功能材料及其应用戴永耀本文提出了功能材料的定义了形状记忆合金并且分别从材料组成和性能的角度对功能材料进行分类非晶态合金稀土永磁合金超导电材料简要介绍型功功能陶瓷等新能材料的现状和应用情况This详详reoreneferstothedefinitionoffunetionalmatersialanordytheiraaoyllclassifieatioAmnsusASoandsomafwfuoysllnctionalmateriaslsuchasShapeumdemsorphoftmgne亡einsasFuanctionaldeeranlueeiesandSpereonuctivemsterialandtheirPPlieatiohabeensolintrod按目前的科学技术和工业发展水平工程材料分为结构材料和功能材料两大类具有特殊物理性能北学性能和生物性能的一类材料统称为功能材料它能将光声磁热压力位移角度重量速度加速度化学能生物能等转换为电信号或将某一种性质的量转化为另一种性质的量从而实现对能量和信号的转换吸收存储发射传送传感控制和处理等功能有些功能材料可以有选择地吸附某种物质或者只允许某种物质通过而且有分离催化或传感某种物质的功能功能材料不仅性能复杂以用不同材料制成种类繁多同一功能可同一材料也可具有不同功能而且发展迅速现将一些新发展起来的或有突破性进展的功能材料及其应用简单介绍如下一酥己忆合金〔形习‘234这是一种具有形状记忆效应的新型功能材料具有一定形状的形状记忆合金元件在低温下将(马氏体状态下)进行一定的变形完全恢复当外力去除后根据材料的组成成分功能材料可分为四大类功能金属材料(习惯上叫精密合金)功能无机非金属材料(如半导体材料功能陶瓷材料等)功能高分子但加热元件至一定的温度后原来的形状这种记住原先母相形状的功能称为形状不能又会回复到形状记忆效应具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金多材料功能复合材料迄今发现具有形状记忆效应的合金虽有数十种之按使用性能分功能材料大致可分为十大类电功能材料磁功能材料光功能材料热功能材料力学功能材料振动功能材料化学功能材料能源但见于实际应用的只有TiNi合金铜基合金虽f分之一以下)具有价格低(约为TiNi合金的「易加工相变点可调范围大(约士50℃)等优点1但功能材料和物质有关的功能材料生物功能材料等在现代航空航天以及各种科学技术上功能材料存在室温下塑性较差晶粒较粗主要用来制造传感器和换能器是飞机航天飞机火箭导弹以至星际航行的制导导航环境控制能源供给电气系统操纵系统电子系统仪表通各相异性系数较大晶界杂质偏聚易出现晶界断裂存在马氏体稳定化记忆寿命短等缺点还没有在产品中正式获得应用我国从1978年起开始研制T1Ni合金至今已能小批量生产械等方面或等于3已试用于航空6mm宇航电气医学机信遥感遥测附件武器火控系统以及生命保障生活服务设施中的主要的不可缺少的材料功能材料该合金用于直径x的管接头时漏气率小于是航空航天等各种科学技术发展的决定因素之一ol,L/S抗拉脱力大于2492MPao1988年第5期用于直径26mm管接头时环境温度在一43一+05℃范围内耐压强度大于147MPa;温度为50℃时抗破坏强度大于126MPa;一43oC时为20一25MPa该合金用于航天器温控百页窗时与双金属元件的性能比较重量为双金属元件的l/7回复功比双金属元件大65倍在伊尔81和伊尔62飞机上曾试用该合金制作热激励紧固铆钉铆钉直径为smm厚度为28一7smm时拉脱力为1795一1961N除此之外TiNi形状记忆合金还可以用来制造航天器直杆天线和抛物面天线野战用钦镍双向血液运输箱在医学上可用作脊柱矫形牙齿矫形人工骨骼以至胸罩等有些已达国际先进水平现在TiNi合金已经成熟但价格较贵要普遍推广有一定困难如果铜基或铁基形状记忆合金能有效地解决存在的问题由于价格比较便宜将可能准广到更大范围内使用非晶态合金厂’二’‘〕近二十多年发展起来的非晶态功能材料主要指非晶态金属和合金非晶态合金具有一系列不同于晶体金属的特性其强度比一般金属高略低于合金晶须但没有晶须的尺寸效应在保持高强度的同时还有较高的韧性(未退火材料)有些非晶态合金的抗腐蚀性优于不锈钢电阻率也比较高室温电阻率一般大于10X10“。