材料与社会03.ppt
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1、湖南科技大学,材料与社会 Materialogy and Society,湖南科技大学,课程结业形式: 论文,内容: 与材料发展现状,材料应用现状,与材料的与社会发展有关的。 字数:3000字左右 格式:,湖南科技大学,2.6 储氢合金保证清洁燃烧,20世纪60年代,材料王国里出现了能储存氢的金属和合金,统称为储氢合金(hydrogen storage metal),这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力,它可以在一定的温度和压力条件下,氢分子在合金(或金属)中先分解成单个的原子,而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中,并与合金进行化学反应生成金属氢化物(metal hydrid
2、es),外在表现为大量“吸收”氢气,同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时,它们又会发生分解反应,氢原子又能结合成氢分子释放出来,而且伴随有明显的吸热效应。,湖南科技大学,别看储氢合金的金属原子之间缝隙不大,但储氢本领却比氢气瓶的本领可大多了,因为它能像海绵吸水一样把钢瓶内的氢气全部吸尽。具体来说,相当于储氢钢瓶重量1/3的储氢合金,其体积不到钢瓶体积的1/10,但储氢量却是相同温度和压力条件下气态氢的1000倍,由此可见,储氢合金不愧是一种极其简便易行的理想储氢方法。采用储氢合金来储氢,不仅具有储氢量大、能耗低,工作压力低、使用方便的特点,而且可免去庞大的钢制容器,从而使存储和运输
3、方便而且安全。,湖南科技大学,目前储氢合金主要包括有钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。其主要用途包括以下几个方面:,(1)氢气分离、回收和净化材料。化学工业、石油精制以及冶金工业生产中,通常有大量的含氢尾气排出,含氢量有些达到5060%,而目前多是采用排空或者白白的燃烧处理。因此,对这部分加以回收利用,在经济上有巨大的意义。另外,集成电路、半导体器件、电子材料和光纤等产业中,需要超高纯氢体。利用储氢合金对氢原子有特殊的亲和力,而对其他气体杂质择优排斥的特性,即利用储氢合金具有只选择吸收氢和捕获不纯杂质的功能,不但可以回收废气中的氢,而且可以使氢纯度高于 99.9999%以上,价格便宜、安全,具
4、有十分重要的社会效益和经济意义。,湖南科技大学,(2)制冷或采暖设备材料。由于储氢合金具有在吸氢化学反应时放出大量热,而在放氢时吸收大量热的特性,因此,人们可以利用储氢合金的这种放热吸热循环,可进行热的储存和传输,制造制冷或采暖设备。美国和日本竞相采用储氢合金制成太阳能和废热利用的冷暖房,其原理就是利用储氢合金在吸氢时的放热反应和释放氢时的吸热反应。我国北京有色金属研究总院则利用储氢合金储放氢过程的吸放热循环效应,制造了一台可以制冷到77K的制冷机,该机器可用于工业、医疗等行业需要低温环境的场合。,湖南科技大学,3)镍氢充电电池。由于目前大量使用的镍镉电池(NiCd)中的镉有毒,使废电池处理复
5、杂,环境受到污染,因此它将逐渐被用储氢合金做成的镍氢充电电池(NiMH)所替代。从电池电量来讲,相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.52倍,且无镉的污染,现已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便携式的电子设备。目前,更大容量的镍氢电池已经开始用于汽油/电动混合动力汽车上,利用镍氢电池可快速充放电过程,当汽车高速行驶时,发电机所发的电可储存在车载的镍氢电池中,当车低速行驶时,通常会比高速行驶状态消耗大量的汽油,因此为了节省汽油,此时可以利用车载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作,这样既保证了汽车正常行驶,又节省了大量的汽油,因此,混合动力车相对传统意义上的汽车具有更大的市场潜
6、力,世界各国目前都在加紧这方面的研究。,湖南科技大学,2.7钛及钛合金与人工牙齿,钛是周期表中第B类元素,外观似钢,熔点达1 672 ,属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和。 纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,如有杂质,特别是0、N、C等元素存在,会提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性。 钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此,钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能
7、被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢。,湖南科技大学,钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,是目前所有工业金属材料中最高的。 液态的钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要。例如,Ti-A1-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50150地伸长加工成型,其最大伸长可达到2 000。而一般合金的塑性加工的伸长率
8、最大不超过30。 由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称,钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金,只是目前钛的价格较昂贵,限制了它的广泛使用。,湖南科技大学,钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882以下为密排六方结构钛,882以上为体心立方的钛。,合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类: 稳定相、提高相转变温度的元素为稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。 稳定相、降低相变温度
9、的元素为稳定元素,又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、钒等;后者有铬、锰、铜、铁、硅等。 对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。 氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.150.2和0.040.05以下。氢在相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物,使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015以下。氢在钛中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。,湖南科技大学,钛合金的性能 钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1,但其强度
10、低、塑性高。99.5工业纯钛的性能为:密度=4.5g/cm3,熔点为1725,导热系数=15.24W/(m.K),抗拉强度b=539MPa,伸长率=25,断面收缩率=25,弹性模量E=1.078105MPa,硬度HB195。,湖南科技大学,(1)强度高 钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60,纯钛的强度才接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。,湖南科技大学,(2)热强度高 使用温度比铝合金高几百度,
