１１.１復合材料

１１.１.１復合材料的定義復合材料是指在充分利用材料科學理論和材料制作工藝的基礎上發(fā)展起來的一類新型材料。在不同的材料之間進行復合（金屬與金屬之間、非金屬與非金屬之間、金屬與非金屬之間），使復合材料既保持各組分的性能又有組合的新功能。材料復合技術充分發(fā)揮了材料的性能潛力，成為改善材料性能的新手段，也為現(xiàn)代尖端工業(yè)的發(fā)展提供了技術和物質(zhì)基礎。工程復合材料的組分是人為選定的，通常可將其劃分為基體和增強體。基體大多為連續(xù)的，其除保持自身特性外，還有黏結或連接和支承增強體的作用；增強體主要用于工程結構，有承受外載或發(fā)揮其他特定物理化學功能的作用。復合材料的性能取決于基體和增強體的性能、比例、界面的性質(zhì)和增強體的幾何特征，如尺寸、形狀、在基體中的分布和取向等因素，如圖１１－１所示。下一頁返回１１.１復合材料

１１.１.２復合材料的分類１.按構成的原材料分類復合材料按基體的種類可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料及碳－碳基等復合材料。復合材料按增強體的種類和形態(tài)可分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料、層狀復合材料和填充骨架型（如連續(xù)織物型、蜂窩型）復合材料，部分增強體結構如圖１１－２所示，其中纖維增強復合材料又分為長纖維、短纖維和晶須增強型等復合材料。２.按復合效果分類復合材料按復合的效果可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。前者主要用于工程結構，以承受各種不同環(huán)境條件下的復合外載荷，其具有優(yōu)良的力學性能；后者具有各種獨特的物理化學性質(zhì)，如換能、阻尼、吸波、電磁、超導、屏蔽、光學、摩擦潤滑等各種功能。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

１１.１.３復合材料的性能特點和增強機制復合材料中能夠?qū)ζ湫阅芎徒Y構起決定作用的，除了基體和增強體外，還有基體與增強體間的界面?；w將增強體固定、黏附起來，并使其均勻分布，從而在保持基體材料原有性能的基礎上充分利用增強體的特性，基體還可以保護增強體免受環(huán)境造成的物理化學損傷；增強體則可大大強化基體材料的功能，使復合材料具有基體材料難以達到的特性，對于結構材料來說，增強體還可能是外載的主要承擔者；而基體與增強體的界面結合既要有一定的相容性，以保證材料一定的連接性和連續(xù)性，又不能發(fā)生較強的反應，以保證不改變基體和增強體的性質(zhì)。因此，基體、增強體及其界面必須互相配合、協(xié)同，才能使材料達到最好的復合效果。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

１.復合材料性能特點１）性能的可設計性復合材料可根據(jù)材料的基本特性、材料間的相互作用和使用性能要求來選擇基體材料和增強體材料，并可人為設計增強體的數(shù)量形態(tài)、在基體材料中的分布方式以及基體和增強體的界面狀態(tài)。由基體、增強體和界面的復合效應可以使復合材料獲得常規(guī)材料難以提供的某一性能或綜合性能，以滿足更為復雜惡劣的條件和極端使用條件對材料的要求。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

２）力學性能特點復合材料沒有統(tǒng)一的力學性能特點，其力學性能特點與復合材料的體系及加工工藝有關。但就常用的工程復合材料而言，與其相應的基體材料相比較，其主要的力學性能特點如下：（１）比強度和比模量高，這主要是由于增強體一般為高強度、高彈性模量而密度小的材料，如碳纖維增強環(huán)氧樹脂比強度是鋼的７倍，比模量比鋼高３倍。（２）耐疲勞性能好，復合材料內(nèi)部的增強體能大幅提高材料的屈服強度和強度極限，并具有阻礙裂紋擴展及改變裂紋擴展路徑的效果，因此使復合材料的疲勞抗力高；對于脆性陶瓷基復合材料來說，這種效果還會大大提高其韌度，是陶瓷韌化的重要方法之一。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（３）高溫性能好，復合材料的增強體一般在高溫下仍會保持高的強度和彈性模量，從而使復合材料具有更高的高溫強度和蠕變抗力。如鋁合金在４００℃時，其強度從室溫的５００ＭＰａ降至３５０ＭＰａ，彈性模量幾乎降為０；使用碳纖維或硼纖維增強鋁合金后，４００℃時其強度和彈性模量與室溫時相差不大。（４）良好的耐磨、耐蝕性和減摩性，使復合材料成為航空航天、生物海洋工程等領域的理想新材料。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

３）物理性能特點根據(jù)不同增強體的特性及其與基體復合工藝的多樣性，復合材料還可以具有各種優(yōu)異的物理性能，如密度低（增強體的密度一般較低）、膨脹系數(shù)?。ㄉ踔量山咏悖?、熱導性好、電導性好、阻尼性好、吸波性好、耐燒蝕、抗輻射等。４）工藝性能復合材料的成形及加工工藝因材料種類不同而各有差別，但一般來說，其成形加工工藝并不復雜。例如，長纖維增強的樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料可整體成形，能大大減少結構件中的裝配零件數(shù)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用可靠性；而短纖維或顆粒增強的復合材料，則完全可按傳統(tǒng)的工藝制備（如鑄造法、粉末冶金法）并可進行二次加工成形，適應性強。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

２.復合材料的復合機制１）粒子增強型復合材料的復合機制粒子增強型復合材料按顆粒的粒徑大小和數(shù)量，可分為彌散強化復合材料和顆粒增強復合材料兩類。彌散強化復合材料中加入的增強顆粒粒徑一般在０.０１～０.１μｍ之間，加入量在總體積的１％～１５％之間。增強顆粒可以是一種或幾種，但應均勻彌散地分布于基體材料內(nèi)部。這些彌散粒子將阻礙導致基體塑性變形的位錯運動（金屬基）或分子鏈的運動（樹脂基），提高材料的變形抗力。同時，由于所加入的彌散粒子大都是高熔點、高硬度且高穩(wěn)定的氧化物、碳化物或氮化物等，故粒子還會大幅提高材料的高溫強度和蠕變抗力；對于陶瓷基復合材料，加入的粒子則會起到細化晶粒、使裂紋轉(zhuǎn)向與分叉的作用，從而提高陶瓷的強度和韌度。彌散粒子的強化效果與粒子的粒徑、形態(tài)、體積分數(shù)和分布狀態(tài)等直接相關。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

