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1、功能材料概论个人整理版考试专用第一章 功能材料概论 功能材料的定义功能材料指以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料 。 功能材料的特征1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，是最本质的特征。2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、混合态和等离子态。除三维材料外，还有二维、一维和零维材料。3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。4）功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用

2、许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。功能材料的分类功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。 按化学组成：金属功能材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料、复合功能材料按应用领域: 电子材料、能源材料、信息材料、光学材料、仪器仪表材料、航空航天材料、生物医学材料、传感器用敏感材料。按使用性能：电功能材料、磁功能材料、光功能材料、热功能材料、化学功能材料、生物功能材料、声功能材料、隐形功能材料。功能材料的现状近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有

3、大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。功能材料的展望展望21世纪，

4、功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展；3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化；4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化；5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺；6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以

5、形成生产力。第二章 贮氢材料资源丰富；发热值高；燃烧后生成水，不污染环境。光解法利用太阳能，到海水中取氢。 气态贮存 能量密度低 不安全 液态贮存 能耗高 对贮罐绝热性要求高 固态贮存 体积储氢容量高 无需高压及隔热容器 安全性好，无爆炸危险 可得到高纯氢 金属贮氢原理 在一定温度和压力条件下，固溶相(MHx)与氢反应生成金属氢化物(MHy)，反应式如下反应进行的方向取决于温度、压力和合金成分。金属氢化物类型： a.和主族元素与氢形成离子型氢化物； b.和族过渡金属及Pb与氢形成金属型氢化物。 贮氢合金分类贮氢材料应具备的条件 吸氢能力大； 用于储氢时生成热尽量小，而用于蓄热时生成热尽量大；

6、平衡氢压适当； 吸氢、释氢速度快； 传热性能好； 反复吸氢、释氢时，性能稳定； 安全无害； 价格便宜。贮氢合金的种类镁系合金、稀土系合金、钛系合金 典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道。 特点： 重量轻； 资源丰富； 价格低廉； 贮氢量小； 放氢温度高（300以上）； 吸/放氢动力学性能较差。新开发的镁系贮氢合金Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，Fe， Co) 和Mg2-xMxNi (Al， Ca) 比Mg2Ni的性能好。发展方向：机械合金化加TiFe和CaCu5球磨，或复合（加入Ni、Cu、Re等元素）。 机械合金化：纳米晶Mg2Ni具有很好的动力学性

7、能，吸释氢速度加快。 复合：Mg/MmNi5-x(Co,Al,Mn)x，Mg2Ni/MmNi5，Mg/FeTi等合金系 典型代表： LaNi5，荷兰Philips实验室首先研制。 特点： 活化容易； 平衡压力低，滞后小； 抗杂质； 适合室温操作； 成本高。采用混合稀土(La，Ce， Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氢分解压升高，滞后压差大，给使用带来困难。采用第三组分元素M(Al，Cu，Fe，Mn, Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir) 替代部分 Ni是改善LaNi5和MmNi5储氢性能的重要方法。 钛铁系合金 典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室首先

8、发明。 特点： 价格低； 室温下可逆贮放氢； 易被氧化； 活化困难； 抗杂质气体中毒能力差。改进方法：以过渡金属M（Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Nb、V等）置换部分Fe，使合金活化性能改善，氢化物稳定性增加。 钛锰系合金 具有Laves相结构的金属间化合物 原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附 贮氢合金的应用贮氢合金的应用领域很多，而且还在不断发展之中，下面介绍应用的几个主要方面。高容量贮氢容器、氢能汽车、分离、回收氢，制取高纯度氢气 氢气静压机通过平衡氢压的变化而产生高压氢气的贮氢金属，称为氢气静压机。 氢化物电极金属氢化物镍氢电池的基本化学过程是： 与Ni-Cd电池相比

9、，Ni/MHx电池具有如下优点： 比能量为Ni/Cd电池的2倍； 无重金属Cd对人体的危害； 良好的耐过充、放电性能； 无记忆效应； 主要特性与Ni/Cd电池相近。空调、热泵及热贮存 贮氢合金吸放氢时伴随着巨大的热效应，发生热能化学能的相互转换，这种反应的可逆性好，反应速度快，因而是一种持别有效的蓄热和热泵介质。加氢及脱氢反应催化剂 贮氢材料可用作加氢和脱氢反应的催化剂，如LaNi5、TiFe用作常温常压合成氨催化剂、电解水或燃料电池上的催化剂。它可降低电解水时的能耗，提高燃料电池的效率。温度传感器、控制器 贮氢材料的氢平衡压随温度升高而升高的效应可以用作温度计。 贮氢材料的温度压力效应还可以

