新型工程材料

5.4　新型工程材料

一般认为，新型工程材料包含具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的新型结构材料，以及除了具有力学性能外，还具有光、电、磁、热、化学、生化等方面特别功能特性的功能结构材料。它们是21世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，是支撑航空航天、交通运输、电子信息、能源动力及国家重大基础工程建设等领域的重要物质基础。新型工程材料包括新型金属材料、新型陶瓷材料和新型高分子材料等。其中的功能材料种类繁多，按使用性能，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料等。这里仅介绍纳米材料、烧蚀防热材料、超硬材料、超塑性合金、海绵金属和“无声”合金、非晶态合金、隐身材料及形状记忆材料。

5.4.1　纳米材料

“纳米”是英文namometer的译名，是一种度量单位，1纳米（nm）＝10^－9m，即1毫微米。纳米材料是指组成相或晶粒在三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料的总称。其主要类型有纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、纳米丝、纳米管、纳米固体等。由于纳米材料表现出特异的光、电、磁、热、机械等性能，现已成为当前材料科学研究的一个热点。

1.纳米材料的特征

纳米微粒是处于亚稳状态的原子或分子团，具有传统大块材料所不具备的新特性。

（1）表面效应　由于处于固体表面的原子的键合状态是不完整的，处于较高的能量状态，因此具有较大的化学活性、较高的与异类原子化学结合的能力和较强的吸附能力。表面原子的特性对大块材料的整体性能而言，其表面原子数相对总原子数太少，这种作用可以忽略。随着颗粒尺寸的减小，体系的总表面能比例大增，当颗料尺寸小到纳米尺度时，表面原子相对数量已相当大，表面原子的作用会引起种种特异的表面效应。利用这一特性可提高催化剂的效率、吸波材料的吸波率、涂料的覆盖率及杀菌剂的效率等。

（2）小尺寸效应　当微粒的尺寸小到纳米尺度，并与某些物理特征尺寸，如传导电子的德布罗意波长、电子自由程、磁畴、超导态相干波等相接近时，由于晶体的周期性边界条件被破坏，会使原大块材料所具有的某些电学、磁学、光学、声学、热学性能随尺寸减小发生突变，这种效应称为小尺寸效应。如纳米材料的光吸收明显加大，非导电材料的导电性出现，磁有序态向磁无序态转化等。

（3）量子尺寸效应　当颗粒尺寸小到纳米尺度，特别是几个纳米时，固体原子中费米能级附近的电子所处的能级由准连续态变为分裂的能级状态。此时分裂能级的能量间隔增大，并可能超过热能、磁能、静磁能、静电能、超导态凝聚态能、光子等的量子能量，这时将导致一系列物理性能的重大变化，甚至发生本质上的变化，如纳米镍粉成为绝缘体，这种变化称为量子尺寸效应。

此外，还有宏观量子隧道效应。

上述表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等都与颗粒尺寸有关，都在1～100 nm尺度内显示出来，可统称为纳米效应，是纳米材料产生新特性的本质原因，也是其应用的基础。如在纳米尺寸范围内，原来是良导体的金属可能变成了绝缘体；若原来是典型的共价键、无极性的绝缘体，则电阻可能大大下降，甚至可能导电；原来是铁磁性的粒子可能变成超顺磁性，矫顽力为零；原来是P型半导体，而在纳米状态下变为N型半导体等；在理论上根本不相溶的两种元素，在纳米状态下既可以合成一起制备出新型的材料，又可以合成原子排列状态完全不同的两种或多种物质的复合材料等。

纳米粉末的制备方法有蒸发－冷凝法、球磨法、化学气相法、溶胶－凝胶法、电解法、溶剂蒸发法、水热法、化学沉淀法等；纳米涂层和纳米薄膜的制备方法主要为各种物理及化学的沉积方法等。

