《金属材料工程概论（第2版）》7金属功能材料课件

7金属功能材料定义：功能材料一般是指在能量与信息的显示、转换、传输、存储等方面具有独特的功能。这些特殊功能是以它们所具有的优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能，特殊的力学性能，优异的化学以及生物学性能为基础的。分类：按照材料的原子结合键、化学成分特征出发，可将功能材料分成金属功能材料、无机非金属功能材料、有机功能材料和复合功能材料。按照材料的性能分类，选择介绍磁性材料(包括软磁和硬磁材料)，电性材料，弹性、减振与热膨胀合金，形状记忆合金等。7.1磁性材料

7.1.1物质磁性的基础知识磁性材料是利用材料的磁性特点，在一定空间建立磁场或改变原磁场状态的一类功能材料。工程中应用的有金属磁性材料和铁氧体陶瓷材料两类。一般物质的磁性按磁化率X或磁导率μ的大小分类。（1）抗磁性物质；呈抗磁性。这类物质特征是磁化率为负值。惰性气体、非金属硅、磷、硫及元素周期表中11～16列的元素(如锑、灰锡、铊等)都是典型的抗磁物质。（2）顺磁物质：呈顺磁性。这类物质特征是磁化率为正值。氧、氮、稀土金属、碱金属、铁族元素的盐类及铁族元素的高温态、其它过渡族金属(如钛、钒、铬、锰等)都属于顺磁物质。（3）铁磁物质：呈铁磁性这类物质与顺磁物质相似，但它呈铁磁性，铁磁物质易磁化，有磁滞现象和磁滞回线，有居里点。典型的铁磁元素铁、钴、镍的居里点分别为770℃、113l℃、358℃。7.1

磁性材料7.1.2

磁性材料的分类及特点

磁性材料按其特性和应用通常分为软磁材料和永磁材料(又称为硬磁材料)两大类。在工程中实用的磁性材料属于强磁性物质。软磁材料软磁材料磁性能的主要特点是磁导率高，矫顽力低。这类材料在较低的外磁场下，磁感应强度很快达到饱和。当外磁场去掉后，磁性又基本消失。属于软磁材料的品种很多，如电工用纯铁、硅钢片、铁镍合金、铁铝合金、软磁铁氧体、铁钴合金等。软磁材料的品种不同，其特性和用途也不相同。它主要用作传递、转换能量和信息的磁性元器件。2)永磁材料永磁材料磁性能的主要特点是矫顽力高。经饱和磁化后再去掉外磁场时，将储存一定的磁能量，可在较长时间内保持强而稳定的磁性。属于永磁材料的品种有铝镍钴、稀土钴、永磁铁氧体等。永磁材料主要用于能够产生恒定磁通的磁路中，在一定空间内作为磁场源提供恒定的磁场。7.1

磁性材料7.1.3

软磁材料的性能软磁材料性能基本要求如下：具有高的磁感应强度可缩小铁芯体积，减轻产品重量，或者可节约导线，降低导体电阻引起的损耗。具有高的磁导率和低的矫顽力磁导率高，当线圈匝数一定时，通以不大的激磁电流就能产生较高的磁感应强度，从而获得高的输出电压；矫顽力低，磁滞回线的面积小，则铁损也小，从而有助于缩小产品尺寸，提高灵敏度。高灵敏度对用于信息传输方面的元件尤其重要。具有低的铁损铁损低，可降低产品的总损耗，提高产品效率。此外，在高频下使用的软磁材料应具有高的电阻率，以降低涡流损耗。稳定性好软磁材料要求其磁性不随外界条件的变化而改变，如温度、时间、应力及辐照等。其变化率越小，则磁性越稳定。其它特殊要求如饱和磁致伸缩系数等，以满足某些特殊性能要求。所谓磁致伸缩是指当铁磁体磁化状态改变时，引起磁体的尺寸及形状的变化。在磁化过程中，沿磁化方向单位长度上所发生的变化称为磁致伸缩系数。由于软磁材料品种繁多，分类方法很不一致。按合金系列可分为工业纯铁、铁一硅合金(硅钢片)、铁一镍合金(坡莫合金)及其它软磁材料等。7.1.3

软磁材料的性能工业纯铁工业纯铁作为软磁材料突出的特点是：具有较高的磁导率及很高的饱和磁感应强度，电阻率很低，铁损很大，是重要的软磁材料，主要用于直流电机和电磁铁的铁芯、磁电式仪表中的元件、继电器的铁芯、磁屏蔽罩等。工业纯铁的饱和磁感应强度很高，但电阻率很低，在高频磁场中使用时铁芯损耗很大，因而使用受到限制。Fe-Si软磁合金(硅钢片)在工业纯铁中加入1％～4.5％Si的铁—硅合金(又称硅钢片)，具有显著的优越性，目前已成为电工、电讯工业中用途最广、用量最多的软磁材料，约占磁性材料重量的90％～95％。硅钢片按制造工艺不同，可分为热轧和冷轧两种，冷轧又有取向和无取向之分。铁—镍合金