顆粒增強復合材料是用金屬或高分子聚合物把具有耐熱、硬度高但不耐沖擊等特性的金屬氧化物、碳化物或氮化物等粒子黏結起來形成的材料。顆粒增強型復合材料具有基體材料脆性小、耐沖擊的優(yōu)點，又具有陶瓷硬度高、耐熱性高的特點，復合效果顯著；其所用粒子粒徑較大，一般為１５０μｍ左右，體積分數(shù)（粒子體積相對于總體積的比例）在２０％以上。粒子增強型復合材料的使用性能主要決定于粒子的性質(zhì)，此時，粒子的強化作用并不顯著，但卻大幅提高了材料的耐磨性和綜合力學性能，這種方式主要用作獲取耐磨減摩材料（如硬質(zhì)合金、黏接砂輪材料等）。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

２）纖維增強復合材料的復合機制短纖維及晶須增強復合材料的強化機制與彌散強化復合材料的強化機制類似。由于纖維具有明顯方向性，因此在復合材料制作時，如果纖維或晶須在材料內(nèi)的分布也具有一定方向性，則其強化效果必然是各向異性的。短纖維（或晶須）對陶瓷的強化和韌化作用比顆粒增強體的作用更有效，因為纖維增加了基體與增強體之間的界面面積，具有更為強烈的裂紋偏轉(zhuǎn)和阻止裂紋擴展效果。長纖維增強復合材料的增強效果主要取決于纖維的特性，基體只起到傳遞力的作用，材料的力學性能還與纖維和基體性能、纖維體積分數(shù)、纖維與基體的界面結合強度及纖維的排列分布方式和斷裂形式有關。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

纖維增強效果是按以下原則設計的：（１）承受載荷的主要是纖維增強體，故所選用纖維的強度和彈性模量要遠高于基體。（２）基體與纖維應有一定的相容性和浸潤性，并具有足夠的界面結合強度，以保證將基體所受的力傳遞到纖維上；如果二者結合強度太低，纖維起不到作用，反而會導致材料變脆。（３）纖維排列方向與構件受力方向一致。（４）纖維與基體要有較好的物理相容性，其中較重要的是熱膨脹系數(shù)要匹配，且要保證制造和使用時，二者界面上不發(fā)生使力學性能下降的化學反應。（５）一般情況下，纖維的體積分數(shù)越高，長徑比越大（Ｌ／ｄ），強化效果越好。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

１１.１.４常用復合材料１.顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料中有一類材料所含顆粒的粒徑較粗，體積分數(shù)高，常用的有金屬陶瓷（陶瓷顆粒增強的金屬基復合材料），主要用于制造高硬度高耐磨性的工具和耐磨零件。如ＷＣ或ＴｉＣ顆粒彌散在Ｃｏ或Ｎｉ的基體中形成的復合材料，其廣泛用于切削硬質(zhì)合金。另一類為彌散強化復合材料，增強體大都是硬質(zhì)顆粒（可以是金屬也可是非金屬），最常用的是氧化物、碳化物等耐熱性及化學穩(wěn)定性好，且與基體不發(fā)生化學反應的顆粒。該類復合材料的基體材料可以是各種純金屬及合金，目前常用的有Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｕ及其合金或金屬間化合物。彌散強化復合材料典型的代表有ＳＡＰ復合材料、ＴＤ－Ｎｉ復合材料、彌散無氧銅復合材料及ＳｉＣＰ／Ａｌ復合材料。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

ＳＡＰ是燒結的鋁粉末，即其是用Ａｌ２Ｏ３質(zhì)點彌散強化基體Ａｌ或鋁合金，由于彌散的Ａｌ２Ｏ３熔點高、硬而穩(wěn)定，使得ＳＡＰ的高溫力學性能很好，具有較高的高溫屈服強度和蠕變抗力，其在電力工業(yè)和航空航天工業(yè)有廣泛的應用。ＴＤ－Ｎｉ是在鎳基中加入１％～２％Ｔｈ（釷），Ｔｈ在壓緊燒結時與擴散至材料中的Ｏ形成細小彌散的ＴｈＯ２，從而使材料的高溫強度大大提高。ＴＤ－Ｎｉ主要應用在原子能工業(yè)等部門。彌散無氧銅材料是在粉末冶金銅粉中加入１％左右的Ａｌ，Ａｌ在燒結時形成極細小彌散的Ａｌ２Ｏ３，其對材料的強化效果十分明顯。彌散無氧銅在５００℃下長期工作時，其屈服強度仍可達５００ＭＰａ，且對純銅的電導性影響甚小，是高頻電子儀器（如大功率行波管）中必不可少的導電結構材料。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

ＳｉＣ顆粒增強鋁基復合材料（ＳｉＣＰ／Ａｌ）是少有的幾種實現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的金屬基復合材料之一。這種材料的密度與Ａｌ相近，而比強度、比模量與鈦合金相近，還有良好的耐磨性和高溫性能（使用溫度可高達３００～３５０℃）。該材料已用于制造大功率汽車柴油機的活塞、連桿、剎車片等，還用于制造火箭、導彈、紅外及激光制導系統(tǒng)構件。此外，超細ＳｉＣ顆粒增強鋁基復合材料還是一種理想的精密儀表用高尺寸穩(wěn)定性材料，如用作精密電子封裝材料。較有應用前景的還有顆粒增強鈦基或金屬間化合物基的高溫型金屬基復合材料，如粉末冶金成形的ＴｉＣ／Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＴＣ４）復合材料，其彈性模量和蠕變抗力明顯高于基體合金ＴＣ４，可用于制造導彈殼體、導彈尾翼和發(fā)動機零部件等。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

陶瓷材料中加入適當?shù)念w粒也具有增強作用———提高高溫強度和高溫蠕變性能，同時還有一定的增韌作用。如用ＳｉＣ、ＴｉＣ顆粒增強的Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料，當顆粒的體積分數(shù)為５％時，其強度和韌度都達到最大值，具有很好的強韌化效果，這種材料已被用于制作陶瓷刀具；而將具有相變特性的ＺｒＯ２粒子加入普通陶瓷或各種特種陶瓷（Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、莫萊石）中，可以利用相變減弱裂紋的應力集中而起到很好的相變強韌化效果。在高分子材料中加入顆粒雖然也能在一定程度上強化基體，但一般來說這種顆粒主要是提高材料的其他功能（如耐磨減摩性、電導性和磁性能等）。例如在環(huán)氧塑料中加入Ａｇ或Ｃｕ２Ｏ或石墨顆粒后，材料具有較好的導電性，相應零部件可用于導電、防雷電或電磁屏蔽等。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

