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1、第四节热功能材料第四节热功能材料内容随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。本章主要内容：u膨胀材料u形状记忆材料u测温材料内容内容 1-1膨胀材料热膨胀是指材料的长度或体积在不加外力时随温度的升高而变大的现象。材料热膨胀的本质是原子间的平均距离随温度的升高而增大，即是由原子的非简谐振动引起的。材料热膨胀系数的大小与其原子间的接合键强弱有关，结合键越强，则给定温度下的热膨胀系数越小，材料中陶瓷的结合键（离子键和共价键）最强，金属的（金属键）次之，高聚物的（范德华力）最弱，因此热膨胀系数依次增大。常用的膨胀材料包括低
2、膨胀材料、定膨胀材料和热双金属材料1、低膨胀材料低膨胀材料是热膨胀系数较小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。主要应用于精密仪器、标准量具等以保证仪器精度的稳定及设备的可靠性。2、定膨胀材料定膨胀材料是指在某一温度范围内具有一定膨胀系数的材料，也称可伐（Kovar）合金；主要用于与玻璃、陶瓷等材料相封接，要求与被封接材料的膨胀系数相匹配。3、热双金属材料由膨胀系数不同的两种金属片沿层间焊合在一起的叠层复合材料；较高膨胀系数金属层为主动层，较低的为被动层。如5J11热双金属是由Mn75Ni15Cu10（主动层）与Ni36（被动层）组成。受热时，双金属片向被动层弯曲，将热能转化成机械能。可用作各种
3、测量和操作仪表的传感元件。高高 主动层主动层 Mn75Ni15Cu10低低 被动层被动层 Ni36未受热未受热受热后受热后可作为各种测量和操作仪表的传感元件可作为各种测量和操作仪表的传感元件二、形状记忆材料将具有某种初始形状的制品进行变形后，通过加热等手段处理时，制品又恢复到初始形状。形状记忆材料通常包括：形状记忆合金形状记忆聚合物形状记忆陶瓷。（一）形状记忆合金合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。这种热弹性马氏体不像Fe-C合金中的马氏体那样，在加热转变成它的母相（奥氏体）之前即发生分解，而是加热时直接转成它的母体加热时直
4、接转成它的母体。热弹性马氏体冷却时马氏体长大，加热时马氏体收缩，热弹性马氏体的相变是可逆的，且相变的过冷度很小。热弹性马氏体形状记忆效应将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保存下来；将变形了的试样加热到As以上，试样开始恢复，加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。常用形状记忆合金常用形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金镍镍-钛系钛系铜系铜系铁系铁系目前用量最大目前用量最大优点：抗拉强度高、疲劳优点：抗拉强度高、疲劳强度高、耐蚀性好、密度强度高、耐蚀性好、密度小、与人体有生物相容性小、与人体有生物相容性缺点：本钱高、加工困难缺点：本钱高、加工困难缺
5、点：功能不如镍缺点：功能不如镍-钛系钛系优点：本钱低、加工容易优点：本钱低、加工容易缺点：功能不如铜系缺点：功能不如铜系优点：具有价格竞争优势优点：具有价格竞争优势（二）形状记忆聚合物（二）形状记忆聚合物形状记忆聚合物不同于马氏体相变，而是基于高分子材料中分子链的取向与分布的变化过程；这种聚合物具有两相结构，即固定相和可逆相；可逆相是能够随温度变化在结晶与熔融态间，或者在玻璃态与高弹状态间可逆转变的相，随温度的升高或降低，可逆相的结构发生变化，使之发生软化、硬化。固定相则在工作温度范围内保持不变。聚合物的形状记忆原理聚合物的形状记忆原理两相结构：两相结构：固定相固定相+可逆相可逆相冷却冷却加热
6、加热冷却冷却加热加热TTf(粘流态）粘流态）进行初次成型进行初次成型TTg(玻玻璃璃态态）使使制制成成品品变变形形，固固定定相相分分子子链链的的缠缠绕绕确确定定了了制制成成品的初次形状品的初次形状TgTTf(高高弹弹态态），可可逆逆相相软软化化，施加应力施加应力TTg，可可 逆逆相相软软化化，固固定定相相在在回回复复应应力力的的作作用用下下使使制制品品恢恢复复到到初初始始形状形状 但凡有固定相和可逆相结构的聚合物但凡有固定相和可逆相结构的聚合物都具有形状记忆效应。以固定相可分：都具有形状记忆效应。以固定相可分：分类分类热固性热固性热塑性热塑性u密度小、密度小、强度较低、塑韧性较高强度较低、塑韧
7、性较高u形状恢复可能允许的变形量大形状恢复可能允许的变形量大u形状恢复的温度范围窄形状恢复的温度范围窄u形状恢复应力及形状变化所需要的形状恢复应力及形状变化所需要的外力小外力小u本钱低本钱低形状记忆聚合物的特点形状记忆聚合物的特点（三）形状记忆陶瓷20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变，一个著名的例子就是ZrO2陶瓷中的马氏体相变，这一相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、四方晶系、立方晶系。单斜向四方转变有5的体积变化，而且应力也可诱发单斜向四方的转变氧化锆陶瓷的形状记忆效应第一步：在室温下施加压力，样品首先发生弹性变形，接着在近乎恒定
