隨著粒徑的減小,納米微粒表面原子與總原子數(shù)之比增大,納米粒子的比表面積、表面能都迅速增加。表面原子處于“裸露”狀態(tài),其周圍缺少相鄰的原子,原子配位數(shù)不足,存在未飽和鍵,導(dǎo)致納米微粒表面存在著許多缺陷,從而使表面具有很高的活性,特別容易吸附其他原子或容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),表現(xiàn)出很大的化學(xué)活性和催化活性。(2)小尺寸效應(yīng)(體積效應(yīng))當(dāng)納米微粒的粒徑小到與其光波波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時,納米微粒晶體的周期性邊界條件被破壞,而導(dǎo)致其呈現(xiàn)出與相應(yīng)塊體材料顯著不同的物理性質(zhì)(如聲、光、電、磁、熱等)變化的現(xiàn)象,此即納米粒子的小尺寸效應(yīng)。(3)量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸達到納米量級時,金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象,稱為量子尺寸效應(yīng)。(4)宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,如微顆粒的磁化強度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng),它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘產(chǎn)生變化,故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁性等現(xiàn)象。3納米材料的性能熱力學(xué)性能電磁性能光學(xué)性能化學(xué)性能催化性能納米顆粒4納米材料的應(yīng)用

12.1.3智能材料與形狀記憶合金智能材料是指模仿生命系統(tǒng),能感知環(huán)境變化并能實時地改變自身的一種或多種性能參數(shù),能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。變色太陽鏡鏡片就是智能材料,這種智能材料能感知周圍光線的強弱,當(dāng)光線很強時,鏡片自行變暗,當(dāng)光較弱時,鏡片就變得透明。在不遠的將來,智能材料將普遍出現(xiàn)在日常生活之中,如智能服裝會自動調(diào)節(jié)大小、顏色和溫度;變形建筑允許主人按一下鍵就能改變自身的形狀;智能窗戶會自動調(diào)節(jié)光線;智能墻壁可以變換顏色等。1）智能材料的基本特征智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素。智能材料往往具有或部分具有如下的智能功能和生命特征。傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力、自調(diào)節(jié)能力。智能材料智能材料一般由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料、信息處理器和其他功能材料組成。2）智能材料的構(gòu)成智能材料的構(gòu)成智能材料的工作原理智能材料的基本組元材料1)智能傳感材料對諸如熱、電和磁等外部信號刺激具有監(jiān)測、感知和反饋的能力,是智能結(jié)構(gòu)的必需組件。較典型的傳感材料有壓電材料、微電子傳感器、光纖等。2)智能驅(qū)動材料對溫度、電場或磁場等變化具有產(chǎn)生形狀、剛度、位置、固有頻率、濕度或其他機械特性響應(yīng)的能力。目前常用的智能驅(qū)動材料主要有形狀記憶合金等。3）智能材料的分類3)智能修復(fù)材料模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)和受傷后的再生、恢復(fù)機理,采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法,對材料損傷破壞具有自行愈合和再生的功能,能恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。4)智能控制材料對智能傳感材料的反饋信息具有記憶、存儲、判斷和決策能力,并控制和修正智能驅(qū)動材料和智能修復(fù)材料的行為。2形狀記憶合金對溫度、電場或磁場等變化具有產(chǎn)生形狀、剛度、位置、固有頻率、濕度或其他機械特性響應(yīng)的能力。目前常用的智能驅(qū)動材料主要有形狀記憶合金等。目前用量最大優(yōu)點：抗拉強度高、疲勞強度高、耐蝕性好、密度小、與人體有生物相容性缺點：成本高、加工困難缺點：功能不如鎳-鈦系優(yōu)點：成本低、加工容易缺點：功能不如銅系優(yōu)點：具有價格競爭優(yōu)勢1）分類2）形狀記憶合金的應(yīng)用

