金属功能材料总复习提纲

1.金属基复合材料制备工艺的选择原则
（1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合
（2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计
（3）增强剂在基体中的均匀分布
（4）制备工艺方法及参数的选择和优化
（5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景
2. 金属基复合材料制备工艺的分类
1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型/ 扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法
2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造
3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型
4）原位生长法
3. 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600℃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
4．金属基复合材料的界面优化以及界面设计
改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。

从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能
5. 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
（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）。

常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等
<2>金属基体改性（添加微量合金元素）
（1）控制界面反应
（2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间
（3）改善增强剂与基体的润湿性
1.与资源、能源和环境相协调的道路
①在尽可能满足用户对材料性能的要求的同时，必须考虑尽可能节约资源和能源，尽可能减少对环境的污染，改变片面追求性能的观点
②在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，一定要把材料及其产品整个寿命周期中，与环境的协调性作为重要评价指标，改变只管设计生产，而不顾使用和废弃后资源再生利用及环境污染的观点
2．环境材料的内涵
在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料。

既包括经改造后的现有传统材料也包括新开发的环境材料
1)材料的先进性
2)环境协调性(区别于传统材料)
优先争取的目标：
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
3)舒适性
3. 无铅焊料
Sn-Pb合金在焊料制备、焊接、产品使用过程和废弃之后均产生铅渣、铅蒸气而污染环境。

填埋处理废弃的Sn-Pb合金，其中铅元素可溶于水并通过生物链进入人体。

从环境保护的角度出发,要寻找替代Sn-Pb 共晶合金的新型无铅钎焊合金，目前已取得的进展大多以Sn-Ag 系合金和Sn-Zn 系合金。

为了调整合金的熔化温度, 加入了少量的Bi或In。

问题：熔点高（260℃以上），润湿差，成本高。

由于焊料的成分和性能发生了变化，焊接过程中也出现了新的问题。

须设法减少焊料损耗，采用充氮工艺等。

4. 应用材料预测技术使材料环境材料化
材料的性能可通过化学成分的选择以及由控制加工、热处理等制造工艺而确定的微观组织来决定。

复合材料的特点之一就是可以根据使用目的进行设计和制造；
金属材料即使化学成分相同，也能通过改变微观组织使它的性能发生很大的变化，因而可以说金属材料是可进行设计的材料。

采用以基础理论为指导的材料预测技术来控制生产、使用、废弃、回收的循环，这是“金属材料环境材料化”的重要课题
5. 废钢铁处理与杂质问题
在废铁的回收过程中分选、分离工程是十分重要的。

其一是化学成分的多样化。

其二是由钢铁精炼工艺本身所具有的性质决定的
因而，钢水中的元素可以分为以下四种类型：
(1)几乎全部残存于钢水中的元素：Cu, Ni, Sn, Mo, Co, W, As, (Sb)
(2)不能完全除去的元素：Cr, Mn, P, S
(3)与沸点、蒸汽压等无关的元素：Zn, Cd, Pb, (Sb)
(4)从钢水中几乎可以全部除去的元素：Si, Al, V, Zr, B等。