2.纳米材料的应用

在工程上，主要是将纳米超微粒子作为改性添加剂加入到金属、陶瓷、有机高分子中，来生产具有特殊物理、化学性能的纳米金属、纳米陶瓷、纳米塑料等。

纳米材料已经或即将在电子、医药、化工、通信、环保等领域得到广泛应用。

在合成树脂中添加纳米TiO₂、ZnO等可制成抗菌塑料、纤维及涂料等。

对机械关键零部件进行金属表面纳米粉料涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。

若将超微小的金属纳米颗粒放入常规陶瓷中复合成形后，可大大改善材料的力学性能；若将超微小的纳米Al₂O₃粒子放入橡胶中复合成形后，可提高橡胶的介电性和耐磨性；放入金属或合金中复合成形后，又可以使其晶粒细化，大大改善力学性质。

同理，若将纳米Al₂O₃弥散分布到透明的玻璃中进行复合，既不影响玻璃的透明度，又可提高其高温冲击韧性等。不少纳米金属是良好的吸波材料，可作为雷达波及红外波的隐身涂层。由于磁性纳米微粒制作的磁记录材料可以提高声噪比，改善图像质量。在润滑油中添加纳米铜或钼，可形成“自修复”功能的润滑油。除此以外，纳米微粒在催化、电子、光学、纳米药物及抗体等方面也有广阔的应用前景。

5.4.2　烧蚀防热材料

航天飞机返回大气层时受气动加热，其鼻锥帽温度可达1　600℃，并且要在此高温下持续约30min；洲际导弹在进入大气层时，表面温度可高达2　000℃以上。这些情况都需要质量轻、耐高温、抗热震、绝热性好的材料加以防护，以保证航天器飞行的成功。

烧蚀防热复合材料就是为了解决上述极端条件下的结构防热而开发研究的材料品种。其功能是在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华、辐射等多种物理和化学变化，借助材料的质量消耗带走大量热量，以达到阻止热流传入结构内部的目的。其用于预防工程结构在特殊气动热环境中免遭烧毁，并保持必需的气动外形，是航天飞行器、导弹等必不可少的关键材料。这里的“烧蚀”是指导弹和飞行器再入大气层时，在热流的作用下，由热化学和机械过程引起的固体表面的质量迁移（材料消耗）现象。

1.对烧蚀防热材料的特性要求

材料的烧蚀防热是借助消耗质量而带走热量，以达到热防护的目的，并希望材料能以最小的质量消耗来抵挡最多的气动热量。因此，烧蚀防热材料一般应要求比热容大（以便在烧蚀过程中可吸收大量的热量），同时，要求导热系数小，密度小，烧蚀速率低。

作为导弹鼻锥（隔热罩）、航天飞机头锥及机翼前缘、火箭发动机喷管喉衬等所用的烧蚀防热材料，除应具备良好的耐烧蚀防热性能外，还应具有良好的力学性能和热物理性能，使其在高温气动环境下仍能保持结构的承载能力和气动外形。

2.烧蚀防热复合材料的分类

烧蚀防热复合材料按其防热机制的不同可分为升华型（如C_f/C复合材料、聚四氟乙烯等）、熔化型（如C_f/SiO₂复合材料、C_f/SiC、SiC_f/SiC、C_f/SiO₂等）和碳化型（SiO₂纤维/酚醛复合材料、碳纤维/酚醛复合材料、碳纤维/聚酰亚胺复合材料等）三种。

按所用基体的不同，可将烧蚀防热复合材料分为树脂（含橡胶）基、碳基和陶瓷基三类。

3.碳/碳防热复合材料

在现有的抗烧蚀材料中，C/C复合材料是最好的抗烧蚀热结构材料，它是典型的升华－辐射型烧蚀材料（与石墨材料的机理一致）。碳/碳（或C/C、C_f/C）复合材料是指以碳纤维、石墨纤维或它们的织物作为骨架，埋入碳基体中以增强基体所制成的复合材料。增强材料常作成碳布、碳毡或碳纤维多维编织物，基体材料主要是气相沉积（CVD法）碳或液体浸渍热解碳（如沥青、酚醛基体热解碳）。元素碳具有高的比热容和气化能，熔化时要求有很高的压力和温度，因此在不发生微粒被吹掉的前提下，它具有比任何材料都高的烧蚀热。由于碳材料可在烧蚀条件下向外辐射大量的热量，而且其本身有较高的辐射系数，可进一步提高其抗烧蚀性。因此C/C复合材料在高温下利用升华吸热和辐射散热的机制，以相对小得多的单位材料质量耗散来带走更多的热量，使有效烧蚀热大大提高。

