中国林业出版社、北京大学出版社：金属学及热处理：ch10

第10章 材料研究新进展
教学提示：新材料，也称先进材料，是指应用先进的科学技术，具有优异性能和使用功能的新型材料。新材料研究的内容是关于材料成分、组织结构、工艺流程对于材料性质与用途的影响规律以及它们与工程技术的联系，它的根本任务是利用新的科学原理和技术设计、合成并制备出具有优异性能的材料。一种新材料已经不是只具有单一功能的材料，在一定条件下可实现多种功能。从而为高新技术产品的智能化、微型化提供了材料基础。
教学要求：掌握复合材料、功能材料和纳米材料的基本概念、分类及其基本特点，了解新材料和传统材料的异同点、制备工艺和应用领域。
新材料是当前高新技术发展的支柱，现代科学技术，特别是交通、能源、航空航天、
通信、核工程、海洋工程、生物工程等领域的发展，对所需要的结构材料提出了更高的要求，既希望它们具有良好的综合性能，如低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良好的抗疲劳性能等，又期望它们能够在高温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。新材料发展的重要标志是可以根据产品需要来设计新材料，一改传统上根据材料的功能来设计产品的观念。这种材料设计可以从材料的组成、结构和工艺设计来实现g1866所需功能。一种新材料g5062g13475g993是g2494具有g2345一功能，在一g4462条件下可实现g3822种功能。传统的g2345一材料，如g18341g4658材料、g19530g10955材料和高g2010g4388材料g5062g17840g17840g993能g9397g17287上g17860要求。g3252g8504，g1166
们设g8873g18331g11004g7588种可能的工艺g4570g1016种g6122g1016种以上组g13467结构、物g10714及g2282学性g17148g993g2528的物g17148结合在一g17227，g5430成一g12879新的g3822g11468材料g11g2375所g16871的g3809合材料g12，g1363g1055既可g1457g11053g2419有组g2010材料的g1260g9869，
又可能具有g7588g1135新的特性，以g6205g3835结构设计g5084们的g17885材g1325g3332，从g13792g17878g5224现代高技术发展的需求。g3
10.1 复合材料
材料的g3809合g2282是材料发展的g5529g9994g17247g2195g1055一。g2488代g4613出现了g2419g3999g3423的g3809合材料，如g11004g14621
g14562和g8889g3315g1328g5326g12581材料g727g11734g11719和g8712g8889g3534g1319g3809合的g9163g1969g3315g1075有g5468g19283g2394g2502。19g1002g13438g7423g3809合材料g5332
g3999g17839g1849工g1006g2282生产。20 g1002g13438 60 g5192代g11013g1122高新技术的发展，对材料性能的要求g7097g11422提高，
g2345g17148材料g5468g19602g9397g17287性能的综合要求和高g6363标要求。g3809合材料g3252具有可设计性的特g9869g2475g2052g2520
发g17810g3281g4490的重g16282，g3252g13792发展g5468g5567，g5332发出g16780g3822性能g1260良的g1820g17839g3809合材料(成g1038航空、航天工
g1006的g20330要g1863g19202材料)，g2520种g3534g11796性g11752g12362g1075g5483g2052发展，g1363g3809合材料g994g18341g4658、g19530g10955、高g13870物等材料g5194g2027g1038重要材料。有g1166g20056g16340，21g1002g13438g4570是g17839g1849g3809合材料的g7114代。g3
金属学与热处理
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10.1.1 复合材料的定义及其分类
1,复合材料的定义
g3809合材料(composite materials)是g11013g1016种g6122g1016种以上异g17148、异性、异g5430的材料，在宏观尺度上g3809合g13792成的一种完全g993g2528g1122g1866组成材料的新g3423材料。g3809合材料的g4462义包括以下四个方面：它包含g1016种g6122g1016种以上物g10714上g993g2528g5194可g11004机械方g8873g2010离的材料g727它可以通过g4570几种
g2010离的材料g9163合在一g17227g13792制成。g9163合的方g8873是，在g1166g1038控制下g4570一种材料g2010散在g1866他材料
g1055中，g1363g1866g17810g2052最佳性能g727g3809合后的性能g1260g1122g2520g2345独的组成材料，g5194在g7588g1135方面可能具有组成材料所没有的独特性能g727通过g17885取g993g2528的组成材料、改变组成材料的含量g994g2010布等微结构参数，可以改变g3809合材料的性能，g2375材料性能具有可设计性g5194拥有最g3835的设计自g11013度。
g3809合材料的组成材料称g1038组g2010材料。组g2010材料g2010g1038g1016部g2010：一部g2010g1038增强g1319(reinforced
body)，承担结构的g2520种工g1328载荷：另一部g2010g1038g3534g1319(matrix)，g17227g2052黏结增强g1319予以赋g5430g5194传递g5224力和增韧g1328g11004。增强g1319g2010g1038纤维(fibre)：连续纤维、短切纤维、晶须g727颗粒：微米颗粒
g994纳米颗粒g727片材：g1166工晶片g994天g9994片状物。g3534g1319主要g2010g1038有机g13870合物、g18341g4658、g19530g10955、g8712
g8889和碳(g11719墨)等。构造出的g3809合材料，能改善的性能主要有强度、刚度、疲劳寿命、耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性、吸引性、g17148量、抗振性、导热性、绝热性、隔声性等。当g9994，
上g17860g2520种性能g993可能g2528g7114都有所改善，工程实际中g1075g993存在这样的要求。
2,复合材料的定义
g3809合材料的种g12879繁g3822，目前还没有统一的g2010g12879方g8873，根据g3809合材料的三要素(见图10.1)
来g2010g12879。
(1) 按g3534g1319材料g2010g12879，有g18341g4658g3534g3809合材料，g19530g10955g3534g3809合材料，g8712g8889、g9163g1969g3315g3534g3809合材料，塑料g3534g3809合材料，橡胶g3534g3809合材料等(见图10.2)。
图10.1 复合材料的三要素 图10.2 结构复合材料按不同基体分类
(2) 按增强剂g5430状可g2010g1038粒g4388、纤维及层状g3809合材料(见图10.3)。
凡以g2520种粒g4388填料g1038g2010散g17148的是粒g4388g3809合材料，若g2010布均匀，是g2520向g2528性的g727以纤维
g1038增强剂g5483g2052的是纤维增强g3809合材料，依据纤维的铺排方式，可以g2520向g2528性g1075可以是g2520向异性g727层状g3809合材料如胶合板g11013交替的薄板层胶合g13792成，g3252g13792是g2520向异性的。
(3) 依据g3809合材料的g11004途可g2010g1038结构g3809合材料和功能g3809合材料，目前结构g3809合材料占绝g3835g3822数，g13792功能g3809合材料有广阔的发展前途。g20056计 21g1002g13438会出现结构g3809合材料g994功能g3809
第10章 材料研究新进展
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合材料g5194重的局面，g13792且功能g3809合材料更具有g994g1866他功能材料竞争的g1260g2195。功能g3809合材料
g6363能实现具有g7588种功能的g3809合材料，如导电材料、导磁材料、导热材料、屏蔽材料等。结构g3809合材料则主要g11004g1328承力和次承力结构，要求g17148量小、强度和刚度高，且能耐g2475一g4462温度，g7588种情g1929下还要求有g14204g13972g13007数小、绝热性能好g6122耐g1183g17148腐蚀等g1866他性能(见图10.4)。
图10.3 结构复合材料按不同增强体形式分类 图10.4 复合材料分类
10.1.2 复合材料中各组元的基本作用
g3809合材料的中能够对g1866性能和结构g17227g1927g4462g1328g11004的，g19512了g3534g1319和增强g1319g3818还包括g3534g1319g994
增强g1319g19400的g11040面。g3534g1319、增强g1319及g11040面的g2520自性g17148g994g11468g1126g1328g11004g1927g4462g11540g3809合材料的性能特g5461，
g3252g8504g3534g1319、增强g1319及g1866g11040面g5224是g1126g11468g18209合，g2339g2528性好，g6177能g17810g2052最好的g3809合g6940g7536，g3809合材料的性能特g9869g1075g8503是g5326g12447在这一g2419则g3534g11796上的。
g3534g1319是g3809合材料的重要组成部g2010g1055一，主要g1328g11004是g2045g11004g1866黏g19480特性、g3278g4462和黏g19480增强
g1319，g4570g3809合材料所g2475的载荷传递g5194g2010布g2052增强g1319上。载荷的传递机制和方式g994增强g1319的g12879
g3423和性g17148密切g11468g1863，在纤维增强的g3809合材料中，g3809合材料所承g2475的载荷g3835部g2010g11013纤维承担。
g3534g1319的另一g1328g11004是g1457g6264增强g1319在g2164工和g1363g11004过程中，g1825g2475环境g3252素的g2282学g1328g11004和物g10714g6451g1272，
g19462g8502g16837发造成g3809合材料g11784g3363的g16022g13453。g2528g7114g3534g1319还会g17227g2052g12879g1296隔g14192的g1328g11004，g4570增强g1319g11468g1126g2010
g5332，这样g2375g1363个别增强g1319发生g11784g3363g7041g16022，g16022g13453g1075g993g7143从一个增强g1319g6205展g2052另一个增强g1319。
g3252g8504g3534g1319对g3809合材料的耐g6451g1272和抗g11784g3363、g1363g11004温度极g19492以及耐环境性能均g17227g11540g2325g2010重要的
g1328g11004，g8503是g11013g1122g3534g1319g994增强g1319的这种g2339g2528g1328g11004，g6177赋予g3809合材料良好的强度、刚度和韧性等。g5132见的g3534g1319有g7653g14038g3534g1319(resin matrix)、g18341g4658g3534g1319(metallic matrix)、g19530g10955g3534g1319(ceramic
matrix)和碳素g3534g1319(carbon matrix)等。
在结构g3809合材料中，增强g1319主要g11004来承g2475载荷。g3252g8504在设计g3809合材料g7114，通g5132所g17885g6333
的增强g1319的g5389性g8181量g5224g8616g3534g1319高。以纤维增强的g3809合材料g1038g1375，g3818载g1328g11004下，当g3534g1319g994增强g1319g5224变量g11468g2528g7114，g3534g1319g994增强g1319所g2475载荷g8616等g1122g1016g13785的g5389性g8181量g8616，g5389性g8181量高的纤维
g4613可承g2475高的g5224力。g8504g3818，增强g1319的g3835小、g15932面状g5589、g1319g12227g2010数及g1866在g3534g1319中的g2010布等，
对g3809合材料的性能g2528样具有g5468g3835的g5445g2721。上g17860g2520g3252素的g1328g11004又g994增强g1319的g12879g3423、g3534g1319的性
g17148g13051密g11468g1863，在g993g2528g12879g3423g3809合材料中的g15932现g2520g993g11468g2528，g993能一g8022g13792g16782。
g3534g1319g994增强g1319g1055g19400的g11040面特性g1927g4462g11540g3534g1319g994g3809合材料g1055g19400结合力的g3835小。g7234g17953g16760g1038，
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g3534g1319g994增强g1319g1055g19400结合力的g3835小g5224g11468g17878度，g1866强度g2494要g17287以传递g5224力g2375可。结合力过小，
增强g1319和g3534g1319g19400的g11040面在g3818载g1328g11004下g7143发生g5332g16022g727结合力过g3835，又g7143g1363g3809合材料g3845g2447韧性。
g3252g8504需根据g3534g1319和增强g1319的性g17148，来控制g11040面的状g5589，以g14731g5483g17878g4464的g11040面结合力。另g3818，
g3534g1319g994增强g1319g1055g19400还g5224具有一g4462的g11468g4493性，g2375g11468g1126g1055g19400g993发生g2465g5224。
10.1.3 复合材料的特性
g3809合材料g993g1177能g1457g6357g2419组g2010材料的部g2010g1260g9869和特性，g13792且还可g1523g2173g1122对组g2010材料、g3809
合工艺的g17885g6333g994设计，g1363组g2010材料的性能g11468g1126g15929g1817，从g13792g7186g12046出g8616g2419有g2345一组g2010材料更g1038
g1260g17246的性能。g19512性能可设计g3818，g2520种g12879g3423的g3809合材料，g4600g1866是g1820g17839g3809合材料还具有g1260异的力学性能、物g10714性能和工艺性能。
1,性能的可设计性
g11013g1122g3809合材料g1319g13007完全是g1166g1038g11842g4462，g3252g8504g3809合材料最g7186g14891的特性，是g1866性能(主要g6363力学性能、物g10714性能和工艺性能)在一g4462g14551g3272g1881具有可设计性。可根据材料的g3534g7424特性、材料
g19400的g11468g1126g1328g11004和g1363g11004性能要求，可以g1166g1038设计g5194g17885g6333g3534g1319材料g12879g3423、增强g1319材料g12879g3423及g1866
数量g5430g5589和在材料中的g2010布方式，g2528g7114还可以设计和改变材料g3534g1319和增强g1319的g11040面状g5589g727
g11013它们的g3809合g6940g5224可以g14731g5483g5132g16280材料g19602以提g1391的g7588一性能g6122综合性能。g1306是，g3809合材料性能的可设计性g3835都g993是g1523g2173g1122传统材料。g3252g8504从g10714g16782上g16840可以g14731g5483一g12879材料，g1866能g4570g1016种以上g993g2528材料的完全g993g2528的g1260g12180性能g13007g1122一g17535，g9397g17287更g1038g3809g7446g5706g2167和极端g1363g11004条件的要求。
2,力学性能特点
g5224g16825g16840g993g2528g3809合材料是没有统一的力学性能特g9869。g3252g1038g1866性能是根据g1363g11004需求g13792设计
g11842g4462的，g1866力学性能特g9869g5224g16825g994g3809合材料的g1319g13007及g2164工工艺有g1863。g1306g4613g5132g11004的工程g3809合材料g13792g16340，g994g1866g11468g5224的g3534g1319材料g11468g8616g17751，g1866主要有如下的力学性能特g9869。
g311 g8616强度、g8616g8181量高：这主要是g11013g1122增强g1319一g14336g1038高强度、高g8181量g13792g11468对密度小的材料，从g13792g3835g3835增g2164了g3809合材料的g8616强度(强度/密度)和g8616g8181量(g5389性g8181量/密度)。如碳纤维增强环g8699g7653g14038g8616强度是g19062的7g1505，g8616g8181量则g8616g19062g38353g1505。材料的g8616强度和g8616g8181量是材料性能的重要g6363标，高的g8616强度、g8616g8181量可g1363结构g17148量g3835g5145度g1955小。低结构g17148量g5859g2631g11540g1903g11004g20146
机可增g2164g5389载、提高航g17907、改善机g2172特性、g5322g19283g5045航g7114g19400，g13792g8677g11004g20146机则可g3822载g10135g8845、提高g4470载。
g312 抗疲劳性能好：疲劳是材料在交变载荷下，g3252g16022g13453的g5430成和g6205展g13792产生的低g5224力g11784
g3363。在纤维增强g3809合材料中存在g11540g16780g3822的纤维g252g7653g14038g11040面，这g1135g11040面能g19471g8502g16022g13453g17839一g8505g6205
展，从g13792g6524g17843疲劳g11784g3363的产生，g3252g8504g1866疲劳抗力高g727对g14042性的g19530g10955g3534g3809合材料这种g6940
g7536还会g3835g3835提高g1866韧性，是g19530g10955韧g2282的重要方g8873g1055一。g3835g3822数g18341g4658材料的疲劳强度是抗g6301
强度的 40%g79450%，g13792碳纤维增强g3809合材料高g17810 70%g79480%，这是g3252g1038g16022g13453g6205展机g10714g993g2528
所g14280。
g313 耐高温性能好：g3809合材料增强g1319一g14336高温下g1185会g1457g6357高的强度和g8181量，g1363g3809合材料
g17751g1866所g11004的g3534g1319材料具有更高的高温强度和g15849变抗力。如 Al合g18341在400g263g7114强度从室温的
500MPa 降至 30MPag79450MPa，g5389性g8181量几乎降g1038零g727如g1363g11004碳纤维g6122硼纤维增强后 400g263
g7114材料的强度和g8181量g994室温的g11468差g993g3835，从g13792提高了g18341g4658材料的高温性能。
第10章 材料研究新进展
·211·
·211·
④ g1955振能力强：当结构所g2475g3818力的频率g994结构的自振频率g11468g2528g7114，g4570产生共振，g4493g7143
造成灾g19602性事故。g13792结构的自振频率g993g1177g994结构g7424g17535的g5430状有g1863，还g994材料g8616g8181量的平方根成g8503g8616，g3252g13792纤维增强g3809合材料的自振频率g17751高，可以避g1825共振。g8504g3818，纤维g994g3534g1319的
g11040面具有吸振能力，具有g5468高的g19471尼g1328g11004。
⑤ g7041g16022安全性高：纤维增强g3809合材料截面上g2010布g11540g11468g1126隔离的细纤维，当g1866g2475力发生过载g7114，g1866中部g2010纤维会发生g7041g16022，g1306随g2375g17839行g5224力的重新g2010g18209，g11013未g7041纤维g4570载荷承担g17227来，g993g14280造成构件在瞬g19400完全丧g3845承载能力g13792发生g14042g7041，g3252g8504g3809合材料的工g1328安全性高。
⑥ g2282学稳g4462性好：能耐酸碱腐蚀。还具有一g1135特殊性能，如隔热性、烧蚀性、特殊的电、磁性能等。
3,物理性能特点
g19512力学性能g3818，根据g993g2528的增强g1319的特性及g1866g994g3534g1319g3809合工艺的g3822样性，g13475过设计的
g3809合材料还可以具有g2520种需要的g1260异的物g10714性能：如低密度(增强g1319的密度一g14336g17751低)、g14204
g13972g13007数小(甚至可g17810g2052零g14204g13972)、导热导电性好、g19471尼性好、吸波性好、耐烧蚀、抗辐照等。
g3252g8504，在g17885g6333增强g1319和g3534g1319组g2010材料g17839行设计g7114，尽可能降低材料的密度和g14204g13972g13007数，这是结构g11004g3809合材料需要考虑的重要g3252素。密度的降低有g2045g1122提高g3809合材料的g8616强度和g8616刚度，g13792通过调整增强g1319的数量和在g3534g1319中的排g2027方式，可有g6940降低g3809合材料的热g14204g13972g13007数，
甚至在一g4462条件g1363g1866g1038零，这对g1122g1457g6357在诸如交变温度g1328g11004等极端环境下工g1328的构件的尺寸稳g4462性具有特别重要的g5859义。g18341g4658g3534g3809合材料中尽管g2164g1849的增强g1319g3835都g1038非g18341g4658材料，
g1306g1185可g1457g6357良好的导电和导热特性，这对g6205展g1866g5224g11004g14551g3272非g5132有g2045。g3534g1122g993g2528材料g3809合在一g17227所具有的导电、导热、压电g6940g5224、换能、吸波及g1866他特殊性能，目前g5062g5332发出了压电
g3809合材料、导电及超导材料、磁性材料、耐磨g1955摩材料、吸波材料、隐g17535材料和g2520种敏感材料，g1866中的g16780g3822材料g5062在航天、航空、能源、电g4388、电工等工g1006领域g14731g5483实际g5224g11004，成
g1038功能材料中g2325g2010重要的新成员，g2528g7114g3809合g2282的方式g1075是功能材料领域的重要的g11752g12362和g5332
发方向。
4,工艺性能特点
g3809合材料的成g5430及g2164工工艺g3252材料种g12879g993g2528g13792g2520有差别，g1306一g14336来g16840g11468对g1122g1866所g11004的
g3534g1319材料g13792g16340，成g5430g2164工工艺g5194g993g3809g7446。g1375如，以g19283纤维增强的g7653g14038g3534、g18341g4658g3534、g19530g10955g3534
g3809合材料可整g1319成g5430，如g8504可g3835g3835g1955少结构件中的装g18209零件数量，g17839g13792提高构件的g17148量和
g1363g11004可靠性。再如，短纤维g6122颗粒增强的g18341g4658g3534g3809合材料可g18331g11004传统的g18341g4658工艺g17839行制备和二次g2164工，g3252g13792在工程g5224g11004中具有g5468g3835的灵活性和实g11004性，增强了这g12879g3809合材料的g17878g5224
能力。
10.1.4 复合材料的复合机理
g3809合g10714g16782g8503处在g11752g12362、g5224g11004和完善g1055中。下面简g2345g1183绍g1016种g3809合g10714g16782。
