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新型金属材料制备与应用前景冶金 115 05 李凌云摘要：有色金属是高技术发展的支撑材料，产业关联度高达 90％以上新世纪以来，物质科学、材料科 技、生命科学、信息科技等领域都酝酿着巨大 的发展突破，无疑将为有色金属的应用开辟广泛空间未来，有色金属工业 将同全球产业革命息息相关本文将介几种新型金属材料的制备与应用前景 关键词：金属 新材料 制备 应用金属是人类使用的最多，最悠久的材料之一随着时代的发展和技术的进 步，人们对与金属材料的要求也越来越高，特种金属功能材料是指具有独特 的声、光、电、热、磁等性能的金属材料 新型金属材料的制备和应用技术在当下有 着越来越重要的地位下面就来介绍几种新型金属材料1形状记忆合金的发展、制备与应用前景1.1 形状记忆合金的发现与发展 纵观形状记忆合金的发展，与钢铁、铝合金等广泛使用的金属相比， 形状记忆合金是一种具有感知和驱动能力的新型功能材料，其应用的最大价值 在于 “记忆”效应（Shape Memory Effect，简称SME记忆”效应的发现最 早要追溯到 1932年，由瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到合金的形状在 某一温度下受外力被改变，当外力去除时，仍保持变形后的形状，但一旦加热 到一定的跃变温度时，材料又可以自动回复到原来的形状，似乎对以前的形状 保持记忆，这种特殊功能的合金称为形状记忆合金 （Shape memory Alloy ．简称 SMA。

形状记忆效应是指形状记忆合金材料在完全母相状态下定型，然后冷却 到一定温度形成完全马氏体，将马氏体在该温度下施加变形，使它产生残余变 形，如果从变形温度加热，伴随逆相变，就可以使原来存在的残余变形消失， 并回复到母相所固有的形状，仿佛合金记住了母相状态所赋予的形状当马氏 体变形后经逆相变，能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应有的材料经适 当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，而且在再次冷却时能恢复马氏体变 形后的形状，称为双程形状记忆效应 形状记忆效应被发现之后，人们从未停 止过对记忆效应微观原理的探索，并逐步利用这一特性来应用于特殊的场合 形状记忆合金最早应用于工业生产是在 1969年，人们采用了一种与众不同的管 道接头装置为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度 的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比对接管子外径 略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到 该接头的转变温度时， 接头就自动收缩而扣紧被接管道， 形成牢固紧密的连接 据外国资料介绍，美国的F-14战斗机使用了 10万个以上的类似这样的接头来连 接液雁管道，从未发生过漏油、脱落或破损事故。

应用最早也最广泛的形状记 忆合金是镍钛形状记忆合金，但为了进一步提升合金其他方面的性能，诸如耐 高温性能、抗疲劳性能等，人们向铁镍合金中不断尝试添加其他元素，从而进 一步研究开发了钛镍铁、钦镍铜、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金除此以 外，其他种类的形状记忆合金也相继问世，如铁系合金、铜锌系合金、铜镍系 合金等人们还通过改变形状记忆合金的组织结构来获得某一优良性能，如多 孔镍钛形状记忆合金，其组织内数量巨大的晶界（包括孪晶晶界）和内部大量 的微孔结构使得合金具备了优于一般合金材料的阻尼特性，从而能够应用于减1.2 形状记忆舍金的制备方法1.2.1 自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成法也称燃烧合成法，其实质是燃烧合成具体流程是 将按一定比例配置好的合金元素粉末均匀混合， 并施加压力形成一定的形状后， 在一定温度下置于保护气体中局部点燃，使反应自蔓延传播，待燃烧完毕后便 可生成化合物按照燃烧方式的不同，自蔓延可分为热爆模式和层燃模式自 蔓延燃烧合成法可制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料，具有合成速 度快、节能及产物纯度高、多孔、离散性大等优点1.2.2 常规粉末烧结法 以镍钛舍金为例，常规粉末烧结法是将镍、钛金属粉末 } 昆合均匀后，在某一较高的温度下长时间烧结，形成合金。