m电阻温度系数低于士10勺℃这对非晶态软磁材料的使用非常有利可以大幅度降低铁芯损耗甚至可以省去表面涂层非晶态合金没有晶界不存在磁晶各向异性可以成为优良的软磁材料实际上非晶态软磁合金是目前研究得最多最活跃的领域之一该类合金发展最快应用最广我国非晶态合金的研制起步于1972年在工艺设备方面对单辊离心急冷和双辊急冷设备研究较多已能比较稳定地制备小于50mm宽的钻基和铁镍基的非晶带材现已初步喷制出每炉40kg宽达010mm的非晶连续长带在材料方面钻基非晶态合金的主要性能已达到甚至超过坡莫合金;铁基非晶态合金的工频损耗已降到3251Fe合金的寿一告在非晶态合金的应用方面已在电磁传感器磁屏蔽开关电源变压器器磁放大各种录放音磁头小功率和中功率变压器40Hz航空变压器高频变换器漏电保护开关互感器电感元件高梯度磁分离器钎焊料等方面开展了应用研究取得了满意的结果非晶态材料在热力学上是一种亚稳态使用温度不能太高一般在一50一120℃范围内(有的可达材料工程140℃)某些铁基和钻基非晶态合金在102℃时效近万小时加上振动碰撞试验表明性能是稳定的和晶体材料相比非晶态合金的尺寸现仍受到较大的限制国内生产的非晶态合金主要是厚度为002一050mm的带材和少量的丝材用叠片技术也制出025mm厚的带材少数制备态的非晶态合金可以直接使用但多数非晶态软磁合金需进行热处理(或磁场热处理)可以消除应力和获得特殊磁性能非晶态合金在脆化温度(约30℃)以上长时间保温会变脆热处理后的产品通常要用盒子保护三稀土永磁合t以‘〕稀土永磁合金的出现是近来永磁材料中突破性的进展它使磁能积由60年代铝镍钻型的7g6kJ/m’提高yJl8o年代初2:17型smCoCFuezr合金的032Jk/m3左右1983年11月日本人发表了新型高磁能积的Fe一Nd一B合金性能为Br=125TMHe二124T。He=867kA/币(BH)m=259kJ/m’目前(BH)m已接近397kJ/nl’该类合金磁性能高力学性能好原材料比较丰富价格较低磁性能提高的潜力较大但磁感应强度B的温度系数(一0126)高了(约312℃)较低可在150℃以下工作这种稀土永磁合金的磁能积比铝镍钻磁钢大5一8倍磁吸力为自身重量的60倍左右因此稀土永磁电机不要电激磁没有激磁线圈与铁芯体积小无损耗不发热体积和重量较一般电机可减少03%以上功率比(kw/kg)大30一50%这种稀土永磁电机尤适合航空航天技术使用此外稀土永磁可制造高性能薄型扬声器灵敏度高音量大频率范围宽音色美FeNd瑰玄体与磁敏二极管配合测量激光雷达中的三同步开关驱动电机的转速与光电法比具有不干扰主信号光路对高速开关的转速影响小等一系列优点四超导电材料〔29”“””’2‘’391n年荷兰人K0nnse发现汞的超导电现象在临界温度T下电阻突然消失1933年WMeisS,ler和Bochsefnled发现了超导体的完全抗磁效应即迈斯纳效应06年代制成了实用超导材料1962年BDoJ“ep拓no发现了超导隧道效应(即约瑟夫逊效应)07年代出现加工性能良好的NTbi复合超导体妮钦复铜多芯线材是实用超导电线材的主体用量占90%以上捉钦合金的超导电性能一般为临界温度T二90一95K临界电流密度介阳1护A/cm’(42K4一6T)用锐钦线材制造的超导磁体磁场强度限于01T以下1973年美国测得N认Ge的孔=322K这是在1986年以前所得的临界温度最高的超导材料1986年瑞士1BM实验室科学家卡尔缪勒等人发现钡湘铜氧化物具有高临界温度的现象在30K可能存在超导电性1986年年底美报导休斯敦大学朱经武发现钡翎铜氧化物系列的T=40ZK1987年初朱经武吴茂昆发现98K的超导材料1987年2月25日我国报导科学院物理所发现钡忆铜氧化物的T=298K以后国内外陆续都有新的报导掀起了一个超导热