此外，C/C复合材料有很高的比强度及比刚度，其强度随温度的升高而增大，到约2　500℃时强度和刚度达到最大值，线膨胀系数特小，还有良好的耐蚀性、摩擦减振性及热、电传导特性，较高的比热容等，因此，可作为高温结构及烧蚀防热材料。C/C复合材料最大的缺点是在氧化气氛下于600℃左右会发生氧化。为此在其表面常施加抗氧化涂层（如SiC涂层），则在氧化性气氛中可使用到1　500℃。其典型应用如下。

（1）固体火箭发动机喷管是一种非冷却型喷管，其承受高温高压及高速气流的冲击，常选用有更好烧蚀性能的高密度的3－D的C/C（沥青基碳）复合材料。它已代替了钨等高温金属及CFRP而成为目前固体火箭喷管的最理想材料。此外，已用于火箭和导弹头锥、航天飞机机翼前缘、方向舵、尾喷口喉衬等使用温度高、并且要求烧蚀量小、需保持良好的烧蚀气动外形的特殊场合，甚至用于发动机低压涡轮叶片、鱼鳞片、涡轮盘等。C/C复合材料是最好的也是唯一可用于2　000℃以上防热结构的备选材料（它在2　000℃以下的比强度基本上不随温度的升高而变化），

（2）飞机在制动过程中，静盘和动盘的表面温度高达2　000℃，这要求高性能制动材料应有高比热、高熔点、在高温下有足够的强度、一定的热导率、低的热膨胀系数及稳定的摩擦系数。C/C防热复合材料也是飞机制动片最优良的材料，其比热容比钢高出2.5倍，高温强度高，质量轻，使用寿命长。

（3）用于钛合金超塑成形吹塑模、钴基粉末冶金热压模、医学上的人工骨、电器的电极、化工耐蚀结构等。

5.4.3　超硬材料

超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近10的材料。主要指金刚石和立方氮化硼。金刚石是碳的同素异形体，又称钻石，包括天然金刚石、人造聚晶金刚石、化学气相沉积金刚石等。其中以人造聚晶金刚石占主导地位。立方氮化硼烧结体的硬度仅次于金刚石。超硬材料适于用来制造加工其他材料的工具，尤其是在加工硬质材料方面。

1.单晶金刚石

天然及人造单晶金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达9　000～10　000HV，是自然界中最硬的物质。它耐磨性极好，制成刀具在切削中可长时间保持尺寸的稳定，故而有很高的使用寿命。天然单晶金刚石制成的刀具刃口可以加工到极其锋利。可用于制作眼科和神经外科手术刀，可用于加工隐形眼镜的曲面，用于加工黄金、白金首饰的花纹。最重要的用途在于高速超精加工非铁合金。

天然单晶金刚石材料韧性很差，抗弯强度很低，仅为0.2～0.5GPa。热稳定性差，温度达到700～800℃时就会失去硬度。

人造单晶金刚石硬度略逊于天然金刚石，其他性能都与天然金刚石不相上下，有相对较好的一致性和较低的价格，可作为替代天然金刚石的新材料。

其与除铁以外的金属摩擦系数很低，一般低于0.1，抗磨性极好。而与钢件在高速摩擦时，因其中碳会向铁中扩散，使耐磨性下降。

金刚石在氧化性气氛中热稳定性不好，在空气中最高使用温度为850～1　000℃。此外，其热胀系数也为最低，弹性模量极高，为极优良的透光及传声材料，也为优良的绝缘体。纯的金刚石具有高的折射率和强的散光性，产生艳丽光彩。

2.人造聚晶金刚石

人造聚晶金刚石是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料。其硬度比天然金刚石低（6　000HV左右），但抗弯强度比天然金刚石高很多。另外，由于人造聚晶金刚石的种类很多，其粒度、浓度等都会影响硬度、耐磨性等性能。人造聚晶金刚石主要用来制作刀具。