反应过程中，钛原子的迁移扩散 速率较镍原子的迁移扩散速率大， 故钛原子更易于扩散至镍颗粒间并与其化合， 钛原子处则由于没有扩散来的原子补偿，会形成微孔，这一现象被称为柯肯达 尔效应由于柯肯达尔效应的作用，长时间烧结的镍、钛金属粉末最终获得多 孔的镍钛合金 常规粉末烧结法的工艺过程简单易行、 反应可控、技术要求低 但同时反应方式的局限性也导致生产过程费时、材料孔隙率低、孔隙尺寸不大 及合金组织均一性不高等缺点1.2.3 热等静压法 热等静压法也是利用金属粉末烧结成型的原理，是目前制备形状记忆 合金的教有效和较理想的手段热等静压法是将特定气体作为压力媒介，在加 热烧结过程中对粉体或坯料施加气体压力来制备合金的方法由于气体本身的 性质，无论被成型材料几何形状如何，气体产生的高压力均能保持其各个方向 上受压力相同或相近同时，高压气体也能像液体一样渗入粉体或坯料中的空 洞，这样，在高温高压的共同作用下，合金内部的缺陷和孔洞易被消除，晶体 组织结构改善，并伴随着材料致密度和强度大幅提高，综合性能优异但热等 箭压法继承了烧结法烧结时间长的缺点，设备投入也较大1.3 形状记忆合金的应用前景1.3 1 建筑工程材料 形状记忆合金在建筑工程上的应用的例子还很少，现在研究较多的是 SM智能混凝土。

SM智能混凝土通过在混凝土结构中植入形状记忆合金来 改善混凝土诸多性能 由于形状记忆合金具有形状记忆效应、 超弹性效应、 高阻尼等特性，其加入到混凝土中可以增加结构阻尼， 提高建筑物的抗震能力， 并且能够自我感知、自我修复，达到建筑结构、控制一体化，使工程材料向智 能化发展1.3.2 减震材料使用形状记忆合金能够开发出优良的减震器， 其工作原理是在SM装置变形后，会产生较大的变形位移耗能，减少下部结构地震能量向上部结构的传 输，从而达到保护上部结构的目的，提高结构的抗震性能1.3.3 机械工程材料将形状记忆合金加工成特定的形状， 可充当机械工程中的连接紧固件， 如管接头、紧固铆钉、紧固圈等，由于形状记忆效应，紧固件工作更加稳定可 靠1.3.4 医用材料 在医学中应用最广泛的是多孔镍钛记忆合金，主要用于人体骨骼的替换和修补镍钛合金具有与人体骨骼强度相当的强度，同时其多孔的特性保证 植入人体后不会因为纤维组织的包覆而使植人材料产生松动或偏移而失效，使 植入物号被修复骨组织形成牢固的结合体其优于其他材料的形状记忆效应又 使得植入过程变得容易，降低手术难度，减轻病人的痛苦人们在镍钛合金与 人体相容性方面又做了大量的研究工作，新的材料甚至能促进骨组织的生长， 植人物与肌体组织的排异反应也大为降低。

2超导材料的应用及前景展望2.1 超导材料应用2.1.1 超导材料在电力技术中的应用 当今，电已经成为人们生活及社会生产等不可或缺的一方面如何提高超导电力技术作为一种高效节能的供电方式，被美国能源部誉为“ 21世纪电力工业唯一的高新技术”超导技术的研究为我们研究电力开辟了一条新的道2.1.1.1 超导电缆人们将无电阻损耗、 高电流密度的低温或高温超导线材制成超导电缆， 并以液态氦或液态氮作为冷却介质冷却超导电缆电流输送能力高于同样截面 的普通电缆 2-4 倍；损耗仅为常规电缆的 10%葚至更低；其强大的载流能力可减 少输电线的使用，节约资源；同时符合绿色地球理念，绿色无污染2.1.1.2 超导发电机 超导发电机的应用是在常规发电机的基础上，把发电机转子用超导材 料代替而制成的超导发电机体积仅是常规发电机的 1/2 ，重量为常规发电机的 1/3 ，但它的发电效率却可提高 50%，紧凑性也大为提高在飞机、舰艇等方面 应用超导发电机，可以使超导发电机如鱼得水的发挥其优势，同时也可满足人 们在速度效率等方面的要求除超导电缆，超导发电机外，超导电力技术还被应 用在了超导变压器，超导故障电流限制器，超导储能器等方面，可以说超导材 料的不断发展也伴随着电力技术的不断进步。

