第10章材料研究新进展 217· 模型,进行了理论计算,但距离真正掌握自然界生物材料的奧秘还有很大差距,可以肯定 这是复合材料发展的必由之路,而且前景广阔。 10.2功能材料 般认为,功能材料是指应用材料的物理和化学性能如光、电、磁、声、热等特性的 各种材料,包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、形状记忆合金、储氢 材料、生物医学材料、组织工程材料、纳米药物载体、功能膜、功能陶瓷、功能纤维等。 但是功能材料本身的范围还没有公认的严格的界定,所以对它的分类也就很难有统一的认 识。比较常见的分类法有: ①按材料的化学键分类,功能材料分为功能性金属材料、功能性无机非金属材料、功 能性有机材料和功能性复合材料。 ②按材料物理性质分类,这样就有磁性材料、电性材料、光学材料、声学材料、力学 材料、化学功能材料等。 ③按功能材料的应用领域分类,这样有电子材料、军工材料、核材料、信息工业用材 料、能源材料、医学材料等。 ④按使用性能,可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用 材料、生态环境材料、能源材料和机敏(智能)材料等 这里主要介绍形状记忆合金、超导材料、储氢材料、非晶态合金、智能材料和梯度功 能材料。 10.21形状记忆合金 所谓形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一种形状后,通过 热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理后,又可恢复成初始状态(形状)的材料,即无生 命的材料却具有一定的“记忆”功能。在研究Ti-Ni合金时发现:原来弯曲的合金丝被拉 直后,当温度升高到一定值时,它又恢复到原来弯曲的形状。人们把这种现象称为形状记 忆效应( Shape Memory Effect,SME,具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金(SMA) 迄今为止,已有10多个系列、50多个品种形状记忆合金。形状记忆合金已广泛应用于人 造卫星、机器人和自动控制系统、仪器仪表和医疗设备。近年来,又在高分子聚合物、陶 瓷、玻璃材料、超导材料中发现形状记忆现象。 1.形状记忆原理 形状记忆合金与普通金属变形及恢复有不同,如图10.5所示。普通金属材料,当变形 在弹性范围内除去载荷后可以恢复到原来形状,无永久变形,但当变形超过弹性范围,再 去载荷,材料就发生永久变形,如图10.5(a)所示。而形状记忆合金在变形超过弹性范围, 去除载荷也会发生残留变形,但这部分残留变形在其后加热到某一温度即会消除而恢复原 来形状,如图10.5(c)所示。形状记忆合金又是一种超弹性合金,当变形超过弹性范围后在 某一程度内,当去除载荷后,它能慢慢地返回原形,如图10.5(b)所示,这种现象称为起弹 性或伪弹性。大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。马氏体相变往往
第 10 章 材料研究新进展 ·217· ·217· 模型，进行了理论计算，但距离真正掌握自然界生物材料的奥秘还有很大差距，可以肯定 这是复合材料发展的必由之路，而且前景广阔。 10.2 功 能 材 料 一般认为，功能材料是指应用材料的物理和化学性能如光、电、磁、声、热等特性的 各种材料，包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、形状记忆合金、储氢 材料、生物医学材料、组织工程材料、纳米药物载体、功能膜、功能陶瓷、功能纤维等。 但是功能材料本身的范围还没有公认的严格的界定，所以对它的分类也就很难有统一的认 识。比较常见的分类法有： ① 按材料的化学键分类，功能材料分为功能性金属材料、功能性无机非金属材料、功 能性有机材料和功能性复合材料。 ② 按材料物理性质分类，这样就有磁性材料、电性材料、光学材料、声学材料、力学 材料、化学功能材料等。 ③ 按功能材料的应用领域分类，这样有电子材料、军工材料、核材料、信息工业用材 料、能源材料、医学材料等。 ④ 按使用性能，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用 材料、生态环境材料、能源材料和机敏(智能)材料等。 这里主要介绍形状记忆合金、超导材料、储氢材料、非晶态合金、智能材料和梯度功 能材料。 10.2.1 形状记忆合金 所谓形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一种形状后，通过 热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理后，又可恢复成初始状态(形状)的材料，即无生 命的材料却具有一定的“记忆”功能。在研究 Ti-Ni 合金时发现：原来弯曲的合金丝被拉 直后，当温度升高到一定值时，它又恢复到原来弯曲的形状。人们把这种现象称为形状记 忆效应(Shape Memory Effect，SME)，具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金(SMA)。 迄今为止，已有 10 多个系列、50 多个品种形状记忆合金。形状记忆合金已广泛应用于人 造卫星、机器人和自动控制系统、仪器仪表和医疗设备。近年来，又在高分子聚合物、陶 瓷、玻璃材料、超导材料中发现形状记忆现象。 1. 形状记忆原理 形状记忆合金与普通金属变形及恢复有不同，如图 10.5 所示。普通金属材料，当变形 在弹性范围内除去载荷后可以恢复到原来形状，无永久变形，但当变形超过弹性范围，再 去载荷，材料就发生永久变形，如图 10.5(a)所示。而形状记忆合金在变形超过弹性范围， 去除载荷也会发生残留变形，但这部分残留变形在其后加热到某一温度即会消除而恢复原 来形状，如图 10.5(c)所示。形状记忆合金又是一种超弹性合金，当变形超过弹性范围后在 某一程度内，当去除载荷后，它能慢慢地返回原形，如图 10.5(b)所示，这种现象称为起弹 性或伪弹性。大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。马氏体相变往往