1,粒子增强型复合材料的复合机制
根据增强颗粒的尺寸g3835小，颗粒增强g3809合材料可细g2010g1038弥散增强g3809合材料和真g8503颗粒
(g6122称纯颗粒)增强g3809合材料g1016g12879。前g13785通g5132g13007g6363在g18341g4658g6122合g18341中g2164g1849一g4462数量的惰性硬g17148
金属学与热处理
·212·
·212·
粉g7423g5194g1363g1055弥散g2010布g13792g5430成的g3809合材料g727后g13785则g6363以微米级颗粒增强的g18341g4658、g7653g14038g6122g19530g10955。
(1) 弥散强g2282g3809合材料。一g14336g2164g1849增强颗粒粒径在0.1μmg7940.01μmg1055g19400，g2164g1849量g1075
在1%g79415%g1055g19400。增强颗粒可以是一种g6122几种，g1306g5224是均匀弥散g3332g2010布g1122g3534g1319材料g1881部。
g16825g12879g3809合材料的g3809合强g2282机g10714g994合g18341的沉淀硬g2282机g10714g12879g1296，g3534g1319g1185是承g2475载荷的主g1319。所
g993g2528的是这g1135细小弥散颗粒g993是g1523g2173g1122g11468变产生的第二g11468g17148g9869，它们随温度的升高g1185可g1457
g6357g1866g2419有尺寸。g2528g7114这g1135弥散颗粒g4570g19471碍导g14280g3534g1319塑性变g5430的位错的运g2172(g18341g4658g3534)g6122g2010g4388
链的运g2172(g7653g14038g3534)，提高了变g5430抗力。g2528g7114g11013g1122所g2164g1849的弥散粒g4388g3835都是高熔g9869高硬度且高稳g4462的g8699g2282物碳g2282物g6122氮g2282物等，故粒g4388还会g3835g3835提高材料的高温强度和g15849变抗力g727对
g1122g19530g10955g3534g3809合材料g1866粒g4388则会g17227g2052细g2282晶粒，g1363g16022g13453转向g994g2010叉，从g13792提高g19530g10955强度和韧性。当g9994粒g4388的强g2282g6940g7536g994粒g4388粒径、g5430g5589、g1319g12227g2010数和g2010布状g5589等直接g11468g1863。
(2) 颗粒增强g3809合材料。这g12879材料是g11004g18341g4658g6122高g2010g4388g13870合物把具有耐热、硬度高g1306g993
耐冲击的g18341g4658g8699g2282物碳g2282物g6122氮g2282物等颗粒黏结g17227来g5430成的材料，g1866中颗粒尺寸g1038微米量级，g2419则上讲，g1866几何g5430状可以是任g5859的，g1306一g14336情g1929下，g3534g7424上g1038几何对称。实践g15932明，
g3809合材料的性能g2475g2052颗粒g3835小的g5445g2721，g1038提高增强g6940g7536，通g5132g17885g6333尺寸g17751小的颗粒，g5194且尽可能g1363g1866均匀g2010布g1122g3534g1319g1055中。在g16825种g3809合材料中，颗粒g993是通过有g6940g19471碍位错的运g2172
g13792g1363材料强g2282，g13792是g1523g2173g1122g19492制颗粒邻近g3534g1319的运g2172来g17810g2052强g2282g3534g1319的目的。它具有g3534g1319
材料g14042性小、耐冲击的g1260g9869，又具有g19530g10955硬度耐热性特g9869，g3809合g6940g7536g7186g14891。g1866所g11004粒g4388粒径g17751g3835，一g14336g10381μmg79450μm，g1319g12227g2010数在20%以上。g3252g8504g3809合材料的g1363g11004性能主要g1927g4462
g1122粒g4388的性g17148，g8504g7114粒g4388的强g2282g1328g11004g5194g993g7186g14891，g1306却g3835g3835提高了材料耐磨性和综合力学性能，这种方式主要g11004g1328耐磨g1955摩的材料，如硬g17148合g18341、粘接g11734轮材料等。
2,纤维增强复合材料的复合机制
广义的纤维增强g3809合材料是g6363g11013高强度、高g8181量g14042性纤维g12879增强g1319g994韧性g3534g1319(g7653g14038、
g18341g4658)g6122g14042性g3534g1319(g19530g10955)g13475一g4462工艺g3809合g13792成的g3822g11468材料。提高g3534g1319在室温和高温下的强度和g5389性g8181量是纤维增强g7653g14038g6122g18341g4658的主要设计目标，g13792纤维增强g19530g10955的主要目的g5194非是g1038
提高g1866强度和g5389性g8181量，g1866g11540眼g9869在g1122提高g3534g1319材料的韧性，g2375增韧。g3252g8504，通g5132所讲的纤维增强g3809合材料主要g6363纤维增强g7653g14038g6122纤维增强g18341g4658材料。
增强纤维的种g12879g5468g3822，根据直径的g3835小和性能特g9869，可g2010g1038纤维和晶须g1016种g12879g3423。目前g11004g1328增强g1319的纤维g3835g3822数是直径g1038几至几g2325微米的g3822晶材料g6122非晶材料，g3252g19283度的g993g2528
又可细g2010g1038连续g19283纤维和短纤维。
(1) 短纤维及晶须增强g3809合材料。g1866强g2282机制g994弥散强g2282g3809合材料的强g2282机制g12879g1296。
g1306g11013g1122纤维明g7186具有方向性，g3252g8504在g3809合材料制g1328g7114，如g7536纤维g6122晶须在材料g1881的g2010布g1075
具有一g4462方向性，则g1866强g2282g6940g7536g5529g9994g1075是g2520向异性的。短纤维(g6122晶须)对g19530g10955的强g2282和韧
g2282g1328g11004g8616颗粒增强g1319的g1328g11004更有g6940更明g7186，纤维增g2164了g3534g1319g994增强g1319的g11040面面g12227，具有更
g1038强烈的g16022g13453偏转和g19471g8502g16022g13453g6205展g6940g7536。
(2) g19283纤维增强g3809合材料。这g12879g3809合材料的增强g6940g7536主要取g1927g1122纤维的特性，g3534g1319g2494
g17227传递和g2010散g5224力的g1328g11004，材料力学性能主要取g1927g1122纤维的强度、纤维g994g3534g1319的g11040面强度、
g3534g1319的抗剪强度。g1866强度的增强g6940g7536g994纤维的g1319g12227g2010数、纤维直径、纤维的抗g6301强度、纤维g19283度、g19283径g8616、g3534g1319的黏结强度、g3534g1319的抗g6301强度有g1863。g5224g11004g17751g3822的有玻璃纤维和碳纤第10章 材料研究新进展
·213·
·213·
维增强g3809合材料。纤维增强g6940g7536是按以下g2419则设计的,
g311g3承g2475载荷的主要是纤维增强g1319，故g17885g11004纤维的强度和g5389性g8181量要g17840g17840高g1122g3534g1319。
g312 g3534g1319g994纤维g5224有一g4462的g11468g4493性和浸润性，g1457证g4570g3534g1319所g2475力传递g2052纤维上g727g1306g1016g13785
结合强度太低，纤维g17227g993g2052g1328g11004，g11468g2465则会导g14280材料变g14042。
g313g3纤维排g2027方向g994构件g2475力方向一g14280。
④ 纤维g994g3534g1319热g14204g13972g13007数g11468近，且g1457证制造和g1363g11004g7114g1016g13785g11040面上g993发生g1363力学性能下降的g2282学g2465g5224。
⑤g3—g14336纤维g1319g12227g2010数g17246高、g19283径g8616g17246g3835(L/dg3835)强g2282g6940g7536g17246好。
10.1.5 复合材料的应用
g19512g19530g10955g3534g3809合材料尚处在g11752g12362g5332发阶段，g5194有少量g5224g11004g3818，g13870合物、g18341g4658、碳g3534和g9163
g1969g3315g3534g3809合材料g5062广泛g5224g11004g1122g2520个领域中。
1,在信息技术领域内的应用
信息技术包括信息g14731g5483、信息处g10714、信息存储执行几部g2010。
(1) g3809合材料g11004g1122信息的g14731g5483。g14731g5483信息主要依靠g2520敏感器件的检测，g13792敏感器件则
g11013g2520种换能材料组成。换能材料把对g3818g11040的感知通过物g10714量g15932现的信息(如光、热、声、磁、
辐射等)转换成电信号。g993g1177可依靠功能g3809合材料设计自g11013度g3835的特g9869g14731g5483高g1260值的换能材料，还可g2045g11004g3809合g6940g5224，特别是g1866中的“乘g12227g6940g5224”设计出高g6940的新g3423换能材料。
(2) g3809合材料g11004g1122信息处g10714。信息处g10714主要依靠电g4388技术。随g11540电g4388技术的g17839g8505，电
g4388芯片的集成度g4570g17246来g17246高，g13792芯片的散热问题g4570是发展的障碍。g11752g12362g15932明，碳g2282硅颗粒增强g19121g3809合材料的导热g13007数以及g994集成电g17347硅片的热g14204g13972g13007数g2317g18209均能g9397g17287要求。这是一种g11004g1122芯片g4565装的g5277g1227材料，可以g20056计在21g1002g13438会g5483g2052g17839一g8505提高g994发展。g8504g3818，电g4388设备的电g17347板都是g13467物增强g13870合物g3809合材料，g1866g11004量可观。g11013g1122信息处g10714的g17907度g17246来g17246g5567，
g3252g8504g11752制具有g1260良超高频g1183电性能的g3809合材料是当前和g1182后的重要g1881g4493，g8504g3818机g3783和屏蔽板g1075g3835量g1363g11004g3809合材料。
(3) g3809合材料g11004g1122信息存储。目前g11004g1122信息g1901g1849、g16772g5417、存储和g16847出的磁性材料如磁
g5114、磁g11436等，g3835都是g17731磁g17148细粉g9163g1849g13870合物g3534g1319制成的g3809合材料。尽管目前光g11436g16772g5417g5062g13475
g7234g17953，g1306是磁g16772g5417g1185有g1901、g16847方g1427的g1260g9869，在一g4462g7114期g1881g1185会向高g16772g5417密度方向发展。
(4) g3809合材料g11004g1122信息传g17767。信息的传g17767，在g3332面上g11004光g13530和微波，g17840g17329离要g11004g1166造
g2367g7155。光g13530中的光导纤维g7424g17535g4613是一种g3809合纤维，光g13530g6264g3883管g1075g3835量g18331g11004g3809合材料。微波通信设备中，g6255物g5430天g13459g2465射板以及波导管等均g11004g1820g17839g3809合材料制造，g3252g13792g17148量小、刚度好。至g1122通信g2367g7155，g1166们g18331g11004g1820g17839g3809合材料g1328g1038g7155g1319结构和天g13459。g3252g8504g3809合材料在这方面
g3835有g11004g8506g1055g3332。
(5) 信息执行对g3809合材料的要求。信息的执行g19512了声、光、图g1699g3818，重要的是在机械
g2172g1328上。g1375如信息g6363g6393机械g6175和机器g1166以及g1866他一g1135自控机械g17839行g2172g1328。对前g1016种，要求
g1866g2172g1328g14230的运g2172g5827性小，从g13792g1363g2172g1328g5567g17907g13792g1946g11842，这g4613需要运g2172部位的结构材料具有低密度、高刚度和高强度，g3809合材料是最能g14000任的。可以g20056见g3809合材料在这方面会有好的发展前g7235。
金属学与热处理
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2,复合材料在机械工业的应用
g3809合材料在机械工g1006主要g11004g1122g19412、g8905、g21843轮、g20130机、g2506片、g17736承及密g4565件等。g11004g18222g18287
玻璃g19062和纤维增强g13870g1005g9923制成的g19412g19388g1363g11004寿命g8616g993g19164g19062g19412g19388的g19283，且g1227g7696g1427g4464，玻璃g19062g993
g1177g17148量小g13792且耐腐蚀，g5132g11004g1122g8905g3783、g2506轮、g20130机机g3783及g2506片。g19148g19093g8905一g14336重几g2325g2327g1823，g13792
玻璃g19062g8905g1177重几g2327g1823，g5194且耐腐蚀性好。碳/碳g3809合材料耐高温，摩g6842g13007数低，g5132g11004g1122机械密g4565件。
3,复合材料在汽车工业及交通运输方面的应用
要g1363g8785g17722提高g17907度，g5529须g1955小g8785g17722的g17148量。g8785g17722g17148量g1955小还可以g14422g11477g10135料，降低g8757g7591。
g11004高强g19062代替g7234通g19062，g17148量可降低20%g79430%，g11004g19121合g18341代替，g17148量可降低50%，g1306g1227g7696
高出 80%。g3809合材料g5224g11004最活g17303的领域是g8785g17722工g1006，g13870合物g3534g3809合材料可g11004g1582g17722g17535、g20549g2172
g17736、g6817g13449g7450、方向g11436、g4470g14341隔板、g5225g11436、结构g7765、发g2172机g13629、散热器g13629等部件。在g3281g3818g13870
合物g3534g3809合材料g5062广泛g11004g1122制g1328g2520种g8785g17722g3818g3783、摩g6188g17722g3818g3783以及高g17907g2027g17722g17722g2422g2422g1319。尽管玻璃纤维g3809合材料的g8616刚度g8616g18341g4658低，g1306g11719墨纤维增强g3809合材料的g8616刚度g8616g18341g4658要高g727
g13870合物g3534g3809合材料的g1260g9869是g17148量小、g8616强度g3835、g8616刚度g3835、g8616疲劳强度高、耐腐蚀，g5194可整g1319成g5430。
4,复合材料在化学工业的应用
g2282学工g1006存在的主要问题是腐蚀g1017重，g3252g8504g5460g5460g11004非g18341g4658取代g18341g4658制g1328零部件。玻璃
g19062的出现g13485g2282学工g1006g5114来了光明的前g7235，目前玻璃g19062主要g11004g1122g2520种g8145、g13604、g18352、g3624、管g17959、
g8905、g19412、g20130机等g2282工设备及g1866g18209件，玻璃g19062的特g9869是耐腐蚀、强度高、g1363g11004寿命g19283、g1227g7696
g17840g8616g993g19164g19062低g5277。g1306玻璃g19062g1177能g11004g1122低压g6122g5132压情g1929，g5194且温度g993g4464超过120g263。
5,在建筑领域的应用
在g5326g12581g1006，玻璃g19062g5062广泛g11004g1122g1931却g3624、储g8712g3624、g2367生g19400的g9032g11418g9032g13580、g7712g7897g19388g12395、安全
g5137、通g20130设备等。玻璃纤维、碳纤维增强g9163g1969g3315g3809合材料具有g1260异的力学性能，在强碱中的
g2282学稳g4462性、尺寸稳g4462性和在g11428g8712g1183g17148中耐腐蚀等特g9869，g1328g1038高层g5326g12581g3693板等的g5224g11004g7097g17247广泛。近g5192来一g1135g3281g4490，如g7097g7424在g5326g12581物领域中还g18331g11004碳纤维增强g13870合物g3809合材料来g1474g15929g2164g3278
了g11013g19454g12082g3835g3332g19675造成g6451g3363的g19062g12575g9163g1969g3315g7737g3709板g7737，g1474g3809工g1328取g5483了g12373g11784性g17839展。g14533g3281g1075g7378
g11004碳纤维g3809合材料来增强g1274g6970g3332下g19579g17959的g19148g19093g7765和增g2164g11719g8845平g2500的耐冲击波性能等。
6,在其他领域的应用
在g14349g14346g1006，g11004玻璃g19062制成的g14349g1319具有抗海生物吸g19480和耐g11428g8712腐蚀的特性。
在生物g2319学方面，g11013g1122碳/碳g3809合材料具有良好的生物g11468g4493性，现g5062g1328g1038g10294g3278的材料g11004
g1328高g5224力g1363g11004的g3818科g7905g1849物、g10285根g7905g1849g1319以及g1166工g1863g14422。
碳纤维增强g13870合物g3809合材料g11013g1122g8616强度高、g8616g8181量g3835，g1075广泛g11004g1122制造g13605g10711g6305、高g4584g3839
g10711g7846、g19047g21072g7450、g17199g17722g17199g14363、g9381g19646板、g1060器等g7003g1319g11004品。g18331g11004g3254状g8181塑料工艺，g45703mmg79412mm
短切纤维g994g7653g14038g9163合后还可g11004g1122制g1328g4490g5249g11004品。
g11013g8504可见，g3809合材料g993g1177可g11004g1122航空航天等高科技领域，g13792且在g7097g5132生活中g1075广泛g1363
g11004g3809合材料。g1306是，尽管g3809合材料g5062g15999广泛g5224g11004g1122g2520个领域，g11013g1122g1185存在一g1135问题，如g1227
g7696太g17161，特别是碳纤维和硼纤维增强的高级g3809合材料g727g2528g7114g3809合材料组g1815g19400的结合以及g3809
第10章 材料研究新进展
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合材料的连接技术g1185是g1166们g14280力g16311g1927的问题。
10.1.6 复合材料的发展
g3809合材料发展的新领域，g20330g1820g5224看领域的科学性，g1866次要依据g7114代的需求，最后是考查能否g1817g2010g1319现g3809合材料的特色和g1260g2195。
1,功能、多功能、机敏、智能复合材料
过g2447g3809合材料主要g11004g1122结构。g1866实它的设计自g11013度g3835的特g9869更g17878合g1122发展功能g3809合材料，特别在g11013功能→g3822功能→机敏→智能g3809合材料，g2375从低级g5430式g2052高级g5430式的过程中g1319
现出来。设计自g11013度g3835是g11013g1122g3809合材料可以任g5859调g14422g1866g3809合度、g17885g6333g1866连接g5430式和改变g1866
对称性等g3252素，以期g17810g2052功能材料所追求的高g1260值。
1) 功能g3809合材料
功能g3809合材料涉及的g14551g3272非g5132宽。在电功能方面导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、
半导电、屏蔽g6122透过电磁波、压电g994电g14280伸缩等g727在磁功能方面有永磁、g17731磁、磁屏蔽和磁g14280伸缩等g727在光功能方面有g17840光、g17885g6333滤光、光g14280变色、光g14280发光、抗激光、X g13459屏蔽和透X光等g727在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等g727在热功能方面有导热、绝热g994g19462
热、耐烧蚀、g19471g10135、热辐射等g727在机械功能方面则有g19471尼g1955振、自润g9381、耐磨、密g4565、g19462
g5389装甲等g727在g2282学功能方面有g17885g6333吸g19480和g2010离、抗腐蚀等。在上g17860g2520种功能中，g3809合材料均能够g1328g1038主要材料g6122g1328g1038g5529要的辅g2173材料g13792发g6393g1328g11004。
2) g3822功能g3809合材料
g3809合材料具有g3822组g2010的特g9869，g3252g8504g5529g9994会发展成g3822功能的g3809合材料。g20330g1820是g5430成兼具功能g994结构的g3809合材料。g1375如，美g3281的g1903g11004g20146机具有自我g1457g6264的隐g17535功能，g2375在g20146机的蒙皮上g5224g11004了吸收电磁波的功能g3809合材料来躲避雷g17810跟踪，g13792这种g3809合材料又是高性能的结构g3809合材料。目前g8503在g11752制兼有吸收电磁波、红g3818g13459g5194且可以g1328g1038结构的g3822功能g3809合材料。
可以g16840向g3822功能方向发展是发g6393g3809合材料g1260g2195的g5529g9994g17247g2195。
3) 机敏g3809合材料
g1166g12879一直期望g11540材料具有能感知g3818g11040g1328g11004g13792且g1582出g17878当g2465g5224的能力。目前g5062g13475g5332g3999试
g4570传感功能材料和具有执行功能的材料通过g7588种g3534g1319g3809合在一g17227，g5194且连接g3818部信息处g10714
g13007统，把传感器g13485出的信息传g17810g13485执行材料，g1363g1055产生g11468g5224的g2172g1328，这样g4613构成了机敏g3809
合材料及g1866g13007统。它能够感知g3818部环境的变g2282，g1582出主g2172的g2721g5224，g1866g1328g11004可g15932现在自诊g7041、
自g17878g5224和自g1474g3809的能力上。机敏g3809合材料g4570会在g3281g19462尖端技术、g5326g12581、交通运g17767、g8712g2045、
g2319疗g2367生、海洋渔g1006等方面有g5468g3835的g5224g11004前g7235，g2528g7114g1075会在g14422约能源、g1955少g8757g7591和提高安全性上发g6393g5468g3835的g1328g11004。