10、用作机器人动力系统的激发器、控制格和动力源、抑制温度的各种开关装置。贮氢合金应用时存在的问题 贮氢能力低； 对气体杂质的高敏感性； 初始活化困难； 氢化物在空气中自燃； 反复吸释氢时氢化物产生歧化。第三章 形状记忆合金具有形状记忆效应的材料形状记忆材料形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME)形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)。 20世纪80

11、年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆效应可分为3种类型：单向形状记忆效应双向形状记忆效应全方位形状记忆效应 单向形状记忆效应材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。 图1 单向形状记忆效应双向形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象,称为可逆形状记忆效应。 图2 双向形状记忆效应全方位形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象。只能在富镍的Ti- Ni合金中出现。 图3 全方位形状记

12、忆效应 形状记忆原理3.1.1 热弹性马氏体相变大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法。普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。加热时马氏体分解为铁素体和碳化物。钢的马氏体相变不可逆在某些合金中发现热弹性马氏体相变：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小热弹性马氏体。 早期提出产生形状记忆效应的条件是：（1）马氏体相变是热弹性的；（2）马氏体点阵的不变切

13、变是孪生，即亚结构为孪晶；（3）母相和马氏体均为有序结构。图7 形状记忆效应机制示意图3.1.2 应力诱发马氏体相变在Tc与Ms之间的某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变。 由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱发马氏体相变 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。本质：应力作用使材料的MS点升高。图9 应力诱发马氏体相变概念图3.1.3 超弹性（伪弹性）产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在Af温度以上由于应力诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完

14、全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性和相变密切相关，叫做相变伪弹性，即超弹性。 图12 形状记忆合金发生超弹性变形的应力应变曲线 (Af温度以上加载） Ti-Ni系形状记忆合金1、Ti-Ni系形状记忆合金 优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好 缺点：制造过程较复杂，价格高昂 Ti-Ni合金通过在1000左右固溶后，在400进行时效处理，再淬火得到马氏体。(1) Ti-Ni系记忆合金中的基本相和相变在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金属间化合物。TiNi合金中R相的特点 母相与R相之间也是晶体学可逆的。 R相变的最大特点是重复持性稳定，热循

15、环反复动作50万次，其动作持性几乎没有任何变化。 R相变的另一重要持征是温度滞后很小，只有1-2K。(2) 合金元素对Ti-Ni合金相变的影响在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co等元素，这些元素对合金的Ms点有明显影响，也使As温度降低，即使伪弹性向低温发展。2、Cu系形状记忆合金 主要由Cu-Zn和Cu-A1两个二元系发展而来。通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金的相变温度，发展了一系列的Cu-Zn-X(X= Al, Ge, Si, Sn, Be, Ni)三元合金。3、Fe系形状记忆合金 铁基形状记忆合金没有发现具有伪弹性，应用前景最好的是F

16、eMnSiCrNi系和FeMnCoTi 系，记忆性能较好的是FeNiCoTi系和FeMnSi系。目前研究主要集中在FeMnSi系合金上。 性能特点：价格较Ti-Ni系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。形状记忆特性比Ti-Ni合金差。高技术中的应用 ： 制造人造卫星天线图16 Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物

17、面形状,从而能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。工程应用: 紧固件、连接件、密封垫、管件接头等智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体的新型材料，可广泛应用于各种自动调节和控制装置，如各种智能、仿生机械。第四章 非晶态合金非晶态合金以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。俗称“金属玻璃”。 非晶态合金的结构非晶态合金是物质从液态（或气态）急速冷却时，因来不及结晶而在室温或低温保留液态原子无序排列的凝聚状态，其原子不再呈长程有序、周期性和规则排列，而是处一种长程无序排列状态。非晶态结构的基本特征：（1）原子排列短程有序，但长程无序；（2）热力学不稳定，存在向晶