218 金属学与热处理 具有可逆性,即把马氏体(低温相)以足够快的速度加热,可以不经分解直接转变为高温相(母 相)。母相向马氏体相转变开始、终了温度称为M、、M。马氏体向母相逆转变开始、终了 温度称为A、4。具有马氏体逆转变,且M与A相差很小的合金,将其冷却到M点以下 马氏体晶核随温度下降逐渐长大,温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小, 这种马氏体叫热弹性马氏体。在M以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变,形 成的马氏体叫应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体,应力增加时马氏体 长大,反之马氏体缩小,应力消除后马氏体消失,这种马氏体叫应力弹性马氏体。应力弹 性马氏体形成时会使合金产生附加应变,当除去应力时,这种附加应变也随之消失,这种 现象称为超弹性(伪弹性) 弹性范围加载 加载荷 加载荷 去载荷 永久变形 加载 (a)普通金属 (b)超弹性 (c)形状记忆合金 图105形状记忆效应和超弹性 母相受力生成马氏体并发生形变,或先淬火得到马氏体,然后使马氏体发生塑性变形, 变形后的合金受热温度高于A)时,马氏体发生逆转变,回复母相原始状态;温度升高至A 时,马氏体消失,合金完全回复到原来的形状。由此可见,形状记忆材料应具备如下条件 马氏体相变是热弹性的;马氏体点阵的不变切变为孪变,亚结构为孪晶或层错;母相和马 氏体均为有序点阵结构。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温 相进行可逆转变的结果。但是,具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应。 形状记忆效应分为两种。材料在高温下制成某种形状,在低温下将其任意变形,若将 其加热到高温时,材料恢复高温下的形状,但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状, 是单程记忆效应;若低温下材料仍能恢复低温下的形状,就是双程记忆效应 2.形状记忆合金的分类 形状记忆合金是因热弹性马氏体相变及其逆转变而具有形状记忆效应的合金材料。形 状记忆合金是形状记忆性能最好的材料。按照合金组成和相变特征,具有较完全形状记忆 效应的合金可分为三大系列:TiNi系形状记忆合金,铜基系形状记忆合金和铁基系形状记 忆合金 1)Ti-Ni合金 近等原子比的Ti-Ni合金是最早得到应用的一种记忆合金。由于其具有优异的形状记 忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物 相容性以及高阻尼特性等,因而得到广泛的应用。但原材料昂贵,制造工艺困难,使其成 218
·218· 金属学与热处理 ·218· 具有可逆性，即把马氏体(低温相)以足够快的速度加热，可以不经分解直接转变为高温相(母 相)。母相向马氏体相转变开始、终了温度称为 Ms 、Mf 。马氏体向母相逆转变开始、终了 温度称为 As 、Af 。具有马氏体逆转变，且 Ms 与 As 相差很小的合金，将其冷却到 Ms 点以下， 马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小， 这种马氏体叫热弹性马氏体。在 Ms 以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形 成的马氏体叫应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体 长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。应力弹 性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当除去应力时，这种附加应变也随之消失，这种 现象称为超弹性(伪弹性)。 (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 母相受力生成马氏体并发生形变，或先淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑性变形， 变形后的合金受热(温度高于 As )时，马氏体发生逆转变，回复母相原始状态；温度升高至 Af 时，马氏体消失，合金完全回复到原来的形状。由此可见，形状记忆材料应具备如下条件： 马氏体相变是热弹性的；马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或层错；母相和马 氏体均为有序点阵结构。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温 相进行可逆转变的结果。但是,具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应。 形状记忆效应分为两种。材料在高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若将 其加热到高温时，材料恢复高温下的形状，但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状，这 是单程记忆效应；若低温下材料仍能恢复低温下的形状，就是双程记忆效应。 2. 形状记忆合金的分类 形状记忆合金是因热弹性马氏体相变及其逆转变而具有形状记忆效应的合金材料。形 状记忆合金是形状记忆性能最好的材料。按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆 效应的合金可分为三大系列：Ti-Ni 系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁基系形状记 忆合金。 1) Ti-Ni 合金 近等原子比的 Ti-Ni 合金是最早得到应用的一种记忆合金。由于其具有优异的形状记 忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物 相容性以及高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。但原材料昂贵，制造工艺困难，使其成