4) 智能g3809合材料
智能g3809合材料是功能材料的高级g5430式。实际上它是在机敏g3809合材料g3534g11796上向自g1927策能力上的发展，依靠在g3818部信息处g10714g13007统中增g2164的g1166工智能g13007统，对信息g17839行g2010析、g13485出g1927
策、g6363g6393执行材料g1582出g1260g2282g2172g1328。这样g4613对材料的传感部g2010和执行部g2010的灵敏度、精g11842度和g2721g5224g17907度提出更高的要求。
金属学与热处理
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2,纳米复合材料
当材料尺寸g17839g1849纳米g14551g3272g7114，材料的主要成g2010集中在g15932面。g1375如直径g10382nm的颗粒g1866
g15932面g2419g4388数g4570占有整g1319的 80%。巨g3835的g15932面所产生的g15932面能g1363具有纳米尺寸的物g1319g1055g19400存在极强的g3254g13870g1328g11004g13792g1363颗粒尺寸变g3835。如g7536能g4570这g1135纳米g2345g1815g1319g2010散在g7588种g3534g1319g1055中构成
g3809合材料，g1363g1055g993g3254g13870g13792g1457g6357纳米尺寸的g2345个g1319(颗粒g6122g1866他g5430状物g1319)，则可发g6393g1866纳米
g6940g5224。这种g6940g5224的产生是来源g1122g1866g15932面g2419g4388呈无序g2010布状g5589g13792具有特殊的性g17148，g15932现g1038量
g4388尺寸g6940g5224、宏观量g4388g19579g17959g6940g5224、g15932面g994g11040面g6940g5224等。g11013g1122这g1135g6940g5224的存在g1363纳米g3809合材料g993g1177具有g1260良的力学性能，g13792且会产生光学、非g13459性光学、光g2282学和电学的功能g1328g11004。
1) 有机-无机纳米g3809合材料
目前有机-无机g2010g4388g19400存在g11468g1126g1328g11004的纳米g3809合材料发展g5468g5567。g3252g1038g16825种材料在结构g994
功能g1016方面均有g5468好的g5224g11004前g7235，g13792且具有工g1006g2282的可能性。有机-无机g2010g4388g19400的g11468g1126g1328g11004
有共g1227g19202g3423、g18209位g19202g3423和离g4388g19202g3423、g2520种g12879g3423的纳米g3809合材料均有g1866对g5224的制备方g8873。g1375
如，制备共g1227g19202g3423纳米g3809合材料g3534g7424上g18331g11004g1969胶溶胶g8873。g16825种g3809合g1319g13007中的无机组g2010是g11004
硅g6122g18341g4658的烷g8699g3534g2282合物g13475g8712g16311、缩g13870等g2465g5224g5430成硅g6122g18341g4658g8699g2282物的纳米粒g4388g13605络，有机组g2010则以高g2010g4388g2345g1319引g1849g8504g13605络g5194g17839行g2419位g13870合g5430成纳米g3809合材料。g16825材料能g17810g2052g2010g4388级的g2010散g8712平，所以能赋予它g1260异的性能g727g1863g1122g18209位g19202纳米g3809合材料，是g4570有功能性的无机
g11428溶g1122g5114g18209合g3534g3254的有机g2345g1319中g1363g1055g5430成g18209位g19202，g9994后g17839行g13870合，g1363无机物以纳米g11468g2010散在g13870合物中g5430成纳米g3809合材料。g16825种材料具有g5468强的纳米功能g6940g5224，是一种有竞争力的功能g3809合材料g727新近发展迅g17907的离g4388g19202g3423有机-无机纳米g3809合材料是通过对无机层状物插层来制g5483的，g3252g8504无机纳米g11468g1177有一维是纳米尺寸。g11013g1122层状硅酸g11428的片层g1055g19400g15932面g5114负电，
所以可g11004阳离g4388交换g7653g14038g1523g2173静电吸引g1328g11004g17839行插层，g13792g16825g7653g14038又能g994g7588g1135高g2010g4388g2345g1319g6122
熔g1319发生g1328g11004，从g13792构成纳米g3809合材料。g11752g12362g15932明，这种g3809合材料g993g1177能g1328g1038结构材料g1075
可g1328g1038功能材料，g5194且g5062g7186g12046出具有工g1006g2282的可能性。
2) 无机-无机纳米g3809合材料
无机-无机纳米g3809合材料虽g9994g11752g12362g17751早，g1306发展g17751慢。g2419g3252在g1122无机的纳米粒g4388g4493g7143在成g5430过程中迅g17907g3254g13870g6122晶粒g19283g3835，g3252g13792丧g3845纳米g6940g5224，目前g8503在努力改善g1055中。g18331g11004g2419位生g19283纳米g11468的方g8873可以制备g19530g10955g3534纳米g3809合材料和g18341g4658g3534纳米g3809合材料，它们的性能有明
g7186改善。这g12879方g8873存在的问题是g19602以精g11842控制g11013g2419位g2465g5224生成的增强g1319含量和生成物的g2282
学组成，尚有待改g17839。
3,仿生复合材料
天g9994的生物材料g3534g7424上是g3809合材料。仔细g2010析这g1135g3809合材料可以发现，它们的g5430成结构、排g2027g2010布非g5132合g10714。g1375如，竹g4388以管式纤维构成，g3818密g1881疏，g5194呈g8503g2465螺旋g5430排g2027、
成g1038g19283期g1363g11004的g1260良天g9994材料。又如，贝g3783是以无机g17148成g2010g994有机g17148成g2010呈层状交替叠层
g13792成，既具有g5468高的强度又有g5468好的韧性。这g1135都是生物在g19283期g17839g2282演变中g5430成的g1260g2282结构g5430式。g3835量的生物g1319以g2520种g5430式的组合来g17878g5224自g9994环境的考验，g1260g14000g2167汰，g1038g1166g12879提g1391
了学习g1523鉴的途径。g1038g8504，可以通过g13007统g2010析和g8616g17751，吸取有g11004的g16280律g5194g5430成g8022念，把从生物材料学习g2052的知识结合材料科学的g10714g16782和g6175段来g17839行新g3423材料的设计g994制造。g3252g8504逐
g8505g5430成新的g11752g12362领域——仿生g3809合材料。g8503g3252g1038生物g11040能提g1391的信息非g5132丰富，以现有g8712
平还无g8873g16760识g1866机g10714，所以具有g5468强的发展生命力。目前虽g5062g13475g5332展了部g2010g11752g12362g5194g5326g12447了第10章 材料研究新进展
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g8181g3423，g17839行了g10714g16782计算，g1306g17329离真g8503掌握自g9994g11040生物材料的奥秘还有g5468g3835差g17329，可以肯g4462
这是g3809合材料发展的g5529g11013g1055g17347，g13792且前g7235广阔。
10.2 功 能 材 料
一g14336g16760g1038，功能材料是g6363g5224g11004材料的物g10714和g2282学性能如光、电、磁、声、热等特性的
g2520种材料，包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、g5430状g16772忆合g18341、储氢材料、生物g2319学材料、组g13467工程材料、纳米药物载g1319、功能g14192、功能g19530g10955、功能纤维等。
g1306是功能材料g7424g17535的g14551g3272还没有公g16760的g1017g7696的g11040g4462，所以对它的g2010g12879g1075g4613g5468g19602有统一的g16760
识。g8616g17751g5132见的g2010g12879g8873有,
g311 按材料的g2282学g19202g2010g12879，功能材料g2010g1038功能性g18341g4658材料、功能性无机非g18341g4658材料、功能性有机材料和功能性g3809合材料。
g312 按材料物g10714性g17148g2010g12879，这样g4613有磁性材料、电性材料、光学材料、声学材料、力学材料、g2282学功能材料等。
g313 按功能材料的g5224g11004领域g2010g12879，这样有电g4388材料、g1903工材料、核材料、信息工g1006g11004材料、能源材料、g2319学材料等。
④ 按g1363g11004性能，可g2010g1038微电g4388材料、光电g4388材料、传感器材料、信息材料、生物g2319g11004
材料、生g5589环境材料、能源材料和机敏(智能)材料等。
这里主要g1183绍g5430状g16772忆合g18341、超导材料、储氢材料、非晶g5589合g18341、智能材料和梯度功能材料。
10.2.1 形状记忆合金
所g16871g5430状g16772忆材料是g6363具有一g4462初g3999g5430状的材料g13475变g5430g5194g3278g4462成另一种g5430状后，通过热、光、电等物g10714刺激g6122g2282学刺激的处g10714后，又可恢g3809成初g3999状g5589(g5430状)的材料，g2375无生命的材料却具有一g4462的“g16772忆”功能。在g11752g12362 Ti-Ni 合g18341g7114发现：g2419来弯曲的合g18341丝g15999g6301
直后，当温度升高g2052一g4462值g7114，它又恢g3809g2052g2419来弯曲的g5430状。g1166们把这种现象称g1038g5430状g16772
忆g6940g5224(Shape Memory Effect，SME)，具有g5430状g16772忆g6940g5224的g18341g4658称g1038g5430状g16772忆合g18341(SMA)。
迄g1182g1038g8502，g5062有 10 g3822个g13007g2027、50 g3822个品种g5430状g16772忆合g18341。g5430状g16772忆合g18341g5062广泛g5224g11004g1122g1166
造g2367g7155、机器g1166和自g2172控制g13007统、仪器仪g15932和g2319疗设备。近g5192来，又在高g2010g4388g13870合物、g19530
g10955、玻璃材料、超导材料中发现g5430状g16772忆现象。
1,形状记忆原理
g5430状g16772忆合g18341g994g7234通g18341g4658变g5430及恢g3809有g993g2528，如图10.5所g12046。g7234通g18341g4658材料，当变g5430
在g5389性g14551g3272g1881g19512g2447载荷后可以恢g3809g2052g2419来g5430状，无永久变g5430，g1306当变g5430超过g5389性g14551g3272，再
g2447载荷，材料g4613发生永久变g5430，如图10.5(a)所g12046。g13792g5430状g16772忆合g18341在变g5430超过g5389性g14551g3272，
g2447g19512载荷g1075会发生残g11053变g5430，g1306这部g2010残g11053变g5430在g1866后g2164热g2052g7588一温度g2375会消g19512g13792恢g3809g2419
来g5430状，如图10.5(c)所g12046。g5430状g16772忆合g18341又是一种超g5389性合g18341，当变g5430超过g5389性g14551g3272后在
g7588一程度g1881，当g2447g19512载荷后，它能慢慢g3332返回g2419g5430，如图10.5(b)所g12046，这种现象称g1038g17227g5389
性g6122伪g5389性。g3835部g2010g5430状g16772忆合g18341的g5430状g16772忆机g10714是热g5389性马氏g1319g11468变。马氏g1319g11468变g5460g5460
金属学与热处理
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具有可逆性，g2375把马氏g1319(低温g11468)以g17287够g5567的g17907度g2164热，可以g993g13475g2010g16311直接转变g1038高温g11468(母
g11468)。母g11468向马氏g1319g11468转变g5332g3999、终了温度称g1038
s
M,
f
M 。马氏g1319向母g11468逆转变g5332g3999、终了温度称g1038
s
A,
f
A 。具有马氏g1319逆转变，且
s
M g994
s
A g11468差g5468小的合g18341，g4570g1866g1931却g2052
s
M g9869以下，
马氏g1319晶核随温度下降逐渐g19283g3835，温度回升g7114马氏g1319片又g2465过来g2528g8505g3332随温度上升g13792缩小，
这种马氏g1319叫热g5389性马氏g1319。在
s
M 以上g7588一温度对合g18341施g2164g3818力g1075可引g17227马氏g1319转变，g5430
成的马氏g1319叫g5224力g16837发马氏g1319。有g1135g5224力g16837发马氏g1319g1075g4658g5389性马氏g1319，g5224力增g2164g7114马氏g1319
g19283g3835，g2465g1055马氏g1319缩小，g5224力消g19512后马氏g1319消g3845，这种马氏g1319叫g5224力g5389性马氏g1319。g5224力g5389
性马氏g1319g5430成g7114会g1363合g18341产生g19480g2164g5224变，当g19512g2447g5224力g7114，这种g19480g2164g5224变g1075随g1055消g3845，这种现象称g1038超g5389性(伪g5389性)。
(a)普通金属 (b)超弹性 (c)形状记忆合金
图10.5 形状记忆效应和超弹性
母g11468g2475力生成马氏g1319g5194发生g5430变，g6122g1820淬火g5483g2052马氏g1319，g9994后g1363马氏g1319发生塑性变g5430，
变g5430后的合g18341g2475热(温度高g1122
s
A )g7114，马氏g1319发生逆转变，回g3809母g11468g2419g3999状g5589g727温度升高至
f
A
g7114，马氏g1319消g3845，合g18341完全回g3809g2052g2419来的g5430状。g11013g8504可见，g5430状g16772忆材料g5224具备如下条件：
马氏g1319g11468变是热g5389性的g727马氏g1319g9869阵的g993变切变g1038孪变，亚结构g1038孪晶g6122层错g727母g11468和马氏g1319均g1038有序g9869阵结构。g5430状g16772忆g6940g5224是热g5389性马氏g1319g11468变产生的低温g11468在g2164热g7114向高温
g11468g17839行可逆转变的结g7536。g1306是,具有热g5389性马氏g1319g11468变的材料g5194g993都具有g5430状g16772忆g6940g5224。
g5430状g16772忆g6940g5224g2010g1038g1016种。材料在高温下制成g7588种g5430状，在低温下g4570g1866任g5859变g5430，若g4570
g1866g2164热g2052高温g7114，材料恢g3809高温下的g5430状，g1306重新g1931却g7114材料g993能恢g3809低温g7114的g5430状，这是g2345程g16772忆g6940g5224g727若低温下材料g1185能恢g3809低温下的g5430状，g4613是双程g16772忆g6940g5224。
2,形状记忆合金的分类
g5430状g16772忆合g18341是g3252热g5389性马氏g1319g11468变及g1866逆转变g13792具有g5430状g16772忆g6940g5224的合g18341材料。g5430
状g16772忆合g18341是g5430状g16772忆性能最好的材料。按照合g18341组成和g11468变特g5461，具有g17751完全g5430状g16772忆
g6940g5224的合g18341可g2010g1038三g3835g13007g2027：Ti-Nig13007g5430状g16772忆合g18341，铜g3534g13007g5430状g16772忆合g18341和g19093g3534g13007g5430状g16772
忆合g18341。
1) Ti-Ni合g18341
近等g2419g4388g8616的 Ti-Ni 合g18341是最早g5483g2052g5224g11004的一种g16772忆合g18341。g11013g1122g1866具有g1260异的g5430状g16772
忆g6940g5224、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及g1866他合g18341无g8873g8616拟的热疲劳性g994良好的生物
g11468g4493性以及高g19471尼特性等，g3252g13792g5483g2052广泛的g5224g11004。g1306g2419材料昂g17161，制造工艺困g19602，g1363g1866成第10章 材料研究新进展
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g7424高，且切削g2164工性g993良。实g11004的具有g5430状g16772忆g6940g5224的 Ti-Ni 合g18341的成g2010是在近等g2419g4388g8616
的g14551g3272g1881，Ni g1815素的含量g1038 55%g79456%(g17148量g2010数)，根据g1363g11004目的g993g2528可g17878当g17885取g1946g11842的合g18341成g2010。Ti-Nig16772忆合g18341的g11468变温度对成g2010最敏感，含Ni量每增g21640.1%，g4613会引g17227g11468变温度降低10g263，添g2164的第三g1815素对Ti-Ni合g18341g11468变温度的g5445g2721g1075g5468g3835。
2) 铜g3534合g18341
g11013g1122铜g3534g5430状g16772忆合g18341母g11468都是有序g11468，故热g5389性马氏g1319g11468变的特性g5468明g7186。铜g3534合
g18341具有g1227g7696g1427g4464、生产过程简g2345、良好的g5430状g16772忆g6940g5224、电g19471率小、g2164工性能好等特g9869，
g1306g19283期g6122g2465g3809g1363g11004g7114，g15932现出g16772忆性能衰退现象，这种衰退可能是g11013g1122马氏g1319转变过程中产生的g14551性和局部马氏g1319g11468变产生“稳g4462g2282”所g14280。逆g11468变g2164热温度g17246高，衰退g17907率g17246g5567g727
载荷g17246g3835，衰退g1075g17246g5567。g2164g1849g17878量的g12244g3315和Ti、Mn、V、B等g1815素，g6122g18331g11004粉g7423g1930g18341和g5567
g17907g1969g3278等方g8873可提高g16772忆性能，g1866中g5062g5483g2052实际g5224g11004的是CuZnAl、Cu-Al-Mn和CuAlNi，
g4600g1866是CuZnAl合g18341g5224g11004g17751广。
3) g19093g3534合g18341
g19093g3534g5430状g16772忆合g18341具有强度高、塑性好、g1227g7696g1427g4464等g1260g9869，g8503在逐渐g2475g2052g1166们的重g16282。
g19093g3534g13007g5430状g16772忆合g18341的g5430状g16772忆g6940g5224既有通过热g5389性马氏g1319g11468变来g14731g5483的，g1075有通过g5224力
g16837发ε马氏g1319g11468变(非热g5389性马氏g1319)g13792产生g5430状g16772忆g6940g5224的。g8503在g5332发和g11752g12362的g19093g3534g16772忆合
g18341主要有Fe-Mn-Sig13007和Fe-Ni-Co-Tig13007。
3,形状记忆合金的应用
g5430状g16772忆材料的g5224g11004g5062g17953及航空、航天、机械、电g4388、能源、g2319学以及g7097g5132生活中。
具有g5430状g16772忆g6940g5224和超g5389性的合g18341g5062发现g5468g3822，g1306目前g5062g17839g1849实g11004g2282的主要有 Ni-Ti 合g18341
和Cu-Zn-A1合g18341，前g13785g1227g7696g17751高，g1306性能g1260良，g5194g994g1166g1319有生物g11468g4493性，后g13785g1227g7696低g5277。
g1866他合g18341g3252晶g11040面g7143g7041g16022，g2494有处g1122g2345晶g7114g6177能g1363g11004，目前尚g993g17878g4464g1122工g1006g5224g11004。g5430状g16772
忆合g18341的g5224g11004领域g5468广，从精密g3809g7446的结构件g2052g17751g1038简g2345的连接件、g13051g3278件g727从g14422约能源的g5430状g16772忆合g18341发g2172机g2052过电g8981g1457g6264器等。g11004g1328管g17959连接件，是g16772忆合g18341g11004量最g3835的一g20045
g11004途。g17885g11004g16772忆合g18341制g1328管接g3848连接件，连接管接g3848，可以g19462g8502g11004传统g9950接所引g17227的组g13467
变g2282，更g17878合g1122g1017g12117明火的管g17959连接，g13792且g6817g1328简g1427，密g4565性能可靠。g2045g11004g5430状g16772忆合g18341
在恢g3809g2052高温g5589g5430状g7114g5389性g8181量高，g13792在低温马氏g1319g11468状g5589下g5389性g8181量g17751低的特性，可以
g4570g5430状g16772忆合g18341制g1328成g5389g12795g1815件，g1363g1055具有双向g2172g1328功能，g17227g2052温度控制g1815件的g1328g11004。g5224
g11004g1122电g8981g7041g17347器、自g2172g5190g10169g12677、空调机g20130向自g2172调g14422器、热机等。Ti-Ni合g18341可g5224g11004g1122g2319学上的g2487g14120g10285g21843g11711g5430丝以及g3818科中g2520种g11711g5430g1319、g20604连接器、g15892管g3853、g15892管g6205g5364g1815件、g1969g15892滤器等。
10.2.2 超导材料
1,超导材料理论
1911 g5192，荷g1860物g10714学g4490g5693g9049g7043在g9094氮温度下测量g8712g19146电g19471g7114发现，在 4.2K(热力学温标)g7114，出现电g19471g12373g9994消g3845的现象，这种现象称g1038超导现象。能出现超导现象的物g1319称g1038超导g1319g727超导g1319出现零电g19471状g5589g7114称g1038超导g5589g727g4462义超导g5589出现的温度g1038g1032g11040温度，g16772g1038
c
T,
g11004热力学温标(g2345位K)计。后来还发现，如g7536把超导g1319g6930在磁g3342中g2164以g1931却，则在材料电g19471
