金属功能材料

金属功能材料无机非金属功能材料高分子功能材料复合功能材料特殊功能材料电性材料磁性材料超导材料膨胀材料及弹性材料……电介质材料功能陶瓷功能玻璃材料半导体材料……光功能高分子材料电功能高分子材料化学功能高分子材料……磁性复合材料电性复合材料梯度复合材料隐身复合材料其他功能复合材料非晶态合金纳米材料储氢材料形状记忆材料智能材料能源材料生物医学材料……传统功能金属材料：电性，磁性，弹性等新发展起来的功能材料：

非晶合金，储氢合金，形状记忆合金……电性材料磁性材料超导材料膨胀材料及弹性材料金属的热电性塞贝克效应三种热电效应：塞贝克（Seebeck）效应；由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象

珀耳贴(Peltier)效应

汤姆逊(Thomson)效应——制作热电偶珀耳贴效应汤姆逊效应

两种不同金属或半导体接头处，当电流沿某个方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量。

金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止——可以制作热电转换器或加热（制冷）器，半导体制冷二.磁性材料

磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一。磁性材料的常用参数1剩磁Br:一般材料经过加磁后再去掉外部的加磁设备后磁场会减弱，但不会全部消失，这些剩余的磁场就是剩磁，把磁铁比喻成海绵，剩磁就好似海绵吸水吸饱和了，这个时候显示的磁铁磁力值2矫顽力Hc:是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。海绵里的水吸到最大，然后把水压出来，压到海绵里没有水，这个使用的压力就好比是矫顽力；3磁能积BH:海绵吸水饱和，里面水的总量。

物质磁性的分类物质磁性分类顺磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同

铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同被磁化后，磁化场方向与外场方向相反抗磁性与外加磁场的关系与原来不具有磁性的磁介质放在磁场中，由于受磁场的作用很快显出磁性，从而产生附加磁场，改变空间原有磁场的分布：顺磁性与铁磁性：与同向抗磁性：与反向按用途分类铁芯材料磁记录材料磁头材料磁屏蔽材料变压器、继电器录音机通讯仪器、电器磁带、磁盘磁性材料分类磁屏蔽材料主要是利用电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场一旦外界磁场去掉很易退磁外界磁场长时间不变介于二者之间用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。例如硅钢片、纯铁、铁氧体、铁镍合金等要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。磁导率：表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力软磁材料用途：变压器、电机与继电器的铁(磁)心。要求：低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。主要材料：如工业纯铁、电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁钴合金；（一）工业纯铁资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元件等。铁芯材料（二）电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）

铁中加Si的作用：可提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数含Si量的增大会使材料变脆。

电工硅钢片中Si的含量在0.5～4.8%Si。1903年开始投入实际生产，用量极大。主要用于制造大电流、频率50～400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等；纯铁中加入钴后，剩磁Bs明显提高，含钴35%的铁钴合金的Bs达2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。在合金中加入少量的V和Cr可显著提高其磁导率。实际应用的铁钴合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.7V1.3合金的国内牌号为1J22铁钴合金具有高的Bs，适用于小型化、轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备，制造电磁铁极头和高级耳膜震动片等。但电阻率偏低，不适于高频场合的应用，但价格昂贵。（三）铁钴合金磁记录材料（一）磁记录介质材料要求:材料具有高的剩余磁化强度、微细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。用途：磁带，磁盘等记录介质材料：磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质主要磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、铁硅铝合金和高导磁铁氧体材料。（二）磁头材料用途：从磁记录介质中读出信号用途：高磁导率、低矫顽力和高电阻率之外，还要求高的耐磨性。永磁材料主要用途：提供永磁场主要种类：铝镍钴系永磁合金、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金、汝铁硼材料、稀土永磁材料和复合粘结永磁材料。主要性能要求：高的磁能积，高的轿顽力，高的居里点，高稳定性，好的经济性。三.超导材料形状记忆合金储氢合金天然气为：88MJ/Kg