2.1.2 超导在交通领域的应用 随着人们对出行方式的不断优化，超导磁悬浮列车将会作为一种新的 交通工具走进人们的生活 磁悬浮列车以其优于常规列车的速度， 环境友好性， 安全性，爬坡能力，舒适度等特性，必将极大地改善人们的出行方式与质量 磁悬浮列车的研制，也符合当前改善交通拥堵问题的基本要求2.1.3 超导在医疗领域的应用 利用超导材料的周围磁场高均匀度，超级导磁能力等性质，超导体被 运用在某些检测仪器中例如超导技术在医疗上应用的成功范例之一——核磁 共振仪核磁共振成像在主磁体采用超导磁体后，磁场强度更强，稳定性大大 提高，缩短了测量时间且成像更加清晰 它可以用来进行某些疾病的早期诊断， 如检查骨头或肌肉的损伤以及癌症等疾病，中医经络原理的研究，化学活体检 测等2.2超导材料发展随着科技的日新月异， 新的超导材料不断被发现 但因不同的本征特征， 合成工艺及环境污染等因素的限制，使得有的超导材料失去了实用价值，而有 的超导材料却极具实用价值如制造超导电缆的各种线材，磁悬浮列车的应用 等以磁悬浮列车为例，目前磁悬浮列车技术处于前列的是日本与德国，日本 与德国分别于 1962年、 1968年开始研究磁悬浮技术。

德国在 1971年进行了时速 90km/h的列车载人实验，日本在1972年研制出了时速达204km/h的列车，而中国 在1994年磁悬浮列车载人实验成功，成为了掌握磁悬浮技术的少数国家之一， 继而在 2002年研制出了可以载客的磁悬浮列车除以上谈到的发展之外，超导材料还在制造超导逻辑器件与超导电脑，航 海与航空领域等得以发展2.3超导材料前景展望超导技术是 21世纪具有战略意义的高科技， 它的研制将会带来难以估测经 济及社会效益当超导材料及技术达到普及之后． 会给国家带来变革性的影响， 我国的科技水平的提高以及综合国力的提升，也会迈上一个新的台阶因此， 对于超导的研究，将会是各国的一个热点问题例如，美国将超导技术作为能 源战略之一，以此足见超导材料的重要性3半导体材料的制备Zn0是一种应用较广的半导体材料，在很多光学器件和电学器件中有很广泛 的应用，由此也产生了多种纳米半导体器件的制备方法，主要有以下几种：3.1 模板制备法 模板制备法是一种用化学方法进行纳米材料制备的方法，被广泛地用 来合成各种各样的纳米棒、纳米线、纳米管等此种方法使分散的纳米粒子在 已做好的纳米模板中成核和生长，因此，纳米模板的尺寸和形状决定了纳米产 物的外部特征。

科学家们已经利用直径为 40 nm和20 nm左右的多种氧化铝模板 得到了高度有序的Zn0纳米线郑华均等人用电化学阳极氧化一化学溶蚀技术制 备出了一种新型铝基纳米点阵模板，此模板由无数纳米凹点和凸点构成，并在 此模板上沉积出ZnQ纳米薄膜此外，李长全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸钠为 模板制备出Zn0纳米管该方法优点：较容易控制纳米产物的尺寸、形状缺点： 需要模板有较高的质量3.2 物理气相沉积 (PVD)物理气相沉积可以用来制备一维Zn0纳米线和二维Zn0纳米薄膜，原理 是通过对含Zn材料迸行溅射、蒸发或电离等过程，产生 Zn粒子并与反应气体中 的C反应，生成Zn0化合物，在衬底表面沉积物理气象沉积技术已经演化出三 种不同的方法，它们是真空蒸发法，真空溅射法和离子镀，离子镀是目前应用 较广的离子镀是人们在实践中获得的一种新技术，将真空蒸发法和溅射法结 合起来，在高真空环境中加热材料使之汽化后通入氢气，在基体相对于材料间 加负高压，产生辉光放电，通过电场作用使大量被电离的材料的正离子射向负 高压的衬底，进行沉积张琦锋、孙晖等人用气相沉积方法已经制备出了一维 Zn0纳米半导体材料优点：所得到的纳米产物纯度高，污染。