金属学与热处理
·220·
·220·
消g3845的g2528g7114，磁感g5224g13459g4570从导g1319中排出，g2375出现所g16871完全抗磁性(g17820g7043纳g6940g5224)。超导性和抗磁性是超导g1319的g1016个主要特g5461。
在一g4462条件(温度、磁g3342、电g8981等)下具有超导电性的材料g1038超导材料(superconducting
material)。根据超导g1319排g7033磁力g13459的特性及g1866和g1032g11040磁g3342的g1863g13007来看，超导g1319可以g2010g1038g1016g12879：
第g265g12879超导g1319和第g266g12879超导g1319。g1016g13785g2318g2010可g11013g18341g1869g3573-g7403g17959参量 K g1927g4462。第g265g12879超导g1319在
g1032g11040磁g3342强度以下，磁通量g15999完全排g7033，g3252g13792这g12879超导g1319又称g1038完全抗磁g1319。随g11540超导现象g11752g12362的g993g7041g9157g1849，一方面是提出g2520种g1863g1122超导电性的g10714g16782，另一方面是在这g1135g10714g16782g6363导下，g11752g12362提高超导g1032g11040参数的途径，g11752制g2520种具有高g1032g11040参数的超导材料。在g10714g16782g11752g12362方面，F,g1274g6970和 H,g1274g6970(London)g1816g5363二g1166提出了g1274g6970方程，g20056g16340超导g1319存在一个电磁透g1849
层g7271950g5192，g7403g17959和g18341g1869g3573提出了Gg713L方程，g5430象g3332g6563g17860了超导电g4388的行g1038，有g2173g1122g9157
g1849g10714g16311超导g1319中包括磁通量g4388g2282现象在g1881的g2520种电磁性能。
1957 g5192，g5064g981、g5223g10644和施里g5355三g1166g11013电g4388-声g4388g1328g11004出发，提出了g16311g18334超导现象g8616g17751
成功的微观g10714g16782，称g1038 BCS g10714g16782。根据 BCS g10714g16782，在g8503g5132g5589的g18341g4658中，导g1319中传导电g8981
的自g11013电g4388，主要是g17165米能级g19480近的自g11013电g4388。g18341g4658的g17165米能级g1038leVg79410eV的数量级，
所以这部g2010电g4388的g5515布g13611g5859波g19283g1038 4Ag79412A(0.4nmg7941.2nm)，这g8503是晶g7696g19400g17329的数量级。
这部g2010电g4388在晶g7696中传g6785g7114，会g2475g2052晶g7696振g2172、晶g7696g13582g19531和g7446g17148的散射，g5430成电g19471。在低温下，尽管晶g7696的振g2172g1955g5381会g1363电g4388g2475g2052的散射g1955小，g1306g7446g17148和晶g7696g13582g19531g994温度无g1863，如
g7536g1185g9994是g11013g2345个的自g11013电g4388来传导电g8981，则电g19471g993可能g1038零。BCSg10714g16782的g3534g7424g9869是，在低温下超导g1319中，g2172量g3835小g11468等、方向g11468g2465、自转方向g11468g2465的g1016个电g4388会g5456g8504吸引g13792g5430成g7475
g13550的电g4388对，称g1038g5223g10644对。g3835量g5223g10644对的集合g5589g4613是超导g5589，g13792g5223g10644对的g5430成则是通过电
g4388-声g4388的g11468g1126g1328g11004。g17839一g8505的g11752g12362g15932明，g5223g10644对中g1016个电g4388的结合g5468g7506散，它们g1055g19400的g17329
离可以g17810g2052微米(10
-6
m)这一宏观数量级。g3252g8504g993会g2475g2052晶g7696g13582g19531和g7446g17148这种微观尺度(g3835约
g103810
-10
m)结构的散射。另g3818，g11013g1122g5223g10644对中g1016个电g4388的g2172量g11468g2465，g5223g10644对的g17148g5527g2172量g1038零。
有电g8981g7114，g5223g10644对g1328g1038整g1319产生g4462向运g2172，g17148g5527的g2172量g5468小，波g19283g5468g19283，g1075g993会g15999晶g7696振
g2172、晶g1319g13582g19531和g7446g17148散射，所以超导g5589以g5223g10644对g1328g1038传导电g8981的载g1319，g4613没有电g19471。g5223g10644
对的结合能g2494有 10
-3
eV g5050g2503，当导g1319的温度 Tg730
c
T (g1032g11040超导温度)g7114，热运g2172g1363g5223g10644对g16311
g1319成g1038g8503g5132电g4388，超导g5589g4613g15999g11784g3363g13792g17839g1849g8503g5132g5589。g11013 BCSg10714g16782计算出的电g4388的g8616热g4493、g1032
g11040磁g3342等和温度的g1863g13007都g994实验g12538合。g2528g7114，它还可以导出在它g1055前g4613g5062g13475发展g17227来的g2819
象g10714g16782，如g18341g1869g3573-g7403g17959g10714g16782、g1274g6970g10714g16782，g5194且可以g16311g18334更g3822g11013这g1135g10714g16782g993能g16311g18334的现象，
g3252g13792g1038g3835g4490g7234g17953g3332接g2475。
2,超导材料的种类
1) 超导g1815素
1911 g5192g7423g5693g9049g7043g20330次在g1815素g8754中发现超导性。g8754发生g8503g5132—超导转变g7114的温度(
c
T )是
4.15K。g1016g5192后，发现g19097的
c
T g7297.2K，g8616g8754高。至g1182，g5062发现的超导g1815素接近50种，g1866中g5132
压下有28种g1815素具有超导性，g1866g1325的g1815素在高压下g6122g13785g13475过特殊工艺处g10714(如制备成薄g14192、
电磁波辐照、离g4388g8892g1849等)g7186g12046具有超导性。g1815素中
c
T 最高的是g19104(9.26K)。超导g1815素g13870集在
g2620期g15932的g1016个g2318域，g5050g17805的过g9205g18341g4658和g2503g17805的非过g9205g18341g4658，g1866中有的g1815素g2494有以薄g14192g6122在高压下g6122辐照后g6177会呈现超导性。超导g1815素g3835g3822具有晶g1319结构的高对称性，面g5527g12447方(fcc)、
第10章 材料研究新进展
·221·
·221·
g1857方密排(hpp)g6122g1319g5527g12447方(bcc)。g1075有g1375g3818，如g8754(三g16294晶g1319)、g19123(四方晶g1319)、g19189(四方晶g1319)
和g19239(g8503交晶g1319)。实验发现，对g2528一种g1815素的g993g2528g2528位素，g1866
c
T g994g2528位素的g17148量M有g1863(g2528
位素g6940g5224)，可g15932g17810g1038
a
c
MTg729g5132数。对g5468g3822g1815素来g16840，a近g1296等g11220.5，g1375如Hg(0.50)、Pb(0.48)、
Sn(0.47)和Zn(0.45)。g1306g1075有g1135g1815素(特别是过g9205g18341g4658超导g1319)的ag86160.5小g5483g3822。
2) 超导合g18341
超导合g18341是超导材料中机械强度最高、g5224力g5224变最小、磁g3342强度低的超导g1319。合g18341是
g1866组成g2419g4388无g16280则g3332g2010布在晶g7696位g13634上的g3278溶g1319g6122g9163合物，g7588g1135合g18341在特殊的g2419g4388g8616g7114g1075
成g1038有序的。无g16280则的和有序的物g17148都能成g1038超导g1319。在二g1815无g16280则合g18341中，g1016种过g9205g1815
素能以任何g8616g1375g9163合。这种合g18341的
c
T 可以g8616每一种组成g1815素的
c
T 都高，可以在g1866中g19400，g1075
可以g8616g1866低。合g18341的
c
T 随g1866g1227电g4388
c
N g13792变g2282，当
c
N 接近4.7和6.5g7114，出现
c
T 的极g3835值。
合g18341的电g4388g8616热g4493g13007数γ g1075有g12879g1296的g16280律。g11013g19104和g19055组成的合g18341超导g1319(allloy
superconductor)，具有良好的g2164工性能，是g5224g11004最广的实g11004超导材料(工g1328磁g3342低g11228T，
温度低g1122 5K)，g1868g3423的 Nb-Ti 合g18341超导材料有 Nb g17148量g2010数g1038 50%的 Nb-Ti 合g18341和 Nb
g17148量g2010数g103846.5%的Nb-Ti含g18341等。
3) 超导g2282合物
g18341g4658g19400g2282合物超导g1319的
c
T 一g14336g8616超导合g18341高，Nb
3
Sn的
c
T g72918.3K，有强磁g3342特性，g17148
g14042。V
3
Ga 的
c
T g72916.8K。g1032g11040温度
c
T 高g1122 77K 的超导g1319称g1038高温超导g1319(high temperature
superconductor)。新g3423的g8699g2282物高温超导g1319g994传统超导g1319g11468g8616g17751，有g1866独特的结构和物g10714特
g5461。主要g15932现在它们具有明g7186的层状结构、g17751短的超导g11468g5190g19283度、g17751强的g2520向异性以及
c
T 对载g8981g4388g8999度的强g11468g1863g1863g13007。g2819象的g18341g1869g3573-g7403g17959g10714g16782g17751好g3332g17878g11004g1122高温超导g1319，g1306高温超导
g1319的g18209对机g10714目前还g993g9177g7982。g11468对g1122g8699g2282物高温超导g1319g13792g16340，g1815素、合g18341和g2282合物超导g1319
的超导转变温度g17751低(
c
T ≤30K)，g1866超导机g10714g3534g7424上能在BCSg10714g16782的g7706g7562g1881g17839行g16311g18334，g3252
g13792通g5132又g15999称g1038g5132g16280超导g1319g6122传统超导g1319。
4) g19530g10955超导g1319
1986g5192超导g19530g10955的出现，g1363超导g1319的
c
T g14731g5483重g3835的g12373g11784，g2375在g9094氮温度以上的g3809g11468材料中观g4531g2052了超导性，LaBaCuOg1319的发现，g1363
c
T > 30K。1987g5192美g3281g1253g7043g6970g3835学观g4531g2052了转变温度的g17227g3999g9869g1038 92K，中g3281科学g4490g11004g12244g3315g19035取代 La-Ba-Cu-O 中的 La，g5430成
YBa
2
Cu
3
O
7-x
，g1075取g5483了超过90K的好成g7536。1988g5192，g19102g19061g19053铜g8699(TlBaCaCuO)的
c
T g5062超过
120K。1993g5192，HgBa
2
Cu
3
O
y
的
c
T g5062g17810133K。高温超导的g11752g12362方g1864未g14418，更高
c
T 的超导材料还在g17839一g8505g6518g13046中，g20056计g5483g2052g5190g1924温度(240K)，甚至室温的超导g1319都是可能的。
3,超导材料的应用
g2045g11004超导g1319的零电g19471g6940g5224、完全抗磁g6940g5224和约g10803g3839g7874g6940g5224，超导g1319在g3281g19462、交通、电工、g3332g17148g6518g11731和科学g11752g12362(回旋g2164g17907器、g2475控热核g2465g5224装g13634)中都有广泛g5224g11004。可以g1363g3835功率发电机、电g2172机降低能g13803，g5194且可以小g3423g2282。g2045g11004超导磁g1319磁g3342强、g1319g12227小、g17148量小的特g9869，可g11004g1122负载能力强、g17907度g5567的超导g5760g9026g2027g17722和超导g14349g2494。g2045g11004超导g19579g17959g6940g5224，可制造g1002g11040上最灵敏的电磁信号的g6518测g1815件和g11004g1122高g17907运行的计算机g1815件。g11004这种g6518测器制造的超导量g4388g5190涉磁强计可以测量g3332g10711磁g3342几g2325g1171g2010g1055一的变g2282，能测量g1166的g14053磁图和g5527磁图，还可g11004g1122g6518测g9157g8712下的g9520g8712g14363g727g6930在g2367g7155上可g11004g1122g11731产g17176源g7234查，通过测量g3332g10711磁g3342
金属学与热处理
·222·
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的细微变g2282g1038g3332g19675g20056g6265提g1391信息。超导g1319g11004g1122微波器件可以g3835g3835改善g2367g7155通信g17148量。在超导g5224g11004中，一g14336g2010g1038强电方面的g5224g11004和g5381电方面的g5224g11004g1016g3835方面。
1) 强电方面的g5224g11004
主要包括超导g1319在强磁g3342中的g5224g11004和g3835电g8981g17767g17877。超导磁g1319的g5224g11004领域g2325g2010广泛，特
g9869是超导磁g1319密度g3835，处g1122超导g5589g7114，可承载巨g3835的电g8981密度。g11004它制g1328g13481组g993需g19093芯，
g13792且超导磁g1319小g13792g17743g727g1866次是超导磁g1319的电量g6451g13803g5468低。超导磁g1319g13007统g5468g4493g7143g14731g5483g5468高的磁g3342，强磁g3342是g17839行现代物g10714g11752g12362的g5529要条件。超导磁g1319从磁g3342上可g2010g1038直g8981超导磁g1319和
g14045冲超导磁g1319。直g8981超导磁g1319工g1328在稳g5670电g8981下，可以g5483g2052极g1866稳g4462的磁g3342。g14045冲超导磁
g1319产生的磁g3342g1038三g16294波g5430g6122g1866他g14045冲波g5430，g2620期g1038几g12198。超导g1319g11004g1328导g13459传g17767g3835电g8981g7114，
导g13459g2494有g11004非g10714g5831第g266g12879超导g1319制造。目前最g5132g11004以制造超导导g13459的是传统超导g1319 Nb-Ti
g994Nb
3
Sn合g18341。Nb-Ti合g18341具有极好的塑性,可g11004一g14336g19602熔g18341g4658的g2164工方g8873g2164工成合g18341，再
g11004g3822芯g3809合g2164工g8873g2164工成以铜(g6122g19121)g1038g3534g1319的g3822芯g3809合超导g13459，最后g11004g1930g18341方g8873g1363g1866g11013 β
g2345g11468变g1038具有强g19037g6178中g5527的(α+β)双g11468合g18341，以g14731g5483g17751高的g1032g11040电g8981密度。Nb
3
Sng13459材可按照g19750铜g8873制备，g4570Nbg7846插g1849含Sn的g19750铜g3534g1319中g2164工，最后g13475g3278g5589g6205散处g10714，在Nb芯丝
g994g19750铜g11040面上g5430成Nb
3
Sn层。超导g13459g3292的主要g5224g11004g1122,
g311g3高能物g10714g2475控热核g2465g5224和g1969g13870g5589物g10714g11752g12362的磁g1319g727
g312g3NMR(核磁共振)装g13634上以提g13911Tg79410T的均匀磁g3342g727
g313g3制造发电机和电g2172机g13459g3292g727
④g3高g17907g2027g17722上的磁g5760g9026g13459g3292g727
⑤g3轮g14349和g9520g14363的磁g8981g1319和电磁g6524g17839g13007统。目前g5062有g11004高温超导材料g11752制成的g2520种磁g1319。
2) g5381电方面的g5224g11004
主要包括超导电性在微电g4388学和精密测量等方面的g5224g11004。根据交g8981约g10803g3839g7874g6940g5224，g2045
g11004约g10803g3839g7874结可以g5483g2052标g1946电压，g13792且数值精g11842，g1363g11004方g1427，在电压计量工g1328中具有重要
g5859义。它把电压标g1946提高了 2 个数量级以上，g5194g5062g11842g4462g1038g3281际标g1946。超导电g4388可以g12371g17246g3853
在g1016g3371超导g1319g1055g19400极薄(3×10
-9
mg7941×10
-5
m)绝缘层(这种结构称g1038超导结)g13792产生超导g19579g17959
g6940g5224。g2045g11004这一g6940g5224可制成g2520种器件。这种器件具有灵敏度高、g3134声低、g2721g5224g17907度g5567和g6451
g13803小等特g9869。超导g1319从超导g5589转变g2052g8503g5132g5589g7114，电g19471从零变g2052有g19492值，g2045g11004这种现象可制成g2520种g5567g2172g5332g1863g1815件。按照控制超导g1319状g5589改变的g993g2528方式，超导g5332g1863g2010g11908控式、热控式和电g8981控制式等。如按照超导g1319状g5589改变对发生g12373变的性g17148，则超导g5332g1863又可g2010g1038电g19471g5332
g1863、电感g5332g1863和热g5332g1863。一g14336g13792g16340，g11908控式g5332g1863g2721g5224g5567，g1306对g5332g1863电g17347会产生一g4462g5190g6212，
且g5460g5460g1319g12227g17751g3835，热控式g5332g1863g2721g5224慢，g1306g17751简g1427，g3252g8504g5224g11004g17751广。约g10803g3839g7874g6940g5224的另一个
g3534g7424g5224g11004是超导量g4388g5190涉器(SQUID)，它是高灵敏度的磁传感器，在SQUID里可以有1个g794
2个约g10803g3839g7874结，SQUID要求没有磁g9394的约g10803g3839g7874结，g3252g8504可g11004一个g17287够小的电g19471把薄g14192
微g7737g6122g19579g17959结g5194g13864g17227来。它的最g3534g7424的特g9869是对磁通非g5132敏感，能够g2010g17788出10
-15
T的磁g3342
变g2282。超导量g4388g5190涉g2010g1038直g8981超导量g4388g5190涉器(dc-SQUID)和射频超导量g4388g5190涉器
(rf-SQUID)。前g13785的特g9869是在一个超导环g17347中有g1016个约g10803g3839g7874结，它是在直g8981偏g13634下工g1328
的g727后g13785g1038g2345结超导环，它对直g8981g5647是短g17347的，g2494能在射频条件下工g1328。SQUID可以g11004g1122
生物磁的g6518测。目前g2045g11004g9305射、g14045冲激光沉g12227、g18341g4658有机g2282学沉g12227(MOCVD)等技术g5062能制备高g17148量的YBC0 薄g14192和高温超导g3822层g14192，高温超导g1319SQUID的g2010g17788率在1Hzg1363g11004g7114g5062
第10章 材料研究新进展
·223·
·223·
g1260g1122170×10
-15
T／Hz
1/2
，可g11004来g6518测g3835g14053的磁g3342变g2282和g5527脏磁g3342的变g2282。
10.2.3 储氢材料
氢是一种洁净、无g8757g7591、发热值高的二次能源，g1328g1038可替代能源(g2419g4388能、太阳能、g3332
热、g20130能)的转g2282产物，g5468有前途。氢气g10135烧可以g18334g6930g3835量的热能，g2345位g17148量氢的热能是g8785
g8845的 3 g1505，g13792g1866g10135烧后的产物是g8712，g993g8757g7591环境，g993g11784g3363生g5589平衡，g3252g13792氢是g9177洁、高品
g17148、g10714g5831的新能源。氢能的g2045g11004涉及氢的储存、g17767运和g1363g11004。自20g1002g1343860g5192代中期发现
LaNi
5
和FeTi等g18341g4658g19400g2282合物的可逆储氢g1328g11004以来，储氢合g18341及g1866g5224g11004g11752g12362g5483g2052迅g17907发展。
储氢合g18341是一种能在晶g1319的空隙中g3835量储存氢g2419g4388的合g18341材料，能以g18341g4658氢g2282物的g5430式吸收氢，g2164热后又能g18334g6930氢，是一种安全、g13475济g13792有g6940的储氢方g8873。g18341g4658氢g2282物g993g1177具有储氢特性，g13792且具有g4570g2282学能g994热能g6122机械能g11468g1126转g2282的机能，从g13792能g2045g11004g2465g5224过程中的焓变g5332发热能的g2282学储存g994g17767g17877，有g6940g2045g11004g2520种废热g5430式的低g17148热源，g3252g8504，储氢合g18341的众
g3822g5224g11004g5062g2475g2052g1166们的特别g1863g8892。
g1328g1038储氢材料，g1866性能要求包括氢气储存量g3835、吸收g994g18334g6930g17907度高，g5194且离g16311温度(g2375
氢g994材料的g2282学结合g11784g3363，从g13792还g2419成氢气g5194g18334g6930出来的温度)g17751低。
1,储氢材料理论
