新金属材料的开发和研制 | 自然科学基础

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：随着经济与技术的发展，与其他材料一样，金属材料正在不断地被开发和研制出性能优异又具有多种特殊功能的新型材料。金属材料由于具有优良的导电性能和较小的电阻率，作为良导体而被广泛用于输电线，如铜、铝等。能产生电阻趋近于零现象的材料，称为超导材料。自1968年以来，科学家把研究的重心放在致力于提高超导材料的临界温度领域，并取得了一个又一个的成果。镧系元素加上钇、钪共17种金属元素，被称为稀土元素。

随着经济与技术的发展，与其他材料一样，金属材料正在不断地被开发和研制出性能优异又具有多种特殊功能的新型材料。

（一）未来钢材——钛

钛在地壳中含量约为0.6%，仅次于铝、铁、镁，居金属含量的第四位。1791年英国化学家格雷戈尔（Gregor，1762—1817年）就发现了钛元素，但直到1910年，英国人亨特才第一次在爆炸器中用钠还原四氧化钛，制得不到1 g的纯金属钛。因为，钛在高温下化学性质活泼，所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼，在真空或惰性气体中提纯。因为冶炼技术困难，所以直到1947年，全世界才生产出2 t钛。

钛的主要特征是密度小、熔点高、强度大、抗腐蚀性强。钛的密度只有钢的一半，但强度比钢高；抗腐蚀性强，它甚至能抗王水的腐蚀；熔点高，它的熔点比黄金的熔点还高600℃左右。如此优异的综合性能在金属中少见，因此钛受到了重视。

钛属于太空时代的金属。它的高强度、小相对密度的性能，特别适用于生产超音速飞机和航天器。例如美国YF-12A型战斗机，用钛量达93%。钛的耐高温性能好，是制造涡轮喷气发动机的理想材料，它几乎可以取代不锈钢和铝合金。利用钛合金代替不锈钢，可使发动机的质量减轻40%～50%。除此之外，因钛具有强的抗腐蚀性能，可用它制造深海潜艇，去探索海底的秘密。钛也可用于生产化工行业的反应器等设备。

目前，钛开发与利用中存在的主要问题是冶炼困难，产量低。如果在冶炼技术上取得突破，钛就有可能代替钢铁。因而，它被称为“21世纪的金属”。

（二）超导材料

人们按材料的导电性能，将材料分为绝缘体、半导体和良导体。金属材料由于具有优良的导电性能和较小的电阻率，作为良导体而被广泛用于输电线，如铜、铝等。但即使再优良的金属导线也会存在一定的电阻，一方面，随着通过的电流量增大，电阻会产生热量；另一方面，随着温度升高，金属导线的电阻将会越来越大，直接影响电力的输送效率和其他功能的发挥。长期以来，人们期望能得到一种电阻极小，小到为零的材料，来作为理想的输电材料。荷兰物理学家卡麦林·翁纳斯（H.Kamerlingh Onnes，1853—1926年）首先发现超导体。1911年，他发现当温度降低到4.2 K时，汞的电阻突然消失，这种“零电阻”现象引起了科学家的关注。我们把这种在一定条件下，能导致导电材料的电阻趋近于零的现象，称为超导现象。能产生电阻趋近于零现象的材料，称为超导材料。产生超导现象时的温度叫临界温度，相应的电流、磁场则分别称为临界电流和临界磁场。很显然，并非所有的材料都具有超导现象，例如铜在温度降至接近绝对零度（-273℃），其电阻也仅比常温时减少1%。尽管汞是最早发现的超导材料，但它在常温下是一种液体，因而，无法作为结构和功能材料。经过人们不懈的努力，在20世纪60年代初，开始陆续发现了几百种超导材料，最具代表性的是铌（9.26 K）、铌钛（9.8 K）、铌三锡（18.1 K）等。自1968年以来，科学家把研究的重心放在致力于提高超导材料的临界温度领域，并取得了一个又一个的成果。1986年年底，美国贝尔实验室研制了临界温度为40 K的超导氧化物。1987年2月，美国休斯敦大学华裔科学家朱经武和我国科学家赵惠贤，又将超导材料的临界温度提高到90 K以上。1987年年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料，其临界温度提高到125 K。有报道显示，科学家还发现了308 K（35℃）的常温超导现象，高临界温度的超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