人造聚晶金刚石刀具比天然金刚石刀具的抗冲击和抗振性能高出很多。人造聚晶金刚石刀具同天然金刚石刀具一样，不适合加工钢和铸铁。这种刀具主要用于加工非铁合金及非金属材料，如铝、铜、锌、金、银、铂及其合金，还有陶瓷、碳纤维、橡胶、塑料等。该类刀具的另一大应用是加工木材和石材。人造聚晶金刚石刀具特别适合加工高硅铝合金，因此在汽车、航空、电子、船舶工业中得到了广泛的应用。

3.化学气相沉积金刚石膜

金刚石膜是采用化学气相沉积（简称CVD）的方法制备出来的一种多晶纯金刚石材料，它呈膜状附着于基体表面，故又称金刚石膜。CVD金刚石膜的制备成本远低于大颗粒的天然单晶金刚石，可以大面积化和曲面化，而且其厚度可按需要做到从不足1微米直至数毫米。

金刚石膜刀具在汽车发动机、航空发动机的铝、硅铝合金等轻质高强度部件的加工方面得到广泛应用。同时，它的出现为拉丝模行业带来新的活力。此外，CVD金刚石膜的极高的声音传播速度可在未来卫星通信和移动电话中制作频率响应最高的、极有前景的声表面波器件以及频响可达到60kHz以上的高音扬声器及声传感器。

金刚石膜又是自然界最好的导热材料，它的热导率比银、铜等金属高出5倍以上。它得天独厚的膜片状形态使之成为极为理想的电子器件大面积散热材料。将来，信息领域中的固体微波器件、三维固体电路及高速计算机芯片的散热片必须使用具有最高热导率的金刚石膜。

金刚石膜可在恶劣环境中用作光学窗口，如各种光制导的导弹头罩；它卓越的透X光特性可成为未来微电子学器件制备中亚微米级光刻技术的理想材料。CVD金刚石膜高温抗辐射性质可用作在高温强辐射环境中工作的半导体器件和传感器等。最有前景的是高温金刚石半导体器件，工作温度可达到600℃。而现有的硅器件仅为150℃。目前，最好的砷化镓的工作温度也不超过250℃。金刚石半导体器件的问世将是电子技术的一场革命。

值得强调指出地是，金刚石材料的成分是碳，与铁系材料有较大的亲和力。此外，切削过程中，虽然金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700℃；否则，会发生石墨化现象，工具会很快磨损。金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与钢铁金属（铁－碳合金）在加工中会发生化学磨损。所以，金刚石不能用于加工钢铁金属，只能用在非铁合金和非金属材料上。而立方氮化硼即使在1　000℃的高温下，切削钢铁金属也完全能胜任，已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。

4.立方氮化硼

作为刀具的立方氮化硼一般做成聚晶复合片。立方氮化硼微粉的显微硬度为8　000～9　000HV，仅次于金刚石，但热硬度和热稳定性比金刚石高很多。立方氮化硼在1　300℃时仍能保持其硬度。这种材料不与铁系金属发生化学作用，可用于加工钢和铸铁，因此成为钢铁金属切削刀具的重要材料。

立方氮化硼刀具主要用来加工淬硬高速钢、淬硬合金钢、淬硬轴承钢、渗碳钢、冷硬铸铁、球墨铸铁等，也常用来加工各种镍基高温合金和各类喷焊材料等难加工材料。

5.立方氮化硼烧结体

立方氮化硼烧结体是立方氮化硼颗粒与结合剂一起烧结而成。

立方氮化硼烧结体具有较高的硬度（3　000～5　000HV）和耐磨性，并具有很高的热稳定性，在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。立方氮化硼烧结体具有优良的化学稳定性，900℃以下无任何变化，甚至在1　300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，仍能保持很高的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能广泛应用于高速或超高速的切削工作上。立方氮化硼烧结体具有较好的热导性，而且随着温度的升高，它的导热系数增加。立方氮化硼烧结体还具有较好的摩擦系数，且随着切削速度的提高，摩擦系数是减小的。

总之，金刚石和其他超硬材料由于性能优越，应用不断地在扩大，已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域，对各种工业的发展将起到巨大的推动作用，前景十分广阔。