一g14336g3332，g18341g4658氢g2282物按g1866氢g19202性g17148可以g2010g1038三g12879：共g1227g19202、离g4388g19202和g18341g4658g19202，g1306这g5194
g993是g5647可以把氢g2282物g1946g11842g3332g2318g2010g5332来，g1375如，LiH 按g2010g12879g4658g1122离g4388g19202g3423，g1306实际上g7186g12046g7588
g1135共g1227g19202特性g727g12244g3315g12879氢g2282物g4658g1122g18341g4658g19202g3423，g13792有g7114却g7186g12046出g12879g1296g1122离g4388g19202g3423的特g5461，如高的g5430成热和高含氢量g7114的高电g19471率。
g311 共g1227g3423氢g2282物：g1815素和氢g2419g4388g1055g19400电荷的极性g2010g18209g11468当平均，没有g3835的电荷差别，
g2010g4388结合力g993强。这g12879氢g2282物g17246g993稳g4462，随母g11468g1815素增g2164稳g4462性增g2164，g5194且g3835g3822数有毒，
g7143g10135g6930热。g4658g1122这g12879的氢g2282物有：g19121氢g2282物、g19189氢g2282物、硼氢g2282物、锗氢g2282物。
g312 离g4388g3423氢g2282物：这g12879氢g2282物是g11013具有g5468强g8503电性的碱g18341g4658g6122碱g3315g18341g4658和氢g5430成的。
g11013g1122离g4388g19400具有g5468强的静电力g1328g11004，所以，离g4388g3423氢g2282物是高极性的，这g1135氢g2282物是晶g1319，
具有高的g5430成热和高的熔g9869，熔融g11428状g5589是电的导g1319。离g4388g19202氢g2282物g8616碱g18341g4658和碱g3315g18341g4658
的密度g2010别高 45%g79475%和 20%g79425%。g11013g1122g5468强的离g4388g19400吸引，g1363g1319g5527g12447方结构的g18341g4658
成g1038密排的面g5527g12447方结构的氢g2282物。
g313 g18341g4658g3423氢g2282物：过g9205族g18341g4658g994氢g2282合g5430成g18341g4658g3423氢g2282物。它们通g5132g7186g12046一g4462的g18341g4658
性。g1375如，高的热导率和低的电g19471率、高硬度、有光泽。g994g18341g4658g993g2528，这g1135氢g2282物g11468当g14042，
如g18341g4658铀g994氢g2465g5224，迅g17907g5430成g11468当细的粉g7423状物g17148。g3252g1038g3835g3822数g18341g4658g3423氢g2282物有一均匀的成g2010g14551g3272，所以有g7114g15999g16760g1038是氢在g18341g4658中的g3278溶g1319。
现在还g993能完全了g16311g18341g4658g3423氢g2282物的g2282学g19202的性g17148。可以g1328g1038储氢材料的氢g2282物主要有g1016种g12879g3423：g11428g3423(离g4388g3423)氢g2282物，如LiH，NaH和CaH
2
等g727另一g12879是g18341g4658g3423氢g2282物。中
g4388衍射实验g5062g13475证实，氢g2010g4388在g18341g4658g15932面g2010g16311g1038氢g2419g4388，通过g15932面g6122疏g7506的氢g2282物g14192g17839g1849
g18341g4658g1881部，g11468变g5430成氢g2282物后的氢g2419g4388是填g1817在g18341g4658晶g7696的四面g1319g6122八面g1319g19400隙位g13634上的。
g1866g19400隙g17246g3822，可能收g4493的氢g2419g4388g1075g4613g17246g3822。增g3835氢气的压力，氢g2419g4388接连g993g7041g3332挤g1849g19400隙里g1363含氢量g17810g2052饱和，合g18341全g1319成g1038氢g2282物。g11013g1122氢g2419g4388是挤g1849的，所以排g2027g1075是密集的，
金属学与热处理
·224·
·224·
g993g1177是纯g18341g4658可以g5483g2052氢g2282物，g18341g4658g19400g2282合物g1075可以g5430成氢g2282物。按照储氢机g10714的g993g2528，
g11468g5224的可以g4570储氢方g8873g2010g1038物g10714g8873和g2282学g8873g1016种。g18341g4658和氢g1328g11004的过程可以g2010g1038二g8505：第一g8505是吸g19480，第二g8505是g3278渗g6122g13785g2282学g2465g5224。吸g19480g2010g1038物g10714吸g19480和g2282学吸g19480，前g13785是可逆的，
具有低的吸g19480热，一g14336吸g19480量g8616g17751小g727后g13785一g14336g993可逆，g2375g1363有可逆过程发生，g1075需要g19283
的g9394后g7114g19400，吸g19480热g17751高，一g14336吸g19480量g8616g17751g3835。物g10714g8873储氢主要g2045g11004物g10714吸g19480和g9094g2282氢气。
g2282学g8873储氢第一g8505可能是物g10714吸g19480g1075可能是g2282学吸g19480，第二g8505则是储氢材料和氢气生成氢
g2282物，g9994后氢g2282物在一g4462条件下g6930出氢气以g17810g2052储氢目的。氢溶g1122g18341g4658可以g2010g1038g1016g12879：一
g12879是氢溶g1849g7114g6930热，另一g12879是氢溶g1849g7114吸热。g6930热g2465g5224的g5460g5460是氢和g18341g4658直接结合g5430成氢
g2282物g11468。这包括碱g6122碱g3315g18341g4658、g19055和钒g12879g18341g4658、g12244g3315(含 Se 和 Y)和锕g13007g18341g4658以及钯(Pd)。
g13792g3835部g2010g1866他g18341g4658(如Fe、Co、Ni、Cu、Ag和 Pt)当氢溶g1849g7114却是吸热的。储氢合g18341g994氢气发生如下的g2282学g2465g5224,
11
22
,
2
,
1
M(s) H (g) MH (s)
2
PT
n
PT
n H
→
++Δ
←
式中，Mg252g252储氢g18341g4658合g18341g727
HΔ g252g252g2465g5224热g727
P
1
、T
1
g252g252发生吸氢g2465g5224g7114g1319g13007所需的温度和压力g727
P
2
，T
2
g252g252发生g18334氢g2465g5224g7114g1319g13007所需的温度和压力。
g8503逆向g2465g5224构成了一个吸氢-g18334氢的循环，改变g1319g13007的温度和压力条件，可以g1363g5483g8503、
逆g2465g5224交替g17839行，这样储氢合g18341材料g4613能实现储氢-g18334氢功能。储氢合g18341的储氢-g18334氢性能
g11013合g18341和氢气的g11468平衡g1863g13007g1927g4462。按照 Gibbs g11468率，g5445g2721这个热力学g11468平衡g1863g13007的g3252素是
g1319g13007的温度、压力和组成。g3252g8504，g11468平衡g1863g13007g11013 P-C-T(pressure-composition-temperature
equilibrium)图g6122压力-成g2010等温图来g15932g12046。图 10.6 是储氢材料的储氢g252g18334氢过程的 P-C-T
曲g13459图。g11013图上可以看g2052，对g1122吸储过程和g18334g6930过程，g2375g1363在储氢材料中的氢g8999度g11468g2528g7114，
氢的平衡g2010压g1075g993一样。g18334g6930过程的平衡氢压小g1122吸储过程的平衡氢压成g1038平衡压g9394后，
g1328g1038储氢材料，g9394后g6940g5224g17246小g17246好。
图10.6 压力-组成-温度(PCT)相平衡曲线
2,储氢材料的分类
g5194g993是所有g994氢g1328g11004能生成g18341g4658氢g2282物的g18341g4658(g6122合g18341)都可以g1328g1038储氢材料，g11013g1122储氢材料g11004g1122能源领域，g3252g8504储氢材料g5224g16825具备下g17860条件,
g311 氢的吸储量g3835，g2375g2345位g17148量g6122g2345位g1319g12227储氢量g3835，一g14336可逆吸氢量g993少g1122150mL/g。
第10章 材料研究新进展
·225·
·225·
g312 g18341g4658氢g2282物的生成热要g17878当，g11004g1122储氢g7114，氢g2282物的生成热小，如g7536生成热太高，
生成的g18341g4658氢g2282物过g1122稳g4462，g18334g7114g4613需要g17751高温度g727g2465g1055，g11004g1122蓄热g7114，则希望生成热高。
g313 平衡氢g2010g16311压g17878当。在室温g19480近，具有g17878当的g2010g16311压(0.1MPag7941MPa)。若g2010g16311压过高，则吸氢g7114g1817氢压力g17751高，需要g1363g11004耐高压g4493器g727若g2010g16311压＜0,1MPa，则g5529须g2164热g6177
能g18334g6930氢，需要消g13803能源。g2528g7114，g1866 P-C-T 曲g13459g5224有g17751平坦和g17751宽的平衡压平g2500g2318，在这个g2318域g1881稍微改变压力，g4613能吸收g6122g18334g6930g17751g3822的氢气。
④ 吸氢、g18334氢g17907度g5567。
⑤ g4493g7143活g2282。储氢合g18341第一次g994氢g2465g5224称g1038活g2282处g10714，活g2282的g19602g7143直接g5445g2721储氢合g18341
的实g11004g1227值，它g994活g2282处g10714的温度、氢气压及储氢合g18341纯度等g3252素有g1863。
⑥ 传热性能好。
⑦ 在储存g994运g17767中性能可靠、安全、无害。
⑧ g2282学稳g4462性好，g13475g2465g3809吸、g6930氢，材料性能g993衰g1955，对氢气中所含的g7446g17148(如O
2
、
CO、Cl
2
、H
2
S、H
2
O等)敏感性小，抗中毒能力强，g2375g1363有衰g1955现象，g13475再生处g10714后，g1075能恢g3809g2052g2419来的g8712平，g3252g13792g1363g11004寿命g19283。
⑨ g2419料来源广、成g7424低g5277。能够g3534g7424上g9397g17287上g17860要求的主要合g18341成g2010有Mg、Ti、Nb、
V、Zr和g12244g3315g12879g18341g4658，添g2164成g2010有Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu等。
g18341g4658储氢材料有 AB
5
、AB
2
、AB、A
2
B 和 BCC 几种g12879g3423，g2520g12879合g18341以g17148量g8616g15932g12046的储氢量g2010别是：AB
5
g3423——1.3%、AB
2
g3423——1.8%、AB g3423——2.0%、A
2
B g3423——3.6%和
BCCg3423——3.8%。AB
5
g3423的合g18341主要是LaNi5和MM-Ni(MnAlCo)，这里MMg1038g9163合g12244g3315。
它们的晶g1319结构g1038CaCu
5
g3423，g5332发g112220g1002g1343870g5192代。目前g1866实g11004g2282程度g17751高，主要g11004g1122
电池负极材料。g1866特g9869是g7143活g2282，g993g7143吸g19480g7446g17148g14280g1363吸氢能力降低g13792“中毒”g727AB
2
g3423，具有Lavesg11468结构，g993过g1866成g2010g5194g993g3278g4462，可在g5468g3835g14551g3272变g2282。代g15932性合g18341有：TiMn
1.5
、ZrMn
2
等g3822种合g18341。g1866特g9869在g1122更高的氢气储存能力g727ABg3423合g18341主要是FeTi合g18341，结构是CsCl
g3423。g1260g9869是储氢量g3835，g13582g9869是初期活g2282困g19602，通过添g2164合g18341g1815素锰、g19104、g8699、锆等可明g7186
改善。g8504g3818，它还包括CoTi、Ni
δ
(Ti、Zr)(
δ=0.5g7941)合g18341g727A
2
Bg3423合g18341主要g6363Mg
2
Ni合g18341，
故又称镁g13007合g18341。g1866g12373出特g9869是g2345位g17148量储氢合g18341存储的氢气量高，g2419g3252是镁合g18341自g17535密度低。g1866重要的发展方向是g17722g11004g2172力g3423电池g727BCCg3423合g18341是g6363晶g1319结构g4658g1122bcc空g19400g9869阵的合g18341，主要是 V-Ti、V-Ti-Cr、V-Ti-Mn、V-Ti-Ni 等合g18341。这g1135合g18341的特g9869及g5224g11004方向
g994镁g13007储氢合g18341g5468g11468g1296。
目前g11752g12362和g5062投g1849g1363g11004的储氢合g18341主要有g12244g3315g13007、g19055g13007、镁g13007几g12879，g17810g2052产g1006g2282g8712平的主要是以 LaNi
5
g3423g1038主的 AB
5
g3423合g18341，g4493量一g14336g1038 300g794330mAh/g，g1866他几g12879合g18341的活
g2282问题、寿命问题、成g7424问题都没有完全g16311g1927，尚处g1122实验室g11752g12362阶段。LaNi
5
储氢合g18341
1969 g5192g11013荷g1860 Philips 实验室g11752制g5332发。LaNi
5
具有 CaCu
5
g3423的g1857方结构，g1866g9869阵g5132数 ag729
0.5017nm，cg7290.3987nm。g5430成氢g2282物后g1185g1457g6357g1857方晶g1319结构，g1306晶g7696g1319g12227g14204g13972约23.5%。
具有g1260良的储氢性能，储氢量g3835约1.4%(g17148量g2010数)，g17878合g1122室温下g5224g11004，g3281g1881g3818学g13785对AB
5
储氢合g18341g1582了g3835量的g11752g12362。g11013g1122 LaNi
5
合g18341的成g7424高，g1166们发展了g12244g3315g13007g2027的g3822g1815合g18341。
g1038降低成g7424，g11004富铈(Ce>40%)g9163合g12244g3315代替g1227g7696昂g17161的La，g11752制了g5277g1227的MnNi
5
储氢合g18341。
MnNi
5
储氢合g18341可以在室温，6.07MPa 下吸氢，在 1.31MPa 下g2010g16311g18334g6930出氢气。g1306是它的活性条件苛刻，g993方g1427g5224g11004。g1038g8504，在MnNi
5
储氢合g18341的g3534g11796上，通过改变Mn的成g2010g6122
金属学与热处理
·226·
·226·
g13785通过g1866g1325的合g18341g1815素 B g13792g5430成 MnNi
5
-yBy又g5332发了g3822种g3822g1815合g18341。有g11752g12362g13785g13007统g11752g12362了
Ａ测g12244g3315g1815素中含Ce量对AB
5
g3423储氢合g18341La
0.8(1-x)
Ce
x
(PrNd)
0.2
B５的结构、热力学性能、电
g2282学性能和g2172力学性能的g5445g2721。结g7536g15932明：含Ce量对合g18341的结构g3534g7424上没有明g7186的g5445g2721，
合g18341的晶胞参数 a、c 及晶胞g1319g12227g994 Ce 的含量的变g2282呈g13459性g1863g13007g727随g11540含 Ce 量增g2164，合
g18341的吸g6930氢平g2500压力升高，g9394后g6940g5224g1955小，吸氢量g1955小，合g18341氢g2282物的热力学稳g4462性变差g727
含Ce量的变g2282对合g18341的电g2282学活g2282g17907度g5445g2721g5468小，g1306含Ce量的增g2164可以明g7186提高合g18341的
g6930电中值电位，改善合g18341的高g1505率、高功率g6930电性能和g2172力学性能。
3,储氢材料的应用
储氢合g18341g18341g4658氢g2282物是一种新g3423功能材料，g1075是一种高密度储能材料，广泛g11004g1122氢的储存、运g17767，氢气的g2010离和g1931g2282。g7234g17953g11004g1122合成g2282学的催g2282g2164氢g994脱氢、镍氢电池、氢能
g10135料g8785g17722、g11004g1122海g8712的淡g2282的g18341g4658氢g2282物压缩机、g18341g4658氢g2282物热g8905、空调g994制g1931，氢g2282物热压传感器和传g2172装g13634等。储氢材料既可以g1328g1038g3278g1319储氢g1183g17148，又可以g1328g1038镍氢电池的负极活性材料，是g10135料电池g994镍氢电池的g1863g19202技术g1055一，是新能源材料中的一g12879重要材料。
1) g11004g1122氮气的储存和运g17767
氢储存是储氢g18341g4658氢g2282物的最g3534g7424的g5224g11004。g18341g4658氢g2282物储氢密度高，g1866g2419g4388密度g8616g11468
g2528温度、压力条件下的气g5589氢g3835 1000 g1505。如g18331g11004 TiMn
1.5
制成的储氢g4493器g994高压(15MPa)
g19062瓶和g9157g1931g9094g2282储包装g13634g11468g8616，在储氢摩g4584量g11468等的情g1929下，三g13785的g17148量g8616g10381:1.4:0.2，
g1319g12227g8616g10381:4:1.3，g17148量小，g1319g12227小，g13792且储氢合g18341储氢无需高压和g9094氢的低温设施，g14422g11477
能源。氢以g18341g4658氢g2282物g5430式存在g1122储氢合g18341中，安全可靠，g1427g1122氢的运g17767和传递。g18341g4658氢
g2282物储氢装g13634是一种g18341g4658—氢g13007统g2465g5224器，g11013g1122存在氢g2282g2465g5224的热g6940g5224，储氢装g13634一g14336g1038
热交换器结构。有g3278g4462式和移g2172式g1016种g12879g3423。移g2172式储氢装g13634主要g11004g1122g3835g16280g8181储存和g17767g17877
氢气以及g17722辆氢g10135料g12677等g1391氢g3342合。
2) g11004g1122合成g2282学中催g2282g2164氢g994脱氢
在合成g2282学中，储氢合g18341材料可g11004g1122g2164氢g994脱氢g2465g5224的催g2282剂，g2465g5224条件温和，具有
g17751高的催g2282活性。g1375如，ReilIy和E,Schwab等g1820后试验了TiFe及TiRu合g18341在合成氨g2465g5224
中的催g2282g1328g11004。实验g15932明 TiFe 合g18341具有良好的催g2282活性，特别是在 TiFe 合g18341中g2164g1849少量
Ru可g1363TiFe的活性提高5g1505，活g2282能从62J/mol降至38J/mol。
3) g11004g1122储氢合g18341电极材料
20g1002g1343870g5192代，Justi等发现LaNi
5
和TiNig13007储氢合g18341g993g1177具有阴极储氢能力，g13792且对氢的阳极g8699g2282g1075有催g2282g1328g11004。当g7114g11013g1122材料g7424g17535性能方面的g2419g3252，未能g1363储氢合g18341g1328g1038
电池负极的新材料g13792走向实g11004g2282。近g5192来，g11013g1122对g3822g1815储氢合g18341电极材料的g17839一g8505g11752g12362g5332
发，g1363 LaNi
5
g3534g3822g1815储氢合g18341在循环g1363g11004寿命方面g14731g5483g12373g11784，从g13792g1363g18341g4658氢g2282物电极替代镍-镉电池的镉负极组，g5194且镍-氢g2282物电池g17839g1849了g3835g16280g8181产g1006g2282。镍-氢g2282物电池g994传统的镍-镉电池g11468g8616，具有高能量密度，g1038镍-镉电池的 1.5g7942.0 g1505，耐过g1817，g6930电能力强，无重g18341g4658镉对g1166g1319的危害，g15999誉g1038“绿色电池”。g8504g3818，镍g18341g4658氢g2282物电池能量密度是g19097酸电池的 2 g1505，抗振、低温性能好，g5062成g1038电g2172g8785g17722g11004g3835g3423电池的g20330g17885电源g1055一，在未来主战坦g1823蓄电池发展过程中g1075具有广阔的g5224g11004前g7235。镍g18341g4658氢g2282物电池在欧、美、g7097都g5062投g1849
生产，g5192产量上g1171g2494，中g3281批量生产的镍g18341g4658氢g2282物电池的性能g1075g5062g17810g2052g3281际公g16760的g8712平。
第10章 材料研究新进展
·227·
·227·
镍g18341g4658氢g2282物电池g5062g13475成g1038储氢合g18341目前最具有g13475济g1227值的g5224g11004方向。
4) 热g8905、空调及热储存
把热从低温物g1319g17767g17877g2052高温物g1319的装g13634称g1038热g8905。热g8905启g2172g7114，高温物g1319会逐渐升温，
低温物g1319的温度会逐渐降低，g3252g8504，热g8905既有g1391热的g1328g11004，又有制g1931的功能。储氢合g18341吸
g252g6930氢g7114伴随g11540巨g3835的热g6940g5224，发生热能g252g2282学能的g11468g1126转换，g1866可逆性好，g2465g5224g17907度g5567，
是一种特别有g6940的蓄热和热g8905g1183g17148。储氢合g18341储热能是一种g2282学储能方式，热能g13475g19283期储存后没有g6451g3845。从热力学g16294度g2010析，热g8905的热g6940率g8616g1363g11004g2282g11719g10135料高。氢g2282物热装g13634可g2045
g11004废热和太阳能等低品位的热源g20549g2172工g1328，它g4658g1122气g3278g11468g1328g11004，无腐蚀、无运g2172部件(g3252g13792
无磨g6451、无g3134声)g727g13007统工g1328温度g14551g3272g3835，工g1328温度可调，g993存在氟里昂对g3835气臭g8699层的g11784
g3363g1328g11004，可g17810g2052制g1931g252g18331暖双g6940的目的。储氢合g18341氢g2282物热g8905g4658g1122g2282学g2465g5224g3423热g8905，g1866核