合金钢经几次废钢铁再生，并且在分选过程中未被分离出而发生废料混合的情况下，Cu, Ni, Sn, Mo等元素的浓度就会不断提高。

这些元素本来是为了提高性能而起合金作用的。

但是，它们对热加工性能有不良影响，因而必须控制其含量。

为了将废钢铁置于庞大的钢铁材料流向中予以妥善处理，必须采取如下综合性的解决对策：
(1) 含有不能除去元素的废钢铁精炼制钢工艺开发；
(2) 杂质无害化技术的开发；
(3) 确立通过材料设计可以实现再生循环的材料体系
第四章非晶材料
1.非晶材料在微观结构特征
(1)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
(2)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
(3)非晶结构的亚稳性不仅包括温度达到Tc以上发生的晶化，还包括低温加热时发生的结构弛豫
（4）非晶晶化结晶与合金熔液凝固结晶类似，也是一个形核和长大的过程
（5）非晶合金的结构弛豫和晶化都是亚稳非晶结构产生结构失稳时发生的相应变化
2.结构驰豫
在低于晶化温度Tc退火时，非晶合金内原子相对位置会发生较小变化，非晶合金的结构逐步接近有序度较高的理想结构，使其总能量降低，同时引起非晶合金密度、比热、电阻、弹性模量等物理性能产生相应变化，这种结构变化称为结构弛豫
3. 非晶晶化结晶与合金熔液凝固结晶的比较
非晶晶化结晶与合金熔液凝固结晶类似，也是一个形核和长大的过程
（1）晶化是固态反应，受原子在固相中的扩散支配，晶化速度没有凝固结晶快；
（2）非晶比熔体在结构上更接近晶态，晶化形核时主要阻力项(固固界面能)比凝固时(固液界面能)小；（3）实际凝固中，非晶形成的同时也可能形成一些细小晶粒，它们在晶化时可作为非均匀形核媒质，非晶中的夹杂物、自由表面等都可使晶化以非均匀形核方式进行。

（4）非晶晶化时形核率很高，晶化后晶粒十分细小
4.非晶结构的稳定性主要取决因素
（1）合金组元的种类和含量：组元种类和含量的变化会改变原子键合强度和短程有序程度。

（2）凝固冷速：冷速越高，金属玻璃的自由能越高，相应的结构稳定性越低，越易产生结构弛豫和晶化，选择适当的凝固冷速对保证非晶稳定性十分重要。

（3）组态熵较大的合金：组态熵较大的合金晶化激活能越大，发生结构弛豫或晶化时所需的能量越高，
非晶结构越稳定。

（4）中子辐照：中子辐照可使极细的晶粒非晶化，消除晶化时非均匀形核媒质，提高非晶合金的稳定性。

5. 非晶态合金的性能
（1）强度、硬度和刚度
非晶中原子有较强的键合，特别是金属-类金属非晶中原子键合比一般晶态合金强得多；
非晶合金中原子排列长程无序，缺乏周期性，合金受力时不会产生滑移；
非晶合金具有很高的强度、硬度和较高的刚度，是强度最高的实用材料之一
（2）韧性和延性
非晶合金不仅具有很高的强度和硬度，与脆性的无机玻璃截然不同，还具有很好的韧性，并且在一定的受力条件下还具有较好的延性
6.为什么非晶合金不能单独做结构材料使用？
非晶合金具有很高强度、硬度、耐磨性能和韧性，在弯曲、压缩状态时有很好的延性，但拉伸延性、疲劳强度很低，所以一般不能单独用作结构材料。

许多成分的金属玻璃经适当晶化处理后，综合力学性能会有很大提高
7.非晶合金的四大性能
（1）热学性能
非晶态合金处于亚稳态，是温度敏感材料。

如果材料的晶化温度较低，非晶态合金更不稳定，有些甚至在室温时就会发生转变。

如金属玻璃在相当宽的温度范围内，都显示出很低的热膨胀系数
（2）电学性能
非晶具有长程无序结构，在金属-类金属非晶合金中含有较多的类金属元素，对电子有较强的散射
非晶合金一般具有较高的电阻率
（3）磁学性能
部分非晶合金具有良好的铁磁性能
非晶合金很容易磁化，矫顽力极低
在很大频率范围内都具有很高的磁导率
一些非晶永磁合金经晶化处理后，永磁性能会产生很大改善，例如：NdFeB非晶合金经过晶化热处理并控制形变织构方向后，最大磁能积达到55MGOe，是目前永磁合金磁能积的最高水平之一
（4）化学性能
非晶中没有晶界、沉淀相相界、位错等容易引起局部腐蚀的部位，也不存在晶态合金容易出现的成分偏析，所以非晶合金在结构和成分上都比晶态合金更均匀，具有更高的抗腐蚀性能
8. 非晶合金晶化后制成微晶合金可作为结构材料使用
非晶薄带粉碎后进行热压加工，使非晶合金晶化并制成大块晶态合金，晶粒细小均匀，尺寸0.2-0.3μm，还含有大量硬度很高的弥散硼化物和金属间化合物，具有优异力学性能。