11、在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500,铝合金则在200以下。,湖南科技大学,(3)抗蚀性好 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。,湖南科技大学,(4)低温性能好 钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一
12、种重要的低温结构材料。,湖南科技大学,(5)化学活性大 钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.10.15 mm,硬化程度为2030。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。,湖南科技大学,(6)导热系数小、弹性模量小 钛的导热系数=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50。
13、钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的23倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损,湖南科技大学,钛合金的用途 钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好。另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差,生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)
14、和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。 钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。 中国于1956年开始钛和钛合金研究;60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。,湖南科技大学,钛合金的新进展 近年来,各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金,努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。,湖南
15、科技大学,(1)高温钛合金。 世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V,使用温度为300-350。随后相继研制出使用温度达400的IMI550、BT3-1等合金,以及使用温度为450500的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金;美国的Ti-1100合金;俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度26。 近几年国外把采用快速凝固粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到
16、650以上1,27,29,31。美国麦道公司采用快速凝固粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在760下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度26。,湖南科技大学,2)钛铝化合物为基的钛合金。 与一般钛合金相比,钛铝化合物为基钠Ti3Al(2)和TiAl()金属间化合物的最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为816和982)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻(密度仅为镍基高温合金的1/2),这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料26。 目前,已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产
17、。其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等29。TiAl()为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-(46-52)Al-(1-10)M(at.),此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。最近,TiAl3为基的钛合金开始引起注意,如Ti-65Al-10Ni合金1。,湖南科技大学,2.8 减振合金与无噪音机器,又称阻尼合金。 一种阻尼(内耗)大,能使振动迅速衰减的特种金属材料。 采用阻尼合金减震防噪,具有结构简便、体积小、轻量化等优点。 常用的阻尼合金分为: (1)均质金属类,包括复
18、相型、强磁性型、位错型和孪晶型; (2)复合板类,包括非拘束型和拘束型; (3)粉末金属类,包括有色金属型和黑色金属型。 阻尼合金已用于航空航天、船舶、汽车、铁路、家用电器及军用车辆等工业中。,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,2.9 核能利用中的金属与合金,湖南科技大学,核裂变示意图,湖南科技大学,核聚变示意图,湖南科技大学,锆,锆的热中子俘获截面小,有突出的核性能,是发展原子能工业不可缺少的材料,可作反应堆芯结构材料。锆粉在空气中易燃烧,可作引爆雷管及无烟火药。锆可用于优质钢脱氧去硫的添加剂,也是装甲钢、大炮用钢
19、、不锈钢及耐热钢的组元。锆是镁合金的重要合金元素,能提高镁合抗拉强度和加工性能。锆还是铝镁合金的变质剂,能细化晶粒。二氧化锆和锆英石是耐火材料中最有价值的化合物。二氧化锆是新型陶瓷的主要材料,不可用作抗高温氧化的加热材料。二氧化锆可作耐酸搪瓷、玻璃的添加剂,能显著提高玻璃的弹性、化学稳定性及耐热性。锆英石的光反射性能强、热稳定性好,在陶瓷和玻璃中可作遮光剂使用。锆在加热时能大量地吸收氧、氢、氨等气体,是理想的吸气剂,如电子管中用锆粉作除气剂,用锆丝锆片作栅极支架、阳极支架等。 粉末状铁与硝酸锆混合,可作闪光粉。金属锆几乎全部用作核反应堆中铀燃料元件的包壳。也用来制造照相用的闪光灯,以及耐腐蚀的
20、容器和管道,特别是能耐盐酸和硫酸。锆的化学药品可作聚合物的交联剂。,湖南科技大学,2.10 能源和信息工业中的磁性合金,磁性是物质的基本属性,湖南科技大学,磁性材料是古老而年轻的功能材料,司南(战国时期) 司南利用天然磁石琢磨而成,样子像一把勺,重心位于底部正中,底盘光滑,四周刻有二十四向,使用时把长勺放在底盘上,用手轻拨,停下后长柄就指向南方。,湖南科技大学,居里温度,对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,称为居里温度。在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物
21、体变成磁性材料。 利用磁性材料存在居里温度的特点,可以开发出很多控制元件。,湖南科技大学,湖南科技大学,磁悬浮列车原理,磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥,异性相吸”的性质,使磁铁具有抗拒地心引力的能力,使列车完全脱离轨道而悬浮行驶,成为“无轮”列车。 磁悬浮列车也有两种相应的形式:一种是电磁型,也称吸力型、常导型。另一种是电动型,也称斥力型、超导型。,湖南科技大学,湖南科技大学,电磁炉,特点: 直接发热,热效率高达90% 炉面无明火,无烟无废气 电磁火力强劲,安全可靠,湖南科技大学,第一个提出电磁炮这一概念并进行实验的是挪威伯克兰教授,1901年就获得了专利。,湖南科技大学,2.11超导材料与高
22、精度测量器件,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,湖南科技大学,1987年1月初,日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了486K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日,日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大
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