g5527是g18341g4658g994氢g1055g19400的可逆g2465g5224，g2045g11004这种可逆g2465g5224的g2465g5224热，g17839行热能的转换、储存和交换。g2528温度下g2010g16311压g993g2528的g1016种氢g2282物组成热力学循环g13007统，g1363g1016种氢g2282物g2010别处g1122吸氢
(g6930热)和g6930氢(吸热)状g5589，g2045g11004它们的平衡压差来g20549g2172氢气g8981g2172，从g13792g2045g11004低品位热源来g17839
行储热、g18331暖、空调和制g1931。图10.7g12046出了热g8905g13007统的工g1328过程g12046g5859。
5) 氢能g8785g17722
氢能g8785g17722是一种完全以氢气g1038g10135料代替g8785g8845的新g3423g8785g17722。它g993存在环境g8757g7591问题，具有良好的发展前g7235。目前g5332发的氢能g8785g17722主要有三种g12879g3423：直接g10135烧氢的储氢g13604g3423、g2045g11004
镍氢电池的电g2172g3423以及以g10135料电池g1038g2172力的g10135料电池g3423。目前g1363g11004g12244g3315g13007和g19055g13007以及g19055g19093
锰储氢合g18341，1m
3
氢气可行驶5kmg7946km。g5515g3281奔驰公司g5062成功试制g11004g19055g19093储氢合g18341代替g8785
g8845g12677的氢能g8785g17722，g5194g2465g3809g17839行了公g17347实g3332试g17722。美g3281Ovenic电池公司g1075g4570镍g18341g4658氢g2282物电池g11004g1122电g2172g8785g17722，g1817电一次，可行驶350km，平均g7114g17907g103890km，最高g17907度可g17810160km。
图10.7 热泵系统工作原理图
10.2.4 非晶态合金
通g5132情g1929下，g18341g4658及合g18341在从g9094g1319g1969g3278成g3278g1319g7114，g2419g4388g5647是从g9094g1319的g9163乱排g2027转变成整齐的排g2027，g2375成g1038晶g1319。g1306是，如g7536以极高g17907度g1363熔融状g5589的合g18341g1931却，g2419g4388来g993及整齐排g2027g1427g15999冻结住了，g1969g3278后的合g18341g2419g4388排g2027方式是g9163乱的，呈玻璃g5589，这g4613是非晶g5589合
g18341。非晶g5589合g18341g994g18341g4658g11468g8616，成g2010g3534g7424g11468g2528，g1306结构g993g2528，引g17227二g13785在性能上的差异。非晶g5589合g18341俗称“g18341g4658玻璃”。
自20g1002g1343850g5192代g5332g3999，g1166们g1427从沉g12227g14192和电镀g14192上了g16311g2052存在有非晶g5589的g18341g4658及合
g18341，在 1960 g5192美g3281g2164州g10714工学院的 P,杜威g1869教授在g11752g12362 Au-Si 二g1815合g18341g7114，发现了g11004激
g1931的办g8873从g9094g5589g14731g5483非晶g5589共晶成g2010的g18341硅合g18341。g1306当g7114的试样g1177g1177是薄g14192g6122几百毫g1823的薄片，g13792且成g2010极g1038有g19492，所以在g1866后 10 g5192g19400没有取g5483g5224有的g17839展。1970 g5192提出了连续金属学与热处理
·228·
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激g1931g8873，g1363g3822种合g18341的g13459状和板状非晶g5589g18341g4658材料的制造成g1038可能，以后非晶g5589的g3534g11796g11752
g12362和g5224g11004g11752g12362都g5483g2052了迅g17907g17839展。g1866后，通过以g7097g7424和美g3281g1038中g5527g17839行的g3534g11796g11752g12362，接连
g993g7041g3332发现了非晶g5589材料的超耐腐蚀性、高磁导率、g5670g5389性、低热g14204g13972性、高磁g14280伸缩等
g2520种特性。g2528g7114，通过改g17839制造方g8873，g5062能制造宽度g17751g3835的板材。
1,非晶态合金的结构
g11752g12362非晶g5589材料结构所g11004的实验技术目前主要沿g11004g2010析晶g1319结构的方g8873，g1866中最直接、
最有g6940的方g8873是通过散射来g11752g12362非晶g5589材料中g2419g4388的排g2027状g1929。g11013散射实验测g5483散射强度的空g19400g2010布，再计算出g2419g4388的径向g2010布函数，g9994后，g11013径向g2010布函数求出最近邻g2419g4388数及最近g2419g4388g19400g17329离等参数，依照这g1135参数，g6563g17860g2419g4388排g2027情g1929及材料的结构。目前g2010析非晶
g5589结构最g7234g17953的方g8873是X射g13459衍射及电g4388衍射，中g4388衍射方g8873g1075g5332g3999g2475g2052重g16282。近g5192来还发展了g11004g6205展X射g13459吸收精细结构(EXAFS)的方g8873g11752g12362非晶g5589材料的结构。这种方g8873是根据X射g13459在g7588种g1815素g2419g4388的吸收g19492g19480近吸收g13007数的精细变g2282，来g2010析非晶g5589材料中g2419g4388的近程排g2027情g1929。EXAFS和X射g13459衍射g8873g11468结合，对g1122非晶g5589结构的g2010析更g1038有g2045。
在g10714g16782上通g5132把非晶g5589材料中g2419g4388的排g2027情g1929g8181g3423g2282，g1866g8181g3423可g2010g1038连续g8181g3423(如连续无g16280g13605络g8181g3423、硬g10711无g16280密堆g8181g3423)和g993连续g8181g3423(如微晶g8181g3423、g13870集g3254g8181g3423)等。
1) 微晶g8181g3423
g16825g8181g3423g16760g1038非晶g5589材料是g11013“晶粒”非g5132细小的微晶粒组成。从这个g16294度出发，非晶
g5589结构和g3822晶g1319结构g11468g1296，g2494是“晶粒”尺寸g2494有几g2325纳米g2052几百纳米。微晶g8181g3423g16760g1038微晶g1881的短程有序结构和晶g5589g11468g2528，g1306g2520个微晶的取向是g7446乱g2010布的，g5430成g19283程无序结构。
从微晶g8181g3423计算g5483出的g2010布函数和衍射实验结g7536g4462性g11468g12538，g1306细g14422上(g4462量上)g12538合g5483g5194g993
g10714g5831。g8504g3818，微晶g8181g3423g11004g1122g6563g17860非晶g5589结构中g2419g4388排g2027情g1929还存在g16780g3822问题，g1363g1166们渐渐对g1866g6357否g4462g5589度。
2) 拓扑无序g8181g3423
g16825g8181g3423g16760g1038非晶g5589结构的主要特g5461是g2419g4388排g2027的g9163乱和随机性，强调结构的无序性，
g13792把短程有序看g1328是无序堆g12227g7114g19480g5114产生的结g7536。在这一前提下，拓扑无序g8181g3423有g3822种g5430
式，主要有无序密堆硬g10711g8181g3423和随机g13605络g8181g3423。
2,非晶态合金的特性
如前所g17860，非晶g5589合g18341的结构特g9869是g993存在晶g1319结构那样的g2419g4388的g19283程g16280则排g2027。g1375
如，g4570g9094g5589g18341g4658瞬g19400冻结，g2375成g1038近g1122g1969g3278g5589的结构，称g1038g14280密无序堆g12227结构。如g7536g11004二维g8181g3423来g6563g17860的话，如图10.8所g12046的结构。g994晶g5589g11468g8616g17751g1427可以看出，非晶g5589结构的g19400隙
g3822，从小g14551g3272g1881看是g993均g17148的，g1306从g3835g14551g3272来看则是更g1038均g17148g13792且是g2520向g2528性的。g994g8504g11468
g2465，晶g5589是g3252方向g993g2528g13792g14280密性g2520异(晶g1319的g2520向异性)，是g2520向异性结构。g8504g3818，g11013g1122是晶g1319的缘故，g7143g1122g5430成空位，位错等晶g7696g13582g19531和晶g11040。g3252g8504，g11004电g4388g7186微镜来观g4531g7114，在非晶g5589合g18341中看g993g2052组g13467，g17839行X射g13459衍射g1075g993见有尖锐的峰值。g3252g8504非晶g5589合g18341的主要特性包括以下几g9869。
1) 高强韧性
非晶合g18341具有极高的强度和硬度，g1866强度g17840超过晶g5589的高强g19062，韧性g1075明g7186高g1122传统的g19062g19093材料，压缩变g5430g7114，压缩率可g1781040%，轧制压率可g1781050%以上g13792g993产生g16022g13453g727弯曲第10章 材料研究新进展
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g7114可以弯至g5468小曲率半径g13792g993折g7041。非晶g5589合g18341变g5430和g7041g16022的主要特g5461是g993均匀变g5430，变
g5430集中在局部的g9381移g5114g1881，g1363g5483在g6301伸g7114g11013g1122局部变g5430量过g3835g13792g7041g16022，所以伸g19283率g5468低，
g1306g2528g7114g1866他g2318域几乎没有发生变g5430。在改变g5224力状g5589的情g1929下，可以g17810g2052高的变g5430率(如压缩)。非晶g5589合g18341可以g1328g1038g3809合材料增强g1319，如制g1328g19047g21072竿等，g1866高强度、高硬度和高韧性可以g15999g2045g11004制g1328轮胎、传g17877g5114、g8712g8889制品及压管g17959的增强纤维。g3281g3818g5062g13475把g3371状非晶合g18341
g5224g11004g1122高g4584g3839g10711g6305和微g3423g21843轮，非晶合g18341丝材还可g11004在结构零件中，g17227强g2282g1328g11004。另g3818，
非晶合g18341具有g1260良的耐磨性，再g2164上它们的磁性，可以制造g2520种磁g3848。
图10.8 晶态与非晶态原子排列的二维模型图
2) g1260良的磁性
g994传统的g18341g4658磁性材料g11468g8616，g11013g1122非晶合g18341g2419g4388排g2027无序，g993存在磁晶g2520向异性，g3252
g13792g7143g1122磁g2282，g13792且没有位错、晶g11040等晶g1319g13582g19531，故磁导率、饱和磁感g5224强度高、g11711顽力低、
g6451g13803小，是g1260良的g17731磁材料。代替硅g19062、坡莫合g18341(g19093镍合g18341)和g19093g8699g1319等g1328g1038变压器g19093g5527、
g1126感器、传感器等，可以g3835g3835提高变压器g6940率，缩小g1319g12227、g1955小g17148量、降低能g13803。非晶合
g18341的磁性实际上是迄g1182g1038g8502非晶合g18341g5224g11004的主要方面。和g1866他磁性材料g11468g8616，非晶合g18341具有g5468宽的g2282学成g2010g14551g3272，g13792且g2375g1363g2528一种材料，通过g993g2528的后续处g10714能够g5468g4493g7143g3332g14731g5483所需要的g993g2528磁性能。所以非晶合g18341的磁性能是非g5132灵活的，g17885g6333g1325g3332g5468g3835，g1038电力电g4388g1815
器件的g17885材提g1391了方g1427。
3) 良好的耐蚀性能
晶g5589g18341g4658材料中，耐蚀性g17751好的是g993g19164g19062。g1306g993g19164g19062在含有侵蚀性离g4388(如卤素离g4388)
的溶g9094中，一g14336要发生g9869腐蚀和晶g19400腐蚀。非晶g5589合g18341在中性g11428溶g9094和酸性溶g9094中的耐蚀性要g8616g993g19164g19062好g5483g3822。非晶g5589合g18341的耐蚀性主要是g11013g1122生产过程中的g5567g1931，导g14280g6205散来g993
及g17839行，所以g993存在第二g11468，组g13467均匀g727g1866无序结构中g993存在晶g11040，位错等g13582g19531g727非晶g5589
合g18341g7424g17535活性g5468高，能够在g15932面迅g17907g5430成均匀的钝g2282g14192，g19471g8502g1881部g17839一g8505腐蚀。目前对耐蚀性能g11752g12362g17751g3822的是g19093g3534、镍g3534、钴g3534非晶g5589合g18341，g1866中g3835都含有铬。g2045g11004非晶g5589合g18341的耐蚀性，g11004g1866制造耐腐蚀管g17959、电池的电极、海g5225电g13530屏蔽、磁g2010离g1183g17148及g2282工g11004的催g2282
剂、g8757g8712处g10714g13007统中的零件等都g5062g17810g2052实g11004阶段。
4) g1866他性能及g5224g11004
非晶g5589材料在室温电g19471率g17751高，g8616一g14336晶g5589合g18341高2g7943g1505，g13792且电g19471率g994温度g1055g19400的
g1863g13007g1075g994晶g5589合g18341g993g2528，变g2282g8616g17751g3809g7446，g3822数非晶g5589合g18341具有负的电g19471温度g13007数。g8504g3818，
非晶g5589合g18341还具有良好的催g2282特性及具有超导电性。
g5647g1055，非晶g5589材料是一种g3835有前途的新材料，g1306g1075有g993如g1166g5859g1055处。g1866g13582g9869主要g15932现金属学与热处理
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在g11013g1122g18331g11004急g1931g8873制备材料，g1363g1866厚度g2475g2052g19492制。g8504g3818在热力学上的g993稳g4462性，g1363g5483g2475热
g7114有晶g2282倾向。
10.2.5 智能材料
所g16871智能材料(Intelligent Materials)g4613是g2528g7114具有感知功能g2375信号感g2475功能(传感器的功能)、自己判g7041g5194自己g1328出结g16782的功能(情g6265信息处g10714机的功能)和自己g6363令g5194自己g17839行行g2172
功能(执行机构的功能)的材料。g1866g8616g17751全面、g11842切g3332g8022念是“智能材料g994结构g13007统”，是g6363在材料g6122结构中g7905g1849传感器、信号处g10714器、通信g994控制器及执行器，g1363材料g6122结构具有自诊
g7041、自g17878g5224，甚至g6451g1272自愈合等g7588g1135智能功能g994生命特g5461。这是g7097g7424高g7424俊g4464教授g4570信息科学融合g1122材料物性和功能的一种材料新构思。智能材料g5062g15999g11004g1122一g1135重要的工程和尖端技术领域中。如g5326g12581、g7737g7765、g8712坝、电站、g20146行器等的状g5589监督、振g2172、g5430状的自我调g14422、
g6451g1272的自愈合等。
g13449观材料的发展，g13475g2394了g7506散(discrete)g3423如g18341g4658材料、无机非g18341g4658材料和高g2010g4388材料，
g2052g3809合(composite)和g7446g2282(hybrid)g3423如g18341g4658g3534、g19530g10955g3534和高g2010g4388g3809合材料及生物g7446g2282材料，
g17839g13792g1038异种材料g19400g993g2010g11040的整g1319g2282融合(monolithic)g3423材料。g13792智能材料则是g2475集成电g17347技术启迪g13792构思的三维组件g8181式的融合g3423材料，是在g2419g4388、g2010g4388g8712平上g17839行材料控制，g1122g993
g2528的层次上赋予自检测(传感功能)、自判g7041、自结g16782(处g10714功能)和自g6363令、自执行(执行功能)所设计出的新材料。众所g2620知，细胞g1038生物g1319材料的g3534g11796，g13792细胞g7424g17535g4613是具有传感、
处g10714和执行三种功能的融合材料，故它可g1328g1038智能材料的蓝g7424。智能材料的构g5831来源g1122仿生(仿生g4613是g8181仿g3835自g9994中生物的一g1135独特功能制造g1166g12879g1363g11004的工具，如g8181仿蜻蜓制造g20146机等)，g1363它成g1038具有g12879g1296g1122生物的g2520种功能的“活”的材料。g3252g8504智能材料g5529须具备感知、g20549
g2172和控制这三个g3534g7424要素。
材料的自愈合(又称自g1474g3809)是智能材料的另一主题。一g14336g13792g16340，g18341g4658材料在g1363g11004过程中，一旦发生了疲劳g6451g1272，g4613g5859g2631g11540g15999淘汰更换，没有生物g1319的自g20056感及恢g3809功能。通过特殊处g10714，赋予g1866g6451g1272g20056警功能g5194能g1363g6451g1272处g5483g2052g1474g3809，材料g4613具有了“智能”特g5461。g1375如，
g4570硼微粒g3809合g2052g19121合g18341中，合g18341g11784g3363g7114g11013它发射声波，g11004声发射器接收g16825信号，g5194随g2375发出g20056警g727在g6451g1272g1474g3809方面，对g5062发生疲劳的低碳g19062，通以强g14045冲电g8981，g1363g1866局部结构状g5589
改变，g17810g2052疲劳寿命g5322g19283一个数量级的g1260异g6940g7536。又如，制备g19088g7114，添g2164弥散g2010布的ZrO
2
粒g4388(粒径约 50nm)，g18341g4658g1881一旦g5430成微g16022g13453，在g16022g13453尖端产生的g5224力集中，g4570g16837发 ZrO
2
粒g4388g11468变，吸收部g2010能量，g5194伴随有g1319g12227g14204g13972，从g13792g6245制g16022g13453发展，g1363材料的g7041g16022韧性增g2164。
1,智能材料的特征
智能材料是材料的g3822功能g3809合和材料的仿生设计，所以智能材料g13007统具有g6122部g2010具有如下的智能功能和生命特g5461。
g311 传感功能(sensor)：能够感知g3818g11040g6122自g17535所处的环境条件，如负载、g5224力、g5224变、
振g2172、热、光、电、磁、g2282学、核辐射等的强度及g1866变g2282。
g312 g2465g20316功能(feedback)：可通过传感g13605络，对g13007统g17767g1849g994g17767出信息g17839行对g8616，g5194g4570g1866
结g7536提g1391g13485控制g13007统。
第10章 材料研究新进展
·231·
·231·
g313 信息识别g994g12227g13059功能：能够识别传感g13605络g5483g2052的g2520g12879信息g5194g4570g1866g12227g13059g17227来。
④ g2721g5224功能：能够根据g3818g11040环境和g1881部条件变g2282，g17878g7114g2172g5589g3332g1328出g11468g5224的g2465g5224，g5194g18331
取g5529要行g2172。
⑤ 自诊g7041能力(self-diagnosis)：能通过g2010析g8616g17751g13007统目前的状g1929g994过g2447的情g1929，对诸如g13007统故障g994判g7041g3845g16835等问题g17839行自诊g7041g5194予以g7669g8503。
⑥ 自g1474g3809能力(self-recovery)：能通过自繁g8554、自生g19283、g2419位g3809合等再生机g10714，来g1474g15929
g7588g1135局部g6451g1272g6122g11784g3363。
⑦ 自调g14422能力(self-adjusting)：对g993g7041变g2282的g3818部环境和条件，能及g7114g3332自g2172调整自g17535
结构和功能，g5194g11468g5224g3332改变自己的状g5589和行g1038，从g13792g1363材料g13007统g3999终以一种g1260g2282方式对g3818
g11040变g2282g1328出g5700如g1866g2010的g2721g5224。
2,智能材料的构成
一g14336来g16840智能材料g11013g3534g1319材料、敏感材料、g20549g2172材料和信息处g10714器四部g2010构成。
g311 g3534g1319材料：g3534g1319材料担负g11540承载的g1328g11004，一g14336g4464g17885g11004g17743g17148材料。一g14336g3534g1319材料g20330g17885
高g2010g4388材料，g3252g1038g1866g17148量小、耐腐蚀，g4600g1866具有黏g5389性的非g13459性特g5461。g1866次g1075可g17885g11004g18341g4658
材料，以g17743g17148有色合g18341g1038主。
g312 敏感材料：敏感材料担负g11540传感的任g2165，g1866主要g1328g11004是感知环境变g2282(包括压力、
g5224力、温度、电磁g3342、pH 等)。g5132g11004敏感材料如g5430状g16772忆材料、压电材料、光纤材料、磁
g14280伸缩材料、电g14280变色材料、电g8981变g1319、磁g8981变g1319和g9094晶材料等。
g313 g20549g2172材料：g3252g1038在一g4462条件下g20549g2172材料可产生g17751g3835的g5224变和g5224力，所以它担负g11540g2721
g5224和控制的任g2165。g5132g11004有g6940g20549g2172材料如g5430状g16772忆材料、压电材料、电g8981变g1319和磁g14280伸缩材料等。可以看出，这g1135材料既是g20549g2172材料又是敏感材料，g7186g9994g17227g2052了g17535兼二g13856的g1328g11004，这
g1075是智能材料设计g7114可g18331g11004的一种思g17347。
④ g1866他功能材料：包括导电材料、磁性材料、光纤和半导g1319材料等。
3,智能材料的分类
g11013g1122g11004g1122智能材料的材料种g12879g993g7041g6205g3835，所以智能材料的g2010g12879g1075g2494能是g12907g8985的，g2010g12879