２.纖維增強復合材料１）增強纖維材料的種類用于復合材料的增強纖維材料的種類很多，目前已應用的纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等，其中前三種在樹脂基復合材料中用得最多，而后四種常用作金屬基和陶瓷基復合材料的增強體。在同一基體材料中，作為增強體的纖維可以用一種，也可以用兩種或兩種以上。（１）玻璃纖維（ｇｌａｓｓｆｉｂｒｅ），這種纖維有較高的強度、相對密度小、化學穩(wěn)定性高、耐熱性好、價格低，其缺點是脆性較大、耐磨性差、纖維表面光滑（不易與其他物質(zhì)結合）。玻璃纖維可制成長纖維和短纖維，也可以織成布，制成無紡布，如圖１１－３所示。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（２）碳纖維與石墨纖維，這種纖維是在惰性氣體中，經(jīng)高溫碳化制成的：２０００℃以下制得碳纖維（ｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅ），再經(jīng)２５００℃以上處理得石墨纖維（ｇｒａｐｈｉｔｅｆｉｂｒｅ）。碳纖維的相對密度小、彈性模量高，而且其力學性能在２５００℃無氧氣氛中也不降低。石墨纖維的耐熱性和導電性比碳纖維高，并具有自潤滑性。（３）硼纖維（ｂｏｒｏｎｆｉｂｒｅ），這種纖維強度高、彈性模量高、耐高溫，但相對密度較大、伸長率小、價格貴。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（４）晶須（ｗｈｉｓｋｅｒ），這種纖維是在人工控制條件下以單晶形式生成的一種短纖維，其直徑很?。s１μｍ），內(nèi)部缺陷極少，強度接近完整晶體的理論強度。晶須包括金屬晶須和陶瓷晶須等。金屬晶須中可批量生產(chǎn)的是鐵晶須，其最大特點是可在磁場中取向，可以很容易地制取定向纖維增強復合材料。陶瓷晶須相比金屬晶須而言，其強度高、相對密度低、彈性模量高，而且耐熱性好。目前，晶須中具有實用價值的有石墨、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮ和ＢＮ等陶瓷晶須。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

２）纖維增強樹脂基復合材料一般來說，纖維增強樹脂基復合材料的力學性能主要由纖維的特性決定，化學性能、耐熱性等則由樹脂和纖維共同決定。按所用增強纖維的不同，纖維增強樹脂基復合材料主要有以下幾類：（１）玻璃纖維－樹脂復合材料，即玻璃鋼，其成本低、工藝簡單，因而應用很廣，按其所用基體又分為熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼兩類。熱塑性玻璃鋼由質(zhì)量分數(shù)為２０％～４０％的玻璃纖維和質(zhì)量分數(shù)為６０％～８０％的基體材料（如尼龍、ＡＢＳ塑料等）組成，其具有高強度、高沖擊韌度、良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

熱固性玻璃鋼由質(zhì)量分數(shù)為６０％～７０％的玻璃纖維（或者玻璃布）和質(zhì)量分數(shù)為３０％～４０％的基體材料（如環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等）組成，其主要特點是密度小、強度高（比強度超過一般高強度鋼、鋁合金及鈦合金），耐磨性、絕緣性和絕熱性好，吸水性低，易于加工成形；但是其彈性模量低（只有結構鋼的１／１０～１／５），剛度低，耐熱性比熱塑性玻璃鋼好但仍不夠高（只能在３００℃以下工作）。為提高熱固性玻璃鋼的性能，可對其基體進行化學改性，如用環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂混溶后做基體的環(huán)氧－酚醛玻璃鋼熱穩(wěn)定性好，強度更高。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（２）碳纖維－樹脂復合材料，這種復合材料由碳纖維與聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成，其性能優(yōu)于玻璃鋼，具有小密度，高比強度、比模量，優(yōu)良的抗疲勞、耐沖擊性能以及良好的自潤滑性、耐磨減摩性、耐蝕和耐熱性；但碳纖維與基體的結合力低（必須經(jīng)過適當?shù)谋砻嫣幚聿拍芘c基體共混成形）。這類材料主要應用于航空航天、機械制造、汽車工業(yè)及化學工業(yè)等領域中。（３）硼纖維－樹脂復合材料，這種復合材料由硼纖維和環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成，具有高的比強度和比模量（比模量為鋁合金或鈦合金的４倍），良好的耐熱性；其缺點是各向異性明顯，加工困難，成本太高。這類材料主要用于航空航天和軍事工業(yè)。（４）碳化硅纖維－樹脂復合材料，這種復合材料具有高的比強度和比模量，其抗拉強度接近碳纖維－環(huán)氧樹脂復合材料，抗壓強度則是碳纖維－環(huán)氧樹脂復合材料的２倍。這種材料是一類很有發(fā)展前途的新材料，主要用于航空航天工業(yè)。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（５）聚芳酰胺有機纖維（即各種牌號的Ｋｅｖｌａｒ纖維）－樹脂復合材料，這種材料是由Ｋｅｖｌａｒ纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成的。這類材料中最常用的是Ｋｅｖｌａｒ纖維與環(huán)氧樹脂組成的復合材料，其主要性能特點是抗拉強度較高（與碳纖維－環(huán)氧樹脂復合材料相近）、延展性好（與金屬相當）、耐沖擊性好（超過碳纖維增強塑料）并有優(yōu)良的疲勞抗力和減振性（疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金，減振能力為鋼的８倍、玻璃鋼的４～５倍）。這類材料用于制造飛機機身、雷達天線罩、輕型艦船等。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

３）纖維增強金屬（或合金）基復合材料（１）長纖維增強金屬（或合金）基復合材料，這類復合材料由高強度、高彈性模量的較脆長纖維和具有較好韌性的低屈服強度的金屬（或合金）組成，與纖維增強樹脂基復合材料類似，其中承載主要是由高強度、高彈性模量的纖維來完成，基體則主要起固結纖維和傳遞載荷的作用。這類材料的性能決定于組成材料的組元和含量、相互作用及制備工藝，其常用的纖維有硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化硅纖維等；常用的基體有Ａｌ及其合金、Ｔｉ及其合金、Ｃｕ及其合金、Ｎｉ合金及Ａｇ、Ｐｂ等。長纖維增強金屬基（或合金）復合材料的主要應用領域是航空航天、先進武器和汽車領域，同時，其在電子、紡織、體育用品等領域也具有很大的應用潛力。其中，鋁基、鎂基復合材料主要用作高性能的結構材料；而鈦基耐熱合金及金屬間化合物基復合材料主要用于制造發(fā)動機零件；銅基和鉛基復合材料則用作特殊導體和電極材料。目前，長纖維增強金屬（或合金）基復合材料還存在著制備工藝復雜、成本高的缺點。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（２）短纖維及晶須增強金屬（或合金）基復合材料，這類復合材料除具有比強度、比模量高，耐高溫、耐磨及膨脹系數(shù)小的特點外，更重要的是它可以采用常規(guī)設備制備并可二次加工，可以減小甚至消除材料的各向異性。目前發(fā)展的短纖維及晶須增強金屬（或合金）基復合材料主要有鋁基、鎂基、鈦基等幾類復合材料。其中，除Ａｌ２Ｏ３短纖維增強鋁基復合材料外，以ＳｉＣ晶須增強鋁基（ＳｉＣｗ／Ａｌ）復合材料的發(fā)展為最快。短纖維及晶須增強金屬（或合金）基復合材料具有力學性能、物理性能良好及可二次成形加工等特點，但其成本較高，塑性、韌度較低，因此，其一般用于航空航天、航海和軍事工業(yè)等領域。晶須增強金屬基復合材料已用于制造飛機的支架、加強筋、擋板和推桿，導彈上的光學儀器平臺、慣導器件等。隨著短纖維或晶須成本的下降，這類材料在汽車、運動器材等領域也將有著廣闊的應用前景。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

