金属功能材料

粉末冶金：
将金属或非金属粉末混合后压制成形，并在低于金属熔点的温度下进行烧结，利用粉末间原子扩散来使其结合的过程被称做粉末冶金工艺。

一、粉料制备与压制成型粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。

二、烧结将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/3～3/4倍。

由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。

金属基复合材料的界面结合形式
（1）机械结合：第一类界面。

主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力结合。

（2）浸润与溶解结合：第二类界面。

如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。

如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。

（3）化学反应结合：第三类界面。

大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。

只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。

2 金属基复合材料制备方法
固态法、液态法、喷射成型法、原位生长法
3、界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：
1 增强剂的表面改性处理（选择增强体的考虑因素）
（1）改善增强剂的力学性能（保护层）；
（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；
（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应（阻挡层）；
（4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）。

2 金属基体改性（添加微量合金元素）：控制界面反应、增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间、改善增强剂与基体的润湿性。

环境材料的内涵特点
(1)材料的先进性
(2)环境协调性(区别于传统材料)
生产环节中资源和能源的消耗少
工艺流程的环境负荷小
废弃后易于再生循环。

（优先争取的目标）
(3)舒适性
金属材料环境化
一、合金元素无害化、资源丰富和易于再生循环
1、添加无毒无害化元素（2）无铅机械加工钢（3）无铬表面处理钢
2、合金元素再生循环性的选择
3、采用资源丰富、廉价易得的元素代替昂贵稀缺的合金元素, 研究开发具有高性能、低环境负荷的新钢种
二、围绕降低资源、能源消耗和降低排放进行工艺技术的结构调整
三、发展高效率使用的金属材料
1先吸收少量氢，形成含氢固溶体（α相）。

其固溶度[H]M与固溶体平衡氢压的平方根成正比
2固溶体进一步与氢反应，产生相变，形成氢化物相（β相）
3再提高氢压，金属中的氢含量略有增加
（金属与氢的反应是一个可逆过程。

正向反应吸氢、放热，逆向反应释氢、吸热。

氢在金属中的吸收和释放，取决于金属和氢的相平衡关系，影响相平衡的因素为温度、压力和组成。

（也就是金属吸氢生成金属氢化物还是金属氢化物分解释放氢，受温度、压力和合金成分的控制））
三、影响贮氢材料吸储能力的因素
1、活化处理
制造贮氢材料时，考虑到表面被氧化物覆盖及吸附着水及气体等会影响氢化反应，因此应先对材料进行表面活化处理。

活化处理可以采用加热解压脱气，和高压加氢处理。

2、耐久性和中毒
当向贮氢材料供给新的氢时，每次都会带入氧、水分等不纯物，这些不纯物在合金或氢化物离子表面聚集，并形成氧化物等，从而导致吸储能力的下降，这种现象称为“表面中毒”3、贮氢材料的导热性
当贮氢材料在反复吸储和释放氢的过程中，形成厚度为5～25m的微粉层，其平均有效导热系数为0.5W/(m·K)，导热性能很差。

4、粉末化
贮氢材料在吸储和释放氢的过程中，它会反复膨胀和收缩，从而导致出现粉末现象。

这一现象会使装置内的充填密度增高、传热效率降低、装置局部地方会产生应力；同时形成微分还会随氢气流动，造成阀门和管道阻塞。

5、滞后现象与坪域
对储氢材料性能的要求
1、储氢量；储氢量大，不低于液体储氢方式
2、吸/放氢压力、温度；适当的压力和温度下吸/放氢，对同一合金吸氢/放氢压力随温度变化，不同合金吸氢/放氢压力、温度关系不同
3、动力学特性；能迅速吸氢、放氢
4、寿命长、耐中毒；在反复循环中，杂质气体导致合金的储氢能量下降甚至丧失，称储氢合金中毒
5、易活化；活化是指在纯氢气氛下使合金处于高压，然后在加热条件下减压脱氢的循环过程。

活化处理后才能应用
6、抗粉化；储氢合金吸放氢时体积会膨胀收缩，会产生裂纹、破碎、粉化
方法：冶炼、粉末冶金、快速凝固、机械合金化
一、薄膜的形成过程
A 生成三维的核型
原子在基片上先凝聚，然后生成核，进一步再将蒸发原子凝聚起来生成三维的核。