5.4.4　超塑性合金

1.超塑性的定义

通常情况下，软钢（低碳钢）的伸长率可达40%，非铁合金60%，在高温时也不超过100%。但在某些特定的条件下有些合金的伸长率超过100%，甚至可高达1　000%～6　000%，而变形所需应力却很小，只有普通金属变形应力的几分之一到十几分之一；变形均匀，拉伸时不产生颈缩；无加工硬化，无弹性回复；变形后内部无残余应力，无各向异性，晶粒的形状也基本不变，这种现象称为超塑性。

金属材料在一般条件下没有超塑性。要使其能够发生超塑性形变，必须具备以下三个条件:①材料必须为具有细小等轴晶粒的两相组织，晶粒直径必须＜10μm（超细晶粒），且在超塑性形变过程中晶粒不显著长大；②超塑性形变要求一定的温度范围，一般为熔点的0.5～0.65倍；③超塑性形变时的应变速率很小，一般需在0.01～0.000　1s^－1的范围内。

2.超塑性行为的产生

研究发现，在两种特定的条件下，会出现合金的超塑性行为。

（1）相变超塑性　如果使某些金属块在相变温度（如铁在910℃）附近反复上下波动，同时对其施加作用力，如拉伸、挤压、扭曲等，该金属块会变成像麦芽糖一样异常软顺，呈现相变超塑性行为，这就是相变超塑性。

（2）微细晶粒超塑性　微细晶粒状态下，尽管变形量很大，超塑性合金的晶粒形状不变，试样形状的改变只是通过晶粒位置发生变化来实现的，变形主要发生在晶粒的界面上。在应力作用下通过短程扩散的晶界滑动而变换了晶粒的排列。晶界滑动是微晶超塑性重要的变形机制。

3.超塑性合金的应用

第一个实用的超塑性合金是Zn－22Al。通过吹塑气压法，Zn－22Al可塑制薄壳体，如车身外壳、汽车门内板以及具有凸肚精细花纹的空心球体。Zn－22Al合金形成超塑性的温度范围为250～270℃，压力范围为0.39～1.37MPa，这样的条件在工厂里很容易实现。而普通金属要进行加压力成形，压力范围高达2　000～4　000MPa。Zn－22Al超塑性合金一次整体成形所需的时间很短，小部件只要1～2min，复杂部件也只需5～6min。Zn－22Al合金的超塑性行为除了加工成形压力低、节省加工时间外，还能降低加工成形的温度，降低模具费用，所以此合金后来风靡全世界。

航空航天要求具有高强度、耐高温和能够实施复杂形状的加工成形。但是，材料的强度越高，形状越复杂，加工成形就越困难，特别是整体成形就更困难了。普通的高强度材料要满足这样的目标需要很高的压力，而且材料的利用率低，所以成本居高不下。所以超塑性合金便当仁不让地成为上述结构的首选材料。

如人造卫星上的球形燃料箱，如果用普通钛合金制造，根本无法成形；采用超塑性钛合金材料，在680～790℃温度范围内加热，通过吹塑法一次成形（像吹玻璃器皿一样，吹塑成形），成形压力为1.40～2.10MPa，加工时间只有8min，既快速又保证质量；又如，航空航天器上某些部件要压接在一起，一般材料需要在高温高压条件下压接，制造很困难。采用超塑性材料，只要很小的压力，而且可以压接得很好，甚至用X射线也发现不了压接的焊缝。

5.4.5　海绵金属和“无声”合金

1.海绵金属

海绵金属也称泡沫金属，这种金属从里到外，布满了孔洞，其孔洞体积可占整个金属体积的90%以上，所以非常轻。实际上是金属与气体的复合材料，既可作为许多场合的功能材料，也可作为某些场合的结构材料。而一般情况下它兼有功能和结构双重作用，是一种性能优异的多用途工程材料。作为结构材料，它具有轻质、高比强度的特点；作为功能材料，它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能，因此，在国内外一般工业领域及高科技领域都得到了越来越广泛的应用并呈现出广阔的应用前景。

