关于未来金属应用及地位

未来的应用及地位,张钰欣陈旸余敏,金属材料,目录,概述,金属材料是工业应用材料中最重要基础材料,其用量也最大,是设备制造和工业设施的基础金属材料可分为几类：按组成成分分：1纯金属（简单金属）2合金（复杂金属）金属材料的性能：1铸造性2可锻性3切削加工性4焊接性5热处理物理性能：1密度2熔点3导电性4导热性5热膨胀性化学性能：1耐腐蚀2抗氧化3化学稳定性金属材料的近百年的大力发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张，高品位的金属矿产很快减少，低品位的矿产使能源消耗和成本增加。金属工业是能源的最重要消耗者，也是严重的环境污染者。这些问题对金属材料今后的发展提出了有力的挑战。随着现代科技的不断发展，对于材料的使用变得愈加多元化，金属材料最为工业最常用材料，也面临的变型与挑战，一些新兴金属材料的诞生使得材料的物理化学等多方面性能得到提升，愈加适应新时代的产品材料诉求，而一些传统无法适应新环境，污染大，无法在生产的金属也将面对被淘汰的困境。如何在新环境中寻求突破，是金属材料未来发展的重中之重。,1.储氢金属,储氢材料(hydrogenstoragematerial)一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯很贵，缺少实用价值。目前储氢材料有金属氢化物、碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物,应用及地位,未来发展：一金属储氢材料在民用方面的研究将主要立足于氢燃料电池的工程化应用，主要应用在清洁燃料汽车，助动车，混合动力汽车等，仅有将为全就行石化燃料提供替代能源。二金属储氢材料还可以运用到军事上，在军事方面适合于高性能火炸药发展，研究重点为AIH3等储氢材料在高能炸药，高能固体推进剂中的应用。,2.液态金属,应用及地位,3.记忆金属,20世纪70年代以来，出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。记忆合金具有形状记忆效应，以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。形状记忆效应广泛应用于各类温度传感器触发器中。,应用及地位,在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。形状记忆合金在临床疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。,4.金属基复合材料,以金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料金属基体除金属铝、镁外，还发展有色金属钛、铜、锌、铅、铍超合金和金属间化合物，及黑色金属作为金属基体。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它能耐高温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。是令人注目的航空航天用高温材料，可用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。,应用及地位,目前不断发展和完善的金属基复合材料以碳化硅颗粒铝合金发展最快。这种金属基复合材料的比重只有钢的1/3，为钛合金的2/3，与铝合金相近。目前已小批量应用于汽车工业和机械工业。在515年内有商业应用前景的是汽车活塞、制动机部件、连杆、机器人部件、计算机部件、运动器材等。,应用及地位,金属基复合材料还用于制造高尔夫球杆头，自行车链轮以及医疗上的假肢等等。近年来，电力行业也使用了金属基复合材料，如法国的EDF公司和美国的3M公司联合研制的一种新型纤维增强铝基复合材料导线，因其导电性好，环境适应性好，耐腐蚀等特点，在电力传输方面应用前景良好。,5.纳米金属材料,纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为21世纪前20年的主导技术，成为下一次工业革命的核心。纳米金属材料包括纳米金属粉末，纳米金属粒和纳米金属结构材料。纳米金属事末的制备始于第二次世界大战，它的迅速发展则是从本世纪60年代开始的。纳米金属粉末的研究与开发在科学理论和实际应用方面都有重要意义。将纳米金属粉末在保持新鲜表面的条件下，压在一起形成块状凝聚固体，构成了纳米金属结构材料,应用及地位,金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。纳米铜粉替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料，可大大降低成本。此技术可促进微电子工艺的进一步优化。,6.C/C复合材料,碳/碳复合材料是由各种碳纤维或各种碳织物增强碳,或石墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料。C/C复合材料且质量小、刚性好，并且是极耐高温的材料，其强度随温度升高而增加，2500达到最大值，同时它有良好的抗烧蚀性能和抗热震性能，是宇航中非常重要的材料。,应用及地位,可作为导弹的鼻锥体。C/C复合材料还具有优异的耐摩擦性能和高的热导率，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。但是C/C复合材料不能在氧化性气氛中耐受高温，因此关于C/C复合材料的抗氧化研究是一个重点内容。,7.金属铝,铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。随着交通运输业现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车三大领域的应用日益增加。,应用及地位航天,在航天领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等。,应用及地位汽车制造等工业,铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，具有多种优势。,泡沫铝材,泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车(Ghiaroadster)的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。据测算，汽车车身构件约有20%可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可减重27.2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少1/3。,应用及地位,泡沫铝应用范围很广，利用泡沫铝的低密度、高刚度、隔音性能、隔热性能、防火性能、吸能性能和受热时不放毒气等性能广泛适用于轨道交通行业。如车厢和集装厢中隔热隔音、吸能和防火、防毒部件上。2.利用泡沫铝的隔音性能、吸音性能和吸能性能，用于城市建设中的环保领域，如：隔音屏；汽车制造业用在吸能元件和吸音元件上，如：保险杠和消音器。3、利用泡沫铝的低密度、高刚度、低导热性能，广泛应用于节能性建筑，如：隔热墙体和防火隔热门，节能性移动房。4.可用在军工行业、吸音和防磁部件上，如：坦克、潜艇外壳夹芯板。5.其他机械制造业、航空工业等产品的隔热隔音、防震、吸能元件都可以用泡沫铝材料来制造。,应用及地位,泡沫铝的隔音性能在交通上的运用,轨道交通方面运用,军工领域,8.金属钛,钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。20世纪5060年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件,高温钛合金,世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350。随后相继研制出使用温度达450500的IMI679、IMI685等合金。已成功地应用在军用和民用飞机发动机中近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650以上。,医用钛合金,钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4vELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。,9.金属锂,锂（Li）是一种银白色的金属元素，质软，是密度最小的金属。用于原子反应堆、制轻合金及电池等。锂的电电荷密度很大并且有稳定的氦型双电子层，使得锂容易极化其他的分子或离子，自己本身却不容易受到极化。这一点就影响到它和它的化合物的稳定性。真正使锂成为举世瞩目的金属，还是在它的优异的核性能被发现之后。由于它在原子能工业上的独特性能，人称它为“高能金属”。,应用及地位,以开路电压高，比能量高，工作温度范围宽，放电平衡，自放电子等优点，已被广泛应用于各种领域，是很有前途的动力电池。由锂制取氚，中间不需要充电，可连续工作20年。要解决汽车的用油危机和排气污染，重要途径之一就是发展向锂电池这样的新型电池。锂化合物早先的重要用途之一是用于陶瓷制品中，特别是用于搪瓷制品中，锂化合物的主要作用是作助熔剂。由锂和氨反应制得的氨基锂被用来引入氨基，也被用作脱卤试剂和催化剂。,10.金属镁,镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。,镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。,应用及地位,汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。,应用及地位,镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。,10.金属镓,灰蓝色或银白色的金属，主要从炼锌废渣和炼铝废渣中回收提取，最后经电解制得纯净镓。镓铟合金具有无毒性，可用于汞的替代品。制作光学玻璃、真空管、半导体。科学家们使用镓和铟合金合成液态金属，形成一种固溶合金，在室温下就可以成为液态，这项研究还可以用于帮助修复人类切断的神经，以避免长期残疾。,应用及地位,抗震救灾动中，液态可变形机器人能根据需要适时变形，穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建