这种微晶合金不仅综合力学性能好，而且克服非晶合金尺寸小、工作温度低的缺点，且仍然保持很强的抗腐蚀性能
第五章薄膜材料
1.薄膜材料的定义
薄膜是一种二维材料，它在厚度方向上的尺寸很小，往往为纳米至微米量级。

薄膜是一种人造材料，其结构和性质与制备方法和工艺条件密切相关。

从宏观上讲，薄膜是位于两个平面之间的一层物质，其厚度与另外两维的尺寸相比要小得多。

从微观角度来讲，薄膜是由原子或原子团凝聚而成的二维材料。

但是究竟“薄”至何等尺度才可以认为是薄膜，并没有严格的界限。

2. 薄膜的形成过程
（1）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
（2）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
（3）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
3.薄膜形成与生长的物理过程
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
4.物理气相沉积（PVD）
采用物理方法使物质的原子或分子逸出，然后沉积在基片上形成薄膜的工艺。

根据使物质的逸出方法不同，可分为蒸镀、溅射和离子镀
（1）真空蒸镀
把待镀的基片置于真空室内，通过加热使蒸发材料气化（或升华）而沉积到某一温度基片的表面上，从而形成一层薄膜，这一工艺称为真空蒸镀法
蒸发源可分为：电阻加热、电子束加热和激光加热等
（2）溅射
当具有一定能量的粒子轰击固体表面时，固体表面的原子就会得到粒子的一部分能量，当获得能量足以克服周围原子得束缚时，就会从表面逸出，这种现象成为“溅射”
它可分为离子束溅射和磁控溅射
（3）离子束
离子镀是在真空蒸镀得基础上，在热蒸发源与基片之间加一电场（基片为负极），在真空中基片与蒸发源之间将产生辉光放电，使气体和蒸发物质部分电离，并在电场中加速，从而将蒸发的物质或与气体反应后生成的物质沉积到基片上
5.化学气相沉积（CVD）
定义：化学气相沉积是使含有构成薄膜元素的一种或几种化合物（或单质）气体在一定温度下通过化学反应生成固态物质并沉积在基片上而生成所需薄膜的方法。

特点：设备可以比较简单，沉积速率高，沉积薄膜范围广，覆盖性好，适于形状比较复杂的基片，膜较致密，无离子轰击等优点。

特别是在半导体集成电路上得到广泛应用
6.决定金属薄膜材料的两个重要因素
（1）蒸发时的基片温度
一般来说，基片温度越高，则吸附原子的动能也越大，跨越表面势垒的几率增多，则需要形成核的临界尺寸增大，越易引起薄膜内部的凝聚，每个小岛的形状就越接近球形，容易结晶化，高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织。

而在低温时，形成核的数目增加，这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织，而且还增强了薄膜的附着力
（2）蒸发速率
蒸发速率越快，岛状密度越大
7.金属薄膜的结构特点
一．二维材料的特点
（1）最大的特点是功能膜的某些性能可以在制备时通过特殊的薄膜制备方法实现
（2）作为二维材料，薄膜材料最主要是特点是所谓尺寸特点,利用这个特点可以实现把各种元器件的微型化、集成化
（3）由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相对比例子较大，表面所表现的有关性质极为突出，存在一系列与表面界面有关的物理效应
二．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。

8.薄膜制备方法能够实现的特点
由于薄膜材料性能受制备过程的影响，在制备过程中多数处于非平衡状态，因而可以在很大范围内改变薄膜材料的成分、结构，不受平衡状态时限制，所以人们可以制备出秀多块体难以实现的材料，得到新的性能。

这是薄膜材料的重要特点，也是薄膜材料引人注目的重要原因。

无论采用化学法还是物理法都可以得到设计的薄膜，例如：
（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
第六章储氢材料
1. 金属的储氢原理
氢的存贮方式
物理方式贮氢：如采用压缩、冷冻、吸附等方式
金属氢化物贮氢：氢化物具有优异的吸放氢性能外，还兼顾了很多其它功能
在一定温度和压力下，许多金属、合金和金属间化合物（Me）与气态H2可逆反应生成金属固溶体MHx 和氢化物MHy。