18、态转化的趋势，即原子趋于规则排列。非晶态结构模型：1. 微晶模型该模型认为非晶态材料由“晶粒”非常细小的微晶粒组成，这些晶粒只有几埃到几十埃。微晶内的短程有序结构与晶态相同，但各个晶粒的取向是杂乱分布的，形成长程无序结构。2. 拓扑无序模型该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规则堆积时附带产生的结果。无序密堆硬球模型随机网络模型非晶态形成条件：结构判据:原子的几何排列、原子间的键合状态、原子尺寸等动力学判据:考虑冷速和结晶动力学之间的关系下图：C曲线的左侧为非晶态区，当纯金属或合金从熔化态快速冷却时，只要能避开C曲线的鼻尖便可以形成非晶

19、态。从图中可以看出，不同成分的合金，形成非晶态的临界冷却速度是不同的，其可通过C曲线估算出来。图3 纯的C曲线第一类为类金属元素（或弱金属元素）与非金属元素的组合。 类金属元素主要是周期表中A、A、A元素，非金属元素主要是A和A元素，它们能形成诸如氧化物、硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶态物质。第二类是类金属元素和金属元素的组合，金属元素则主要是过渡元素和贵金属元素，例如形成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶态材料。 第三类是金属元素和金属元素的组合，前者是A、B、B、B金属，后者是贵金属和稀土金属，它们形成诸如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等非晶态材料。易获得非晶态合金

20、的共同特点：（1）组元之间有很强的相互作用；（2）成分范围处于共晶成分附近；（3）液态的混合热均为负值。力学性能（高强度、高硬度和高韧性）特点：强度和韧性兼具，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。同时耐磨性也明显地高于钢铁材料。应用：可制作轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维、刀具、各种元器件等。软磁特性特点：所谓“软磁特性”，就是指磁导率和饱和磁感应强度高，矫顽力和损耗低。非晶态中没有晶粒，不存在磁各向异性，易磁化。目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基、铁-镍基和钴基三大类。应用：可作为变压器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料及磁泡材料等。耐蚀性能特点：

21、耐蚀性远优于不锈钢，因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。目前研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶合金。应用：耐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等。第五章 磁性材料具有强磁性的材料称为磁性材料。 磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。 磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。1.磁矩磁矩m是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。电子

22、绕原子核运动产生电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩。这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。2.磁化强度磁化强度M是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程度，与磁感应强度B和磁场强度H的关系为：其中：r=/0为介质的相对磁导率；=r-1定义为介质的磁化率，反映材料磁化的能力，无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。3.磁滞回线磁致回线是磁性材料的主要特性。Br称为剩余磁感应强度， Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）， Hc为矫顽力。反向磁场使残余磁感应强度变为零时的磁场强度称为矫顽力Hc。4.磁导率磁导率是表征磁介质磁化性能的一个物理量。对铁磁体来说，磁导率很大，且随外加磁性的强度

23、而变化。磁导率越大越好，已成为鉴别磁性材料性能是否优良的主要指标。5.最大磁能积（BH）max6.损耗系数和品质因数利用磁性材料制作线圈或变压器磁芯时，希望磁芯内的能量损耗小到尽可能忽略的程度。 损耗系数tg=R/2fL 品质因数为tg/，这是表征铁氧体损耗大小的一个重要参数。磁性材料的分类： 按化学组成分类 金属磁性材料、非金属（铁氧体）磁性材料 按磁化率大小分类 顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性 按功能分类 软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、 旋磁材料、压磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁记录材料 软磁材料v 定义：指矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料 v 特点： 磁滞回线

24、细而长 高磁导率 低矫顽力 容易磁化，也容易去磁v 常见软磁材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率mv 分类：金属软磁材料、软磁铁氧体v 常用的金属软磁材料 电工用纯铁 电工用硅钢片 铁镍合金与铁铝合金 非晶态合金：铁基、钴基、铁镍基v 软磁材料的用途：主要用于导磁，可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。电工用纯铁v 含碳量极低、纯度%以上v 用途：铁芯、磁极、磁路等v 性能：机械、磁性能v 影响性能的因素：结晶轴对磁化方向的取向、杂质、晶粒大小、金属的塑性变形、内应力v 改善性能措施v 工作环境及减少涡流损耗方法电工用硅钢片v 分类：热轧非织构(无取向)硅钢片、冷轧非织构(无取向)硅钢