將記憶合金制成在Af溫度以上具有（a）所示形狀鉚釘，鉚接時先將其冷卻到Mf溫度以下，這時合金處于完全的馬氏體態(tài)很容易變形，略施加一點力將鉚釘扳成（b）所示并插入鉚釘孔（c），然后隨溫度回升到Af以上，鉚釘回復(fù)到變形前的形狀達到鉚接的目的（d）。12.1.4超導(dǎo)材料材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電現(xiàn)象,這類材料被稱為超導(dǎo)材料。使電阻完全為零的最高溫度定義為臨界溫度Tc,如水銀的Tc

為4.2K。材料進入超導(dǎo)態(tài)時,表現(xiàn)出如下幾方面的基本特性:①在超導(dǎo)態(tài)下導(dǎo)體的電阻為零。②在超導(dǎo)態(tài)下,磁力線不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部,導(dǎo)體內(nèi)的磁場強度恒為零。感應(yīng)電流只流過導(dǎo)體表面,超導(dǎo)體的這種性質(zhì)叫做完全抗磁性,其結(jié)果導(dǎo)致超導(dǎo)體在磁場中懸浮。③將1nm左右厚的絕緣膜夾在兩塊超導(dǎo)體中間(或通過點連接及微橋連接)構(gòu)成弱連接,超導(dǎo)體中的電子可穿過中間的能壘,這一現(xiàn)象稱為約瑟夫森效應(yīng),這類超導(dǎo)體被稱為弱連接超導(dǎo)體,它對磁場、電流等的變化極為敏感。概念超導(dǎo)材料的特殊性能使它在電力、交通、軍事、信息、醫(yī)療等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超導(dǎo)船、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電動機、超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)電力系統(tǒng)、超導(dǎo)核磁共振儀、超導(dǎo)加速器等設(shè)想不斷被提出和實現(xiàn)。

(1)電力輸送與儲存

(2)磁流體發(fā)電

(3)磁懸浮列車

(4)超導(dǎo)計算機2應(yīng)用12.1.5熱電材料當(dāng)導(dǎo)線的兩端存在溫度梯度時,高溫度端的自由電子會向低溫度端移動,同時產(chǎn)生相應(yīng)的電動勢,稱為湯姆遜電動勢。在兩種導(dǎo)線構(gòu)成的回路中,由于兩種材料中的自由電子密度不同,在接觸面上會發(fā)生電子擴散,失去電子的一方呈正電位,獲得電子的一方呈負電位。自由電子擴散達到動平衡時,另一端形成一定的接觸電動勢,其大小與兩端溫差及材料的自由電子密度有關(guān)。因此,不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時因兩個接點的溫度不同而產(chǎn)生熱電動勢。熱電效應(yīng)2.熱電偶材料12.1.6磁性材料磁性材料按磁滯特性可粗略地分為軟磁材料和硬磁材料兩類。軟磁材料是指在外磁場作用很容易被磁化,去掉外磁場時又很容易去磁的材料,其磁滯回線很窄。硬磁材料又稱永磁材料,是指那些難于磁化又難于退磁的材料,它經(jīng)磁化后即使不再從外部供電也能產(chǎn)生磁場。在外磁場作用下,磁性材料產(chǎn)生伸長或縮短的現(xiàn)象稱為磁致伸縮。例如,Fe隨磁場強度增大而伸長,Ni則縮短,最后達到飽和。常用磁致伸縮材料室溫下的飽和磁致伸縮系數(shù)在10-6~10-8范圍。磁致伸縮液位計12.1.7貯氫材料氫是資源豐富、發(fā)熱值高、不污染環(huán)境的優(yōu)質(zhì)能源,但氫儲存和運輸難度很大。目前用金屬(或合金)貯氫。貯氫合金能以金屬氫化物的形式吸收氫,是一種安全、經(jīng)濟而有效的貯氫方法。金屬氫化物不僅具有貯氫特性,而且具有將化學(xué)能與熱能或機械能相互轉(zhuǎn)化的機能,從而能利用反應(yīng)過程中的焓變開發(fā)熱能的化學(xué)儲存與輸送,有效利用各種廢熱形式的低質(zhì)熱源。鎂系貯氫合金的貯氫量大、重量輕、資源豐富、價格低廉,但分解溫度高(250℃以上)、吸釋氫速度慢。稀土系貯氫合金的代表是LaNi,其主要優(yōu)點是室溫即可活化、吸氫釋氫容易、平衡壓力低、抗雜質(zhì)等,但成本高,限制了大規(guī)模應(yīng)用。

