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“十五”国家级规划教材工程材料第3版配套课件,第7章,第7章 功能材料内容提要：介绍功能材料的发展及分类，介绍常用电功能材料、磁功能材料、热功能材料、光功能材料等应用。学习目标：了解各种功能材料及其基本应用。,概述,具有某种或某些特殊物理性能或功能的材料叫作功能材料。,电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料,功能材料发展过程：最早：铜、铝导线及硅钢片等。电工合金、磁与电金属功能材料（电力工业发展）50年代：半导体功能材料（微电子技术）60年代：光功能材料（激光技术）70年代后：光电子材料、形状记忆合金、储能材料等 90年代起：智能功能材料、纳米功能材料,7.1 电功能材料 电功能材料以金属材料为主：金属导电材料 金属电阻材料 金属电接点材料 超导材料,金属电阻材料：制造电子线路中电阻元件及电阻器的基础材料。,7.1.1 金属电接点材料 一、强电或中电电接点材料 制造电力、电机系统和电器装置中的电接点。采用纯铜、黄铜等。,7.1.2 超导材料 一、超导现象 1.超导现象 几十种金属元素及其合金、化合物，一些半导体材料和有机材料等具有超导现象；,超导现象：物质在一定的温度Tc以下时,电阻为零,并完全排斥磁场（即磁力线不能进入其内部）的现象。超导材料：具有超导现象的材料,2.特征及临界参数 超导材料的基本特征为零电阻，第二特征为完全抗磁性；转变温度Tc 在一定的温度Tc以下时,电阻为零。绝大多数超导材料转变温度Tc在23.2 K(约-250)以下,高温超导材料Tc在125K(约-148)以上。,临界磁场Bc 当磁场强度超过某一个临界值Bc时,超导体就转回常态。临界电流密度Jc 当电流密度超过某一个临界值Jc时,超导体也开始有电阻。,二、超导体种类 1.第一类超导体 除Nb和V外的其它纯金属。大于Bc的磁场中是正常态;小于Bc的磁场中是超导态（完全抗磁态）。,2.第二类超导体 Nb、V及多数金属合金和化合物超导体、氧化物超导体。磁场小于Bc1时处于超导态，磁场大于Bc2时恢复常态;磁场介于Bc1与Bc2之间，一部分区域仍处于超导态，另一部分区域处于常态（磁场可穿过）。,三、超导材料 按临界转变温度Tc分：低温超导材料 用极低温的液氦冷却 高温超导材料 用较廉价的77K液氮冷却,按承受磁场和电流的强弱分：强电超导材料 Nb-Ti基超导合金及金属间化合物 弱电超导材料 多为约瑟夫森器件材料，如Sn、Pb、In、Pb-In合金、Pb-Bi合金、Pb-In-Au合金等软金属,Nb和Nb的化合物,Ba-Y-Cu氧化物薄膜等）,其他超导材料：氧化物陶瓷 有机超导材料 碳纳米管（Tc已接近液氮温度77 K）,7.2.1 软磁材料 一、软磁材料特性 软磁材料在较低的磁场中被磁化而呈强磁性，磁场去除后磁性基本消失。性能要求：高的饱和磁感应强度 高的最大磁导率 高的居里温度 低的损耗,7.2 磁功能材料,二、材料及应用(1)纯铁 w(C)低于0.04%的Fe-C合金。易加工，价格低，但电阻率低，涡流损耗大。应用 制造电磁铁铁芯、极头，继电器、扬声器中的磁导体。,(2)硅钢 w(Si)为0.5%4.8%的Fe-Si合金。Si提高最大磁导率，增大电阻率，有利于减小涡流损耗。冷轧硅钢片可以形成（110）001织构，磁性具有强烈的方向性。,(3)铁钴合金 Fe64Co35V1 Fe64Co35Cr1(Fe50Co50)98.7V1.3 具有高的磁导率，但电阻率较低，价格贵。应用:制造小型、轻型有较高要求的飞行器和仪器仪表元件。,(4)铁镍合金 w(Ni)为76%86%的Fe-Ni合金。在弱磁场中有很高的初始磁导率和最大磁导率，有较高的电阻率，易加工成极薄带。应用:适于在交流弱磁场中使用。制造用于电视机、收音机和通讯器材中的音频变压器、互感器、磁放大器、磁头等。,(5)铁氧体 Mg-Zn铁氧体 由Mg、Zn氧化物粉末制成 Ni-Zn铁氧体 由Ni、Zn氧化物粉末制成 涡流损耗很低。,7.2.2 永（硬）磁材料 一、永磁材料特性 永磁材料在磁场中被充磁，磁场去除后材料的磁性仍长时保留。有很高的磁能积。很高的矫顽力。,二、分类及应用,7.2.3 信息磁材料 用于光电通信、计算机、磁记录及其他信息处理技术中的存取信息的材料。对声音、图象和文字等信息进行写入、记录、存储，并在需要时输出。制作磁记录介质和磁头。,一、磁记录材料-Fe2O3磁粉和包Co的-Fe2O3磁粉、Fe金属磁粉、CrO2系磁粉、Fe-Co系磁膜以及BaFe12O19系磁粉或磁膜等。制作磁带、磁盘、磁卡片及磁鼓等。,(Mn,Zn)Fe2O4系(Ni,Zn)Fe2O4系单晶和多晶铁氧体 Fe-Ni-Nb(Ta)系 Fe-Si-Al系高硬度软磁合金 Fe-Ni(Mo)-B(Si)系 Fe-Co-Ni-Zr系非晶软磁合金 制作磁头。,稀土-过渡族非晶合金薄膜 加Bi铁石榴石多晶氧化物薄膜 新型磁记录介质，制作磁光盘。具有超存储密度、极高可靠性、可擦除次数多、信息保存时间长等优点。,二、磁泡材料(Y,Gd,Yb)3(Fe,Al)5O12系石榴石型铁氧体薄膜,(Sm,Tb)FeO3系正铁氧体薄膜,BaFe12O19系沿铅石型铁氧体膜,Gd-Co系、Tb-Fe系非晶磁膜等，应用:制作高速、高存储密度存储器。,三、磁光材料 稀土合金磁光材料 Y3Fe5O12膜红外透明磁光材料。应用:用于激光、光通信和光学计算机的磁性材料。,四、特殊功能磁性材料 1.微波磁材料 Y3Fe5O12系石榴石型铁氧体、(Mg,Mn)Fe2O4系尖晶石型铁氧体、BaFe12O19系磁铅石型铁氧体等；用于雷达、卫星通信、电子对抗、高能加速器等的微波设备和隔离器和环行器等非互易旋磁器件。,2.微波磁吸收材料 非金属铁氧体系、金属磁性粉末或薄膜系等。可作雷达检测不到的隐型飞机表面涂料。,7.3 热功能材料 老师提示：重点内容7.3.1 膨胀材料 绝大多数金属和合金都有热胀冷缩的现象，不同金属和合金，膨胀和收缩程度不同。一般用线膨胀系数来表示热膨胀性的大小。根据膨胀系数的大小把膨胀材料分为三种：低膨胀材料 定膨胀材料 高膨胀材料,一、低膨胀材料 低膨胀材料在-60 100 内膨胀系数极小。Fe-Ni系合金、Fe-Ni-Co系合金、Fe-Co-Cr系合金、Cr合金等。,应用:低膨胀材料用于制造精密仪器仪表等器件、长度标尺、大地测量基线尺、谐振腔、微波通讯波导管、标准频率发生器、标准电容器叶片、热双金属片被动层等。,二、定膨胀材料 定膨胀材料在-70500内膨胀系数低或中等，且基本恒定。Fe-Ni系合金、Fe-Ni-Co系合金、Fe-Cr系合金、Fe-Ni-Cr系合金、复合材料等。,应用:制造电子管、晶体管和集成电路中的引线材料、结构材料、小型电子装置与器械的微型电池壳、半导体元器件支持电极等。,三、高膨胀材料 高膨胀材料在室温100 内膨胀系数很大。有色金属合金：黄铜、纯镍、Mn-Ni-Cu三合合金 黑色金属合金：Fe-Ni-Mn合金、Fe-Ni-Cr合金,7.3.2 形状记忆材料 一、形状记忆效应,形状记忆效应 材料在高温下形成一定形状，冷却到低温进行塑性变形为另一形状，然后经加热后通过马氏体逆相变,可恢复到高温时的形状。,形状记忆效应,形状记忆效应分类：1.单程记忆 低温下塑性变形，加热时恢复高温形状，再冷却时不恢复低温形状。,2.双程记忆 加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即随温度升降，高低温形状反复出现。,3.全程记忆 实现双程记忆的同时，冷却到更低温时出现与高温形状相反形状。,二、形状记忆材料 具有形状记忆效应的材料。1.钛镍合金 w(Ni)49%51%，余Ti 2.铜基合金 Cu-Zn合金：w(Zn)38.5%41.5%Cu-AlNi合金：w(Al)28%29%、w(Ni)3%4.5%3.铁基合金 Fe-Pt合金：w(Pt)25%Fe-Ni-C合金：w(Ni)31%、w(C)0.4%,三、形状记忆材料的应用 新型功能材料,在一些领域已得到了应用。,住宅热水送水管阀门，温室门窗自动调节弹簧，太阳能电池帆板,能源开发,汽车发动机散热风扇离合器、卡车散热器自动开关，排气自动调节器,交通运输,人工关节，血管修复件，能动型内窥镜,医疗器件,机械人手、脚、微型调节器,战斗机、潜艇用油压管接头,机械工业,人造卫星天线,卫星、航天飞机等自动启闭窗门,航空航天,温度自动调节器,火灾报警器,温控开关,空调自动风向调节器,电子仪器仪表,应用举例,应用领域,7.3.3 测温材料 利用材料的热膨胀、热电阻、热电动势等特性制造测温元件的材料。测温材料有：高纯金属及合金 单晶、多晶和非晶半导体材料 陶瓷 高分子材料 复合材料,一、测温材料 1.