氢气热值：1.56*10^3MJ/Kg有色冶金概论§1有色金属及其分类

1金属：通常把元素周期表中具有光亮的金属光泽，很高的导热、导电性及良好的延展加工性的化学元素称为金属。

109种元素中93种金属元素分类：（1）铁金属和非铁金属：铁金属指铁和铁基合金，包括生铁、铁合金和钢；

非铁金属：铁和铁合金以外的金属元素；（2）黑色金属和有色金属：黑色金属：铁、铬、锰；有色金属：将铁、铬、锰以外的金属。（90种）通常按密度大小、矿物原料富集程度、发现的早晚、用途和价格将有色金属分为：轻金属、重金属、稀有金属和贵金属四大类。

2轻金属：密度小于5.0,具有很大活性的有色金属,如：铝(2.7)、镁(1.74)、钠、钾、钙、锶、钡，不能用一般的火法冶金方法，而是用熔盐电解或真空冶金方法来提取。

3重金属：密度大于5.0，而化学性质不如轻金属活泼的有色金属，如铜(8.95)、镍、钴、铅、锌、锡、锑、汞、镉、铋等，一般用火法冶金或湿法冶金方法来提取。我国10种常用有色金属(铝AlCuZnPb（铅）NiMgSnSbTiHg)因产量大，用途广，价格低，称为常用有色金属或贱金属。

贵金属：金(Au)、银(Ag)和铂族金属（PtPdRu等)。由于化学活性低，又称惰性金属。3稀有金属：93种金属元素中占60种。有的在地壳中丰度小，天然资源少；有的虽丰度大，赋存状态分散，不能经济提取；有的物理化学性质接近不容易分离成单一金属；§2有色金属冶金方法有色金属冶金学：是一门研究如何经济地从矿石或精矿或其它原料中提取有色金属或有色金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的有色金属材料的科学。

广义：矿石采矿、选矿、冶炼和加工。

狭义：矿石或精矿的冶炼，提取冶金。

有色金属冶金方法：

（1）火法冶金：它是指在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的有色金属与脉石和杂质分开，获得较纯有色金属的过程。整个过程包括原料准备、熔炼和精炼三个工序。过程所需能源主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供。

（2）湿法冶金：它是在常温（或低于100℃）常压或高温（100~300℃）高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的有色金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将有色金属提取和分离出来的过程。该方法主要包括浸出、分离、富集和提取的过程。

（3）电冶金：它是利用电能提取和精炼有色金属的方法。

A、电热冶金：利用电能转变成热能在高温下提炼有色金属，本质同火法冶金。

B、电化学冶金：用电化学反应使有色金属从所含盐类的水溶液或熔体中析出。后者称为水溶液电解，可归入湿法冶金前者称为熔盐电解，可归入火法冶金。

§3有色金属冶金工艺过程：火法冶金主要经过焙烧、煅烧、烧结、精炼、浸出等工序（1）焙烧：是指将矿石或精矿置于适当的气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其它化学变化的过程。其目的是改变原料中提取对象的化学组成，满足熔炼或浸出的要求。焙烧过程按控制的气氛不同，分为：氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等。

（2）煅烧：是指将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解，除去二氧化碳或水分变成氧化物的过程，如石灰石煅烧为石灰；氢氧化铝煅烧成氧化铝，作电解铝原料。

（3）烧结和球团：

将粉矿或精矿经加热焙烧，固结成多孔状或球状的物料，以适应下一工序熔炼的要求。

（4）熔炼：是指将处理好的矿石、精矿或其他原料，在高温下通过氧化还原反应，使矿物原料中有色金属组分与脉石和杂质分离为两个液相层即金属液和熔渣的过程，也叫冶炼。分为还原熔炼、造锍熔炼和氧化吹炼。

（5）火法精炼：在高温下进一步处理熔炼、吹炼所得的含有少量杂质的粗金属以提高其纯度。种类：氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼、熔析精炼、碱性精炼、区域精炼、真空冶金、蒸馏等。

（6）浸出：用适当的浸出剂（如酸、碱、盐等水溶液）选择性地与矿石、精矿、焙砂等矿物原料中金属组分发生化学作用，并使之溶解而与其它不溶组分初步分离的过程。浸出又称浸取（重金属）、溶出（轻金属）和湿法分解（稀有金属）。（7）液固分离：该过程是将矿物原料经过酸、碱等溶液处理后的残渣与浸出液组成的悬浮液分离成液相与固相的湿法冶金单元过程。主要有物理方法和机械方法：重力沉降、离心分离、过滤等。

（8）溶液净化：

将矿物原料中与欲提取的有色金属一道溶解进入浸出液的杂质金属除去的湿法冶金单元过程。净液的目的是使杂质不至于危害下一工序对主金属的提取。方法主要有：结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等。湿法冶金：湿法冶金包括：浸出、净化、沉积三个主要过程。这三个过程是靠控制过程的条件，以控制物质在水溶液中的稳定性而实现的。而反应的自由焓变化决定着水溶液中物质的稳定性。熔盐电解：

利用电热维持熔盐所要求的高温，又利用直流电转换的化学能自熔盐中还原金属，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。

§4有色金属冶金工业在国民经济中的地位和作用国民经济的基础产业高科技发展的支柱产业资源优势，世界第三：总量丰富、储量可观、品种齐全、资源配套程度高，世界首位储量：WSnTa（钽）以及LiBeMg稀土材料产量：世界第一：ZnSbWMg稀土

世界第二：Pb（铅）Mo第三：HgBi第四：CuTiCd（镉）（

第七：Ni第八：Ag轻金属冶金学铝冶金铝在自然界中的分布地壳中铝8%，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位。我国开采历史悠久

化学法制取铝

1825Oersted丹麦钾汞还原无水氯化铝1827Wohler德国钾还原无水氯化铝1854Deville法国钠还原NaCl-AlCl1865Bektob俄国镁还原冰晶石

电解法炼铝

1886年美国Hall法国Heroult申请专利：方法不同，结果一样

Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化铝法

法国：1889挪威：1906英国：1890意大利：1907德国：1898西班牙：1927奥地利1899前苏联：1931中国：1938冰晶石：六氟铝酸钠（Na3AlF6），微溶于水，熔融的冰晶石能溶解氧化铝，在电解铝工业作助熔剂、

1.1.2

现代铝工业

全世界原铝产量1890180t19006990t192518万t1950150万t19701025万t19801560万t20002400万t

中国：2001年350万吨，世界第二

用电解法或其它方法直接生产出来的纯铝称为原铝，现代工业还生产精铝、高纯铝及多种铝基合金。

现代铝工业三个主要生产环节：

（1）从铝土矿提取纯氧化铝（2）用冰晶石（六氟铝酸钠，能溶解氧化铝）-氧化铝熔盐电解法生产铝（3）铝加工辅助环节：（1）炭素电极制造（2）氟盐生产现代铝工业生产流程简图拜耳法（碱法）生产氢氧化铝：Al2O3·H2O+2NaOH+(3-n)H2O→2NaAl(OH)4（铝酸钠）

溶出NaAl(OH)4===Al(OH)3+NaOH

（降温、不断搅拌）分解烧结法生产氢氧化铝：把铝土矿、碱粉、石灰（小石渣）、循环碱液和拜尔法赤泥按比例配料并磨制成合格的生料浆，喷入熟料窑中在高温下烧结成熟料，熟料和调整液在湿磨中粉碎溶出，溶出液分离得到粗液，粗液经脱硅、过滤后得铝酸钠精液在降温、不断搅拌的条件下，析出氢氧化铝。现代铝工业生产流程简图铝的熔点660℃铝电解原理：

现代铝工业生产，主要采用冰晶石（Na3AlF6）-氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是熔剂。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75~80%）和CO（20~25%）。在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为95%的冰晶石和5%的氧化铝组成，电解温度为950~970℃。电解液的密度约为2.1g/cm3，铝液密度为2.3g/cm3，两者因密度差而上下分层。铝液用真空泵抽出后，经过净化和过滤，浇铸成商品铝锭，纯度达99.5~9