方g8873g1075有g3822种，一g14336若按功能来g2010可以g2010g1038光导纤维、g5430状g16772忆合g18341、压电、电g8981变g1319和电(磁)g14280伸缩材料等。若按来源来g2010，智能材料可以g2010g1038g18341g4658g13007智能材料、无机非g18341g4658g13007
智能材料和高g2010g4388g13007智能材料。g18341g4658g13007智能材料主要有g5430状g16772忆合g18341和g5430状g16772忆g3809合材料
g1016g3835g12879g727无机非g18341g4658g13007智能材料在电g8981变g1319、压电g19530g10955、光g14280变色和电g14280变色材料等方面发展g17751g5567g727高g2010g4388g13007智能材料的g14551g3272g5468广泛，g1328g1038智能材料的刺激g2721g5224性高g2010g4388g1969胶的g11752
g12362和g5332发非g5132活g17303，g1866次还有智能高g2010g4388g14192材、智能高g2010g4388粘合剂、智能g3423药物g18334g6930g1319g13007
和智能高g2010g4388g3534g3809合材料等。
4,智能材料的应用
g11013g1122智能材料结构g993g1177g1699一g14336功能材料一样可以承g2475载荷，g13792且它还具有了g1866他材料所g993具备的功能，g2375能感知所处的g1881g3818部环境变g2282，g5194能通过改变g1866物g10714性能g6122g5430状等g1582
出g2721g5224，g1523g8504实现自诊g7041、自g17878g5224、自g1474g3809等功能。g1363g5483g1866g5224g11004领域非g5132广阔，在g1903事领域中，智能材料的g5224g11004主要涉及以下几个方面：智能蒙皮(g1375如光纤g1328g1038智能传感g1815件g11004g1122
金属学与热处理
·232·
·232·
g20146机机g13776的智能蒙皮中，g6122g13785在g8506器平g2500的蒙皮中g7905g1849传感g1815件、g20549g2172g1815件和微处g10714控制
g13007统制成的智能蒙皮，可g11004g1122g20056警、隐g17535和通信)、结构监测和寿命g20056测(g11004g1122实g7114测量结构g1881部的g5224变、温度、g16022g13453，g6518测疲劳和g2475g6451g1272情g1929，从g13792能够对结构g17839行监测和寿命g20056
测)、g1955振降g3134(g11004g1122航空、航天g13007统可以消g19512g13007统的有害振g2172，g1955g17743对电g4388g13007统的g5190g6212，
提高g13007统的可靠性)等。在现代g2319学上，智能材料g11004g1122g1166造g13920g13917、g1166造皮g13944、抗g11296等方面。
g8504g3818在主g2172结构声控和主g2172g19675g2172控制方面g1075g14731g5483了g5224g11004。
10.2.6 梯度功能材料
随g11540现代科学技术的发展，对材料性能的要求g17246来g17246苛刻。g1375如，当航天g20146机g5460返g3835
气层，g20146行g17907度超过 25 个马g17215数g7114，g1866g15932面温度高g17810 2000g263，g13792g1866g10135烧室g1881g10135烧气g1319温度可超过2000g263，g10135烧室的热g8981量g3835g11225MW/m
2
，g1866空气g1849g2487的前端热通量g1781050MW/m
2
。
对g1122如g8504巨g3835的热量g5529须g18331取g1931却的g6526施，一g14336g4570g11004g1582g10135料的g9094氢g1328g1038强制g1931却的制g1931剂，
g8504g7114g10135烧室g1881g3818温差g3835g11221000g263。传统的g18341g4658材料具有强度高、韧性好等g1260g9869，g1306在高温和腐蚀环境下却g19602以g14000任，无g8873g9397g17287这种苛刻的g1363g11004环境g727g13792g19530g10955具有耐高温、抗腐蚀等特g9869，g1306却具有g19602以g1823服的g14042性g727g18341g4658g994g19530g10955g3809合材料在高温环境中g1363g11004g7114，g11013g1122g1016g13785的热g14204g13972g13007数g11468差g17751g3835，g5460g5460在g18341g4658和g19530g10955的g11040面处产生g17751g3835的热g5224力，导g14280出现g2105g14865g6122g21875
g16022现象g13792g1363材料g3845g6940。g1038了有g6940g16311g1927g8504g12879极端条件下g5132g16280耐热材料的g993g17287，g7097g7424学g13785新g18338
g8503g1055、平g1129敏g19608和g9205g17805g21869三g1166g11221987g5192g20330次提出了g18341g4658和g19530g10955二g13785梯度g2282结合这一新g3867g5831
g8873。梯度功能材料的提出，引g17227了g1002g11040g2520g3281的g7234g17953重g16282，美g3281、前g14499g13864、g8873g3281和g14533g3281等g16780
g3822g3281g4490g11468g13499g5332展了g11752g12362。
所g16871梯度材料，g1017g7696g5859义上讲，g5224g16825称g1328“梯度功能g3809合材料”(Functionally Gradient
Materials，FGM)，又称倾g7024功能材料，依据g1363g11004要求，g17885g6333g1363g11004g1016种g993g2528性能的材料，g18331
g11004g1820g17839的材料g3809合技术，g1363中g19400部g2010的组成和结构连续g3332呈梯度变g2282，g1881部g993存在明g7186的
g11040面，从g13792g1363材料的性g17148和功能，沿厚度方向g1075呈梯度变g2282的一种新g3423g3809合材料。这种g3809
合材料的g7186g14891特g9869是g1823服了g1016材料结合部位的性能g993g2317g18209g3252素，g2528g7114，材料的g1016g1403具有g993
g2528的功能。g1866g11752g12362g5332发最早g3999g1122 1987 g5192g7097g7424科学技术g2393的一g20045“g1863g1122g5332发g13543和热g5224力的梯度功能材料的g3534g11796技术g11752g12362”计g2022，制备出一g13007g2027g993g2528g1319g13007的厚1mmg79410mm，直径30mm
的梯度功能材料。
1,梯度功能材料的特点和分类
g994宏观均g17148g3809合材料g11468g8616，如图10.9所g12046梯度功能材料的成g2010和结构在每一处都是有控制g3332连续改变的。g1866特g9869是构成材料的组成、g7186微结构g993g1177是连续g2010布、g17878g5224环境，g13792
且是可以控制的。以航天g20146机g11004的超耐热材料构件g1038g1375，在承g2475高温的g15932面，设计和g18209g13634
耐高温g19530g10955g727在g994g1931却气g1319接g16314的g15932面，设计g18331g11004导热性和强韧性良好的g18341g4658g727g13792在g1016个
g15932面g1055g19400，g18331g11004g1820g17839的材料g3809合技术，通过控制g18341g4658和g19530g10955的g11468对组成及组g13467结构，g1363g1866
无g11040面g3332、连续g3332变g2282，g4613g5483g2052一种呈梯度变g2282的材料。从g19530g10955过g9205g2052g18341g4658的过程中，耐热性逐渐降低，强度逐渐升高，在材料中部热g5224力g17810g2052最g3835值，从g13792实现热g5224力g13543和功能。
鉴g1122 FGM 具有组成和g7186微结构连续变g2282、g17878g5224环境和可设计性的特g9869，g1866g5224g11004领域g5062从航空航天拓展g2052核能、生物g2319学、机械、g11719g8845g2282工、信息、g8677g11004及g5326g12581等g1866他诸g3822领域，
第10章 材料研究新进展
·233·
·233·
g1866组成g1075g11013g18341g4658-g19530g10955发展成g1038g18341g4658-合g18341、非g18341g4658-非g18341g4658、非g18341g4658-g19530g10955、高g2010g4388g14192(g265)-
高g2010g4388g14192(g266)等g3822种组合，种g12879繁g3822。
图10.9 梯度功能材料
从材料的组合方式来看，梯度功能材料可g2010g1038g18341g4658/g19530g10955、g19530g10955/g19530g10955以及g19530g10955/塑料等
g3822种结合方式。从组成变g2282来看，梯度功能材料可g2010g1038三g12879：梯度功能整g1319g3423(组成从一g1403
g2052另一g1403呈梯度渐变的结构材料)，梯度功能g9046g16218g3423(在g3534g1319材料上g5430成组成渐变的g9046层)和梯度功能连接g3423(粘接g1016个g3534g1319g19400的g11040面层呈梯度变g2282)。
2,梯度功能材料的设计、制备和评价
(1) 梯度材料的设计。g20330g1820根据材料的实际g1363g11004要求，g17839行材料g1881部组成和结构的梯度g2010布设计。在设计g7114，以知识g5223g1038g3534g11796g17885g6333可g1391合成的材料组成和制备技术，g9994后g17885g6333
g15932g12046梯度变g2282的g2010布函数，g5194以材料g3534g7424物性数据g5223g1038依据g17839行功能(温度、热g5224力等)的
g16311析计算，最后g4570最g1260设计方g7708提交材料合成部g19388。
(2) 梯度材料的合成g6122制备。根据材料设计的结g7536，g18331g11004g17878当的方g8873制备出g12538合实际
g5224g11004目标的FGM。制备出的FGM可以是g18341g4658-g18341g4658、g18341g4658-g19530g10955、非g18341g4658-非g18341g4658、非g18341g4658-
g19530g10955等。功能梯度材料制备的g1863g19202是控制材料结构，g1363组成和g7186微结构按照要求逐渐变g2282。
目前 FGM 的制备方g8873主要有气g11468沉g12227g8873、粒g4388排g2027g8873和电沉g12227g8873。气g11468沉g12227g8873包括g2282学气g11468沉g12227g8873(CVD)和物g10714气g11468沉g12227g8873(PVD)。CVD g8873通过控制g2465g5224气控制材料的梯度，g11004
g8504g8873g5062制备出SiC-C、C-Si等FGM。PVDg8873通过g18341g4658源g2164热g14988发，g5194控制g8699、氮和碳g2282物
g2465g5224气g1319的g8981量来控制材料的梯度。g11004PVDg8873g5062制备出了Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN等FGM。
粒g4388排g2027g8873可g2010g1038粒g4388排g2027烧结g8873、等离g4388g2955g9046g8873和自g15079g5322高温合成等g12879g3423。粒g4388排g2027烧结g8873是g1363g18341g4658和g19530g10955粉g7423的组成g12538合最佳梯度g2010布，压实后烧结g2375可制g5483FGM。等离g4388g2955
g9046g8873是通过控制g2955g7550的g17877粉量来控制材料的梯度组成。自g15079g5322合成是g1820g4570g2419料g11004g12227层g8873制好，g9994后局部g9869火，自行完成整个制备过程。电沉g12227g8873是g2045g11004电镀g2419g10714，通过改变镀g9094g8981
g17907，电g8981密度g6122粒g4388g8999度来制备FGM。
(3) 梯度材料的特性g16792g1227。g11013g1122g1866性能沿厚度方向变g2282及功能的g3822样性，g5468g19602g18331g11004传统的测试方g8873来g16792g1227g1866性能。g3252g8504需要g5326g12447g1946g11842g16792g1227FGM特性的一整g3883标g1946g2282试验方g8873，
g5194g4570有g1863测试结g7536及g7114g2465g20316回材料设计部g19388g5326g12447FGM特性数据g5223。
从发展g17247g2195来看，功能梯度材料的g11752g12362g5062从最初的g8022念设计、g3534g11796g11752g12362和g2419g10714性演g12046，
逐g8505走向把实验室成g7536向实g11004g2282方向转g2282和g6524g17839。g1182后 FGM 的g11752g12362g1185以材料设计、合成和g16792g1227g1038中g5527，g993g7041完善设计、g16792g1227g13007统，g19036对具g1319目标合成g3835g16280g8181的实g11004材料。
金属学与热处理
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3,梯度功能材料的应用
g11013g1122特殊的g1881部结构所g15932现出的特殊g1260g17246性能，梯度功能材料在航天工g1006、能源工g1006、
电g4388工g1006、光学工g1006、g2282学工程和生物g2319学工程等领域具有重要的g5224g11004。
(1) 航空航天材料和核g2465g5224堆材料。梯度功能材料主要g5224g11004g1122航天工g1006。航天g20146机在
g5460返g3835气层的过程中，机g3848的前段和机g13776的前沿处g1122高温状g5589。过g2447航天g20146机g18331g11004以g19530g10955
g1038主组合成的g3809合材料g19462热g13007统，g19512了重g3809g1363g11004性差g3818，整个g13007统的可靠性g1075存在g5468g3835的问题。g18331g11004g18341g4658/g19530g10955结合的梯度材料g1328g1038核g2465g5224堆材料，能消g19512热传递及热g14204g13972引g17227的g5224
力，g16311g1927g1881层g4493g7143g2105离的问题，有望替代g18341g4658/g19530g10955g3809合材料。
(2) 生物g2319学材料。g4570g13683g3534g11979g9796g11719g19530g10955(HA)和g19055g6122 T16A1-4V 合g18341组成的梯度功能材料可g1328g1038仿生性g1166工g1863g14422和g10285g21843。g11004梯度功能材料制成的g1166工g10285g21843g21843根的g3818g15932面是布g9397微
g4392的g11979g9796g11719g19530g10955，g1881部g11013g19055g6122g1866合g18341构成。g3252g1038 HA 是生物g11468g4493性g1260良的生物活性g19530g10955，
g19055及g1866合g18341是生物稳g4462性和g1158和性好的高强度材料，g18331g11004烧结g8873g4570它们制成含有 HA g19530g10955
g9046层的g19055g3534材料(HA-G-Ti)，特别g17878g1122g7905g1849g1166g1319，在g9397g17287生物g11468g4493性的g2528g7114提g1391一g4462的支g6757
强度。
(3) 电g4388材料。电g4388仪器g7097g17247g17743量g2282、高密度g2282和微g3423g2282，g17855切需要电g4388g1815器件的g3534
板一g1319g2282、二维及三维g3809合g3423电g4388产品。梯度功能材料制造技术非g5132g17878合g1122制造g8504g12879电g4388
产品，通过控制g3534板和电g4388g1815件g1055g19400的倾g7024组成可有g6940g3332g16311g1927g1016g13785g7143g2010离的g3278有g13582g19531，g17810
g2052提高电g4388产品性能的目的。g1375如，压电g19530g10955(PZT)广泛g11004g1122制造超声波振g4388、g19530g10955滤波器等电g4388g1815件，g1306g1866在温度稳g4462性和g3845真振g14645方面存在问题。通过调整材料的组成，g1363g1866梯度g2282，g4613能g1363压电g13007数和温度g13007数等性能g5483g2052最g5700当的g2010g18209，提高压电器件的性能和寿命。
g8504g3818还g11004g1122异g17148结半导g1319材料和高温超导材料等。
(4) 光学工程。在光学领域，梯度功能材料g1868g3423的g1375g4388是梯度折射率光导纤维。传统的光纤是g11013光纤芯和g3818g3883g1016部g2010构成的，纤芯的折射率g17751高，g3818g3883有机纤维的折射率g17751低，
g2045g11004光g7475在玻璃/纤维的g11040面处产生全g2465射g17810g2052g17840g17329离传g17767的目的梯度折射率光纤在折射率的g2010布上具有独特g1055处，g2375玻璃纤芯的折射率随纤芯半径的增g2164g13792梯度g2282g1955少，这种光纤g3999终g11013光纤的芯g17736来引导，g1955少了传g17767过程中的光信号g6451g3845。梯度折射率光纤g8616传统的g3809合光纤具有g1260g17246性，传g17767的光频g5114宽且g17329离g17840，g17878g1122g3835g4493量高密度g17840g17329离的光学信号传g17767。
10.3 纳 米 材 料
1959g5192，美g3281g14891g2529物g10714学g4490、g16846贝g4584物g10714学g3882g14731g5483g13785g17165g3252g7376教授(R P,feyn-man)g7378g6363
出：“如g7536有一天g1166g12879能够按g5859志安排一个g2419g4388和g2010g4388，那g4570会产生g1172g1052g3867g17869g731”g1182天，
这个美好的g5907望g5062g13475成g1038现实，目前，g1166g12879g5062g13475能够制备出包括有几g2325个g2052几g987个g2419g4388的纳米颗粒，g5194把它们g1328g1038g3534g7424g2345g1815构造一维量g4388g13459、二维量g4388面和三维纳米g3278g1319，g2031造出
g11468g2528物g17148传统材料完全g993具备的g3867特性能，这g4613是面向21g1002g13438的纳米科学技术。近20g5192
以来，g1166g12879g5062g13475发现，在微观g2052宏观的中g19400物g17148出现了g16780g3822既g993g2528g1122宏观物g17148，g1075g993g2528g1122
微观g1319g13007的g3867异现象，这g4613是现在迅g17907发展的纳米科学技术(Nano Science and Technology)。
第10章 材料研究新进展
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纳米材料的g11752g12362最初源g112219g1002g1343860g5192代对胶g1319微粒的g11752g12362，20g1002g1343860g5192代后，g11752
g12362g1166员g5332g3999有g5859识的通过对g18341g4658纳米微粒的制备和g11752g12362来g6518g13046纳米g1319g13007的奥秘。1984g5192，
g5515g3281g14844g4584布g2537肯的g7696g14725特(Gleiter)教授把粒径g1038 6nm 的g18341g4658g19093粉g2419位g2164压制成g1002g11040上第一
g3371纳米材料，g5332g2031纳米材料学g1055g1820g8839。20 g1002g13438 90 g5192代以来，g1946一维纳米材料的g11752制一直是纳米科技的前沿领域。目前，美g3281在合成、g2282学和生物方面处g1122领g1820，g7097g7424在器件和结构方面具有g1260g2195，欧g8966在弥散、g9046g16218和新g3423仪器方面实力g17751强。
“纳米”(nanometer)是一种度量g2345位，1纳米g1038百g987g2010g1055一毫米，g2375 1毫微米，g1075g4613是
g2325g1171g2010g1055一米，约g11468当g112245个g2419g4388g1030g17227来那g1052g19283。纳米结构通g5132是g6363尺寸在100纳米以下的微小结构。所g16871纳米材料，是g6363粒g4388尺寸在纳米量级(1nmg794100 nm )的超细材料，又称
g1328g1038超细粉g1319。g1866纳米g3534g7424g2345g1815的颗粒g6122晶粒尺寸至少在一维上小g1122 100nm，且g5529须具有
g994g5132g16280材料截g9994g993g2528的光、电、热、g2282学g6122力学性能的一g12879材料g1319g13007。纳米材料的g3867异性是g11013g1122g1866构成g3534g7424g2345g1815的尺寸及g1866特殊的g11040面、g15932面结构所g1927g4462的。如g7536按维数，纳米材料的g3534g7424g2345g1815可以g2010g1038以下三g12879：零维g6363在空g19400三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、
g2419g4388g3254族等g727一维g6363在空g19400中有二维尺度处g1122纳米尺度，如纳米丝、纳米g7846、纳米管等g727
二维g6363在空g19400中有一维处g1122纳米尺度，如超薄g14192、超晶g7696等。g3252g1038这g1135g2345g1815g5460g5460具有量g4388
性g17148，故零维、一维和二维的g3534g7424g2345g1815又有量g4388g9869、量g4388g13459和量g4388g19461g1055称。
10.3.1 纳米材料的分类
纳米材料的g2010g12879方g8873g5468g3822，按g1866结构可g2010g1038：晶粒尺寸在三个方向都在几个纳米g14551g3272
g1881的称g1038三维纳米材料g727具有层状结构的称g1038二维纳米材料g727具有纤维结构的称g1038一维纳米材料g727具有g2419g4388g12763和g2419g4388g7475结构的称g1038零维纳米材料(见图10.10)。按g2282学组成可g2010g1038纳米g18341g4658、纳米晶g1319、纳米g19530g10955、纳米玻璃、纳米高g2010g4388、纳米g3809合材料等。按材料物性可
g2010g1038纳米半导g1319、纳米磁性材料、纳米非g13459性材料、纳米g19093电g1319、纳米超导材料、纳米热电材料等。按材料g11004途可g2010g1038纳米电g4388材料、纳米生物g2319g11004材料、纳米敏感材料、纳米光电g4388材料、纳米储能材料等。
图10.10 4种纳米材料结构示意图
10.3.2 纳米材料的特性
纳米材料具有特殊的结构，g11013g1122组成纳米材料的超微粒尺度g4658纳米量级，这一量级g3835
g3835接近g1122材料的g3534g7424结构——g2010g4388甚至g1122g2419g4388，g1866g11040面g2419g4388数量g8616g1375极g3835，一g14336占g5647g2419g4388