1）海绵金属的实现

（1）铸造法　该方法的原理是先在铸模内填充粒子，再采用加压铸造法把熔融金属或合金压入粒子间隙中，冷却凝固后即形成多孔泡沫金属。

（2）发泡法　发泡法是通过向基体材料中加入发泡剂或吹入气体，加热使发泡剂分解产生气体，气体膨胀使基体材料发泡，此时使熔融的金属快速凝固，气泡还没有来得及跑掉就被“冻结”在固化的金属中，冷却后即得到泡沫金属。

（3）泡沫树脂法　泡沫树脂法是以泡沫树脂为骨架，在骨架周围涂敷金属，然后把树脂烧掉，就得到所需的海绵金属了。

（4）烧结法　烧结法就是以金属粒子或金属纤维作为原料，在较高温度时物料产生初始液相，在表面张力和毛细管的作用下，物料颗粒相互接触、相互作用，冷却后物料发生固结而成为泡沫金属。

（5）沉积法　该类方法是在具有三维网状结构的特殊高分子材料的骨架上沉积各种金属，再经焙烧除去内部的高分子材料而得。

2）海绵金属的性能及其应用

由于独特的多孔结构，海绵金属有一些独特的性能及应用。如减噪消振、过滤、控制导热导电、催化，以及热交换和集热等。

海绵金属具有相当强的吸音能力，声波通过它时，衰减很厉害，可以在空气压缩机上用来消除或减小机器的噪声，对时大时小的脉动空气流动起缓冲作用。还可用作减轻工作机械振动的地基材料。

海绵金属的孔洞相互串通一气，气体、液体能顺利通过它，压力损失也很小。可以用来制作各种过滤器，应用于石油化工、国防军工和尖端技术等各个方面。以过滤各种气体、水溶液，以及熔融的合成树脂或金属液，也可用做气垫或通气性很好的金属膜。

金属是传热导电的高手，气体却是热和电的不良导体。由于海绵金属有百分之八九十的体积被气体所占据，所以其传热导电能力大为降低。想要调整海绵金属对热和电的传导本领，只需要相应地调整它的孔隙率就行了。

海绵金属的孔洞多，总表面积要比同体积的无孔金属大几百倍甚至上千倍，这就使它成为制作化学催化剂衬板和催化剂载体，提高催化剂的催化活性和催化效率的理想材料。同样，由于海绵金属大的表面积并能使流体产生复杂的三维流动，所以用做热交换器可以显著提高热交换的效率。

海绵金属可制作太阳能集热体，射来的阳光会在金属体内发生漫反射，从而更好地吸收并保存太阳能，其集热效率可达75%。

海绵金属的用途还有很多，如轻质的结构材料、墙壁的隔音嵌板、电波的屏蔽材料，以及隔焰防爆装置、防冻装置等。

2.无声合金

无声合金是一种高性能的减振合金，其减振性能非常可观，如用铁锤敲打锰铜无声合金板，发出的声音很微弱，就像敲打橡胶一样。它是由于物体内部原子、晶体缺陷等组成单元不断运动及相互作用、相互干扰从而消耗声波的能量——内耗而引起的。

1）无声合金的分类

引起金属内耗的原因很多。振动发生的时候，金属内部出现的间隙原子跳动、位错运动、原子微扩散、磁性材料的磁性变化等，都会消耗振动的能量。

根据引起内耗的主要原因的不同，可以把无声合金分为四类。

（1）依靠相界面作用的内耗　相应地有灰铸铁、铸造铝锌合金等，属于复合型，其内部组织由两种或两种以上的不同软硬的合金相组成，内耗主要是在相界面上进行的。可在较高温度下使用。

（2）依靠磁性的变化的内耗　铁镍、铁铬、铁铬铝、铁铬铜等强磁性无声合金主要依靠磁性材料受磁场作用时会改变尺寸的磁致伸缩效应，以及受外力作用时又会产生磁致逆效应而消耗能量。在居里点下使用。

