第12章 金属功能材料

3、钛系贮氢合金
钛 铁 系 合 金 TiFe可在室温与氢反应生成氢化物. 研究了以 Co、Cr、Cu,、Mn、Mo、Ni等元素置换部分铁 的TiFe1-xMx合金。过渡金属的加入，使合金活 化性能得到改善，氢化物稳定性增加.
钛 锰 系 合 金
Ti-Mn二元合金中TiMn1.5贮氢性能最佳，在
室温下即可活化，与氢反应生成TiMn1.5H2.4。 TiMn原子比Mn/Ti=1.5时，合金吸氢量较大， 以TiMn为基的多元合金主要有TiMn1.4M0.1 （M为Fe，Co，Ni等）。
原 理
2、稀土系贮氢合金
特 点
LaNi5稀土系贮氢合金 优点:室温即可活化、吸氢放氢容易、平衡压力 低、滞后小和抗杂质等优点。 缺点:成本高，大规模应用受到限制。 LaNi5三元系：最主要的是LaNi5-xAlx合金， A1的置换改变了平衡压力和生成热值。
类 型
MmNi5系：MmNi5用混合稀土和多元合金化 (A1、Cu等)置换LaNi5中La→Mm1-xAxNi5型, 使平衡压力升高，改善贮氢性能. MINi5系：发展了MINi5-xMx系列合金，其中 MINi5-xAlx已应用于氢贮运、回收和净化。
水下舰艇声纳系统中超磁致伸缩 合金GMM制造的声纳装置(Giant Magnetostrictive Material,GMM)
江苏大学开发的铜基 形状记忆合金过热保护 器
12.2 贮氢合金
人类可持续发展的关键是开发和利用新能源 . 氢是一种非常重要的二次能源。氢资源丰富，氢 比任何一种化学燃料的发热值高，不污染环境， 是一种洁净的能源。
合 金 化
在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Mo、
V、Cr等元素 .
(2) Cu系形状记忆合金
类 型
Cu-Zn-A1基和Cu-A1-Ni基形状记忆合金是最 主要的两种Cu基记忆合金 记忆性能良好、相变点可调节、价格便宜和 易于制造。CuZnAl合金已实用化，但由于脆性 γ2相的析出使其加工性能极差，严重限制了其 应用范围.
特 点
与Ti-Ni相比，Cu基记忆合金疲劳强度和循 环寿命等力学性能。强度较低，稳定性及耐疲 劳性能差，不具有生物相容性。
(3) Fe系形状记忆合金
类 型
具有热弹性可逆M相变的有Fe-Pt、Fe-Pd 、 Fe-Ni-Co-Ti 等和具有非热弹性可逆M相变的 Fe-Mn-Si等 热弹性马氏体相变驱动力很小、热滞很小。 由于含有极昂贵的Pt、Pd和Co，工业应用受到 限制。 Fe-Mn-Si系弹性模量与强度均明显高于铜基 和Ni-Ti合金，合金原料丰富，价格低。硅降低 合金塑性，一般应<6％Si。Fe-Mn-Si合金的缺 点是抗蚀性很差，易于发生氧化、腐蚀。
储氢合金为金属氢化物储氢材料 . 是目前正
在迅速发展的一种储氢方式.目前研究和使用的 贮氢合金主要有镁系、稀土系、钛系。
许多金属或合金可固溶H2形成含氢固 溶体（MHx）,其溶解度[H]与其平衡氢 储氢 合金 原理
压PH2平方根成正比。在一定温度和压力
条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化 物→贮氢。 这是一可逆过程。正向吸氢、放热； 逆向放氢、吸热。改变温度、压力可使
特 点
形状记忆合金应用例子
欧洲航天计划研制的 形状记忆合金材料(Ni-Ti 合金)可以像橡皮筋一样 拉伸，拉伸后一旦加热到 一定温度就会变回原来的 形状。
这是魔力水车，周而复始运 转。水车叶片是由Cu基形状记 忆合金做的.当外界温度发生变 化时，水车叶片外形也会发生 变形，而驱动水车转动。
新型功能材料不断开发
定 义
应 用
1、形状记忆基本概念
热弹性马氏体 ：马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度 回升时马氏体片又随温度上升而缩小.
应力诱发马氏体 ：在Ms以上某一温度对合金施加外力也 可以引起马氏体转变. 具备形状记忆材料的条件：马氏体相变是热弹性的；马 氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错； 母相和马氏体均为有序点阵结构。 形状记忆效应形式：单向形状记忆效应；双向形状记忆效 应（或可逆形状记忆效应）；全方位形状记忆效应。
单向记忆
双向记忆
全方位记忆
形状记忆效应的三种形式
2 、常用形状记忆台金
(1) Ti-Ni基形状记忆合金
具有记忆效应优良、性能稳定、可靠性高、生 物相容性好等一系列的优点。但成本高，加工困 难。Ti-Ni合金是所有记忆合金中抗疲劳性能最好 的材料。已用于航天航空、海军舰艇和海上石油 平台等方面
特 点
第12章 金属功能材料
功能材料往往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优良的电学、磁学、光 学、热学、声学等物理性能为基础的。 新材料中功能材料大约占85%,种类很多.功 能材料对现代科学技术进步、社会发展起着巨 大的作用。
一 形状记忆合金
合金在低温下被施加应力产生变形，应力 去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并 恢复原来形状，这种现象称为形状记忆效应 （shape memory effect），简称SME。具有形 状记忆效应的合金称为形状记忆合金(shape memery alloy)，简称SMA. 利用记忆效应进行工作的元件、机构和装置, 其应用领域遍及温度继电器、玩具、机械、电子、 自动控制、机器人、医学应用等wenku.baidu.com多领域。
反应按正向、逆向反复进行，实现材料
的吸氢与放氢功能。
1、镁系贮氢合金
特 点
优点:贮氢量大，重量轻，资源丰富，价格低等 缺点:分解温度过高（250℃），吸放氢速度慢， 使镁系合金实用受到限制。 镁与氢在300~400℃和较高的氢压下反应生 成MgH2，属离子型氢化物，过于稳定，放氢困 难。目前通过合金化改善Mg基合金氢化反应的 动力学和热力学。Ni，Cu，Re等元素对Mg的 氢化反应有良好的催化作用。 正在研究Mg-Ni-Cu-M（M为Cu/Mn/Ti）系, Mg-Ni-Cu系，Mg-Re系等镁基贮氢合金.