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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。金属导电材料：用来传送电流的材料,包括电力、电机工程中使用的电缆、电线等强电材料和仪器、仪表用的弱电材料两大类。电缆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。弱电接点材料大都采用贵金属（Au、Ag、Pt）或贵金属为基的合金材料；为降低成本，常在Cu表面涂Au、Ag、Pt层。常见电接点元件二、弱电接点材料制造仪器仪表、电子与电讯装置中的各种电接触元件（小型继电器、微型开关、电位器、印刷电路板插座、集成电路引线框架等）。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23.2K(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77K）超导材料应用已广泛应用于加速器、医学诊断设备、热核反应堆等。约瑟夫森器件已广泛应用于高科技电子产品。用高温超导材料制造的磁悬浮式列车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。变压器继电器应用制造电力、配电和通信工程中的发电机、电动机、变压器、继电器、电感器铁芯。(3)铁钴合金Fe64Co35V1Fe64Co35Cr1(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。制造低频、中频、高频变压器，电视机、收音机中的磁棒、磁芯等。磁性材料磁铁氧体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、分类及应用分类特点及应用Al-Ni-Co系永磁材料高剩磁、温度系数低、性能稳定，用于对永磁体性能稳定性要求较高的精密仪器仪表和装置中永磁铁氧体钡铁氧体（BaO.6Fe2O3)锶铁氧体(SrO.6Fe2O3)矫顽力高、价格低，但最大磁能与剩磁偏低、磁性温度系数高,用于家用电器和转动机械装置等稀土永磁材料钕铁硼合金最大磁能积最大、矫顽力高，稀土永磁材料（超强材料）用于制造汽车电机、音响系统、控制系统、无刷电机、传感器、核磁共振仪、电子表、磁选机、计算机外围设备、测量仪表等Fe-Cr-Co系w(Cr)23.5%～27.5%w(Co)11.5%～21.0%可冷加工成板材、细棒，还可铸造成型，但热处理工艺复杂，磁性能与Al-Ni-Co系合金相似复合永磁材料（如复合稀土永磁材料）工艺简单、强度高而耐冲击、磁性能高并可调整等；用于仪器仪表、通讯设备、旋转机械、磁疗器械、音响器件、体育用品等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●γ-Fe2O3磁粉和包Co的γ-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-70℃～500℃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合金制造热双金属片主动层材料,制造室温调节装置、自断路器、各种条件下的自动控制装置等。双金属片式温度计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Ti2.铜基合金Cu-Zn合金：w(Zn)38.5%～41.5%Cu-Al－Ni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典型的轻质隔热材料材料密度/（×103kg/m3）使用温度/℃硅酸铝纤维0.064～0.1620～1260蜂窝状泡沫玻璃0.08～0.16-185～420玻璃纤维加粘结剂0.016～0.048-185～120硼硅玻璃纤维0.032～0.1620～820石英纤维0.048～0.19220～1370二氧化硅气凝胶0.064～0.096-273～700二氧化硅长纤维0.048～0.16-185～11007.4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（