鈦系貯氫合金主要包括鈦鐵系合金及鈦錳系合金。TiFe

可在室溫與氫反應(yīng),室溫下的釋氫壓力不到1MPa,且價格便宜。主要缺點是活化困難,受雜質(zhì)氣體影響大,

反復(fù)吸釋氫后性能下降。12.2

先進陶瓷材料

12.2.1結(jié)構(gòu)陶瓷12.2.1先進功能陶瓷1.電介質(zhì)陶瓷

電介質(zhì)陶瓷是指電阻率超過108的陶瓷材科。能夠承受較強的電場而不被擊穿,它們在靜電場或交變電場中使用。分如下三種：絕緣陶瓷主要用于電子設(shè)備中安裝、固定、支撐、保護、絕緣、隔離以及連接各種無線電零件和器件。壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，即通過力學(xué)作用引起電介質(zhì)中帶電粒子產(chǎn)生相對位移,從而發(fā)生極化,進而引起材料表面電荷的現(xiàn)象。電容器陶瓷的基本要求為:①介電常數(shù)應(yīng)盡可能高,使陶瓷電容器體積減小;②材料在高頻、高溫、高壓及其他惡劣環(huán)境下,應(yīng)能可靠、穩(wěn)定地工作;③介質(zhì)損耗角要小,這就可在高頻電路中充分發(fā)揮作用,對于高功率陶瓷電容器,能提高無功功率;④比體積電阻高于1010W·m,可保證在高溫下工作不致失敗;⑤高的介電強度,陶瓷電容器在高壓和高功率條件下,往往由于擊穿而不能工作,所以提高其耐壓性能,對充分發(fā)揮陶瓷的功能具有重要作用。2.敏感陶瓷

敏感陶瓷用于制造敏感元件。在熱、濕、光、壓電或介質(zhì)等產(chǎn)生變化時,敏感陶瓷的電阻率、電動勢等物理量產(chǎn)生相應(yīng)的變化,從而可以采集信息,并進一步進行調(diào)控。可把這些陶瓷分別稱作熱敏陶瓷、濕敏陶瓷、光敏陶瓷、壓敏陶瓷、氣敏陶瓷及離子敏感陶瓷。它們廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測、控制儀器、交通運輸系統(tǒng)、汽車、機器人、防止公害、防災(zāi)、安全及家電等領(lǐng)域。氣體傳感器熱釋電紅外傳感器濕度傳感器高壓壓力傳感器3.生物陶瓷

①在人體內(nèi)材料的理化性能穩(wěn)定,長期使用不變質(zhì),有良好的組織相容性,滿足植入要求;②陶瓷的成分組成范圍較寬,根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計成分配方,控制材料性能變化達到臨床要求;③易于成形,可按實際需要制成各種形狀和尺寸,如顆粒狀、柱狀和多孔型等,也可制成骨釘、骨夾板,甚至制成牙板、關(guān)節(jié)和顱骨等;④易于著色,如陶瓷牙冠與天然牙逼真,利于整容、美容。生物陶瓷可分為生物惰性、生物活性和生物降解三類。12.3