当然从发现高临界温度的超导材料到实用化还有相当长的一段距离可能需要01一20年或更长的时间超导电材料(指低温超导体)的应用分两个方面:超导强磁体的应用和超导电子器件方面的应用超导体允许几百倍于铜导体的电流密度通过用它已做成高达81T的强磁体超导强磁体在技术上已到成熟阶段主要有以下几个方面的应用(1)超导同步发电机超导线圈能提供几个T的磁场可以免去转子铁芯它具有损耗低效率高体积小重量轻抗干扰能力高等优点(2)超导体直流电机可免去笨重的铁磁物质因此体积小重量轻功率密度高无铁损效率也高(3)超导贮能几乎没有能量损耗可作为脉冲电源如电弧风洞放电电源激光武器电源等超导贮能密度一般可达50wS/cm’效率可达90一95乡‘(4)磁炮发射用超导贮能线圈向火箭炮发射架上的推进器进行脉冲放电可使推进器得到线性加速度同时贮能线圈对炮架两边二极脉冲磁场励磁使推进器加速最后可使火箭以21km/s的高速发射出去(5)超导陀螺仪超导重力仪可基本消除摩擦大大提高导航精度和测量精度(6)超导天线可使天线直径由30一40m缩小到20~3Oem(7)船舶潜艇推进器在船尾的海水中安装一对电极同时在垂直方向用超导磁体形成一个强磁场在电磁力的作用下将船舶推向前进与螺旋桨推进器相比可以避免浪涌阻力减少噪音和振动万吨船的时速估计可达90一1lo()knl推进率达55一95%8超导磁分离技术(HGMS)它的主要优点是具有高的磁场扩大分选对象和范围磁体工作口径大至数米并可产生足够强的梯度场做成处理量大连续工作的分离装置超导磁体的功耗仅为常规磁体的三十分之一超导磁分离技术可用于黑色金属矿的分选有色金属矿的富集非金属矿的提纯消除污染分离血浆分级选粉等方面(9)超导核磁共振成像(NMR一CT)已临床用于早期检测癌肿瘤(分辨率达13mm)早期检测心血管的发病预兆和x一CT相比NMR一CT的成像清晰和无辐射危害是断层或像诊断的主要方向在要求更高磁场(大于4T)的NMR一CT方面超导磁体却具有无比优越性例如在对生物新陈代谢过程研究医疗过程及药物疗效的监控经络系统的机理研究塑料及橡胶内部结构成像等方面主要靠3P4Na32lc’等原子核来成像需高磁场才能获得共振信号另外超导加速器产生的二介子用于治疗癌症疗效好副作用小导管牵引术可牵引置于血管中带磁性头的导管至肿瘤部位注入药物直接治疗除此以外还有自由电子激光器(FEL)电子回旋管(MieSe)微重力场加速度计以及超导磁悬浮列车等方面的应用超导电子器件是超导技术的另一方面的应用当一个S超导材料薄膜)一I(氧化牡怕勺绝缘势垒层)一s结的I层很薄(1o一30入)时库柏电子对也能膨首穿透势垒层从而产生一些非常奇特的性能这就是约瑟夫逊效应超导电子器件是根据约瑟夫逊效应制造的主要有以下4个方面的应用(1)超导量子干涉器(5QUID)有直流超导量子干涉器件(DC一5QUID1964年)和射频超导量子干涉器件(RF一5QUID1967年)5QUID构成的测量仪器有很高的磁场灵敏度(能测出10,ST的微弱磁场)宽的动态范围好的频率响应特性具有广泛的用途它可用于军事上的反潜艇系统用超导天线与5QuID放大器可构成低频通讯接受天线用于地面站与深水潜艇的低频通讯在计量应用方面QUID电压表的灵敏度为01,’v5QUIDS构成的超导电流比较仪可把电流对比精度提高到01刁(2)超导隧道器件的高频应用它可用于短毫米亚毫米和远红外波段的电磁波的产生放大传输接收等方面具有噪声低(比固体器件小两个量级)功耗小(毫微瓦级比固体器件小三个量级)响应快(开关时间已达1-0,’“)频带宽(短毫米到远红外)等优点同时还可用约瑟夫逊结构制成混频器和相干辐射源等在军事通讯中很有前途1988年第5期(3)约瑟夫逊电压标准利用约瑟夫逊效应可以把电压与频率及物理常数2e/h联系起来由于频率的测量精度很高可以用来保持和监督标准电池的电压提高精度l一2个数量级国际计量局已于1975年起停止了标准电池的直接对比而用约瑟夫逊电压标准来互相比较4()超导计算机电路其运行速度比硅元件快50倍功耗为微瓦数量级比硅半导体元件约小l千倍体积可以做得很小没有散热的困难国外现在主要进行一些单元电路和集成片的研究大型超导计算机的技术难度较大主要研制小型高速度信息处理机由于种种原因超导技术已在航天上开始研究和应用在航空上尚未起步随着高临界温度超导材料的出现和实用化必将对整个国民经济带来重大的变化五功能陶瓷材料〔,‘151617〕这里介绍几种在航空航天上用处较多的功能陶瓷材料1压电陶瓷该陶瓷是具有压电性的陶瓷由施加的应力能产生与应力成比例的表面电荷反之亦然它是机械能君电能变换材料用作换能器标准频率振子振动梁电容式传感器电声材料水声换能器滤波器延迟线高压发生及引燃引爆等较常用的压电陶瓷是水晶BaTi03pbTi03等近来有改性pbT103改性pzT改性LNN2。等材料出现压电陶瓷的新的应用有压电马达压电微位移器(位移量l一10”m)超声探头等压电马达具有体积小,重量轻不用线圈无电极噪声等优点据报导最近研制了一种钨青铜结构的锐酸铅钮钠压电陶瓷材料形变量为019nm/(mmv)可做大规模集成电路的同步爆光机的微调光纤的对接激光调节和精密加工的微调等.2热释电材料由于温度的变化而产生电极化现象叫热释电性如果均匀地加热整个电气石晶体在晶体唯一的三重旋转对称轴两端会产生数量相等符号相反的电荷如将晶体冷却电荷的变化与加热时相反热释电材料的主要应用是探测红外辐射已广泛地应用于空间技术的辐射计光谱仪红外激光探测和热成象管等方面热释电器件的主要特点是能在室温下工作具有高频响应可用于x身司线到毫米波区域内其响应快时间常数已达到Ps(10215)结构紧凑机械强度好但它易受微小振动的影响只能以交流信号工作所用的热释电材料有TGs(硫酸三甘肚)材料工程妮酸锉(L1Nb03)祖酸锉(LiTaO3)钥酸铅(PbM00月)等近来有光激发的第二类热释电效应材料为掺c沪离子的LiNbo3和LITao3掺N护的LINb03等这类材料可用于光探测光混频红外发生光记忆等方面.3透明铁电陶瓷(PLZT)主要成分是错钦酸铅掺入La(或娜)改性形成(pbLa)(zrTi)03四元系固溶体PLzT除了具有一般的压电和铁电性质外更主要的是具有透明性这一特点其电畴具有“电控特性”可以在25x25林m的小区域内单独地极化或反转而不影响周围的状态其光学性质可以“电控”电控可变双折射主要用于记忆光阀光记忆显示光谱滤色器等方面电控可变光散射可用于图像存贮和显示器件电控可变表面变形可以重视投身创均图象利用上述的三电控”特性可以制成电压传感器的线性电光调制器光记忆的电光快门编页器光阀光谱滤色器特别是铁电显像器件(FERPIC)可以把图象在陶瓷内变成局部双折射状态而贮存起来用偏振光去照射器件能直接观察到被存叱豹图象也可投射到屏幕上4,气体分离多孔薄膜陶瓷该陶瓷孔的大小可调约5nm如高硼硅酸盐玻璃制成的多孔玻璃和中空纤维丝膜能在40℃5MPa压力下使用HZ的透过速率为37x10-4-cm3/(emZScmHg)vyeor型玻璃或氧化铝陶瓷制成的薄膜可以分离H:0:从废气中分离50:从废水中分离NaCI苯酚尿素等化合物进一步的工作则是把薄膜厚度减到l协m微孔直径缩小到4nm以下并改善微孔的表面性能.5半导体陶瓷如热敏电阻陶瓷NTC(负温度系数)有萤石构的Zr02系尖晶石结构的Mg(AICrFe)2o。系陶瓷;pTc(正温度系数)有BaT103为置换以SrZCaZPbZSn4+Zr礴+及加La+3Sb,等用于温度传感电流睦制自控发热等方面利用离子导电测量湿度的有N1Fe;Zr203Tio:一V20,和MgCrZ40On一C一Ti2等用于检测气体的气敏陶瓷有s川02(检HZCH;H:S等)a一Fe203(水汽)La10:(CH;H:NO等)加Th02的SZ(n检Mlco)zroZTio:cao一MgoO(检0:等).6光致发光材料结主添00测N测该材料是仪表显示中不可缺少的材料一般磷光体符合斯托克斯定律能把较短波长的辐射(紫外)转换成较长波长的辐射何见光)但在某些基质中掺入Yb3作敏化剂掺入Er’+Ho3及Tm’等离子作激活剂可以出现发光波长短于激发波长的现象可以把红外线换成可见光称为上转换磷光体这类基质主要有稀土氟化物(如发绿光的LaF,YF:BaYF,NaYFS等)稀土氧化物和复合氧化物稀土卤化物及稀土硫氧化物等其中发红光的有YoCIY,03等还有随着敏化剂浓度由低到高分别发出黄光和红光的YZoC卜但较率较低发绿色光的发光材料有9aPG乒N等另有一种无对称中心的.Y:O:s掺杂YbHo而成的上转换磷光体在室温下效率较低但在7K时可增加25一30%参考文献11]BuehlerwJGilfriehJ&wileyKCJApPIPhys34(1963)P1467【2」《航空材料手册》第九篇标准出版社出版【3】王帮康等钦钨记忆合金矫正器正器全国形状记忆合金学术交—一种新型的高效矫流会1985年4月14〕BurstonecJ中国TiNi全国形状记忆合金学术交流会—一种新型jE崎合金1958年4月{sI郭贻诚王震西主编非晶态物理学科学出版社1984年【6]何开元王群非晶态合金在仪器仪表及电子工业中的应用《仪表材料》vol17No5(1056)301一306(上接第14页)临床使用半年多后用手术方式从人体上取下的T4c合金一A120,陶瓷涂层的人工关节进行观察并拍照如图5所示使用后的涂层与使用前相同色白无剥落图5在人体上使用后的人工关节六结束语1从等离子喷涂A1203粉末的动特性分析喷涂距离以010mm为好这样可以得到最高的颗粒速度和熔化温度【7」赵佑民林其壬永磁材料的现状及前景《仪表材料》vol17No5(1986)307~320【]8蒋宗荣稀土永磁电机在国防工业和民用工业中应用及其发展前景航空部稀土电机及功能材料会议论文1987年【9]管惟炎等超导电性科学出版社1918年10]Ac罗斯一英尼斯EH罗德里克通导电性导论人民教育出版社1981年【川全国超导电技术预测报告国家科委新技术局1985年9月【21】孟小凡超导量子干涉器的进展《低温工程》N.0.(1985)31【131AD^040715美国海军1956年的超导电子学研究【41」邻演仪电子陶瓷的发展和应用《仪表材料》vol17No5(1956)254一293【15】MeGeehinpwilliamsDECeramicsforsensorsandMonitorsCeramiesinAdvaneedEnergyTeehnologiesProeeedingsoftheEuropeanColloauium1982P422【16」olivierdePousSensorsThinFilmsEleetrtodeCeramiesinAdvaneedEnergyTeehnologiesProeeedingsoftheEuroPeanColloquium1982P469[17」KeizerKLeenaarsAFMandBurggraalAJInoganie}oro“5MembransPreParationStruetureandPotentialApplieations”CeramiesinAdvaneedEnergyTeehnologiesProeeedingsoftheEuroPeanColloquium1982I气3672TC4合金人工骨关节表面上喷涂的AI:0,陶瓷涂层其相结构主要是。一A耘03并且有少量的,一A12033AI:03陶瓷涂层的抗拉强度为39M几左右;粗糙度Ra=63林m;表面硬度HRC=440一450;气孔率12~13%;在高温下具有一定的抗热夜性;并且化学性稳定生物相容性好今后应进一步研制多孔陶瓷涂层调整等离子喷涂参数使气孔率达到30~53%这样就能增加手术后骨细胜蝴织的长入深度可使人工骨关节固定得更牢靠而不必使用骨水泥尸《航空机械失效密例》‘蓬瑞书即将出版麦行”}《选编》已十1988年7月汪J匕泉记俩开父科袱{出版社年底出版发行其中收入35j(名作肴哥来的}搞件沂20篇期望本书的出版能把(),欢分析j士lg)j}!琳兀达!J个十.,J寸又八、门FI]「们川囚「JljJ红l舟左审航天司‘夫双分价「尸心11988年7))24}11988年第5期