金属材料的未来更新时间

金属材料的未来更新时间：材料是人类赖以生存和发展的物质基础。上世纪70年代，人们把信息、材料、能源作为社会文明的支柱。随着高技术的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。如今，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。在工程领域，上世纪50年代的工程材料以金属材料为主，但由于其比强度及比刚度较低，金属材料在当今工程结构材料中所占的份额日益减少。在把重量作为主要考虑因素的应用领域，例如航空及运动器材等，金属逐步被其他轻质高强材料所替代。在这种趋势下，未来金属材料是否会被其他材料完全取代？金属材料的优缺点是什么？金属材料发展的出路在哪里？哪些领域将对金属材料有需求？在4月16日出版的美国《科学》杂志上，中国科学院院士、中科院金属研究所所长卢柯的特邀文章《金属材料的未来》给出了上述问题的答案，并就金属材料的特性及其未来应用的发展趋势进行了展望。比强度及比刚度较低，是金属材料在未来需要改进的一个重要方向。长期以来，金属材料界一直致力于提高金属材料的强度。通常，强化金属的途径是通过控制生成内部缺陷和界面来阻碍位错运动，如固溶强化、弥散强化、细晶强化等，但这些强化方式往往会降低材料的塑性和韧性，也可能导致其他性能如导电性和抗腐蚀性能的降低。在增加金属材料强度方面，细化晶粒虽能强化金属又不损失其韧性，但是当晶粒尺寸细化到亚微米时，强度的增加往往伴随着塑性和韧性的降低。卢柯认为，近期有研究发现在低合金钢中利用多级各向异性纳米结构可以同时实现高强度和高韧性，这为同时提高金属材料的强度和韧性开辟了一个新途径。此外，具有多级复合结构的纳米孪晶金属也表现出卓越的综合力学性能，例如纳米孪晶铜的强度是粗晶铜的10倍并具有很高的塑性，而其导电率与高导铜相当，抵抗电迁移的能力极高，该材料在微电子行业有巨大的应用前景。金属的腐蚀是金属材料的另一大问题，通过表面涂覆一层耐蚀材料或形成保护性钝化膜可实现防腐，也可通过改变表层的化学成分提高金属耐腐蚀性能，但这种方法往往需要在高温下进行，从而导致金属基体性能的恶化。表面机械研磨处理可细化表面晶粒至纳米量级，可使处理温度显著降低。此外，金属在高温下强度降低也是其一大弱点。高温合金的使用温度较高（镍基合金可达1150摄氏度），可在航空涡轮发动机等高温环境下使用。研究人员正在研发以Mo和Nb等难熔金属为基的高温合金以进一步提高使用温度。卢柯认为，尽管金属材料存在上述缺点，但由于金属材料自身所具有的一些独特性能，它仍将是我们当今社会的承载主力，是不可替代的。原因主要体现在几方面。首先，由于金属的断裂韧性较其他材料高得多，因此金属材料往往被用作对可靠性和持久性要求最高的关键部件上。其次，金属在各个方向上的性能一致，拉伸和压缩强度基本相同。金属的失效强度通常可以预测，这对于预测工程结构的断裂极为重要。“相反，目前人们难以准确预测复合材料和陶瓷的断裂强度，而这些材料的失效，经常是灾难性的瞬时断裂，可能导致严重的经济损失或人员伤亡。因此，许多先进技术仍依赖于高性能金属材料。”卢柯说。此外，大多数金属的导电性均高于陶瓷和高分子，铜和铝仍是电力传输的最佳材料。同时，金属还具有其他材料所不易具备的优异磁学性能。金属在从低温至几百摄氏度的温度范围内均具有良好的综合力学性能，这些温度正是大多数的化工、能源、发动机等工业机械工作的温度区间。大多数的金属都可回收利用，这对大量应用的材料来说十分重要。卢柯指出，现代工业技术发展不仅依赖于金属的这些优异性能，而且还急需开发性能更高的金属材料。提高金属的强度而不损失其他性能，对提高金属材料的竞争力尤为重要。“多尺度多级结构组装可能是优化金属材料综合性能的一个途径。金属材料可以与其他材料结构进行复合——通过独特的多级组装等方式将金属与其他材料组装，可以得到最佳的强度韧性配合。各类不同材料通过这种方式取长补短，能够实现综合性能的提升。”卢柯说。00000000充满活力的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然会对金属材料提出更高的要求，元器件的智能化、小型化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小。纳米金属材料无疑是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象[1]。而“纳米金属”是利用纳米技术制造的金属材料，具有纳米级尺寸的组织结构，在其组织中也包含着纳米颗粒杂质。在金属材料生产中利用纳米技术，有可能将材料成分和组织控制得极其精密和细小，从而使金属的力学性能和功能特性得到飞跃的提高[2]。近年来，金属纳米材料在功能材料领域得到广泛应用，国内外均制备出了性能优异的纳米金属材料，对纳米金属材料的应用与未来的发展趋势的研究显得尤为重要00000新型金属材料种类繁多，它们都属合金。形状记忆合金形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。最早研究成功的形状记忆合金是Ni－Ti合金，称为镍钛脑（Nitanon）。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金如Cu－Zn－Al和Cu－Al－Ni，价格只有Ni－Ti合金的10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好，强度高，易加工，价格低，很有开发前途。表7－3列出一些形状记忆合金及其相变温度。形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。在茫茫无际的太空，一架美国载人宇宙飞船，徐徐降落在静悄悄的月球上。安装在飞船上的一小团天线，在阳光的照射下迅速展开，伸张成半球状，开始了自己的工作。