４）纖維增強陶瓷基復合材料纖維－陶瓷復合材料中的纖維具有“增韌補強”的作用，這幾乎可以從根本上解決陶瓷材料的脆性問題，因此，纖維－陶瓷復合材料日益受到人們的重視。目前用于增強陶瓷材料的長纖維主要是碳纖維或石墨纖維，這類纖維能大幅度地提高陶瓷的沖擊韌度和熱振性，降低陶瓷的脆性，而陶瓷基體則能保證纖維在高溫下不氧化燒蝕，從而使材料的綜合力學性能大大提高。例如，碳纖維－Ｓｉ３Ｎ４復合材料可在１４００℃下長期工作，用于制造飛機發(fā)動機葉片；碳纖維－ＳｉＯ２陶瓷的沖擊韌度比燒結ＳｉＯ２陶瓷高４０倍，抗彎強度則高５１２倍，能承受１２００～１５００℃的高溫氣流沖蝕，可用于宇航飛行器的防熱部件上。目前常用的晶須有ＳｉＣｗ、Ｓｉ３Ｎ４ｗ、Ａｌ２Ｏ３ｗ、Ａｌ２Ｏ３

·Ｂ２Ｏ３ｗ等，陶瓷基體包括各種氧化物、氮化物及碳化物陶瓷。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

３.其他類型的復合材料（１）疊層或夾層復合材料這類材料是由兩層或兩層以上的不同材料組合而成的，其目的是充分利用各組成部分的最佳性能，這樣不但可減輕結構質(zhì)量、提高其剛度和強度，還可獲得各種各樣的特殊功能（如耐磨耐蝕、絕熱隔音等）。這類材料常見的有用于控溫的雙金屬片（利用了不同金屬材料的膨脹系數(shù)差異），用于耐蝕耐熱的不銹鋼／普通鋼的復合鋼板材料。最典型的夾層復合材料是航空航天結構件中常用的蜂窩夾層結構材料，其基本結構形式是在兩層面板之間夾一層蜂窩芯，面板與蜂窩芯是采用膠粘劑或釬焊連接在一起的，如圖１１－４所示。常用面板材料有純鋁或鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高溫合金、高分子復合材料等；夾心材料有泡沫塑料、波紋板、Ａｌ或鋁合金蜂窩、纖維增強樹脂蜂窩等。上一頁下一頁返回１１.１復合材料

（２）功能復合材料這類材料主要是對一些功能材料進行復合，使復合后的材料具有多種特殊的物理化學功能，以解決許多功能材料環(huán)境適應性差的問題。目前，人們主要發(fā)展了壓電型功能復合材料、吸收屏蔽（隱身）型復合材料、自控發(fā)熱功能復合材料、導電（磁）功能復合材料、密封功能復合材料等。例如，碳纖維－Ｃｕ復合材料除具有一定的力學性能外，還具有優(yōu)異的電（熱）導性、低膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)和低磨損率等，可用作特殊電動機的電刷材料以代替Ａｇ、Ｃｕ制造集成電路的散熱板，還可用作電力機車或電氣機車導電弓架上的滑塊以代替金屬或碳滑塊材料。上一頁返回１１.２納米材料

納米材料（ｎａｎｏｍｅｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌ）是指尺度為１～１００ｎｍ的超微粒經(jīng)壓制、燒結或濺射而成的凝聚態(tài)固體。納米材料固其異乎尋常的特性而引起材料界的廣泛關注。例如，納米鐵材料的斷裂應力比一般鐵材料高１２倍；氣體通過納米材料的擴散速度比通過一般材料的擴散速度快幾千倍；納米相的Ｃｕ比普通的Ｃｕ堅固５倍，而且硬度隨顆粒尺寸的減小而增大；納米相材料的顏色和其他特性隨它們的組成顆粒的不同而不同；納米陶瓷材料具有塑性或超塑性等。下一頁返回１１.２納米材料

１１.２.１納米材料的特征納米材料由晶體組元和界面組元兩種組元構成。晶體組元由所有超微晶粒中的原子組成，這些原子都嚴格位于晶格位置；界面組元由各超微晶粒之間的界面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來。超微晶粒內(nèi)部的有序原子與超微晶粒界面的無序原子各占薄膜總原子數(shù)的５０％左右。雖然這種超微晶粒由晶態(tài)或非晶態(tài)物質(zhì)組成，但其界面呈無規(guī)則分布。納米固體中的原子排列既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序、短程有序的“氣體狀”（ｇａｓ－ｌｉｋｅ）固體結構。因此，一些研究人員把納米材料稱之為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的“第三態(tài)固體材料”。納米粒子屬于原子簇與宏觀物體交界的過渡區(qū)域，其系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，具有一系列新異的特性。當小顆粒尺寸進入納米量級時，其本身和由其構成的納米固體主要具有如下３個方面的效應，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具備的許多特殊性質(zhì)。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

１.尺寸效應當超微粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度（或透射深度）等物理特征尺寸相當或更小時，其周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱力學等特性均會呈現(xiàn)出新的尺寸效應。例如，粒子的蒸汽壓增大、熔點降低、光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移、磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變、超導相向正常相轉(zhuǎn)變等。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

２.表面與界面效應納米微粒尺寸小、表面大，位于表面的原子占總原子數(shù)相當大的比例。隨著微粒粒徑減小，其表面急劇變大，引起表面原子數(shù)迅速增加。例如，微粒粒徑為１０ｎｍ時，其比表面積為９０ｍ２／ｇ；微粒粒徑為５ｎｍ時，其比表面積為１８０ｍ２／ｇ；微粒粒徑小到２ｎｍ時，其比表面積猛增到４５９ｍ２／ｇ。這樣高的比表面積，使處于表面的原子數(shù)越來越多，大大增強了納米粒子的活性。例如，金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