由于超导材料在临界温度时的电阻趋近零，它可避免或减少输电线路上电能的损耗（通常，输电线电能的损失约占发电量的10%），当前超导材料显然是首选的、最理想的输电线材料，它能实现电能的远距离、高电流密度的无损输送。用超导材料制造电机，其质量可减轻90%，输出电流可提高20倍，这对制造大功率发电机具有突出的意义。例如，制造一座百万千瓦级的发电机，用普通材料其体积相当于一座两层楼房，而使用超导材料，则只占几张桌子大小的空间。

超导材料制成巨大功率的磁体，会产生强大的磁场，用超导材料制成的列车，在运行时，车身悬浮于铁轨上而不接触铁轨，即“磁悬浮列车”，这种列车运行时的阻力很小，速度可达500～1000 km/h。这种列车已在日、德、英、法等国制造成功。我国于1995年研制出了第一台磁悬浮列车。2002年12月31日，磁悬浮列车在从上海龙阳路地铁站至浦东国际机场这条世界首条磁悬浮商业运行线路上开始首次正式运行。

（三）稀土材料

在化学元素周期表中有一个系列叫镧系，共15种元素：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。镧系元素加上钇、钪共17种金属元素，被称为稀土元素。它们在自然界中的含量较少，化学性质非常相似，常在矿物中共生，它们的氧化物一般都难溶于水，都是金属，也称为稀土金属。现在人们所说的稀土材料，一般是指由这17种元素中的一种或几种元素所形成的一类高纯单质及其化合物材料。稀土材料具有独特的光学、磁学和结构等理化性质。在普通的材料中加入少量稀土元素后，它的性能便可得到较大的改善，因而，稀土被称为材料工业的“维生素”。我国是世界上稀土资源最丰富的国家，约占世界总储量的80%。我国稀土生产为世界第一，稀土应用为世界第二。稀土工业在我国已有几十年的历史，我国拥有较大的稀土研究队伍，不少厂家开发和生产的稀土材料产品已进入国内外市场，稀土材料的开发和应用在我国有着广阔的前景。

冶金工业中，利用加入少量稀土元素来改善金属性能，如在球墨铸铁中加入少量稀土元素，就能除去其中的非金属杂质，改变铸铁中的石墨形态，显著提高其密度，提高铸铁的机械性能，使它达到铸钢和锻钢的水平。石油化学工业中，用稀土制成的分子筛催化剂活性很高，是石油炼制中催化裂化工序的重要添加剂，它与一般催化剂相比，具有汽油产率高的特点。稀土钕钇铝石榴石是一种良好的激光材料，在军事工业中，用它制成的激光器，可用于激光测距与瞄准、激光通信与雷达等。此外，由于这种激光器的瞬间输出功率特别高，焦点温度可达几百万度，故可用来制造击毁飞机、导弹、卫星及坦克的激光武器。稀土金属与钴的合金是一种极好的永磁材料，已被广泛应用于微型电机、加速器、音响设备、电子手表、医疗器械等。

（四）形状记忆合金

在一定温度下，将这类合金先加工成型，然后改变外界温度（降温或升温），它可产生变形。一旦外界温度重新恢复到原来温度，它的形状立即可以复原，犹如具有“记忆”过去形状的功能，故称其为形状记忆合金。例如，镍-钛合金丝，在室温下形状笔直坚硬。将它放入冷水中，它会变得很柔软，可将它弯曲成任意形状，如果再将它放回到热水中，已被弯曲的镍-钛合金丝会突然伸直，恢复到它原先的形状。形状记忆合金的“记忆力”与合金的晶体结构有关，它们通常是两种或两种以上具有热弹性马氏体可逆相变效应金属组成的合金。

