记忆金属和非晶金属-中学教材.ppt

华东师大二附中洪燕芬E mail hongyanfen 8 2从普通金属到新型金属 1 你已学习了哪些金属的性质 2 你了解金属材料吗 讨论 第二次世界大战后金属材料虽然部分地被合成高分子材料 无机非金属材料与各种复合材料替代 但是 金属材料在一个国家的国民经济中仍然占有举足轻重的地位 为了发展航空 航天 舰艇 军事 医疗 能源等 需要发展具有特殊性能的新型金属材料 引言 宇宙飞船登月的月面天线 宇宙飞船登月之后 为了将月球上收集到的各种信息发回地球 必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线 要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能 科研人员先用硬度和刚性非常好的镍钛合金在40 以上制成半球面的月面天线 再让天线冷却到28 以下 这时合金内部发生了结晶构造转变 变得非常柔软 很容易把天线折叠成小球似的一团 放进宇宙飞船的船舱里 到达月球以后 宇航员把变软的天线放在月面上 借助于太阳光照射或其它热源的烘烤使环境温度超过40 这时天线像一把折叠伞自动张开 迅速投入正常的工作 阅读材料 月面天线 天飞机释放的膨胀月面天线 1 你知道这种金属材料的名称吗 2 你知道这种材料是如何被发现的呢 讨论 60年代初的一天 美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝 也许是制造过程中处理不当 合金丝被弄弯了 他们只能一根一根地将合金丝校直 有人顺手把校直的合金丝堆放在炉子的旁边 这时意外的事情发生了 一些校直的的合金丝在炉温的烘烤下 不一会儿就恢复到原来弯曲的形状 于是不得不重新校直合金丝 起初 他们没有在意 还是把校直的合金丝堆放在炉旁 结果合金丝又弯曲了 这种现象重复出现了多次 直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放 不再受到炉温的烘烤以后 合金丝才继续保持挺直的形状 军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情 开展反复的实验研究 终于发现含50 镍和50 钛的合金在温度升高40 以上时 能 记住 自己原来的形状 科学家把这种现象叫做形状记忆效应 具有记忆功能的合金称为形状记忆合金 阅读材料 有记忆的金属 形状记忆合金 新型金属的代表之一 实验录像 1 科学家是怎样发现金属的形状记忆效应的 2 这一发现过程对你有什么启示 3 充分发挥你的想象力 你觉得记忆金属还有什么用途 思考与讨论 参考答案 1 科学家是这样发现金属的形状记忆效应的 1 先是在制作镍钛合金的过程中偶然发现的 2 后来反复实验研究制备出具有形状记忆效应的金属合金 2 这一发现过程对你的启示 1 偶然中包含着必然的结果 2 科学研究需要实事求是 坚持不懈的态度和精神 3 用来制作汽车 眼镜 锁等等 记忆钉子 菲力浦公司研制了一种由 记忆金属 制成的钉子 把它安在汽车外胎上 当气温降低 公路结冰时 钉子会 自动 从外胎里伸出来 防止车轮打滑 记忆金属 食道架能在喉部膨胀成新的食道 必要时只要向食道里加上冰块 食道 又会遇冷收缩 从而可轻易取出 使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量 记忆食道支架 用这种 记忆金属 造出汽车 万一被撞瘪 只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状 汽车 人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后 如毛毯温度过热 它就会自动掀开一部分 适当降低温度 使人睡得更安稳 记忆毛毯 记忆照明灯 