通常大部分金属薄膜都是以这样的一个过程形成的。

B 单层生长型
是基片和薄膜原子之间，以及薄膜原子之间相互作用很强时容易出现的形式。

它是先形成两维的层，然后再一层一层地逐渐形成金属薄膜。

C 单层上再生长核型
是基片和薄膜原子间相互作用非常强时的形成形式。

这种方式只有非常有限的基片材料和金属薄膜材料的组合才能形成。

薄膜的形成过程大致都可分为4个阶段，图（a）在最初阶段，外来原子在基底表面相遇结合在一起成为原子团，只有当原子团达到一定数量形成“核”后，才能不断吸收新加入的原子而稳定地长大形成“岛”；图（b）随着外来原子的增加，岛不断长大，进一步发生岛的接合；图（c）很多岛接合起来形成通道网络结构；图（d）后续的原子将填补网络通道间的空洞，成为连续薄膜
2、薄膜制备过程决定的特点
（1）非平衡态相结构
薄膜的制备方法多数为非平衡状态的制取过程，在薄膜形成过程中，基片温度一般不很高，扩散较慢，因而制成的薄膜常常是非平衡相的结构。

（2）膜常常是非化学计量比成分
在蒸镀法中，各种元素的蒸气压不同，溅射过程中各元素溅射速率不同，所以一般较难精确控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化学计量比的成分。

（3）薄膜内存在大量的缺陷
由沉积生长过程所决定，薄膜内一般存在大量的缺陷，如位错、空位等，其密度常与大变形冷加工的金属中的缺陷密度相当，基片的温度越低，沉积的薄膜中缺陷密度越大，其中用离子镀和溅射方法制备的薄膜缺陷密度最大。

另外，在薄膜沉积过程中的工作气体也常常混入薄膜。

很多薄膜材料都不宜进行高温热处理，所以缺陷不易消除。

这些缺陷对材料的电学、磁学等很多性能都有影响，
（4）沉积冷却过程中常会产生较大的内应力
薄膜材料一般都沉积在不同材料的基片，由于热膨胀系数不同，沉积后冷却过程中常会产生较大的内应力，应力的存在对很多性能都有影响。

3、薄膜制备方法能够实现的特点
（1）薄膜材料在制备过程中可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而无需考虑是否会形成均匀相，这样就能较自由地改变薄膜的性能。

（2）可以根据需要得到单晶、多晶及至非晶的各种结构薄膜。

（3）可以容易地将不同材料结合在一起制成多层结构的薄膜
（4）通过沉积速率的控制可以容易得到成分不均匀分布的薄膜
PVD 的优点：
操作方便，沉积参数易于控制；
制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；
可在电镜监测下镀膜，对薄膜生长过程和生长机理进行研究；
膜沉积速率快还可以多块同时蒸镀；
沉积温度较高，膜与基片的结合强度不高。

梯度功能材料特点：
材料的组分和结构呈连续性梯度变化；
利用粉末混合物化学反应产生的热量和反应自传播性，通过初始反应物浓度分布的空间变化，使材料燃烧和合成来制备FGM 的方法称为自蔓延高温合成法。

特点是利用放热反应的能量使化学反应自动持续下去，操作简单，反应迅速，最适合于生成热大的化合物的合成．如AlN 、TiC 、TiB2等
材料
复合材料 梯度材料 设计思想
材料优点的相互复合 特殊功能为目标 结合方式
化学键/物理键 分子间力/化学键/物理键 微观组织
界面处非均质 均质/非均质 宏观组织
均质 非均质（连续变化） 功能
一致 梯度化
梯度功能材料设计思想：
1、根据热防护梯度功能材料构成的形状和受热环境，得出热力学边界条件，以设计知识库为基础选择可能合成的材料组合和相应的制造方法；
2、选择表示组成梯度变化的分布函数，并以材料物理数据库为依据进行温度和热应力的解析计算，几经反复直至得到使热应力最小的组成和结构的最佳梯度分布；
3、将有关设计结果提交给材料合成部门。

纳米材料：是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米。

包括纳米超薄膜、夹层结构、多层膜和超晶格等材料。

小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化
量子效应：大块材料的能带可以看成是连续的，而纳米材料的能带将分裂为分立的能级。

能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。

当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性
表面效应：纳米材料表面积大大增加，表面结构也发生很大的变化。

因此，与表面状态有关的吸附、催化以及扩散等物理化学性质，纳米材料与宏观材料有显著的区别。

界面效应：纳米材料具有非常大的界面。

界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使材料具有新奇的界面效应
非晶材料在微观结构上具有以下基本特征：
存在小区间的短程有序，在近邻或次近邻原子键合具有一定规律性，但没有任何长程有序。

温度升高，非晶材料会发生明显的结构转变，是一类亚稳态材料。

亚稳态转变到自由能最低的稳定态需克服一定的能量势垒，因此亚稳态在一定温度范围内可长期稳定存在；当温度超过一定值Tc(晶化温度)后，发生稳定化转变，形成晶态合金。

智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。

1）传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

（2）反馈功能（Feedback）可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。

（3）信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来
（4）响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。

（5）自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

（6）自修复能力（Self-recovery）能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。

（7）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。

一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

（1）基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。

一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。

其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。

（2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。

常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

（3）驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。

常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。

可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

（4）其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。