含30％～90％Ni的铁—镍系软磁合金，一般称为坡莫合金。坡莫合金的出现克服了硅钢片在弱磁场中性能不够好的缺陷，成为软磁材料的核心，被广泛应用于电讯、计算机、自动控制系统等方面。坡莫合金大约70多种、工业牌号300多个，按成分可分类为低镍(Ni<45％)、中镍(Ni47％～50％)、高镍(Ni70％～80％)合金；按用途可分类为磁芯材料、磁头材料、热磁材料等；按磁性能要求可分类为高磁导率、矩磁、恒磁导率三类。7.1.4

永磁材料定义：经饱和磁化后能储存较大的磁能量，将所加磁化磁场去掉以后，仍能在较长时间内保持强而稳定磁性的材料称为永磁材料。基本性能要求为：最大磁能积(BH)m要大；磁稳定性好。分类永磁材料包括金属和铁氧体两大类，其中金属永磁材料目前已发展到几百种。若按制造工艺分类，可分为铸造永磁合金、粉末冶金永磁材料、塑性变形永磁材料、淬火磁钢等。按永磁硬化机理可分为淬火硬化型、时效硬化型等。按化学成分可分为铁基永磁合金、铁镍铝系铸造合金、稀土钴永磁合金等。主要应用：精密仪器仪表(磁电式仪表、示波器、电子钟等)、电讯、电声器件(扬声器、磁录音头等)、控制器件(极化继电器、断路器等)、磁无触点轴承、磁性开关的磁铁，以及医疗设备等。7.2

形状记忆合金定义：某些特殊合金在较低温度下受力发生塑性变形后，经过加热，又恢复到受力前的形状，即塑性变形因受热消失。在该变形和温度变化过程中，合金似乎对初始形状有记忆性，故称这种特性为形状记忆效应，或“SME”(shapememoryeffect)。具有形状记忆效应的合金，就是形状记忆合金，或“SMA"(shapememoryalloy)。合金的形状记忆可分成单程、双程和全程形状记忆三种。（a）单程形状记忆（b）双程形状记忆（c）全程形状记忆7.3

贮氢合金

贮氢材料，是一类能够大量吸收氢气并与之结合成金属氢化物的材料。当温度升高到一定程度时，氢化物分解，将氢气重新释放出来。贮氢材料有很多种：单质类材料有钛、锆、镁；合金类可分为AB5、AB2、AB、A2B和BCC固溶体几种类型。作为贮氢材料，其性能要求包括：氢气储存量大，吸收与释放速度高，并且离解温度(即氢与材料的化学结合破坏，从而还原成氢气并释放出来的温度)较低。贮氢材料中的氢密度最高，又没有气瓶的高压危险性，是比较理想的氢储运工具。不同贮氢合金有比较大的差异。各类合金以质量比表示的贮氢量分别是：AB5型—1.3％，AB2型—1.8％，AB型—2.0％，A2B型—3.6％，BCC型—3.8％。AB5型的合金主要是LaNi5和MM—Ni(MnAlCo)，这里MM为混合稀土。它们的晶体结构为CaCu5型，开发于20世纪70年代。目前其实用化程度较高，主要用于电池负极材料。其特点是易活化，不易吸附杂质致使吸氢能力降低而“中毒”。AB2型，具有Laves相结构，不过其成分并不固定，可在很大范围变化。代表性合金有：TiMnl.5、ZrMn2等多种合金。其特点在于更高的氢气储存能力。AB型合金主要是FeTi合金，结构是CsCl型。优点是贮氢量大，缺点是初期活化困难，通过添加合金元素锰、铌、氧、锆等可明显改善。A2B型合金主要指Mg2Ni合金，故又称镁系合金。其突出特点是单位质量贮氢合金存储的氢气量高，原因是镁合金自身密度低。其重要的发展方向是车用动力型电池。BCC型合金是指晶体结构属于bcc空间点阵的合金，主要是V—Ti、V—Ti—Cr、V—Ti—Mn、V-Ti-Ni等合金。这些合金的特点及应用方向与镁系贮氢合金很相似。7.4其他功能材料7.4.1生物医学材料生物医学材料被单独地或与药物一起用于人体内组织及器官，起替代、增强、修复等医疗作用。随着医学及医疗技术的提高，这类功能材料性能涉及面越来越广，用量也越来越大。金属类材料应用最早，一百多年前人们已经用耐腐蚀的金属来修复或替代人体器官；它的应用也是最多的，与聚合物类生物材料相当。现在，金属生物材料比较广泛地用于承受力的骨骼、关节和牙等硬组织的修复与替换。这类材料既要满足强度、耐磨性以及较好的疲劳性能等力学性能的要求，又要具有生物功能性(biofunctionability)和生理相容性(biocompati—bility)，即满足生物学性能的具体要求，还要无毒、不引起人体组织病变，对人体内各种体液具有足够抗侵蚀能力。金属类生物医学材料主要是不锈钢、钴铬合金和钛合金。其中，不锈钢与钴铬合金的生理相容性最好。7.4生物医学等功能材料7.4.2

梯度功能材料梯度功能材料(functionallygradientmaterial}是将两种性能截然不同的材料组合在一起时，在它们之间建立一个可控的材料微观要素(化学成分、组织等)连续变化的过渡区，从而实现性能平缓变化的材料。其发展背景是高速飞行器中承受巨大温差部位的材料。从耐热角度出发，高温侧应选用陶瓷材料；在低温一侧，为了保证材料具有足够的强度、韧性，应选择金属材料。巨大的温差以及陶瓷材料与金属材料的热膨胀差别，使两者界面上形成很大热应力，会导致剥落或龟裂。为了减小热应力，人们提出了梯度材料的设想。即在高温侧的陶瓷与低温侧的金属之间，制造一个陶瓷与金属的混合过渡区，并且相对含量随着位置变化，实现连续过渡。适当设计该区内组成的变化，可以将各位置上的热应力均控制在材料的承受范围内。7.4.3

智能材料智能材料比较全面、确切的概念是“智能材料与结构系统”，是指在材料或结构中植入传感器、信号处理器、通信与控制器及执行器，使材料或结构具有自诊断、自适应，甚至损伤自愈合等某些智能功能与生命特征。这种系统已被用于一些重要的工程和尖端技术领域中。如建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器等的状态监督、振动、形状的自我调节，损伤的自愈合等。具体实例有，在机翼、潜艇甚至汽车上设计安装一个智能系统，控制其外形，达到安全、节油的目的。7.4.4

低维功能材料低维材料是相对于大块状的三维材料而言的，可分为二维材料(即薄膜材料)、一维材料(纤维材料)和零维材料(超细粉，或纳米粉)，其特征是分别在1、2和3个方向上的几何尺寸很小，远远低于其他方向上的尺度。薄膜材料近年来发展很快，特别要提到人造金刚石薄膜。由于金刚石有许多极其特殊的物理、力学性能，用途很广。受到资源及价格因素的影响，其实际使用受到很大限制。现在人们可以通过多种方法，甚至用很普通的设备制得这种曾被视为极稀缺难得的材料。纳米材料属于零维材料，其晶粒尺寸一般小于100nm，可低至数个nm，具有明显纳米特性的材料。纳米材料的特点是表面极其发达，处于表面层的原子在所有原子中占有很高的比例。这一特点对于主要利用表面层原子进行工作的材料，如催化剂材料，非常有利。低维材料性能特殊性的原因低维材料在许多方面的性能都表现出与一般三维块状材料明显不同。这些性能的变化从根本上讲，是以低维材料中原子结构及电子状态的特殊性为依据的。含有原子数目不大的纳米金属粉末，其外层电子的能级虽然发生分裂，但不足以形成准连续的能带，而是量子化效应很强的分立能级。电子的波函数明显不同于块状材料。这种效应在尺寸很小的某个方向上也会表现出来。为了保持最低能态，材料的原子结构还会进行必要的自我调整，发生诸如薄膜材料中表面原子层的结构弛豫(即表层原子空间排布状态的调整)等过程。因而低维材料性能的特殊性更多地体现在其物理和化学性能方面。7.4.5

超磁致伸缩材料许多铁磁性、反铁磁性或亚铁磁性材料都具有磁致伸缩现象。这种现象在很大程度上影响、决定磁性材料的磁性能(特别是软磁材料)。磁致伸缩是磁有序材料的共性。作为一类功能材料，超磁致伸缩材料的特点是，饱和磁致伸缩系数λs特别高，是一般材料的几十至上百倍。这类材料处于变化的外磁场中，其尺寸也不断改变，因而可实现电与机械信号的转换。70年代初，克拉克(Clark)等人发现稀土与铁的AB2型Laves化合物具有极高的λs。经过不断研究，(Tb0.27Dyo.73)Fe2合金具有较好的使用性能，已进入实际使用阶段。如制成电声换能器，用做船舶声纳的声源。利用特殊的材料制备技术控制好合金成分，并且得到特定晶体学方向生长的单晶或定向凝固材料，保证材料达到优异的使用性能。7.4.6

磁制冷及磁蓄冷材料磁制冷是不使用氟立昂等有害工作介质达到制冷的方法之一。它利用磁性材料的磁卡效应进行制冷。磁性材料在居里点附近发生磁有序向无序态转变时，磁性熵增大，需要吸收外界热量。利用该特性，通过外磁场，控制材料的磁有序度，可以实现制冷。人们对于磁制冷的应用已有相当长的历史。最接近0K的极低温就是利用物质核磁的绝热退磁获得的。近期对磁制冷材料的研究集中于具有适当的居里温度，磁性熵特别高，因而具有较大热容量的材料。在磁制冷材料中，钆及它与另外的稀土金属