是宇航员发出的指令，还是什么自动化仪器使它展开的呢?都不是。因为这种天线的材料，本身具有奇妙的“记忆能力”，在一定温度下，又恢复了原来的形状。多年来，人们总认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。可是，美国科学家在五十年代初期偶然发现，某些金属及其合金也具有一种所谓“形状记忆”的能力。这种新发现，立即引起许多国家科学家的重视。研制出一些形状记忆合金，广泛应用于航天、机械、电子仪表和医疗器械上。为什么这些合金不“忘记”自己的“原形”呢?原来，这些合金都有一个转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，面在转变温度之下，它又具有另一种组织结构。结构不同性能不同，上面提及美国登月宇宙飞船上的自展天线，就是用镍钛型合金作成的，它具有形状记忆的能力。这种合金在转变温度之上时，坚硬结实，强度很大;而低于转变温度时，它却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需的大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加压力，把它弯曲成一个小球，使之在飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新展开，恢复到大半球的形状。形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。高温合金涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。贮氢合金氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积的结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。如镁系贮氢合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5，为了降低成本，用混合稀土Mm代替La，推出了MmNiMn，MmNiAl等贮氢合金；钛系贮氢合金如TiH2，TiMn1.5。贮氢合金用于氢动力汽车的试验已获得成功。随着石油资源逐渐枯竭，氢能源终将代替汽油、柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油、柴油产生的污染。非晶态合金非晶态合金又称为金属玻璃，具有拉伸强度大，强度、硬度高，高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。适合做变压器和电动机的铁芯材料。采用非晶态合金做铁芯，效率为97%，比用硅钢高出10%左右，所以得到推广应用。此外，非晶态合金在脉冲变压器、磁放大器、电源变压器、漏电开关、光磁记录材料、高速磁泡头存储器、磁头和超大规模集成电路基板等方面均获得应用。000新型金属材料种类繁多，它们都属合金。形状记忆合金形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。最早研究成功的形状记忆合金是Ni－Ti合金，称为镍钛脑（Nitanon）。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金如Cu－Zn－Al和Cu－Al－Ni，价格只有Ni－Ti合金的10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好，强度高，易加工，价格低，很有开发前途。表7－3列出一些形状记忆合金及其相变温度。形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。在茫茫无际的太空，一架美国载人宇宙飞船，徐徐降落在静悄悄的月球上。安装在飞船上的一小团天线，在阳光的照射下迅速展开，伸张成半球状，开始了自己的工作。是宇航员发出的指令，还是什么自动化仪器使它展开的呢?都不是。因为这种天线的材料，本身具有奇妙的“记忆能力”，在一定温度下，又恢复了原来的形状。多年来，人们总认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。可是，美国科学家在五十年代初期偶然发现，某些金属及其合金也具有一种所谓“形状记忆”的能力。这种新发现，立即引起许多国家科学家的重视。研制出一些形状记忆合金，广泛应用于航天、机械、电子仪表和医疗器械上。为什么这些合金不“忘记”自己的“原形”呢?原来，这些合金都有一个转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，面在转变温度之下，它又具有另一种组织结构。结构不同性能不同，上面提及美国登月宇宙飞船上的自展天线，就是用镍钛型合金作成的，它具有形状记忆的能力。这种合金在转变温度之上时，坚硬结实，强度很大;而低于转变温度时，它却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需的大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加压力，把它弯曲成一个小球，使之在飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新展开，恢复到大半球的形状。形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。高温合金涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。贮氢合金氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积的结构，结构中存在许多四面