精品课件-金属功能材料

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。
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。
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，
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。
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
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
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
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
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
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。
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
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
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。
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
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 .
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
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
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。
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
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Hale Waihona Puke Baidu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。
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，
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。
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
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。
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
（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
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。