1《金屬材料及熱處理》項(xiàng)目3：非金屬材料與新型材料知識拓展：認(rèn)識新型材料122《金屬材料及熱處理》定義1

從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在０.１微米以下（注１米＝１００厘米，１厘米＝１００００微米，１微米＝１０００納米，１納米＝１０埃），即１００納米以下。因此，顆粒尺寸在１～１００納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。

一、納米材料33《金屬材料及熱處理》定義1

納米級結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料(nanomaterial)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。一、納米材料44《金屬材料及熱處理》定義1

納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nanoparticle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會有顯著的不同。一、納米材料55《金屬材料及熱處理》納米技術(shù)應(yīng)用2納米技術(shù)納米材料技術(shù)納米加工技術(shù)納米測量技術(shù)納米應(yīng)用技術(shù)納米功能性材料的生產(chǎn)性能檢測技術(shù)精密加工技術(shù)掃描探針技術(shù)一、納米材料66《金屬材料及熱處理》納米材料分類3納米材料納米粉末納米纖維納米膜納米塊體不同溫度制備的有序介孔Al2O3塊體材料的TEM照片：(A)700℃，(B)1000℃一、納米材料77二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》定義1

具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。88二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》特性2性能零電阻性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。完全抗磁性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場恒為零。約瑟夫森效應(yīng)兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。99二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》基本臨界參量3臨界參量臨界溫度外磁場為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。臨界磁場使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場。臨界電流和臨界電流密度通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。1010二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》分類4按其化學(xué)成分元素材料合金材料化合物材料超導(dǎo)陶瓷1111二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》應(yīng)用51.磁懸浮列車上海磁懸浮列車中德總理乘坐上海磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車軌道1212二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》應(yīng)用52.超導(dǎo)磁鐵應(yīng)用于國際空間站3.高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器1313二、超導(dǎo)材料《金屬材料及熱處理》應(yīng)用54.超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)5.超導(dǎo)計(jì)算機(jī)1414三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》定義1

形狀記憶是指具有初始形狀的制品變形后，通過加熱等處理手段又回復(fù)初始形狀的功能。具有形狀記憶功能的材料包括形狀記憶合金和形狀記憶聚合物。

1515三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》形狀記憶效應(yīng)2某些具有熱彈性馬氏體相變的合金，處于馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失的溫度時(shí)，材料就能完全恢復(fù)變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(SME)。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱形狀記憶合金(SMA)。1616三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》分類3形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)按形狀恢復(fù)情況可以分為三類：單程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)1717三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》單程記憶效應(yīng)將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻，使之發(fā)生馬氏體相變，然后對馬氏體進(jìn)行任意變形；當(dāng)溫度升至Af點(diǎn)，馬氏體完全消失，材料恢復(fù)母相形狀，重新冷卻時(shí)不能恢復(fù)低溫相時(shí)的形狀。雙程記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程記憶效應(yīng)，又稱可逆記憶效應(yīng)。全程形狀記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嗟默F(xiàn)象。1818三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》（a）馬氏體狀態(tài)下未變形（b）馬氏體狀態(tài)下已變形（c）放入熱水中，高溫下恢復(fù)奧氏體狀態(tài)，形狀完全恢復(fù)單程TiNi記憶合金彈簧的動作變化情況1919三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》沒放入熱水前放入熱水后冷卻至室溫后再次放入熱水后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況2020三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》把受過強(qiáng)迫時(shí)效的四條薄帶在其中心位置上以45度的夾角捆扎在一起，在約100℃開水中(加熱)呈現(xiàn)具有凸透鏡曲率的近圓形，如a所示；從開水中緩慢提起來時(shí)自行變化成b形狀；完全提上來且于室溫下時(shí)，變化成近直線形狀c；

ac之間的自發(fā)形變是由奧氏體向馬氏體相變引起。TiNi合金的全程記憶效應(yīng)（100℃-室溫）2121三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》浸泡在冰水中時(shí)，下部變化成d形狀；在干冰-酒精液中冷卻到約-40℃時(shí)(冷卻，奧氏體全部轉(zhuǎn)變成馬氏體)變化成e形狀，同a相比完全是其相反的形狀；再次返回到開水(重新加熱，馬氏體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體)中時(shí)，立刻變化成f形狀，其形狀與a完全相同。TiNi合金的全程記憶效應(yīng)（100℃-室溫）2222三、形狀記憶合金《金屬材料及熱處理》特性4集傳感、驅(qū)動、控制、換能于一身機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良，能恢復(fù)的形變可高達(dá)10％，而一般金屬材料只有0.1％以下有確定的轉(zhuǎn)變溫度鎳~鈦50℃在加熱時(shí)產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大，可達(dá)500MPa對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受溫度以外的其他因素影響無振動噪聲，無污染抗疲勞回憶變形500萬次不疲勞變形2323三、形狀記憶合金的應(yīng)用《金屬材料及熱處理》在結(jié)構(gòu)振動控制方面的應(yīng)用●被動控制:利用形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)和高阻尼特性——耗能阻尼器。應(yīng)用:做成阻尼器用于橋梁和框架等結(jié)構(gòu)的抗震。

小震：彈性特性與普通金屬相似;

大震：超彈性大變形能力—有效消耗地震能量，并可利用其記憶效應(yīng)使變形恢復(fù)。變形能力(彈性應(yīng)變)形狀記憶合金普通金屬材料耗能能力比阻尼(材料振幅衰減比的平方)7％0.2％40％6％遠(yuǎn)大于2424三、形狀記憶合金的應(yīng)用《金屬材料及熱處理》●主動控制：在結(jié)構(gòu)材料中加入SMA驅(qū)動元件，利用SMA的形狀記憶效應(yīng)所產(chǎn)生的回復(fù)力，以及SMA的彈性模量隨溫度變化的特性，對結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生主動阻尼來減小振動，增加結(jié)構(gòu)的等效剛度，控制結(jié)構(gòu)的諧振頻率，使結(jié)構(gòu)避開共振，對共振狀態(tài)下的振動抑制效果明顯。主要對象：一維構(gòu)件如梁和桿等。對埋入SMA絲的懸臂梁：振動振幅下降超過50％。適用振動頻率范圍：低頻。2525三、形狀記憶合金的應(yīng)用《金屬材料及熱處理》在形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用智能蒙皮：飛機(jī)機(jī)翼：產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，改變形狀和迎角，以增加或減少空氣動力，達(dá)到自動調(diào)節(jié)機(jī)翼空氣動力特性的目的。直升機(jī)智能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：對旋翼葉片的彎曲、扭轉(zhuǎn)、翼型進(jìn)行主動控制，改進(jìn)整個(gè)旋翼的空氣動力性能和結(jié)構(gòu)動力性能；水下的潛艇、魚雷：自動選取最佳的表面形狀，大大減少前進(jìn)中的阻力，提高航速；2626三、形狀記憶合金的應(yīng)用《金屬材料及熱處理》工業(yè)應(yīng)用-宇航天線NiTi形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖2727三、形狀記憶合金的應(yīng)用《金屬材料及熱處理》智能機(jī)器人形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控制器等應(yīng)用在智能機(jī)器人中。形狀記憶驅(qū)動器通過適當(dāng)加熱和控制，可完成往返或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兼之具有感溫功能。形狀記憶控制機(jī)構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控制機(jī)構(gòu)相比，一個(gè)形狀記憶元件就可起到傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中傳感、驅(qū)動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。智能控制器2828三、形狀記憶合金的應(yīng)用《金屬材料及熱處理》下圖為具有相當(dāng)于肩、肘、腕、指等的5維自由度的微型