（3）依靠位错的内耗　镁、镁锆、镁镍等无声合金依靠的是位错运动来消耗能量，所以称为位错型无声合金。这类合金使用温度常在15℃以下。

（4）依靠孪晶的内耗　锰铜、锰铜铝、铜铝镍、镍钛等属于孪晶型的无声合金，内耗主要就是在孪晶面上发生的。

总之，由于合金内部在每个应力循环过程中都有显著的能量消耗，所以能够达到无声防噪的目的。

2）无声合金的应用——降低噪声

早在20世纪20年代，铁磁性不锈钢（含铬12%，镍0.5%，其余都是铁）就被应用于蒸汽轮机，直到今天，它仍然是一种很受欢迎的减振材料。

Mn－Cu－Al－Fe－Ni合金用作潜水艇的螺旋桨材料已经十几年了，实践证明，这种材料的减振效果特别好，使潜水艇能减少被声呐发觉的机会。把这种合金用到链式运输机上，可使噪声降低5dB，用在高速凿岩机上可降低14dB噪声，用到碎石机上可降低13dB噪声。

通常用于木材加工的圆盘锯工作时能发出嘶耳的噪声，如果用可锻铸铁来制造圆盘锯，噪声就能降低10dB；而用锰铜铝合金制造圆盘锯，可降低噪声13～30dB。

在航空、宇宙技术中可用做火箭、导弹、喷气式飞机的控制盘或导航仪等精密仪器，以及发动机罩、汽轮机叶片等发动机部件。

另外，微晶超塑性材料将来在减振材料中可能占有相当的地位，有人认为，这类材料的减振机理可能是由晶体界引起的应力缓和松弛。

5.4.6　非晶态合金

1.非晶态合金的形成

如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶态合金。因为其原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又称金属玻璃。

不同的物质形成非晶态所需要的冷却速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态的。而纯金属则需要每秒一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。由于目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，单一的金属难以从生产上制成非晶态。

为了获得非晶态的金属，一般将金属与其他物质混合形成合金。这些合金具有两个重要性质:第一，合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，它们的熔点远低于纯金属，如纯铁的熔点为1　538℃，而铁硅硼合金的熔点一般为1　200℃以下；第二，由于原子的种类多了，合金在液体时它们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶了。如铁硼合金只需要106℃/s的冷却速度就可以形成非晶态。有了上面的两个重要条件，合金才可能比较容易地形成非晶。

2.非晶态合金的优点及应用

（1）高强韧性及耐磨性　非晶合金的强韧性明显高于传统的钢铁材料，可以作为复合材料增强体，如制作钓鱼竿、高尔夫球杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球拍和微型齿轮上。非晶合金丝材还可用在结构零件中起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性。

（2）优良的磁性　具有高的磁导率、低的铁损耗及低的矫顽力，是优良的软磁材料。代替硅钢、坡莫合金（铁镍合金）和铁氧体等作为变压器铁芯、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率，缩小体积、减轻自重、降低能耗。图书馆或超市中书或物品中所暗藏的报警金属条就是一种非晶态软磁材料。非晶合金具有优良的耐磨性，可以制造各种磁头。

（3）高的耐蚀性　许多非晶态合金的耐蚀性比最好的不锈钢高100倍。实验证明，当非晶态合金中含有一定量的铬和磷时，它就具有极高的抗腐蚀能力。不久的将来，非晶态合金将在许多特殊的场合取代不锈钢，成为重要的耐腐蚀材料。

5.4.7　隐身材料

雷达技术是探测空中目标的主要手段，因此，狭义的隐身技术即指雷达隐身技术，隐身技术中的关键是吸波材料，吸波材料能够将雷达和激光照射到其表面的信号吸收，从而使雷达、激光探测不到反射的信号。目前，吸波复合材料主要应用于军事装备领域，如机身、机翼。此外，吸波材料还可用于雷达、微波炉、电视、移动电话的防干扰或屏蔽。

1.吸波材料的功能要求、分类及特征

理想的吸波材料应当具有吸收频带宽（典型的为2～18GHz）、质量轻、厚度薄及力学性能好，使用简便等特点，然而现有材料很难同时满足这些要求，所以对吸收材料电磁参量的优化组合、最佳工艺配方和涂层结构的选择是进行隐形材料设计施工必须综合考虑的问题。