３.量子尺寸效應量子尺寸效應在微電子學和光電子學中一直有著重要的地位，人們根據(jù)這一效應已經(jīng)設計出許多具有優(yōu)越特性的器件。半導體的能帶結構在半導體器件設計中非常重要，隨著半導體顆粒尺寸的減小，其價帶和導帶之間的能隙有增大的趨勢，這就說明即便是同一種材料，它的光吸收或者發(fā)光帶的特征波長也不同。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒尺寸的減小，發(fā)光的顏色從紅色變?yōu)榫G色再變?yōu)樗{色，即發(fā)光帶的波長由６９０ｎｍ移向４８０ｎｍ。人們把隨著顆粒尺寸減小，能隙加寬發(fā)生藍移的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應。一般來說，導致納米微粒的磁、光、聲、熱、電及超導電性與宏觀特性顯著不同的效應都可以稱為量子尺寸效應。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

上述３個效應是納米微粒與納米固體的基本特性。這些效應使納米微粒和納米固體顯現(xiàn)出許多奇異的物理、化學性質(zhì)，甚至出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。例如，金屬為導體，但納米金屬微粒在低溫下由于量子尺寸效應會呈現(xiàn)出絕緣性；一般鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈦酸鍶等是典型鐵電體，當其尺寸進入納米數(shù)量級就會變成順電體；鐵磁性物質(zhì)進入納米尺寸，由于多磁疇變成單磁疇而顯示出極高的矯頑力；當粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成納米陶瓷時，其已不具有典型共價鍵特征（界面鍵結構出現(xiàn)部分極性，在交流電下電阻變?。鹊?。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

１１.２.２納米材料的制備１.惰性氣體淀積法當金屬晶粒尺寸為納米量級時，由于其具有很高的表面能，因而極容易氧化，所以制備過程中采取惰性氣體（如Ｈｅ、Ａｒ）對其進行保護是重要的。制備在蒸發(fā)系統(tǒng)中進行，將原始材料在約１ｋＰａ的惰性氣氛中蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的原子與Ｈｅ原子相互碰撞而降低了動能，并在溫度處于７７Ｋ的冷阱上淀積下來，形成尺寸為數(shù)納米的疏松粉末。２.還原法用金屬元素的酸溶液（如檸檬酸鈉）為還原劑迅速混合溶液，并還原成具有納米尺寸的金屬顆粒，形成懸浮液，加入分散劑防止納米微粒長大，最后去除水分，就得到由超微細金屬顆粒構成的納米材料薄膜。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

３.化學氣相淀積法采用射頻等離子體技術（射頻場頻率為１０２０ＭＨｚ），以徑Ｈ２稀釋的ＳｉＨ４為氣源，在射頻電磁場作用下，ＳｉＨ４經(jīng)過離解、激發(fā)、電離以及表面反應等過程在襯底表面生長成納米硅薄膜。采用激光增強等離子體技術，在激光作用下分解高度稀釋的ＳｉＨ４氣體，產(chǎn)生等離子體，然后淀積生長出納米薄膜。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

１１.２.３幾種納米材料及其應用１.納米陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料通常是脆性材料，因而限制了其應用；納米陶瓷材料在常溫下卻表現(xiàn)出很好的韌度和延展性能。德國薩德蘭德（Ｓａｄｄｒａｎｄ）大學的研究發(fā)現(xiàn)，ＴｉＯ２和ＣａＦ２納米陶瓷材料在８０～１８０℃范圍內(nèi)可產(chǎn)生約１００％的塑性形變，而且其燒結溫度降低，能在比大晶粒樣品低６００℃的溫度下達到接近普通陶瓷的硬度。這些特性使納米陶瓷材料在常溫或次高溫下進行冷加工成為可能。在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后經(jīng)表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學性質(zhì)、而內(nèi)部具有納米材料的延展性的高性能陶瓷材料。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

納米陶瓷材料之所以具有超塑性，研究認為，這主要取決于陶瓷材料中包括的界面數(shù)量和界面本身的性質(zhì)。一般來說，陶瓷材料的超塑性對界面數(shù)量的要求有一個臨界范圍。界面數(shù)量太少，陶瓷材料沒有超塑性，這是因為此時顆粒大，大顆粒很容易引起應力集中，并為孔洞的形成提供條件；界面數(shù)量過多，陶瓷材料雖然可能出現(xiàn)超塑性，但其強度將下降，也不能成為超塑性材料。最近的研究表明，陶瓷材料出現(xiàn)超塑性的臨界顆粒尺寸范圍為２００～５００ｎｍ。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

２.納米金屬材料納米金屬材料不僅具有高的強度，而且具有高的韌度，而這一直是金屬材料學家追求的目標。納米金屬材料的顯著特點之一是熔點極低（如納米銀粉的熔點低于１００℃），這不僅使得在低溫條件下將納米金屬燒結成合金產(chǎn)品成為現(xiàn)實，而且有望將一般不可互溶的金屬燒結成合金，制作諸如質(zhì)量輕、韌度高的“超流”鋼等特種合金。納米金屬材料將廣泛用于制造速度快、容量高的原子開關與分子邏輯器件以及可編程分子機器等。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

３.納米復合材料由單相微粒構成的固體材料稱為納米相材料；若每個納米微粒本身由兩相構成（一種相彌散于另一種相中），則相應的納米材料稱為納米復合材料。納米復合材料大致包括３種類型。第一種是０－０型納米復合材料，即不同成分、不同相或者不同種類的納米粒子復合而成的納米固體。第二種是０－３型納米復合材料，即把納米粒子分散到常規(guī)的三維固體中獲得的納米復合材料，這種材料因性能優(yōu)異而成為當今納米復合材料科學研究的熱點之一。例如，將金屬的納米顆粒放入常規(guī)陶瓷中，可大幅改善材料的力學性質(zhì)；將納米氧化鋁粒子放入橡膠中，可提高橡膠的介電性和耐磨性，放入金屬或合金中則可使晶粒細化，從而改善其力學性質(zhì)，彌散到透明的玻璃中既不影響透明度，又能提高其高溫沖擊韌度。第三種是０－２型納米復合材料，即把納米粒子分散到二維的薄膜材料中獲得的材料，其分散類型可分為均勻彌散和非均勻彌散兩大類。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

