精品课件-金属功能材料

3、良好的高温性能
金属基体的高温性能比聚合物高很多，一般增强相 在高温下又都具有很高的高温强度和模量。 →金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能
相对聚合物基复合材料而言，金属基复合材料具有 物理、力学性能的高温稳定性和优良耐热冲击性能。
而陶瓷基复合材料中的陶瓷基体的抗热冲击性因陶 瓷的导热性差而比金属基复合材料差，常常使其作为 高温结构材料应用受到限制。
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。
金属基复合材料的导热、导电性能是聚合物基、 陶瓷基复合材料无法比拟的，它可以使局部的高温 热源和集中电荷很好地扩散消除。如碳纤维加入铝 合金基体后，基体的导电、导热优异性不会有大的 损失。
因此，碳纤维增强铝基复合材料可做航空航天领 域中的结构材料，还可作为空间装置的热传导和散 热器面板应用。
6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
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，
特
优点:贮氢量大，重量轻，资源丰富，价格低等
点
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
原
难。目前通过合金化改善Mg基合金氢化反应的
理
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。
宇宙飞船
30000
13.2 金属基复合材料的性能特点
现代科学技术对材料的强韧性、导电、导热性、耐 高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求
特别在航空航天工业和汽车工业中要求材料具 有更高的比强度和比模量(刚度)
金属基复合材料具有与金属及其合金相近的一些 共同性能，通过纤维、颗粒、晶须等复合后，可以 获得比基体金属或合金更好的比强度、比模量、高 温性能等性能的新型工程材料。
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
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
由于含有极昂贵的Pt、Pd和Co，工业应用受到
特
限制。
点
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。
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。
铁
Co、Cr、Cu,、Mn、Mo、Ni等元素置换部分铁
系 合 金
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
Ti-Mn二元合金中TiMn1.5贮氢性能最佳，在
锰
室温下即可活化，与氢反应生成TiMn1.5H2.4。
系
TiMn原子比Mn/Ti=1.5时，合金吸氢量较大，
（1）高性能水平。如B与SiC纤维增强的铝和钛，单 向σb>1200MPa，模量>200GPa；
（2）中等性能水平。如纺丝SiC与碳纤维增强铝等， σb在600~1000MPa，模量100~150GPa间；
（3）较低性能水平。如晶须、颗粒或短纤维增强铝 等， σb在400~600MPa，模量在95~130GPa
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
定
效应的合金称为形状记忆合金(shape memery alloy)，简称SMA.
义
应
利用记忆效应进行工作的元件、机构和装置,
用
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、医学应用等许多领域。
平台等方面
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
Cu-Zn-A1基和Cu-A1-Ni基形状记忆合金是最
型
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
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
特
物相容性好等一系列的优点。但成本高，加工困
点
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
图 几种金属基复合材料与树脂基复合材料和基体金属 的力学性能对比
2、高韧性、耐冲击性能
金属及合金基 体往往具有高 的强韧性
受冲击时基体通过塑 性变形消耗能量，使裂 纹钝化，↓应力集中
增强相无论是 纤维或是颗粒 都比较脆
增强相及增强相与基 体界面↓裂纹的扩展， ↑断裂抗力
金属基复合材料与聚合物基、陶瓷基复合材料 相比，具有高的韧性和耐冲击性。
按增 强体 分类
（1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料
图 典型复合材料结构 （a）单向纤维增强复合材料,（b）颗粒增强复合材料,（c）层状复合材料 （d）蜂窝夹心复合材料,（e）编织复合材料,（f）功能梯度复合材料
2 金属基复合材料的选择
工况条件→使用性能要求→选择金属基体材料。
表 每公斤质量对各类飞行器的价值
飞行器 名称 小型民用机 直升机 运输机 商业飞机 航空发动机
波音747
每公斤的含 金量/美圆
40 100 150 200 450 450
飞行器 名称 战斗机
每公斤的含 金量/美圆
450
Vistol飞机
550
超音速运输机
1100
表层轨道卫星
2000
同步轨道卫星 20000
陶瓷基复合材料，由于腐蚀或擦伤等引起的小裂纹可 使其强度剧烈降低, 而造成应力集中，引起破坏。这是由 于陶瓷弹性模量高，塑韧性低，不能象金属基复合材料 的基体那样可借助塑性变形来使缺口或裂纹钝化.
聚合物基复合材料基体的强度和金属基体相比都相当 低, 像擦伤、磨损等对其表面都有显著影响。
5、导热、导电性能好
各类复合材料的比强度随温度的变化
金属基复合材料的性能特点
1、高比强度、比模量 2、高韧性、耐冲击性能 3、良好的高温性能 4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 5、导热、导电性能好 6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
1 、高比强度、比模量
金属基体 + 适量高性能的纤维、晶须或颗粒等增强物 → ↑↑材料的比强度和比模量 .
合 金
以TiMn为基的多元合金主要有TiMn1.4M0.1
（M为Fe，Co，Ni等）。
第13章 金属基复合材料
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不 同的物质组合而成的一种多体材料。复合材料通常 有基体和增强材料组成。复合材料能显示出单一材 料所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是 现代科学技术不断进步的必然，也是材料设计方面
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。
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。
储氢 合金 原理
图 SiCf / Ti比强度与温度的关系
图 SiCf / Ti比强度与温度的关系
图 45％W-1％ThO2增强Fe-Cr-A1-Y合金的蠕变性能
4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低
金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷要小很 多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合 材料常可以作为工程构件中的耐磨件使用。
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.
2、稀土系贮氢合金
LaNi5稀土系贮氢合金
特
优点:室温即可活化、吸氢放氢容易、平衡压力
点
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。
的一个质的飞跃。
金属基复合材料（Metal Matrix Composite， 简称MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或 几种金属或非金属增强相人工结合而成的复合材料。
13.1 基本概念
1 、 金属基复合材料的种类
按 基体 分类
⑴铝基复合材料 品种和规格最多、应用最广 ⑵钛基复合材料 ⑶镁基复合材料 ⑷高温合金基复合材料
航空和航天:高比强度、高比模量、尺寸稳定性。大多选 择体积质量小的铝合金、镁合金作为基体金属
燃气轮机:高比强度、抗蠕变和高温强度，抗氧化、抗气 体腐蚀、耐疲劳、导热等。工作温度<450℃，可选择 铝合金、镁合金。450~650℃，选择钛合金、不锈钢； >800℃, 应选择铁基、镍基、钴基耐热合金。
电子技术: 集电材料、触头材料、耐磨材料、耐蚀电极材 料等，需要高导热、低膨胀的金属基复合材料。基体 主要选用具有导热、导电性的铝及铝合金、铜及铜合 金、银等金属
特
应用范围.
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 Nhomakorabea类
具有热弹性可逆M相变的有Fe-Pt、Fe-Pd 、
型
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。
一般增强物均有很小的热膨胀系数，又有高的模 量，特别是G纤维还具有负的热膨胀系数。大多数金 属的热膨胀系数与各种增强材料相差较大。
选择不同基体金属和增强物，以一定的比例复合， →导热性好、热胀系数小、尺寸稳定的复合材料。
经合理设计的碳纤维-铝基和G材料（纤维量48％）-镁基 复合材料的热胀系数可达到零。在温度变化时使用这种复合 材料做成的零件不发生热变形。硼纤维与钛合金的热膨胀系 数接近，可使热应力降至很低。
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 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 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
类
MmNi5系：MmNi5用混合稀土和多元合金化
型
(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。
3、钛系贮氢合金
钛
TiFe可在室温与氢反应生成氢化物. 研究了以