25、片、冷轧高斯织构(单取向)硅钢片、冷轧立方织构(双取向)硅钢片v 用途：电机、发电机、变压器、扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表v 机械性能、磁性能的影响因素：硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(硝，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关 v 高斯织构、立方织构硅钢片性能铁镍合金v 成分：主要成分是铁、镍、铬、钼、铜等元素 v 特性：在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，低的损耗。v 用途：广泛用于电讯工业、仪表、电子计算机、控制系统等领域。v 铁镍合金相图与不同成分合金的性能v 铁镍合金的分类及其特性：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85铁铝合金v

26、 铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16以下时，便可以热轧成板材或带材；含铝量在56以上时，合金冷轧较困难。v 铁铝合金特点： 电阻率高 高的硬度和耐磨性 比重小，可减轻铁芯自重 对应力不敏感 时效：材料在使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化 温度稳定性 非晶态合金v 铁基非晶态软磁合金： 特点：饱和磁感应强度高 、损耗低 缺点：磁致伸缩系数大 v 钴基非晶态软磁合金：饱和磁感应强度较低，磁导率高，矫顽力低，损耗小，磁致伸缩系数趋近于零v 铁镍基非晶态软磁合金：性能基本上介于两者之间 v 非晶态合金与晶态软磁材料的比较：磁导率高，电阻大，损耗小 硬磁材料(永磁材料)v 定义：指材

27、料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料 v 评价永磁材料性能好坏的指标 剩余磁感应强度Br 矫顽力Hc 最大磁能积(BH)max 凸起系数:(BH)max / BrHc v 退磁曲线: 永磁材料饱和磁滞回线第二象限部分v 永磁材料种类 铝镍钴系硬磁合金 永磁铁氧体材料 稀土永磁材料 可加工的永磁合金v 永磁材料用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用铝镍钴系硬磁合金v 特点：铝镍钴系永磁合金具有高的BH及高的Br，适中的Hc。(BH)max =4070kJ/m3，Br=，Hc4060kA/m。这类合

28、金属沉淀硬化型磁体。v 成型方法：有铸造法和粉末烧结法两种。v 成分：以Fe，Ni，A1为主要成分，通过加入Cu，Co，Ti等元素进一步提高合金性能v 铝镍钴合金广泛用于电机器件上，如发电机，电动机继电器和磁电机；电子行业中的扬声器，行波管，电话耳机和受话器等稀土永磁材料v 成分：稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe、Co、Cu、Zr等或非金属元素B、C、N等组成的金属间化合物v 研究与发展的4阶段： 第一代是稀土钴永磁材料RCo5型合金(1：5)型。 第二代稀土永磁合金为R2TM17型(2：17型，TM代表过渡族金属)。 第三代为Nd-Fe-B合金 第四代主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系

29、。 钴基稀土永磁体v SmCo5、PrCo5或(SmPr)Co5 结构：CaCu5型六方结构 矫顽力：来源于畴的成核和晶界处畴壁钉扎 性能：饱和磁化强度适中，磁晶各向异性极高。 降低成本：成分取代、制备方法v Sm2Co17 结构：六方晶体结构 矫顽力：沉淀粒子在畴壁的钉扎 性能：矫顽力低, 剩余磁感应强度及饱和磁化强度高 铁基稀土永磁体v Nd-Fe-B系永磁合金 特点：磁能积最大的永磁体 分类：烧结永磁材料和粘结永磁材料 性能：价格便宜，加工性能好，有利于实现磁性器件的轻量化、薄型化。 缺点：耐蚀性差，居里温度低(312)，磁感应强 度温度系数大，材料使用温度低不超过(150) 改进措施

30、调整合金成分取代元素和掺杂元素 制备工艺控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度 v R-Fe-N系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常为Sm或Nd，Er，Y。 特点：Sm2Fe17Nx的居里温度可达746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。 N以间隙原子形式溶入Sm2Fe17晶格，产生晶格畸变，磁化方向改变，具有单轴磁各向异性；磁晶各向异性场约为Nd2Fe14B的两倍，理论磁能积与Nd2Fe14B相近。可加工的永磁合金v 在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效(回火)硬化后得到的 v 四个主要系列 -铁基合金 Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金 铜基合金 Fe-Cr-Co永磁合金磁记录材料v 磁记录原理 3种记录模式：水平(纵向)、垂直、杂化 磁记录