二元甚至多元的復合材料都可以通過把不同化學組分的超微顆粒（納米固體）壓制成多晶固體來獲得，而不必考慮其組成部分是否互溶。如果把顆粒制得更小，直至尺寸僅有幾個原子大小時，就可以將金屬和陶瓷混合，把半導體材料和導電材料混合，制成性能獨特的各種復合材料。例如，納米復合多層膜在７～１７ＧＨｚ頻率范圍內(nèi)吸收電磁波的峰值高達１４ｄＢ，在１０ｄＢ水平的吸收頻率寬為２ＧＨｚ；納米合金顆粒對光的反射率一般低于１％，粒度越小，吸收越強，利用這些特性，可以用其制造紅外線檢測元件、紅外線吸收材料、隱形飛機上的雷達波吸收材料等。將金屬、鐵氧體等納米顆粒與聚合物復合形成０－３型納米復合材料和多層結構的復合材料，能吸收、衰減電磁波和聲波，減少反射和散射，這使其在電磁隱形和聲隱形方面有重要的應用。此外，聚合物的超細顆粒在潤滑劑、高級涂料、人工腎臟、多種傳感器及多功能電極材料方面均有重要應用。在鐵的超微顆粒（ＵＦＰ）外面覆蓋一層厚為５～２０ｎｍ的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)或酶，以控制生物反應，這在生物技術、酶工程中大有用處。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

４.納米磁性材料納米磁性材料可用作磁流體及磁記錄介質(zhì)材料。在強磁性納米粒子外包裹一層長鏈的表面活性劑，使其穩(wěn)定地彌散在基液中形成膠體，即得到磁流體。這種磁流體可以用于旋轉(zhuǎn)軸的密封，其優(yōu)點是完全密封、無泄漏、無磨損、不發(fā)熱、軸承壽命長、不污染環(huán)境、構造簡單等，主要用于防塵密封和真空密封等高精尖設備及航天器等。另外，將Ｆｅ３Ｏ４磁流體注入音圈空隙就成為磁液揚聲器，具有提高揚聲器效率、減少互調(diào)失真和諧波失真、提高音質(zhì)等作用。磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結構、矯頑力高的特性，用其制成的磁記錄介質(zhì)材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比γ－Ｆｅ２Ｏ３高１０倍。此外，超順磁性的強磁性納米顆粒還可以制成磁性液體，廣泛用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、選礦等領域。上一頁下一頁返回１１.２納米材料

５.納米催化材料納米顆粒還是一種極好的催化劑。Ｎｉ或Ｃｕ－Ｚｎ化合物的納米顆粒對某些有機化合物的氫化反應來說是極好的催化劑，可替代昂貴的Ｐｔ或Ｐｄ。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應溫度從６００℃降到室溫，而超細的Ｆｅ－Ｎｉ－（γ－Ｆｅ２Ｏ３）混合輕燒結體可代替貴金屬作為汽車尾氣凈化的催化劑。６.納米半導體材料將Ｓｉ、有機硅、ＧａＡｓ等半導體材料配制成納米相材料，可使材料具有許多優(yōu)異的性能，如納米半導體中的量子隧道效應可使電子輸送反常，使某些材料的電導率顯著降低，而其熱導率也隨顆粒尺寸的減小而下降甚至出現(xiàn)負值。這些特性將在大規(guī)模集成電路器件、薄膜晶體管選擇性氣體傳感器光電器件及其他應用領域發(fā)揮重要的作用。納米金屬顆粒以晶格形式沉積在Ｓｉ表面可構成高效半導體電子元件或高密度信息存儲材料。上一頁返回１１.３梯度功能材料

１１.３.１梯度功能材料的概念梯度功能材料（ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙＧｒａｄｉｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓ，簡稱ＦＧＭ），也叫傾斜功能材料，它是相對均質(zhì)材料的概念而言的。一般復合材料中的分散相為均勻分布，材料整體的性能是統(tǒng)一的。但在有些情況下，人們常常希望同一件材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能，又希望不同性能的兩側(cè)能結合得完美，避免材料在苛刻使用條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞。以航天飛機推進系統(tǒng)中最有代表性的超聲速燃燒沖壓式發(fā)動機為例，燃燒氣體的溫度要超過２０００Ｋ，這會對燃燒室內(nèi)壁產(chǎn)生強烈的熱沖擊；同時，燃燒室壁的另一側(cè)又要經(jīng)受作為燃料的液氫的冷卻作用。這樣，燃燒室內(nèi)壁一側(cè)要承受極高的溫度，接觸液氫的一側(cè)又要承受極低的溫度，一般的均質(zhì)復合材料顯然難以滿足這樣的要求。下一頁返回１１.３梯度功能材料

于是，人們想到將金屬和陶瓷聯(lián)合起來使用，制作陶瓷涂層或在金屬表面覆合陶瓷（相應稱為涂層材料和覆合材料），用陶瓷去承受高溫，用金屬來承受低溫。然而，用傳統(tǒng)的技術將金屬和陶瓷結合起來時，由于二者的界面熱力學特性匹配不好，將會在金屬和陶瓷之間的界面上產(chǎn)生很大的熱應力而導致界面處開裂或使陶瓷層剝落，以致引起重大安全事故?；谶@類情形，人們提出了梯度功能材料的新設想：根據(jù)具體要求，選擇使用兩種具有不同性能的材料，通過連續(xù)地改變兩種材料的組成和結構，使其內(nèi)部界面消失，從而得到功能隨著組成和結構的變化而緩變的一種非均質(zhì)材料，以減小單純覆合時結合部位的性能不匹配因素。以上述航天飛機燃燒室壁為例，在承受高溫的一側(cè)配置耐高溫的陶瓷，用以耐熱隔熱，在液氫冷卻的一側(cè)則配置導熱性和強韌性良好的金屬，并使兩側(cè)間的金屬、陶瓷、纖維和空隙等分散相的相對比例以及微觀結構呈一定的梯度分布，從而消除傳統(tǒng)金屬陶瓷涂層或覆合之結合部位的界面。通過控制材料組成和結構的梯度使材料熱膨脹系數(shù)協(xié)調(diào)一致，抑制熱應力。上一頁下一頁返回１１.３梯度功能材料

這樣，材料的力學性能和耐熱性能將從材料的一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)地變化，并使內(nèi)部產(chǎn)生的熱應力最小，從而同時起到耐熱和緩和熱應力的作用。許多工件材料，其一側(cè)主要要求耐磨，另一側(cè)主要為高韌性的承載體。如果把這種材料設計為組成和性能在厚度方向呈連續(xù)緩變的材料，其使用性能也將優(yōu)于均質(zhì)材料或覆合材料，成為一種耐磨性和韌性協(xié)調(diào)一致的梯度功能材料。由此可見，梯度功能材料就是針對材料兩側(cè)不同甚至相反的使用工況，調(diào)整其內(nèi)部結構和性能，使其兩側(cè)與不同的工況條件相適應，并使其性能在厚度方向呈現(xiàn)連續(xù)的梯度變化，從而達到組織結構的合理配置、熱應力最小、耐磨與強韌的協(xié)調(diào)及造價最低等目的。梯度功能材料克服了常規(guī)均質(zhì)復合材料及涂層、覆合材料的局限性，在材料科學領域中具有廣闊的前景。梯度功能材料與幾類常規(guī)材料在結構和性能上的區(qū)別如圖１１－５所示。上一頁下一頁返回１１.３梯度功能材料