8、的应力下发生流变；第二步：卸载。卸载后弹性变形消失而塑性变形则保存下来。第三步：加热到Af以上，样品从60oC开始逆转变，到200oC逆转变结束，变形也随着消失。形状记忆材料的应用形状记忆材料的应用机械工程领域机械工程领域 热套热套生物医学方面生物医学方面 接骨板、人工关节等接骨板、人工关节等空间技术空间技术 压缩天线压缩天线记忆合金的应用将记忆合金制成在Af温度以上具有（a）所示形状铆钉，铆接时先将其冷却到Mf温度以下，这时合金处于完全的马氏体态很容易变形，略施加一点力将铆钉扳成（b）所示并插入铆钉孔（c），然后随温度上升到Af以上，铆钉回复到变形前的形状到达铆接的目的（d）。三、测温材料热
9、电偶是应用最广的一种测温原件，它是由两种不同材料导线连接成的回路，其感温的基本原理是热电效应。由两种不同的导体（或半导体）A、B组成闭合回路，当两接触点保持在不同的温度T1，T2时，回路中将有电流通过，此回路称为热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势EAB称为珀尔贴电动势。常用热电偶材料常用热电偶材料热电偶材料热电偶材料铜铜-康铜康铜镍铬镍铬-镍铝镍铝铂铑铂铑-铂铂钨钨-铼铼金铁金铁低温热电偶低温热电偶适合温度范围适合温度范围-200-400适合温度范围适合温度范围1300适合温度范围适合温度范围1350 短期可达短期可达1600 适合温度范围适合温度范围n2），入射光将分为
10、反射光和折射光。入射角1与折射角 2之间服从n1/n2=sin 1/sin 2 的折射定律。当1增大时，2也相应增加，当2=/2，1=arcsin(n2/n1)时，入射光全部返回原来的介质中，这种现象叫做光的全反射。光在光纤中的传播原理光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当入射光线由内层射到两层的界面时，只要入射角小于临界角，就可全反射折回内层，完全防止了传输过程中的折射损耗。石英玻璃光纤、石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、多组分玻璃光纤、高双折射偏振保持光纤、高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤、单偏振光纤、各种传感器用光纤等。各种传感器用光纤等。常用光纤材料常用光纤材料光纤材料按光纤材料的组分不
11、同可分为石英光纤、多组分氧化物玻璃光纤、非氧化物玻璃光纤、晶体光纤和高聚物光纤。石英光纤是以SiO2为主成分制成的。目前通讯用光纤都是SiO2玻璃光纤。主要红外光纤的光学传输性能光纤被大量地应用在光通讯方面，此外，光纤作为传感器在 事、医学都有重要应用。第六节其它功能材料第六节其它功能材料u敏感材料u储氢材料u隐形材料u声功能材料 敏感材料可以分为：声、光、敏感材料可以分为：声、光、电压、磁、气、热、湿、力、电化电压、磁、气、热、湿、力、电化学、生物等敏感材料学、生物等敏感材料一、敏感材料一、敏感材料（一）气敏感材料（一）气敏感材料 随着环境气氛的变化，这类随着环境气氛的变化，这类材料的电阻会
12、明显改变，俗称材料的电阻会明显改变，俗称“电电鼻子鼻子”，用以检测环境中气氛的用以检测环境中气氛的变化。变化。构成构成成分：各种氧化物陶瓷。成分：各种氧化物陶瓷。典型的有：典型的有：SnO2、ZnO、-Fe2O3、ZrO2、-Fe2O3、TiO2等等几何形状：几何形状：薄膜型、厚膜型、多孔型薄膜型、厚膜型、多孔型应用应用SnO2气敏陶瓷：气敏陶瓷：用于氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、用于氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、煤气、天然气的检测。煤气、天然气的检测。ZrO2气敏陶瓷：气敏陶瓷：用于钢水中含氧量的测定用于钢水中含氧量的测定-Fe2O3气敏陶瓷：气敏陶瓷：用于检测复原性气体用于
13、检测复原性气体-Fe2O3 气敏陶瓷：气敏陶瓷：用于用于检测检测异丁异丁烷烷气体、石油液化气等气体、石油液化气等ZnO掺掺入不同的催化入不同的催化剂剂 用于用于检测检测丁丁烷烷、丙、丙烷烷等气体等气体（二）光敏感材料（二）光敏感材料光敏感材料是指与光发生作用光敏感材料是指与光发生作用后，某些性质会发生明显变化，以后，某些性质会发生明显变化，以反映光信号的强弱及其携带的信息。反映光信号的强弱及其携带的信息。构成构成主要有：主要有：光敏电阻材料光敏电阻材料 光电池材料光电池材料 光敏纤维光敏纤维应用应用探测光信号探测光信号 用光敏电阻材料（用光敏电阻材料（CaAs、CdS、PbS、PbSe)，制成