反应分三步进行：
第一步：
先吸收少量氢，形成含氢固溶体（α相）。

第二步：
固溶体进一步与氢反应，产生相变，形成氢化物相（β相）
式中：x为固溶体中的氢平衡浓度，y是合金氢化物中氢的浓度，一般y≥x。

第三步：
再提高氢压，金属中的氢含量略有增加
2. 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
改变温度和压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的稀释氢功能
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）
3. 合金的吸氢反应机理
氢与金属或合金的基础反应：
（1）H2传质；
（2）化学吸附氢的解离，H2＝2Had ；
（3）表面迁移；
（4）吸附的氢转化为吸收氢，Had＝Habs；
（5）氢在相的稀固态溶液中扩散；
（6）α相转变为β相，Habs(α)＝Habs(β)；
（7）氢在氢化物（β）中扩散。

4.影响储氢能力的因素
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
5.实用贮氢金属氢化物的特征
1、容易活化，贮氢量大、能量密度高；
2、吸氢和放氢速度快，氢扩散速度大，可逆性好；
3、氢化物生成热小；
4、有较平坦和较宽的平衡平台压区，分解压适中，滞后小；
5、有效导热率大，电催化活性高；
6、化学稳定性好；
7、在贮存与运输过程中性能可靠；
8、原料来源广，成本低廉。

6. 纳米储氢采用机械合金化方法
高能球磨使粉末发生严重变形，进而产生大量晶体缺陷和界面，极大地促进各组元间的扩散过程，组元在较低温度下就能实现合金化，获得纳米晶或非晶等非平衡结构特点：简易高效，较好控制组织结构材料易受污染氧化
第七章梯度材料
1.梯度功能材料的定义
梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)于一体的新型材料，其微观结构和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能
3. 梯度功能材料主要特征
梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结构)，使界面的成分和组织呈连续性变化，主要特征有：
材料的组分和结构呈连续性梯度变化；
材料内部没有明显的界面；
材料的性质也呈连续性梯度变化
4. 自蔓延高温合成法
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: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
3. 梯度功能材料与复合材料之间区别
第八章纳米材料
1.纳米材料四大效益
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。

（1）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称为小尺寸效应，对纳米颗粒而言尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加
（2）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，称之为量子效应
（3）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。

纳米材料的表面积大、表面活性强，在催化领域中前景良好。

----纳米催化剂
（4）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。

2.原子团簇
（1）定义：
⏹原子团簇，简称团簇，是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳
定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。

⏹原子团簇粒径小于或等于l nm，其许多性质既不同于单个原子分子，也不同于固体和液体，也不
能用两者性质作简单线性外延和内插来得到。

（2）研究团簇的起因
⏹团簇可以看成是介于原子分子与宏观物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大
块物质转变的过渡状态。

3.现代轨道交通材料
高强度钢、超级钢复合材料、颗粒增强型复合材料、铝合金板、铝镁合金、高硅铝合金等已经逐步在轨道交通行业开始了应用，但是由于轨道交通材料的工作环境十分恶劣，特别是表面需要承受复杂的机械摩擦、应力腐蚀和海洋性气候条件下的大气腐蚀，就需要在材料表面进行特别的涂层处理，表面纳米化改造。

第九章智能材料
1.智能材料的特征和构成
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）智能材料的特征
传感功能
反馈功能
信息识别与积累功能
响应功能
自诊断能力
自修复能力
自调节能力
（2）构成
基体材料
敏感材料
驱动材料
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
2.形状记忆效应
具有一定初始形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），再加热到某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状，这种效应称为形状记忆效应。

核心：使用温度：较高温度（初始形状）
安装温度：较低温度（变形得到的中间形状）
分类：
⏹单程形状记忆效应
材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时能恢复为高温相形状，但重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。