１１.３.２梯度功能材料的制備梯度功能材料的優(yōu)異性能取決于體系組分的選擇及內(nèi)部結構的合理設計，而且必須采取有效的制備技術來保證材料的設計落實。下面介紹幾種已開發(fā)的梯度材料制備方法。１）氣相合成法氣相合成法分為物理氣相沉積法（ＰＶＤ法）、化學氣相沉積法（ＣＶＤ法）和物理化學氣相沉積法（ＰＶＤ－ＣＶＤ法）。這些方法的基本特點是通過控制反應氣體的組成和流量，使金屬、半金屬和陶瓷組成連續(xù)地變化，從而在基板上沉積出組織致密、組成傾斜變化的梯度功能材料。日本材料研究者用ＰＶＤ法合成了Ｔｉ－ＴｉＣ、Ｔｉ－ＴｉＮ等梯度功能材料，用ＣＶＤ法合成了Ｃ－ＳｉＣ、Ｃ－ＴｉＣ等梯度功能材料。上一頁下一頁返回１１.３梯度功能材料

２）等離子噴涂法等離子噴涂法是采用多套獨立或一套可調(diào)組分的噴涂裝置，精確控制等離子噴涂成分來合成梯度功能材料的方法。采用該法須對噴涂比例、噴涂壓力、噴射速度及顆粒粒度等參量進行嚴格控制，人們現(xiàn)已采用該法制備出ＺｒＯ－Ｎｉ－Ｃｒ等梯度功能材料。３）顆粒梯度排列法顆粒梯度排列法又分為顆粒直接填充法及薄膜疊層法。前者是將不同混合比的顆粒在成形時呈梯度分布，再壓制燒結。后者是在金屬及陶瓷粉中摻入微量膠黏劑等制成漿料并脫除氣泡壓成薄膜，再將這些不同成分和結構的薄膜進行疊層、燒結，通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得良好熱應力緩和特性的梯度功能材料。上一頁下一頁返回１１.３梯度功能材料

４）自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法（ＳＨＳ）是利用粉末間化學放熱反應產(chǎn)生的熱量以及反應的自傳播性使材料燒結和合成的方法。人們現(xiàn)已利用這種方法制備出Ａｌ－ＴｉＢ２、Ｃｕ－ＴｉＢ２、Ｎｉ－ＴｉＣ等體系的平板及圓柱狀梯度功能材料。此外，還有離心鑄造法、液膜直接合成法、薄膜浸滲成形法、共晶結合法等制備方法可用于制備梯度功能材料。上一頁下一頁返回１１.３梯度功能材料

１１.３.３梯度功能材料的應用梯度功能材料的開發(fā)是與新一代航天飛機的研制計劃密切相關的。以美國現(xiàn)有航天飛機為例，目前唯一的再用型火箭發(fā)動機的目標再用次數(shù)為１００次，而實際只能再用２０～３０次。因此，具有良好隔熱性能的緩和熱應力型的梯度功能材料今后將廣泛用于新一代航天飛機的機身、再用型火箭燃燒器、超聲速飛機的渦輪發(fā)動機、高效燃氣輪機等的超耐熱結構件中，其耐熱性、再用性和可靠性是以往使用的陶瓷涂層復合材料無法比擬的。雖然梯度功能材料最初的研制目標是獲得緩和熱應力型超耐熱材料，但從梯度功能的概念出發(fā)，通過金屬、陶瓷、塑料、金屬間化合物等不同物質(zhì)的巧妙梯度復合，梯度功能材料在核能、電子、光學、化學、電磁學、生物醫(yī)學乃至日常生活領域也都有著巨大的潛在應用前景，如表１１－１所示。上一頁返回１１.４形狀記憶材料

１１.４.１基本概念及理論材料在某一溫度下受外力作用而變形，當外力去除后，其仍保持變形后的形狀，但當溫度上升到某一定值，材料會自動恢復到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶，這種材料被稱為形狀記憶合金（ｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙ）。形狀記憶合金的變形及恢復與普通金屬不同，如圖１１－６所示。對普通金屬材料來說，當變形在彈性范圍內(nèi)時，去除載荷后，其可以恢復到原來形狀；當變形超過彈性范圍后，再去除載荷時，材料會發(fā)生永久變形，如在其后加熱，這部分的變形并不會清除，如圖１１－６（ａ）所示。對形狀記憶合金來說，若變形超過其彈性范圍，去除載荷后，材料也會發(fā)生殘留變形，但這部分殘留變形在其后加熱到某一溫度時即會消除而使材料恢復到原來形狀，如圖１１－６（ｂ）所示。下一頁返回１１.４形狀記憶材料

有的形狀記憶合金，當變形超過彈性范圍，去除載荷后，它能徐徐恢復原形，如圖１１－６（ｃ）所示，這種現(xiàn)象稱為超彈性（ｓｕｐｅｒ－ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）或偽彈性。銅鋁鎳合金就是一種超彈性合金，當其伸長率超過２０％（大于彈性極限）后，一旦去除載荷其又可恢復原形。上一頁下一頁返回１１.４形狀記憶材料

１１.４.２形狀記憶原理簡介形狀記憶效應有單相記憶（即只對高溫狀態(tài)形狀記憶）和雙相記憶（即加熱恢復高溫形狀，冷卻變?yōu)榈蜏匦螤睿﹥煞N。大部分形狀記憶合金的形狀記憶機理是熱彈性馬氏體相變。馬氏體相變往往具有可逆性，即把馬氏體（低溫相）以足夠快的速度加熱，其可以不經(jīng)分解直接轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶啵ǜ邷叵啵Ｄ赶嘞蝰R氏體相轉(zhuǎn)變的開始、終了溫度分別稱為Ｍｓ、Ｍｆ；馬氏體向母相逆轉(zhuǎn)變的開始、終了溫度分別稱為Ａｓ、Ａｆ。圖１１－７所示為馬氏體（Ｍ）與母相（γ）平衡的熱力學條件。具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變、且Ｍｓ與Ａｓ相差很小的合金，將其冷卻到Ｍｓ點以下，馬氏體晶核隨溫度下降逐漸長大，溫度回升時，馬氏體片又同步地隨溫度上升而縮小。上一頁下一頁返回１１.４形狀記憶材料