形状记忆合金的特性有三种：

（1）单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状。

（2）双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

迄今为止，已发现形状记忆合金有多种，不同的形状记忆合金形变的温度是不同的，如镍-钛合金为-50～80℃，金-镉合金为30～100℃等。

从20世纪70年代起，形状记忆合金主要应用于紧固零件。如用形状记忆合金可制得“智能”型铆钉，使用时先在常温下弯曲铆钉尾部，然后在低温时拉直并插入孔内，待温度升高时，铆钉尾部会自动弯曲达到铆接的目的，见图7-2-1。又如用形状记忆合金制成的用于外科各种骨整形和断骨再接的接骨板，不但能将两段断骨固定住，而且能在断骨恢复原来形状的过程中产生压缩力，迫使断骨很快愈合。齿科用的矫齿丝也是利用形状记忆合金，先将形状记忆合金放入人的口腔内，靠体温使形状记忆合金丝复原、紧固，来达到治疗与矫正的目的。另外，形状记忆合金还可制成火灾自动报警器和自动灭火器等。用形状记忆合金制成航天飞机的抛物面形通信卫星天线，发射前，在临界温度下，将它叠成非常小的体积放入卫星内。进入太空后，将其取出置于相应位置，在太阳光照射下，温度升高，天线可恢复原抛物面形状。

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图7-2-1　形状记忆合金铆钉的自动铆接过程

（五）贮氢合金

氢具有单位质量释放能量高、无污染等优点，被公认为是21世纪最有希望的新能源。但在常温下，不纯的氢气遇明火会发生爆炸。因此，氢作为能源时，纯度要求非常高。1968年，人们发现某些合金具有吸附氢气的特性，如镁-镍合金、镧-镍合金。这类合金在一定温度和压力下可大量吸附氢气，其原因是合金中的金属原子能与氢原子结合形成氢化物，把氢贮藏起来。这是可逆反应，金属氢化物受热时，氢气又将释放出来。标准状况下，有一些贮氢合金吸收的氢气体积可达到自身体积的1000倍，其中的氢气密度可超过液态氢气，甚至达到固态氢气的密度。贮氢合金可以用来提纯和回收氢气，它可以将氢气提纯到很高的纯度。我国科学家研制的钛-铁-锰贮氢材料，可将氢提纯为99.9999%的超纯氢，这项研究可大大降低提纯氢的成本。

贮氢合金的迅速发展，为氢气的利用开辟了更广阔的前景。例如，贮氢合金吸氢后可用于氢动力汽车，它为开发无污染汽车提供了可靠的能量来源。另外，贮氢合金在吸氢时会放热，在放出氢气时会吸热，人们利用这种放热-吸热循环，进行热的贮存和传输，用于制冷或采暖设备等。

（六）非晶态合金

一般情况下，一种合金熔化时，其原子的排列是无规则的，当冷却至固态时，组成合金的原子或离子都将按一定规则排列形成晶体。由于晶体内各晶粒之间存在着不同向的晶界，这在一定程度上会影响合金的各项性能。非晶态合金是指一些不仅能以晶体的形式存在，也可以非晶体的形式存在的合金。非晶态合金的制备是将合金熔化后，再用高速冷却（约为106℃/s）使之凝固，这样，合金中的原子来不及按规则排列，保持着原来液态时的无序状态，从而获得了无规则的非晶态组织结构。这种非晶态组织结构类似于玻璃的无定形结构，它避免了合金结晶时固有的缺点，在各项机械性能和功能上有了新的突破。在20世纪30年代，已有报道用蒸汽沉淀法和电沉淀法，制备出非晶态合金。在20世纪60年代，美国科学家杜维兹（Duwez）直接将熔融金属速冷制备出金-硅非晶态合金，被称为“金属玻璃”。

非晶态合金的硬度和强度比一般晶态合金高很多，用它制造的高强度电缆，可大大提高使用寿命。它还具有良好的磁性能，用它做材料代替硅钢片制作变压器铁芯，可使自身能量损失减少60%以上。美国每年损耗在变压器上的电量为6000 MW，约30亿美元，若将现有的全部配电变压器都换成非晶态铁合金，则每年至少可节省10多亿美元的电费。非晶态磁性材料还可用于制作磁带、录音磁头，其耐磨性较一般材料高几十倍，而且具有贮存量大、频率响应好、分辨率高、失真小等优点。非晶态合金还具有良好的化学性能，特别是具有耐腐蚀性能，比起优质不锈钢，它的耐腐蚀性要强100倍。

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