热电偶材料 铂铑-铂：正热电极材料Pt-w(Ru)10%13%负热电极材料Pt 镍铬-镍硅：正热电极材料Ni-w(Cr)10%负热电极材料Ni-w(Si)3%铜-镍铜：正热电极材料Cu 负热电极材料Ni-w(Cu)55%,2.热电阻材料 纯铂丝 高纯铜线 高纯镍丝 铂钴丝 铑铁丝,二、应用 制造双金属温度计、热电阻和热敏电阻温度计、热电偶等。,测温器件,7.3.4 隔热材料 隔热材料 阻碍热的传导，防止有害热的侵袭或者阻挡热的散发的材料。隔热材料的最大特性是有极大的热阻。,一、材料 高温陶瓷材料、有机高分子和无机多孔材料是生产中常用的隔热材料。如氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳化硅涂层石墨纤维、泡沫聚氨酯、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等。,二、应用 利用隔热材料可以制造涡轮喷气发动机燃烧室、冲压式喷气机火焰喷口等。高温材料电池、热离子发生器等也都需要隔热材料。航空航天技术飞速发展，对隔热材料提出更严格的要求：耐高温、高强、低密度。向着复合材料发展。,高温绝热板,典型的轻质隔热材料,7.4 光功能材料7.4.1 一般光学材料 即常用的光介质材料：光学玻璃 光学晶体 光学塑料,一、光学玻璃 硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃。生产透镜、反射镜、棱镜、滤光镜等。用于制造测量仪器：经纬仪，水平仪，测距仪，光学描准仪；显微镜，望远镜，照相机，摄相机；防辐射、耐辐射屏蔽窗等。,二、光学晶体 水晶（SiO2)、氟化锂（LiF)、冰洲石（CaCO3)等。用于制造光学仪器上的透镜、棱镜。,光功能材料的应用红外透镜,除代替光学玻璃外，还可制造隐形眼镜、人工水晶体、仪器反射镜面、无碎片眼镜等。,三、光学塑料 聚甲基丙烯甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚苯乙烯、双烯丙基缩乙二醇碳酸酯和聚碳酸酯等，加热加压下能产生塑性流动并能成形的透明有机合成材料。,7.4.2 固体激光器材料 固体激光器的工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。红宝石激光器 Al2O3基质中掺入少量的三价铬离子形成的激活晶体。氟化物激光器 MgF2基质中掺入少量的二价钒离子形成的激活晶体。,固体激光器主要应用,7.4.3 信息显示材料,信息显示材料 把人眼看不到的电信号变为可见的光信息的材料，是信息显示技术的基础。,信息显示材料分为两大类：主动式显示用发光材料 被动式显示用材料,一、主动式显示用发光材料 在某种方式（如电场：电致发光材料）的激发下发光的材料，用于真空荧光显示屏（示波管、显示管、显像管等）；Y2O3-Eu 红色光 Zn2SiO4-Mn 绿色光(Zn、Cd)S-Ag 黄色光,二、被动式显示用材料 在电场作用下不能发光，但可形成着色中心，在可见光照射下能着色从而显示出来。有液晶、电着色材料、电泳材料等。,示波器 液晶显示屏,7.4.4 光纤 高透明电介质材料制成的极细低损耗导光纤维，具有传输从红外线到可见光区的光和传感的两重功能。,一、通信光纤 高硅玻璃丝、多组分玻璃丝和塑料丝等组成光纤的纤芯，包层由石英玻璃、塑料等制成。用于光纤通信网络、海底光缆等。,二、非通信光纤 单偏振光纤、传感器光纤等。用于光纤测量仪表的光学探头（传感器）、医用内窥镜等。,光缆 光缆结构,7.5 其它功能材料7.5.1 隐形材料 一、吸波材料 吸收电磁波，用来对抗雷达探测和激光测距的隐形材料，吸收雷达和激光发出的信号，使雷达、激光探测收不到反射信号。,7.5.2 智能材料 对环境具有可感知、可响应，并具有功能发现能力的材料，仿生功能引入后,使智能材料成为有自检测、自判断、自结论、自指令和执行功能的材料。形状记忆合金已被应用于智能材料和智能系统,如月面天线、智能管道连接件等。,第章 小结 1.功能材料是具有某种特殊物理性能或功能的材料,生产和生活中有重要应用。2.电功能材料 金属导电材料、金属电阻材料、金属电接点材料、超导材料。3.磁功能材料 软磁材料、永磁材料、信息磁材料。4.热功能材料 膨胀材料、形状记材料、测温材料、隔热材料。5.光功能材料 光学玻璃、光学晶体、光学塑料、固体激光器材料、光纤等。,