先進高分子材料

12.3.1先進纖維纖維材料是通過紡織加工工藝形成的一維結(jié)構(gòu)材料,通常也被稱為紡織材料。電工領(lǐng)域用的纖維材料有天然纖維、無機纖維(如石棉、玻璃纖維)和合成纖維(如聚酯纖維、聚芳酰胺纖維等)三大類。它具有如下優(yōu)點:①在超導(dǎo)磁體線圈中,能使冷卻劑浸透所有的截面,增加傳熱面積;②保證浸漬漆或包封膠直接與超導(dǎo)纖維及復(fù)合層接觸。纖維可以制成纖維紙或纖維布,直接用作絕緣材料;或用液態(tài)介質(zhì)浸,漬用作電容器介質(zhì)和電纜絕緣;或浸以絕緣樹脂后,經(jīng)熱壓卷制成絕緣層壓制品;或用絕緣漆浸漬,制成絕緣漆布(帶)、漆綢等。天然無機纖維可以單獨用作耐高溫絕緣材料,也可以同植物纖維或合成纖維結(jié)合使用。纖維材料還廣泛用作超導(dǎo)和低溫繞組線的絕緣材料。12.3.2功能高分子材料功能高分子材料,是指那些可用于工業(yè)和技術(shù)中的具有物理(如化學(xué)功能如光、電、磁、聲、熱等)特性的高分子材料。它主要包括電磁功能高分子材料、光學(xué)功能高分子材料、物質(zhì)傳輸或分離功能高分子材料、催化功能高分子材料、生物功能高分子材料和力學(xué)功能高分子材料等。例如,像金屬那樣導(dǎo)電的導(dǎo)電性高聚物,能吸收大量水分的吸水性樹脂,用于制造大規(guī)模集成電路的光刻膠,作為人造血管和人造心臟等原料的醫(yī)用高分子材料等。12.4先進成形技術(shù)

12.4.13D打印3D打印又稱增材制造，它是通過逐層增加材料來實現(xiàn)3D實體的生成。它克服了傳統(tǒng)制造工藝和結(jié)構(gòu)的限制，快速精準地實現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)建，通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。其工藝過程如下：（1）設(shè)計三維數(shù)字模型；（2）模型分層（切片）和打印路徑規(guī)劃；（3）增材制造。三維物件的數(shù)字模型是增材制造的依據(jù)和出發(fā)點。建立三維數(shù)字模型主要有種途徑：利用各種設(shè)計軟件直設(shè)計并得到三維數(shù)字模型；利用三維掃描儀等測量儀器對物件進行逆向測量并建立其三維數(shù)字模型。將數(shù)字模型進行切片掃描、路徑規(guī)劃處理之后，即可將其導(dǎo)入3D打印機。此時，將打印材料按要求裝進打印機，設(shè)定好打印工藝參數(shù)后即可開始打印。不同打印技術(shù)的區(qū)別在于每一層的固化方式不同。在打印過程中，如果沒有異常狀況發(fā)生，一般不需要對其進行人工干預(yù)。根據(jù)成型方式的不同3D打印分為：12.4.2粉末冶金粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料,經(jīng)過成形和燒結(jié),制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金具有獨特的化學(xué)組成和機械、物理性能,而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密的材料和制品,如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等,是一種少無切削工藝。

制備方法

(1)生產(chǎn)粉末(2)壓制成形粉末。壓力15~600MPa。(3)燒結(jié)。在保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行。燒結(jié)過程中,粉末顆粒間通過擴散、再結(jié)晶、熔焊、化合、溶解等物理化學(xué)過程,成為具有一定孔隙度的產(chǎn)品。(4)后處理12.4.3定向凝固技術(shù)定向凝固：通過定向凝固技術(shù)在金屬凝固過程中，控制或調(diào)節(jié)特定方向上的溫度梯度，使得熔體沿著溫度梯度的方向生長，最終獲得具有特定晶粒取向的柱狀晶或單晶。定向凝固技術(shù)應(yīng)用：定向凝固技術(shù)在共晶凝固、定向柱狀晶生長、單晶制備等方面具有重要的意義，例如在航空發(fā)動機葉片、單晶硅、激光晶體、紅外晶體磁性材料、自生復(fù)合材料、高熵合金、TiAl基合金等。液態(tài)金屬冷卻法裝置示意圖

1-冷室（液態(tài)Sn或其它）；2-隔板；3-加熱裝置；4-隔熱材料；5-熱室；6-已凝固鑄件；7-固液界面；8-鑄件模殼；9-合金溶體；10-浸入機構(gòu)功率降低法裝置示意圖

1-冷卻水；2-水冷銅底