這種馬氏體與淬火馬氏體不一樣，通常它比母相還軟，稱之為熱彈性馬氏體。在Ｍｓ以上某一溫度對合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變，形成的馬氏體稱為應力誘發(fā)馬氏體。有些應力誘發(fā)馬氏體在應力增加時長大，反之則縮小，應力消除后馬氏體消失，呈現(xiàn)出超彈性，這種馬氏體稱為應力彈性馬氏體。呈現(xiàn)形狀記憶效應的合金通常必須具備以下條件：（１）馬氏體為熱彈性或超彈性類型；（２）馬氏體的形變是通過孿生而不是滑移產(chǎn)生的；（３）母相結構通常是有序結構。上一頁下一頁返回１１.４形狀記憶材料

形狀記憶合金的記憶效應和其超彈性變化的微觀機理如圖１１－８所示。由圖可見，當形狀記憶合金從高溫母相狀態(tài)［圖１１－８（ａ）］冷卻到低于Ｍｓ點的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度后，合金產(chǎn)生馬氏體相變［圖１１－８（ｂ）］，形成熱彈性馬氏體。在馬氏體范圍內(nèi)變形而成為變形馬氏體［圖１１－８（ｃ）］，在此過程中，馬氏體發(fā)生擇優(yōu)取向，處于應力方向有利取向的馬氏體片長大，而處于應力方向不利取向的馬氏體被有利取向者融合或吞噬，最后使馬氏體成為單一有利取向的有序馬氏體。將變形馬氏體加熱到Ａｓ點的逆轉(zhuǎn)變溫度以上，晶體恢復到原來單一取向的高溫母相，宏觀形狀也恢復到原始狀態(tài)。經(jīng)此過程處理后母相再冷卻到Ｍｓ點以下，具有雙相記憶的合金又可恢復變形馬氏體形狀。如果直接對母相施加變形應力，母相［圖１１－８（ａ）］則可直接轉(zhuǎn)變成應力彈性馬氏體［圖１１－８（ｃ）］；去除應力后，馬氏體又恢復到母相原來的形狀，應變消除，這就是具有超彈性的形狀記憶合金。上一頁下一頁返回１１.４形狀記憶材料

具有形狀記憶效應和超彈性的合金已發(fā)現(xiàn)很多，但目前進入實用階段的僅有Ｎｉ－Ｔｉ合金和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金，前者價格較貴，但性能優(yōu)良，并與人體有生物相容性；而后者具有價廉物美的特點，頗受人們青睞。其他合金因晶體界面易斷裂，只有處于單晶時才能使用，目前尚不適宜于工業(yè)應用。上一頁下一頁返回１１.４形狀記憶材料

１１.４.３形狀記憶合金的應用形狀記憶合金的一種簡單用途是用作連接件，即在Ｍｓ點以下，將其處于母相狀態(tài)且內(nèi)徑略小的接頭插入管道連接后，升溫到Ａｆ點以下的工作溫度，這時管道內(nèi)徑重新收縮到母相狀態(tài)，達到管道彼此間被緊箍的目的。美國已在噴氣式戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)中使用了十多萬個這類接頭，至今未見有任何漏油、破損、脫落等情況的報道。這類管接頭還可用于艦船管道、海底輸油管道等的修補，這種連接方法可代替在海底難以進行的焊接工藝。把形狀記憶合金制成彈簧和普通彈簧材料組成自動控制件，使之互相推壓，在溫度為Ａｆ以上和低溫時，形狀記憶合金彈簧可向不同方向移動。這種構件可以用于暖氣閥門、溫室門窗自動開閉的控制，描筆式記錄器的驅(qū)動等。上一頁下一頁返回１１.４形狀記憶材料

形狀記憶合金正逆變化時產(chǎn)生的應力很大形狀變化量也很大，因而其可作為發(fā)動機進風口的連接器，當發(fā)動機溫度超過一定溫度時，連接器使進風口的風扇連接到旋轉(zhuǎn)軸上輸送冷風，達到啟動控制的目的。此外，形狀記憶合金還可以用來作為溫度安全閥和截止閥等。在軍事和航天事業(yè)上，形狀記憶合金可以做成大型拋物面天線，在馬氏體狀態(tài)下形變成很小的體積，當發(fā)射到衛(wèi)星軌道上以后，天線在太陽照射下升溫并自動張開，這樣可以便于攜帶。醫(yī)學上使用的形狀記憶合金主要是Ｎｉ－Ｔｉ合金，它可以埋入機體內(nèi)作為移植材料，在生物體內(nèi)部作固定折斷骨骼的銷和進行內(nèi)固定接骨的接骨板。將Ｎｉ－Ｔｉ合金植入生物體內(nèi)，由體內(nèi)溫度使其收縮，從而使斷骨處緊緊相接或使彎曲的脊柱順直。在內(nèi)科方面，可將Ｎｉ－Ｔｉ絲插入血管，由體溫使其恢復到母相形狀，從而消除血栓，使９５％的凝血塊不流向心臟。用形狀記憶合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可以模仿心室收縮運動，因此，形狀記憶合金還可用于制造人工心臟。上一頁返回１１.５非晶態(tài)合金

非晶態(tài)合金（ａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ）又稱為金屬玻璃，其早在１９３０年已利用電解沉積技術制得，但未受重視。直到１９５９年，美國加州理工學院的杜威茲（Ｄｕｖｅｚ）為了獲得用一般淬火方法得不到的固溶體而將Ａｕ－Ｓｉ二元合金在熔化狀態(tài)下噴射到冷的金屬板上，經(jīng)Ｘ射線衍射測試發(fā)現(xiàn)得到的不是結晶體而是非晶體。這種方法的冷卻速度大約在１００００００℃／ｓ以上。在如此高的冷卻速度下，金屬內(nèi)部原子來不及做整齊的排列結晶，因而保持熔化狀態(tài)下的無序非晶態(tài)。杜威茲使用的方法為噴槍法，得到的材料形狀不規(guī)則、厚薄不均，無實用價值。但利用噴槍法的高速冷卻原理，馬?。ǎ停幔洌洌椋睿┑热嗽冢玻笆兰o６０年代末發(fā)明了軋輥液淬技術，使用這種方法可以獲得尺寸均勻的連續(xù)非晶態(tài)合金條（帶），從而開創(chuàng)了非晶態(tài)合金大規(guī)模生產(chǎn)和應用的新紀元。２０世紀７０年代，非晶態(tài)合金正式成為商品。下一頁返回１１.５非晶態(tài)合金

１１.５.１非晶態(tài)合金的特性非晶態(tài)合金外觀上和金屬材料沒有任何區(qū)別，其結構形態(tài)卻類似于玻璃，這種無序的原子排列狀態(tài)賦予其一系列特性。１.高強度一些非晶態(tài)合金的抗拉強度可達３９２０ＭＰａ，維氏硬度可大于９８００ＨＶ