数的 50%g5050g2503，纳米微粒的微小尺寸和高g8616g1375的g15932面g2419g4388数导g14280了它的量g4388尺寸g6940g5224和g1866
金属学与热处理
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他一g1135特殊的物g10714性g17148。g993g16782这种超微颗粒g11013晶g5589g6122非晶g5589物g17148组成，g1866g11040面g2419g4388的结构都既g993g2528g1122g19283程有序的晶g1319，g1075g993g2528g1122g19283程无序、短程有序的g12879g1296气g1319g3278g1319结构，g3252g8504，
一g1135g11752g12362g1166员又把纳米材料称g1055g1038晶g5589、非晶g5589g1055g3818的“第三g5589g3278g1319材料”。
1,基本物理效应
1) 小尺寸g6940g5224
当超细微粒的尺寸g994光波波g19283、g5515布g13611g5859波g19283以及超导g5589的g11468g5190g19283度g6122透射g9157度等物
g10714特g5461尺寸g11468当g6122更小g7114，晶g1319g2620期性的g17805g11040条件g4570g15999g11784g3363，非晶g5589纳米微粒的颗粒g15932面层g19480近g2419g4388密度g1955少，导g14280声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸g6940g5224。小尺寸g6940
g5224的g15932现g20330g1820是纳米微粒的熔g9869发生改变，g7234通g18341g4658g18341的熔g9869是 l337K，当g18341的颗粒尺寸
g1955小g20522nmg7114，g18341微粒的熔g9869降g2052600Kg727纳米g19146的熔g9869可降低g2052100g263。
g11013g1122纳米微粒的尺寸g8616可见光的波g19283还小，光在纳米材料中传g6785的g2620期性g15999g11784g3363，g1866
光学性g17148g4613会呈现g994g7234通材料g993g2528的情g5430。光吸收g7186g14891增g2164g5194产生吸收峰的等离g4388共振频移，磁有序g5589向无序g5589转变等，g1375如，g18341g4658g11013g1122光g2465射g7186现g2520种g20080色，g13792g18341g4658纳米微粒都呈g21669色，g16840明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位g13634和峰的半高宽都g994粒g4388半径的g1510数有
g1863。g2045g11004这一性g17148，可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一g4462频宽的微波吸收纳米材料，可
g11004g1122磁波屏蔽、隐g5430g20146机等。
2) g15932面g6940g5224
g15932面g6940g5224是g6363纳米粒g4388g15932面g2419g4388g994g5647g2419g4388数g1055g8616。纳米微粒尺寸小，g15932面能高，位g1122
g15932面的g2419g4388占g11468当g3835的g8616g1375，随g11540粒径的g1955小，g15932面g2419g4388数迅g17907增g2164，g2419g4388g18209位g993g17287和高的g15932面能，g1363这g1135g15932面g2419g4388具有高的活性，极g993稳g4462，g5468g4493g7143g994g1866他g2419g4388结合。g18209位g17246g993
g17287的g2419g4388，g17246g993稳g4462，极g7143转移g2052g18209位数g3822的位g13634上，g15932面g2419g4388g17947g2052g1866他g2419g4388g5468g5567结合，
g1363g1866稳g4462g2282，这g4613是活性g2419g3252。这种g15932面g2419g4388的活性，g993g1306引g17227纳米粒g4388g15932面g17767g17877和构g3423
的变g2282，g2528g7114g1075会引g17227g15932面电g4388自旋构象和电g4388能级的变g2282，g1375如，g2282学惰性的g18341g4658g19094在制成纳米微粒后g1075变g5483g993稳g4462，g1363g1866成g1038活性极好的催g2282剂，g18341g4658纳米粒g4388在空中会g10135烧，
无机的纳米粒g4388g7304g19718在空气中会吸g19480气g1319，g5194g994气g1319g17839行g2465g5224。
3) 量g4388尺寸g6940g5224
是g6363粒g4388尺寸下降g2052极值g7114，g1319g12227缩小，粒g4388g1881的g2419g4388数g1955少g13792造成的g6940g5224。g7097g7424科学g4490久g1457(Kubo)g13485量g4388尺寸下的g4462义是：当粒g4388尺寸降g2052最小值g7114，出现g17165米能级g19480近的电g4388能级g11013g1946连续变g1038g993连续离散g2010布的现象，以及纳米半导g1319存在g993连续的最高g15999占据
g2010g4388g17724g17959和最低未g15999占据的g2010g4388g17724g17959能级g13792g1363能隙变宽的现象，这g7114g4613会出现明g7186的量g4388
g6940g5224，导g14280纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能g994宏观材料的特性有明g7186的g993g2528。g1375如，
纳米微粒对g1122红g3818吸收g15932现出灵敏的量g4388尺寸g6940g5224g727共振吸收的峰g8616g7234通材料尖锐g5483g3822g727
g8616热g4493g994温度的g1863g13007g1075呈非g13459性g1863g13007。g8504g3818，微粒的磁g2282率、电导率、电g4493率等参数g1075g3252
g8504具有特有的变g2282g16280律。g1375如，g18341g4658g7234g17953是良导g1319，g13792纳米g18341g4658在低温下都是呈现电绝缘
g1319，PbTiO
3
、BaTiO
3
和SrTiO
3
通g5132情g1929下是g19093电g1319，g1306它们的纳米微粒是g20046电g1319g727无极性的氮g2282硅g19530g10955，在纳米g5589g7114却会出现极性材料g6177有的压电g6940g5224。
4) 宏观量g4388g19579g17959g6940g5224
微观粒g4388具有g12371g17246g2195g3430的能力称g1038g19579g17959g6940g5224。纳米粒g4388的磁g2282强度等g1075具有g19579g17959g6940g5224，
它们可以g12371g17246宏观的g2195g3430g13792产生变g2282，这g15999称g1038纳米粒g4388的宏观量g4388g19579g17959g6940g5224。它的g11752g12362
第10章 材料研究新进展
·237·
·237·
对g3534g11796g11752g12362及实际g5224g11004都具有重要g5859义，它g19492g4462了磁g11436等对信息存储的极g19492，g11842g4462了现代微电g4388器件g17839一g8505微g3423g2282的极g19492，g11013g1122纳米材料g7424g17535所具有的这g1135g3534g7424特性g1363它的g5224g11004领域g2325g2010广阔。
2,扩散及烧结性能
g11013g1122在纳米结构材料中有g11540g3835量的g11040面，这g1135g11040面g1038g2419g4388提g1391了短程g6205散途径，g3252g8504
纳米结构材料具有g17751高的g6205散率，g1363一g1135通g5132g17751高温度g6177能g5430成的稳g4462g6122g1183稳g11468在g17751低温度下g4613可以存在，另g3818g1075可g1363纳米结构材料的烧结温度g3835g3835降低(所g16871烧结温度是g6363把粉g7423
g1820g2164压成g5430，g9994后在低g1122熔g9869的温度下g1363这g1135粉g7423g1126g11468结合，密度接近g1122材料的g10714g16782密度的温度)。
3,超塑性
材料在特g4462条件下可产生非g5132g3835的塑性变g5430g13792g993g7041g16022的特性g15999称g1038超塑性(通g5132g6363在
g6301伸情g1929下)g6122超g5322展性(轧制条件下)。对g1122g18341g4658g6122g19530g10955g3822晶材料，g1866产生条件是高温(通g5132
高g1122熔g9869的一半)和稳g4462的细晶组g13467。超塑性是g6363在g7041g16022前产生g5468g3835的伸g19283量，g1866机制目前还在争g16770g1055中，g1306从实验现象中可以g5483出晶g11040和g6205散率在这一过程中g17227g11540重要g1328g11004。如g19530
g10955材料在高温g7114具有超塑性，可以通过g1363晶粒的尺寸降g2052纳米级来实现g1866室温超塑性。
4,力学性能
g11013g1122纳米晶g1319材料有g5468g3835的g15932面g12227/g1319g12227g8616，g7446g17148在g11040面的g8999度g1427g3835g3835降低，从g13792提高了材料的力学性能。g11013g1122纳米材料晶g11040g2419g4388g19400隙的增g2164和气g4392的存在，g1363g1866g5389性g8181量g1955小了30%以上。g8504g3818，g11013g1122晶粒g1955小g2052纳米量级，g1363纳米材料的强度和硬度g8616g12907晶材料高4g7945
g1505。g994传统材料g11468g8616，纳米结构材料的力学性能有g7186g14891的变g2282，一g1135材料的强度和硬度成
g1505的提高，这方面还没有g5430成g8616g17751g13007统的g10714g16782。
5,光学性能
纳米g18341g4658粉g7423对电磁波有特殊的吸收g1328g11004，可g1328g1038g1903g11004高性能毫米波隐g5430材料、红g3818
g13459隐g5430材料和结构式隐g5430材料以及g6175机辐射屏蔽材料。
6,电学性能
g11013g1122晶g11040上g2419g4388g1319g12227g2010数的增g3835，纳米材料的电g19471高g1122g2528g12879g12907晶材料。纳米半导g1319的
g1183电行g1038(g1183电g5132数、g1183电g6451g13803)及压电特性g2528g5132g16280的半导g1319材料有g5468g3835的g993g2528。如纳米半导g1319材料的g1183电g5132数随测量频率g1955少呈明g7186上升g17247g2195，另g3818g1866g11040面存在g3835量的g5760g19202，导g14280
g1866g11040面电荷g2010布发生变g2282，g5430成局域电g1610极g11709。
7,磁学性质
g11013g1122改变g2419g4388g19400g17329可以g5445g2721材料的g19093磁性，g3252g8504纳米材料的磁饱和量
e
M 和g19093磁转变温度g4570降低，如6nm Fe的
e
M g1038130
1
cm μg
,g13792g8503g5132α Fe? g3822晶材料g1038220
1
cm μg
,Feg3534
g18341g4658玻璃g5589g1038 215
1
cm μg
。纳米材料另一个重要的磁学性g17148是磁(g14280)热的(magnetocaloric)
g6940g5224，g6363的是如g7536在非磁g6122g5381磁g3534g1319中包含g5468小的磁微粒，当g1866处g1122磁g3342中g7114，微粒的磁旋方向会g994磁g3342g11468g2317g18209，g3252g13792增g2164了磁有序性，降低了自旋g13007统的磁g10121。如g7536g8504过程是绝金属学与热处理
·238·
·238·
热的，自旋g10121g4570随晶g7696g10121的增g2164g13792g1955小，且样品温度升高，这是一个可逆过程。
8,其他性质
纳米材料的g8616热g3835g1122g2528g12879g12907晶和非晶材料，
p
C 的增g2164g994g11040面结构有g1863，g11040面结构g17246g5332
g6930，
p
C 的增g2164g5145度g4613g17246g3835，这是g11013g1122g11040面g2419g4388g13818合变g5381的结g7536。g11013g1122纳米材料g2419g4388在g1866晶
g11040上高度弥散g2010布，g3252g8504纳米材料的弥散性要强g1122g2528g12879g2345晶g6122g3822晶材料，这对诸如材料的
g15849变等一g13007g2027性g17148有g11540重要的g5445g2721。近g5192来g6265g17959了一g1135纳米材料的腐蚀行g1038。g11013g1122纳米材料具有精细晶粒和均匀结构，g3252g8504纳米材料g2475g2052的是均匀的腐蚀，g13792g12907晶材料g3822g1038晶g11040
腐蚀。
10.3.3 纳米材料的应用
有科学g4490g20056g16340，在21g1002g13438纳米材料g4570是“最有前途的材料”，纳米技术甚至会超过计算机和g3534g3252学，成g1038“g1927g4462性技术”。
纳米材料高度的弥散性和g3835量的g11040面g1038g2419g4388提g1391了短程g6205散途径，导g14280了高g6205散率，
g1866对g15849变、超塑性有g7186g14891g5445g2721，g5194g1363有g19492g3278溶g1319的g3278溶性增强、烧结温度降低、g2282学活性增g3835、耐腐蚀性增强(g2475均匀腐蚀g13792g993g2528g1122g12907晶材料的晶g11040腐蚀)。g3252g8504，纳米材料g15932现出的力、热、声、光、电、磁性等，g5460g5460g993g2528g1122g16825物g17148在g12907晶状g5589g7114g15932现的性g17148。g994传统g12907
晶材料g11468g8616,纳米材料具有高强度和硬度、高g6205散性、高塑性和韧性、低密度、低g5389性g8181量、
高电g19471、高g8616热g4493、高热g14204g13972g13007数、低热导率及强g17731磁性能。可g5224g11004g1122高力学性能环境、
光热吸收、非g13459性光学、磁性g16772g5417、特殊导g1319、g2010g4388g12591、超微g3809合材料、催g2282剂、热交换材料、敏感g1815件、烧结g2173剂、润g9381剂等领域。
1,传感器方面的应用
g11013g1122纳米材料具有g3835的g8616g15932面g12227、高的g15932面活性及g994气g1319g11468g1126g1328g11004强等g2419g3252，纳米微粒对g2620g3272环境g2325g2010敏感，如光、温、气g8687、g9299度等，g3252g8504可g11004g1328g2520种传感器，如温度、气
g1319、光、g9299度等传感器。
2,催化方面的应用
纳米微粒g11013g1122尺寸小、g15932面g2419g4388数占g17751g3835的百g2010数、g15932面的g19202g5589和电g4388g5589g994颗粒g1881部
g993g2528、g15932面g2419g4388g18209位g993全等导g14280g15932面活性增g2164，g1363它具备了g1328g1038催g2282剂的g3534g7424条件。最近，
g1863g1122纳米材料g15932面g5430g5589g11752g12362g6363出，随g11540粒径的g1955小，g15932面光g9381程度变差，g5430成g1997g1996g993平的
g2419g4388g2500阶，这g4613增g2164了g2282学g2465g5224的接g16314面。近g5192来g3281际上对纳米微粒催g2282剂g2325g2010重g16282，称
g1055g1038第四代催g2282剂。g2045g11004纳米微粒高的g8616g15932面g12227和活性这种特性，可以g7186g14891提高催g2282g6940率。
3,光学方面的应用
纳米微粒g11013g1122小尺寸g6940g5224g1363g1866具有g5132g16280g3835g3371材料g993具备的光学特性，如光学非g13459性、
光吸收、光g2465射、光传g17767过程中的能量g6451g13803等都g994纳米微粒的尺寸有g5468强的依g17194g1863g13007。
4,医学上的应用
随g11540纳米技术的发展，在g2319学上的g5224g11004技术g1075g5332g3999g4865g19718g3848g16294，g11013g1122纳米微粒的尺寸一
g14336g8616生物g1319g1881的细胞、红g15892g10711小g5483g3822，这g4613g1363g11752g12362g1166员可g2045g11004纳米微粒g17839行细胞g2010离、细第10章 材料研究新进展
·239·
·239·
胞g7591色及g2045g11004纳米微粒制成特殊药物g6122新g3423抗g1319g17839行局部g4462向g8847疗。科g11752g1166员g5062g13475成功g2045
g11004纳米SiO
2
粒g4388g17839行g4462位g11161变g8847疗，以g1955少g2115g1328g11004等。科学g4490们设g5831g2045g11004纳米技术制造出
g2010g4388机器g1166，在g15892g9094中循环，对g17535g1319g2520部位g17839行检测、诊g7041，g5194实施特殊g8847疗，疏通g14053g15892
管中的g15892g7655，g9177g19512g5527脏g2172g14045g14038g13950沉g12227物，甚至可以g11004g1866g2546g3136g11161毒，g7444g8527g11296细胞。
5,生物工程领域的应用
g2010g4388是g1457g6357物g17148g2282学性g17148g993变的最小g2345位。生物g2010g4388是g5468好的信息处g10714材料，每一个生物g3835g2010g4388g7424g17535g4613是一个微g3423处g10714器，g2010g4388在运g2172过程中可按g20056g4462方式g17839行状g5589变g2282，g1866
g2419g10714g12879g1296g1122计算机的g17935g17765g5332g1863，g2045g11004g16825特性g5194结合纳米技术，可以设计量g4388计算机。
6,电子功能材料中的应用
1) 纳米磁g16772g5417g1183g17148
磁g16772g5417是信息储存g994处g10714的重要g6175段，随g11540科学的发展，要求g16772g5417密度g17246来g17246高。20
g1002g13438 80 g5192代g7097g7424g4613g2045g11004 Fe、Co、Ni 等g18341g4658超微粒制备高密度磁g5114。颗粒尺寸g1038 20nmg794
30nm，g11711顽力 H 约g1038 1.61×10
5
A/m，g2109磁 Br 约g1038 0.3T，g17878g11004g1122g13449向式g3414直g16772g5417，g16772g5417密度可g1781010
7
g79410
8
bit/in，且可降低g3134声，提高信g3134g8616g727g11013它制成的磁g5114、磁g11436g1075g5062g2842品g2282。
g8504g3818一g1135含Co、Ti的g19061g19093g8699g1319颗粒g1328g1038磁g16772g5417g1183g17148g1075g5062g17247g1122g2842品g2282，强磁颗粒可制成信g11004
g2357、g12092证、磁性g19065g2285等。磁性存储技术在现代技术中占有g1042g17287g17743重的g3332位。g11013g1122磁信号的
g16772g5417密度在g5468g3835程度上取g1927g1122磁g3848g13553隙的宽度、磁g3848的g20146行高度以及g16772g5417g1183g17148的厚度，g3252
g13792g1038了g17839一g8505提高磁存储的密度和g4493量，g4613需要g993g7041g1955小磁g3848的g1319g12227，g2528g7114还要g1955小磁g16772
g5417g1183g17148的厚度。g3252g8504薄g14192磁g3848材料g994薄g14192磁存储g1183g17148是磁件材料当前发展的主要方向g1055一。
2) 纳米电磁波、光波吸收材料
超微颗粒对光具有强烈的吸收能力，g3252g8504通g5132是g21669色的，可在电镜g252核磁共振波g16901仪和太阳能g2045g11004中g1328光照吸收材料，还可g1328g19462红g3818g13459、g19462雷g17810的隐g17535材料。g1375如g11004WCo微粒、
g19093g8699g1319微粒制成的吸波材料，在g3281g19462中有重要g5224g11004，美g3281g5062实g11004g2282，1991g5192的海g9298战争中美g3281的隐g17535战g7019g6927击机F-117A共执行1270次空g16001任g2165，无一g6451g1272。这方面工g1328我g3281g1075在
g11752制当中，g8504g3818超微颗粒还可g1328g1038磁性g9094g1319的g2419料。
小 结
g18331g11004g7588种可能的工艺g4570g1016种g6122g1016种以上的组g13467结构，物g10714及g2282学性g17148完全g993g2528的物g17148结合在一g17227，g4613可以g5430成一g12879新的g3809合材料，它代g15932了工程材料的一个发展方向。
功能材料则是新材料领域的核g5527，在全g10711新材料g11752g12362领域中，功能材料约占 85%。随
g11540信息g12050会的g2052来，特种功能材料对高新技术的发展g17227g11540重要的g6524g2172和支g6757g1328g11004，是
21 g1002g13438信息、生物、能源、环g1457、空g19400等高技术领域的g1863g19202材料。g2528g7114g1075对改造g7588g1135
传统产g1006，如g1904g1006、g2282工、g5326材等g17227g11540重要g1328g11004，g1866中g5430状g16772忆合g18341、超导材料、储氢材料、非晶g5589合g18341、智能材料和梯度功能材料是g5132见的功能材料。纳米材料，是g6363
粒g4388尺寸在纳米量级(1nmg794100nm)的超细材料，又称g1328g1038超细粉g1319。g7424g12468重g9869g19428g17860了
g3809合材料、功能材料和纳米材料的g5430成机g10714、g2010g12879、特g9869及g1866主要g5224g11004。
金属学与热处理
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本 章 习 题
1,g3809合材料如何组成g731g2520g17227g1172g1052g1328g11004g731
2,g3809合材料有g2750几g12879g731g1866特g9869g2520是g1172g1052g731
3,何g16871g5430状g16772忆g6940g5224g731g5430状g16772忆合g18341主要有g2750几g12879g731
4,储氢材料的储氢g2419g10714是g1172g1052g731储氢材料有g2750g1135g1260g9869g731储氢材料主要有g2750g1135方面的
g11004途g731
5,目前g1032g11040温度最高的超导g1319g1038g2750一g12879超导g1319g731
6,g1172g1052非晶g5589合g18341、智能材料和梯度功能材料，有何特g9869，g1866主要g2010g12879及g5224g11004是g1172g1052g731
7,纳米材料的g3534g7424物g10714g6940g5224是g1172g1052g731主要有g2750几g12879g731有g1172g1052性能特g9869g731