法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯 有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片 白天 路灯熄灭 叶片合上 傍晚 路灯亮起灯泡发热 叶片受热而逐渐张开 使灯泡显露出来 1 形状记忆合金的是如何工作的呢 它与什么外界条件有关 2 它工作时的内部结构有没有发生变化呢 思考与讨论 参考答案 形状记忆合金都有一定的转变温度 在转变温度以上 可加工成欲记忆的形状 当把它冷却到转变温度以下 可改变它的外形 此时 它的原子结合方式并未发生变化 只是原子离开自己原来的位置 在邻近的位置上暂时地停留着 如果把这种变形后的记忆合金加热到转变温度以上 由于原子获得了向稳定结晶构造转变所需的能量 就又重新回复到原来的位置 从而又恢复了以前的形状 随着对金属微观结构研究的深入 人们发现无论是使金属微观结构更加有序 形成完美的晶体 或者使金属微观结构更加无序 形成非晶态金属 都会赋于金属材料具有非常优良的性能 金属材料的发展还可以朝什么方向进行呢 向金属完美晶体和金属非晶体方向的发展 金属晶须材料 新型金属的代表之二 晶须是一种针状单晶体材料 其直径为零点几至几个微米 长度为几微米至数百微米 在单晶体中的原子排列非常整齐 几乎是一种理想的晶体 由于其晶体结构十分完整 晶须给我们带来了大幅度提高金属强度的可能性 制造出可直接应用的理想晶体 相当于数十倍 数百倍增加金属材料的产量 能节省珍贵的资源和能源 甚至从根本上改变人类的生活环境和条件 到那时 地球将会出现许多轻巧的壳型建筑 机器不再是那样笨重和庞大 摩托车和轿车可以折叠起来随身携带了 一发吊千钧的金属晶须材料 在提高金属抗拉强度的试验过程中 科学家惊奇地发现 一种铁晶须的抗拉强度竟能达到工业纯铁的70多倍 比超高强度钢高出4 10倍 这种晶须编织成半径为1mm的线材 能安全地吊起一辆4吨重的载重汽车 可谓一发吊千钧 阅读材料 金属晶须材料的发现 晶须材料的发现也是偶然的 1948年美国贝尔电话公司在排除经常出现的电话线路短路原因时 发现在蓄电池极板表面产生有针状结晶物 进一步研究发现其晶体结构与金属极板材料相同 但强度远高于极板材料 因其形状象猫的胡须 因此把这种针状结晶材料称之为晶须 Whisker 阅读材料 1 金属晶须材料的内部原子结构有什么特点 2 为什么说金属晶须材料都能节约资源和能源 思考与讨论 参考答案 1 X 射线衍射技术显示 晶须内部的原子完全按照同样的方向和部位排列 这是一种没有缺陷的理想晶体 2 晶须给我们带来了大幅度提高金属强度的可能性 制造出可直接应用的理想晶体 相当于数十倍 数百倍增加金属材料的产量 能节省珍贵的资源和能源 甚至从根本上改变人类的生活环境和条件 因晶须十分细小 所以一般不能独立使用 但可编织成线材或与其它聚合物复合成纤维增强复合材料 非晶态合金 新型金属的代表之三 什么叫非晶态合金 它是如何加工而成的 它是如何发现的 它有什么用途 非晶态合金和金属玻璃 1960年 美国科学家皮 杜威等首先发现某些液态贵金属合金 如金硅合金等在冷却速度非常快的情况下 当金属内部的原子来不及 理顺 位置 仍处于无序的紊乱状态时 便马上凝固了 成为非晶态金属 这些非晶态金属材料的结构与玻璃的结构极为相似 所以又称为 金属玻璃 非晶态合金制品可以由液体金属一次直接成型 省去了铸 锻等加工工序 而且边角余料可全部回收 能极大节省能源和材料 阅读材料 大块金属玻璃 阅读材料的信息归纳 1 用超高速急冷 冷却速度可达1 106 s 的方法 来获得非晶态合金 2 从液态不经过结晶过程就凝固成金属或合金 内部原子仍保持着液态的无序状态 这种合金或金属称为非晶态合金 也称作金属玻璃 3 非晶态合金的广泛应用 节约了大量的资源和能源 所以又被誉为 绿色环保材料 晶体态与非晶态合金的结构比较 本节小结 1 为了社会和科学的发展