材料对电磁波产生吸收功能要有两个条件:一是入射到材料表面的电磁波能最大限度地进入材料内部，即电磁匹配要好（匹配特性）；二是进入到材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损耗要大（衰减特性）。

吸波材料的主要组分包括吸收剂和基体材料，吸收剂提供吸波性能，基体材料提供黏结或承载等性能。

因此按其工作原理，吸波材料可分为干涉型和吸收型两种；若按使用的方式，吸波材料则可分为涂料型和结构型两大类。

涂料型吸波材料是将吸收剂与各种黏结剂或涂料混合后，涂敷于目标表面而制成吸波涂层；结构型吸波材料是将吸收剂分散到纤维增强的热固性与热塑性塑料中，并采用适当的结构隐身设计而得。

干涉型吸波材料是依靠电磁波的干涉使入射电磁波和反射电磁波相互干涉抵消，该类材料的频率范围窄，但是在高频下使用时，材料可以做得很薄。

吸收型吸波材料是利用入射的电磁波在材料中的介电损耗和磁滞损耗，把电磁波的能量转变成热能或其他形式的能量。

2.主要吸收剂

以超细羰基铁、羰基镍、羰基钴、锂镉铁氧体、锂锌铁氧体、镍镉铁氧体及陶瓷铁氧体等粉末，特别是纳米相材料等为代表的吸收剂是典型的磁损耗型的吸波材料；含有各种导电性石墨粉、烟墨粉、碳化硅粉末、碳粒及碳纤维、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体和各种导电性高聚物等则属电损耗型吸波材料。

陶瓷微波吸收剂应用最广的是碳化硅。

导电高聚物吸收剂有聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚3－辛基噻吩等；导电纤维或金属晶须（或丝）吸收剂有导电短纤维或金属丝（由Fe、Ni、Co及其合金制成）；此外，还有碳纳米管吸收剂、视黄基席夫碱盐等。

特别指出，呈纳米态的吸收剂因其具有极好的吸波特性，同时具备宽频带、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点，已成为最重要的吸收剂。

5.4.8　形状记忆材料

形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理后，又可恢复成初始状态（形状）的材料。近年来，又在高分子聚合物、陶瓷、玻璃材料、超导材料中发现形状记忆现象。

1.形状记忆效应

具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。大部分形状记忆合金和陶瓷记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应的。

形状记忆效应是热弹性马氏相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。如Ti－Ni合金丝较高温度时为某一形状（如密绕弹簧），在低温时，加外力使其变形（弹簧拉长），外力除去后，其变形保留；但若将其加热到一定温度，则合金丝能自动地恢复到原先的性状（密绕弹簧），这就是最简单的形状记忆效应。

2.形状记忆合金的分类

形状记忆合金是因热弹性马氏体相变及其逆转变而具有形状记忆效应的合金材料。按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为三大系列:Ti－Ni系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁基系形状记忆合金。目前，较成熟的形状记忆合金有Ti－Ni合金与Cu－Zn－Al合金。

3.形状记忆合金的应用

（1）飞行器用天线　形状记忆合金最典型的应用是制造人造卫星天线。由Ti－Ni合金板制成的天线能卷入卫星体内。当卫星进入轨道后，利用太阳能或其他热源加热就能在太空中展开。

（2）连接紧固件　形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。如用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管，然后在液氮温度下将套管径扩约8%，装配时将这种套管从液氮取出，将欲连接的管子从两端插入，当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏，装配时间短，远胜于焊接，特别适合于在航天、航空、核工业及海底输油管道等危险场合应用。此外，也可用于安全报警系统，如火灾报警器等。

（3）智能驱动元件　形状记忆合金作为一种兼有感知和驱动功能的新材料，利用其在加热时形状恢复的同时，恢复力对外做功的特性，制作智能驱动元件。这种驱动结构简单，灵敏度高，可靠性好。1994年2月3日，美国Clementine航天器利用这类驱动元件在15s内成功释放了4块太阳能板。

（4）医学上的应用　Ti－Ni合金由于优越的生物相溶性，已成功地将Ti－Ni合金用于临床，如制造血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形弓丝、接骨板、人工关节、各类腔内支架等。