14、光电转换元件，制成光电转换元件太阳能电池太阳能电池 硅是较理想的太阳能电池材料，硫硅是较理想的太阳能电池材料，硫化镉、砷化镉、砷化镓、聚乙炔等也是化镉、砷化镉、砷化镓、聚乙炔等也是太阳能电池材料。太阳能电池材料。（三）声敏感材料（三）声敏感材料压电材料：压电晶体、压电陶瓷。正、负电荷中心发生偏离正、负电荷中心发生偏离晶体晶体极化极化晶体受压或拉与施力方向垂直的外表产生束缚电荷压电效应正负电荷中心重合，故不带电压电效应+-受压极化，产生外表束缚电荷正负电荷中心重合，故不带电逆压电效应+-受外电场的作用，产生极化压电晶体产生变形压电晶体在外加电场作用下产生的变形与外加电场的大小及极性（方向）有关。
15、在交变外加电场的作用下，压电晶体将产生拉伸及压缩变形，变形频率与外加电场的频率相同。当外加电场的频率20kHz时，则压电晶体的变形频率亦20kHz。超声波超声波利用逆压电效应，超声波探头可产生和发射超声波；利用正压电效应，探头可接收超声波。常用的压电材料常用的压电材料压电晶体压电晶体 石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、碘酸锂、钽酸锂等铵、碘酸锂、钽酸锂等压电陶瓷压电陶瓷 钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等应用应用日用日用扩音器、扩音器、钟表、频率稳定器等、钟表、频率稳定器等超声应用超声应用水下观测、通信、探测、机械能转水下观测、通信、探测、机械能转换成电
16、能制成引爆装置、压电引火器、换成电能制成引爆装置、压电引火器、超声波清洗、焊接、打孔、无损检测超声波清洗、焊接、打孔、无损检测等等waterT-transmitted waveS-Surface echoF-Flaw echoB-Bottom echoCathode-ray oscilloscopeProbeTSFBMechanism of A-Scan Ultrasonic NDTJTUIS超声成像无损检测系统超声成像无损检测系统a)A photo of a actual bonded interfaceb)The image of the left obtained by JTUIS二、储
17、氢材料二、储氢材料（1）基本原理基本原理储氢材料储氢材料T、P与氢作用生成氢化物与氢作用生成氢化物储氢储氢 降低降低T、或压力、或压力氢化物分解氢化物分解放出氢放出氢储氢合金储氢合金镁系镁系稀土系稀土系钛系钛系储氢量大、重量轻、资源储氢量大、重量轻、资源丰富、价格低廉、丰富、价格低廉、但分解温度高但分解温度高250LaNi5室温即可活化、吸室温即可活化、吸氢释氢容易氢释氢容易但本钱高但本钱高钛铁系和钛锰系钛铁系和钛锰系价格廉价价格廉价缺点：活化困难、反复吸缺点：活化困难、反复吸氢后性能下降。氢后性能下降。应用应用储氢容器储氢容器 储氢合金的储氢密度高于液态氢的密度。储氢合金的储氢密度高于液态氢
18、的密度。氢化物电极氢化物电极 镍氢电池比能量高、对人体无害。镍氢电池比能量高、对人体无害。制备超纯氢制备超纯氢 含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢被含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢被合金汲取，杂质则被吸附在合金外表。合金汲取，杂质则被吸附在合金外表。三、隐形材料三、隐形材料 隐隐身身技技术术是是通通过过降降低低武武器器装装备备等等目目标标的的可可探探测测信信息息特特征征，使使敌敌方方探探测测系系统统难难以以发发现现或或者者发发现现距距离离缩缩短短的的综综合技术。合技术。广泛用于：飞机、导弹、坦克、广泛用于：飞机、导弹、坦克、舰船等。舰船等。雷达隐形材料雷达隐形材料雷达隐身技术中目前主要使用雷达隐
19、身技术中目前主要使用 吸波涂料吸波涂料 吸波结构材料吸波结构材料 透波材料透波材料 智能蒙皮材料智能蒙皮材料四、声功能材料四、声功能材料主要用在声发射、声接收、声光转主要用在声发射、声接收、声光转换以及声汲取等方面。换以及声汲取等方面。本节主要介绍声汲取材料。本节主要介绍声汲取材料。声汲取基本原理声汲取基本原理声波声波声波声波一局部一局部被反射被反射一局部一局部被汲取被汲取一一局局部部透透过过材材料料声波入射到刚性界面时，大局部被反射。而当声波入射到多孔、透气或纤维材料时，声波会进入材料并引起空隙中的空气和纤维振动，从而使一局部声能转化为热量而耗散，故材料有吸声功能。常用吸声材料常用吸声材料吸声材料吸声材料无机纤维无机纤维泡沫塑料泡沫塑料有机纤维有机纤维玻玻 璃璃 丝丝、玻玻 璃璃 棉棉、岩棉、岩棉、矿渣棉矿渣棉氨基甲酸酯、氨基甲酸酯、脲醛泡沫塑料脲醛泡沫塑料棉、麻等棉、麻等植物纤维植物纤维要点总结要点总结热功能材料热功能材料光功能材料光功能材料其它功能材料其它功能材料谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH