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材料新世界讲义
一、人类对材料的认识历程
人类对材料的认识是逐步深入的:
l 1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。
l 1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。
l 1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）.
l 1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。
二、金属材料的发展
1、金属材料的优点
Ø 力学性能（如强度、塑性、韧性等）堪称“全能冠军”。
Ø 既耐热，又耐寒。
Ø 金属材料的有出色的工艺性能。
Ø 金属有良好的导热性、导电性和铁磁性，在电力电子等行业有不可替代的作用。
2、五光十色的有色合金
有色金属的产量和用量虽然大大低于钢铁（只占6％），但其重要性却无法用数量来表示。我国有色金属的总产量占世界第四，但人均占有量在世界排名第50位。世界有色金属生产的构成中，铝、铜、铅、锌四种占总量的95％以上。
n 铝合金：铝是最重要的、最有特色的有色金属，其主要特点是：密度低；抗大气腐蚀；优良的导电性；比强度高；良好的加工性能。在从日常用品到汽车、航空材料等各行业中都有广泛应用。
n 钛合金：轻合金中的又一佼佼者，密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀，在航空航天及其它领域中具有主要用途。
n 镁合金：比重轻，减震能力强，在航空航天领域有重要应用。
n 铍合金：尺寸稳定，惯性低，用于航天；比热大，用于散热片和飞行器头部；热中子吸收截面低，用于核工业。
n 铜合金：包括黄铜、青铜、白铜等，用于机械、仪表、电机、化工、造船、汽车等工业。
n 锌合金：用于电池锌板，照相和胶印印刷，铸造温度低用于模具和仪表零件等。
n 镍合金：高温强度高，用于航空、火箭发动机和核反应堆等。
n 锰合金：减振性能好，用于潜艇螺旋桨、钻杆等。
3、低热点合金和难熔金属
n 低熔点合金：铅（熔点327℃）、锡（232℃）、镉（321℃）、铋（271℃）等及其合金，用于保险丝、熔断器、焊料等。
n 难熔金属：钨合金（熔点3407℃），用于电光源材料、电子发射材料，军事上用作穿甲弹；钼合金（2610℃）、铌合金（2477℃）、钽合金（2985℃），在飞机、宇航、核工业等领域有广泛应用。
4、贵金属和稀土金属
n 贵金属：包括金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）、铱（Ir）等。有艳丽的光泽，耐腐蚀，可用于装饰品等。
n 稀土金属：稀土包括15个镧系元素，以及钪、钇共17种元素。在世界上分布相对集中在中国、美国、印度、澳大利亚、前苏联和巴西。我国稀土资源占世界储量的80％左右。目前稀土已在金属加工、永磁材料、生命科学、发光材料、高温超导等领域有广泛应用。
5、精密合金
n 电热合金：用于制造电热器发电体，把电能转化为热能，如铁基或镍基材料。
n 热电偶：主要材料及其最高使用温度如下：铂-铂铑合金（1800 ℃）、镍铬-镍硅合金（1300℃）、镍铬-镍铜（900 ℃）、铜-镍铜(400℃）等
n 精密电阻：电阻随温度变化小，稳定性高，用于精密仪器。
n 弹性合金、膨胀合金等。

三、新材料介绍
新材料之一:纳米材料
1. 相关基本概念
· 纳米（nano meter，nm）
　　是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。
· 纳米科学（nano-science）
　研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。
· 纳米科学技术（nano-technology）
是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学和现代技术结合的产物。
2. 纳米材料的发展历程
人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到 1000年以前。中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由 Sn02 颗粒构成的薄膜。遗憾的是，当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。
1861年，随着胶体化学( colloid chemistry)的建立，科学家们开始对1～lOO nm 的粒子系统 (colloids)进行研究。但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。20世纪初，有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。1929年， Kchlshuthe 用 A1、Cr、Cu、Fe 等金属作电极，在空气中产生弧光放电，得到了15 种金属氧化物的溶胶。同年，Welesley 等人开始对超微颗粒进行X 光射线实验研究。1940年， Ardeume首次采用电子显微镜对金属氧化物的烟状物进行观察。1945 年，Balk 提出在低压惰性气体中获得金属超微粒子的方法。现在看来，20 世纪上半叶的研究特点是，人类已经自觉地把纳米微粒作为研究对象来探索纳米体系的奥秘。20 世纪 50 年代末， Y.Aharonov 和 D．Bohm 预计，在微米、亚微米(纳米材料尺寸上限)的细小体系中，一束电子分成两束，以形成不同的位相，重新相遇后会产生电子波函数相干现象，从而导致电导的波动性。60 年代初，R．C．Chambers 等人用实验观察到了电子束的波动性，证明了Y.Aharonov的预言。几乎在同一时期，日本理论物理大师R.Kubo 在金属超微粒子的理论研究中发现，金属粒子显示出与块状物质不同的热性质，被科学界称做Kubo 效应。1963 年， Ryozi Uyedo 及其合作者发展了气体蒸发法 (gas evaporation method) 或称为气体冷凝法 (gas condensation method )，通过在纯净气体中的蒸发和冷凝过程获得了单个金属微粒的形貌和晶体结构。
70年代末，美国M IT的W． R． Cannon等人发明了激光驱动气相合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末 (Si、SiC、Si 3N4)，从此，人类开始了规模生产纳米材料的历史。
1977年， MIT 的德雷克斯提出，从模拟活细胞中生物分子的人工类似物出发可以组装和排布原子，并称之为纳米技术 ——NanoTechnology。70年代末到80 年代初，人类对纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，在描述金属微粒方面可达电子能级状态的 Kubo 理论日臻完善，在用量子尺寸效应解释超微粒子等特性方面也获得了极大成功。70年代末，美国M IT的W． R． Cannon等人发明了激光驱动气相合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末 (Si、SiC、Si 3N4)，从此，人类开始了规模生产纳米材料的历史。1977年， MIT 的德雷克斯提出，从模拟活细胞中生物分子的人工类似物出发可以组装和排布原子，并称之为纳米技术 ——NanoTechnology。1984年，原联邦德国萨尔蓝大学 Gleitor 教授采用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁界面的纳米晶体 Pd、Cu、Fe 等多晶纳米固体。 1985年，美国科学家 Kroto 等人用激光加热石墨蒸发法在甲苯中形成碳的团簇 C60 和 C70 (团簇的尺寸一般在l nm 以下，它由几个到几百个原子构成)。 1987年，美国 Argon 实验室 Siegol 博土用同样方法制备了人工纳米材料 T102等晶体。 90 年代初，采用各种方法制备的人工纳米材料已多达百种，其中，引起科技界极大重视的纳米粒子应属于团簇粒子。 1991年，日本 NEC 公司电镀专家 Iijima 在用 HRTEM 检查 C60 分子时意外发现了完全由碳原子构成的纳米碳管。纵观 20 世纪 90 年代纳米材料研究现状，可以证明人类已在各个学科层面上开展了深人细致的研究并逐渐形成了纳米科学与技术群和高科技生长点。纵观 20 世纪 90 年代纳米材料研究现状，可以证明人类已在各个学科层面上开展了深人细致的研究并逐渐形成了纳米科学与技术群和高科技生长点。
纳米技术发展史上16时间节点
1959年12月29日 
理查德·费曼（Richard Feynman ）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。 “我想谈的是关于操纵和控制小尺度物体的问题，”他说。 
 1974年
日本教授谷口纪男（ Norio Taniguchi ）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。 
 1981年
格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（ Heinrich Rohrer）发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。
 1985年
赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（ fullerenes ）（更为人熟知的名称是“布基球”（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特·富勒（R. Buckminster Fuller）命名），它可以被用来制造碳纳米管，是如今使用最广泛的纳米材料之一。 
 1986年
在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文·夸特（ Calvin Quate）和克里斯托·格柏（ Christoph Gerber ）与德国物理学家宾尼（Binnig）协作，发明了原子力显微镜*。它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这是纳米技术最核心的部分。
1989年
在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾·格勒（Don Eigler）和埃哈德·施魏策尔（ Erhard Schweizer ）使用35个氙原子拼出了IBM公司的标志，进一步表明了纳米颗粒的可操作性。 
 1991年
NEC公司的饭岛澄男（Sumio Iijima）制造出了碳纳米管。 
 1998年
白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。它的任务是：赞助研讨会和研究，以界定纳米科学技术和预测其发展前景。 
 1999年
使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。 
 2001年
美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工作，提高美国在纳米技术上的竞争力。 
 2002年
欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。 
 2003年
美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例。为美国纳米技术计划提供了法律基础，建立项目，分配机构的责任，授权筹资水平，以及启动研究以解决关键问题。
 2008年12月10日
国家研究委员会批评纳米技术计划的环境，健康和安全研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委员会的结论持有异议。
 2009年9 月29日
美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解如何纳米材料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者必须告知环保局它们的使用计划。 
 2010年1月8日 
在英国，上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表了有关纳米技术和食品问题的长篇报告，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术的使用情况。
 2010年3月 
美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物质控制法*收集证据。美国环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。 
3、纳米材料的危害
在一段时间里，我们一直认为纳米科技给社会带来的都是益处，而近年来，不少研究者发现，一些纳米颗粒和碳纳米管对生物体有害。
据《自然》杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学研究人员在实验鼠身上完成的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大脑中处理嗅觉的区域内，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学学会在一份研究报告中指出，碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏，这是研究人员首次找到纳米微粒可能给水生物种造成毒副作用的证据。这些都说明，纳米材料对人类健康和环境都存在危害。纳米材料为何会对人体造成影响呢？当一种物质缩小到纳米尺度后，它的性质就会发生显著变化。实验表名，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克纳米二氧化硅，小白鼠就会立即毙命。而且，纳米材料不易降解，穿透性强，人一旦吸入纳米颗粒，其健康就会受到潜在的威胁。
人们接触纳米材料污染一般通过下面途径：一、通过呼吸系统；二、通过皮肤接触；三、其他方式，如食用、注射之类。纳米材料污染物通过上述途径进入人体，与体内细胞起反应，会引起发炎、病变等；污染物在人体组织内停留也可能引起病变，如停留在肺部的石棉纤维会导致肺部纤维化。
纳米材料比普通的污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒将比微米颗粒的数量多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。纳米材料很小，可以几乎不受阻碍地进入细胞，从而有可能进入人的神经系统，影响人的大脑，导致一些更严重的疾病和后果。目前，研究人员还不知道如何将纳米材料从人体中清除，也不知道它们会不会在人体中降解。
目前来自纳米颗粒的危险环节主要如下：
l 来自商品的意外吸入事件；
l 生产工人中吸入事件；
l 生产工人吸入纳米管；
l 化妆品中由于新粒子的不当使用造成皮肤损害；
l 操作中出现暴炸/火灾；
l 注射静脉中对纳米药物或者显像剂出现意想不到的反应。 
新材料之二、超导材料
1、超导的发现
超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。
1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15°C；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。
2、超导体的基本特性
特性一：完全导电性（零电阻）
特性二：完全抗磁性
特性三：临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约束超导现象的三大临界条件。
特性四：约瑟夫森（B D Josephson）效应(隧道效应)

3、超导技术应用现状
主要应用在两方面：做弱电方面和强电方面。
弱电应用:微弱的电子信号方面，包括通讯。优点：可以检测到最灵敏的电磁信号，灵敏程度可以检测到你大脑的磁场变化
强电应用:输电线、变压器、大型磁体等。能耗小
应用及试验实例
（1）医院里面的“核磁共振成像”检测仪器。优点：磁场强，灵敏度高，效果更精准。
（2）超导滤波器：超导滤波器就有助于在同一个带宽里有更多的电话可以打，就是扩大它的利用率，比如不用超导的话你只能够打三路电话，用超导后就变成五路电话。这个效果，相当于将带宽“变宽”了，另外它噪声比较小。清华大学已经在北京大钟寺附近做了一个示范小区，有一些基站上已经开始用超导滤波器了。它是在五个CDMA移动通讯网站放了五个超导滤波器，可以服务覆盖大概十万居民的区域，这一区域通话就比较好。比原来没有使用超导滤波器的时候效率要提高了不少,但是中国是试验性的，美国有几千台在用。我们现在问题在哪呢？目前主要是成本问题。
（3）已用的大型科学仪器，如加速器的磁铁现在很多都用超导的了，如果不用超导也做不了那么大的加速器。
（4）试验性设备及装置：
如新疆有一个超导变压器，娄底有一个超导的限流器，云南有一个超导的电缆，甘肃有一个超导输电电缆。之所以没做成商品，还是成本和稳定性的问题。（超导变压器如果用到电网上会跟普通的变压器有什么区别？就是降低损耗。另外一点就是可以用来做电动机，超导的电动机个头小。若使用在船上和军舰上，因个头小不仅可以节约能源，还轻便，也可以腾出更多的空间。）
2010年11月，住友电气工业公司联合东京电力公司、前川制作所在横滨市的一个变电站进行首个面向一般家庭住户的通过高温超导电缆的输电实验。电缆长度为250米，可为50万户输送20万千瓦的较大电量。发电站通过这一电缆向变电站输电，然后再连接现有的电缆，输送至一般住户家庭或工厂。   
 该实验的高温超导电缆置于充满液态氮的绝缘管中。基于变电站一年间的实验结果，未来新建管道有望采用高温超导电缆，替换输送着超过154千伏高压电流的地下管道内的金属电缆。 磁悬浮列车、超导船等
3、超导研究的前景

一个方面, 发展超导材料的实用材料，降低成本包括解决关键技术提高它的可靠性作为发展。要不断在现有的材料基础上，从实用的角度提高它的质量，降低成本，不断地推进它的应用。如现在我们做的在船舶上用的动力推进系统，现在做超导船舶动力系统方面，中国和国外都有进展。目前36兆瓦的超导的船舶推动系统已经做出来了，当然也有一个成本和可靠性问题。
另一方面，应该重视探索新的超导材料。这些新材料或者是临界温度不是很高，但是用起来很好。这就等于跟第一个目标结合起来。另外就是能否找到更高临界温度，甚至是室温的超导体。目前没有一个成功的理论说找不到室温超导体，也没有一个成功的理论说一定能够找到。特别是2008年铁基超导体的发现给了很大启发。大家都觉得铁对超导是不好的，但是就在铁基超导体系列中找到了临界温度55K那么高的超导体。这就说明在超导探索方面有很大的空间。另外总体上看，比如说在宇宙中也许有的地方，可能存在临界温度很高的超导体。因此就激励大家寻找临界温度更高的，甚至是室温的超导体。
如果找到室温超导体，所有的输电的损耗就会极大地降低，所有跟电工有关的仪器设备各种东西都可以做小，而且大大降低能耗，超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。用超导做出的一些器件，不管是移动通讯也好，还是做电子信号检测来讲，都可以有很大的发展，它就很方便。
室温超导体如果真能找到，能源方面会有极大的变化，仪器设备上有极大的变化，甚至包括我们日常所用的电器会有很大的变化。变化两条：一是省电，能耗减少；二是和其它技术结合起来，仪器设备可以做得更小，功能性更好。
附：日本超导磁悬浮列车超导系统简介
超导线圈：超导线圈是最关键设备之一，它与U型列车行驶导槽中设置的推力、上浮、导向线圈一起使列车获得上浮、推进、导向力。日本使用的超导物质是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，当此种超导电线浸入液氦(－269℃)中时进入超导状态产生强大磁场。这是世界上首次在实用运输设备上用超导技术实现可获得550公里稳定时速的大功率强磁线圈，其电压为22KV。
　　车载超低温冷冻系统：每一车载强磁单元上分别装有一台液氦及一台液氮压缩制冷机。液氦压缩机的作用是将由于外部热能及列车本身行驶时产生的热能逐渐气化了的氦气重新冷冻还原成液氦。液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导线圈外部隔热板的液氮制冷剂重新冷却，保持－196℃低温液氮状态。MLX01型列车装备的压缩机为目前世界上体积最小、能力最强的节能型车载液氦及液氮压缩机，并且实现了连续工作1万小时无故障的纪录。使得列车运行时一次充氦(氮)以后无需再补充液氮或液氦。
磁屏蔽技术：由于超导线圈工作时产生的巨大磁场，如无有效屏蔽手段将危害乘客的健康，MLX01型列车使用了一种称之为EFE的屏蔽材料(工业纯铁类)，有效地将客车内的磁场降至10高斯以内，可以确保乘客的安全。

新材料之三、形状记忆合金
1、引言
形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。
2、形状记忆合金的特性
形状记忆效应：形状记忆合金经适当的热处理后具有恢复形状的能力,这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory effect简称SME)。形状记忆效应按恢复情况分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。
超弹性效应：形状记忆合金受到外力时发生形变,去除外力后就恢复原状，这种现象称为超弹性。形状记忆合金在发生超弹性形变时,诱发了马氏体相变, 去除外力后,又发生马氏体逆相变。
阻尼特性：形状记忆合金由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)及界面运动,而具有很好的阻尼特性。
电阻特性：吴小东等研究表明,对于初始组织为马氏体的Ni-Ti合金,在拉伸过程中电阻与应变之间呈线性关系;对于初始组织为奥氏体或奥氏体、马氏体两者混合的Ni-Ti合金,当发生应力诱发马氏体相变后,曲线的斜率降低,相变前后电阻-应变关系保持线性关系。
3、形状记忆合金的研究进展
形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的。1963年,美国海军武器实验室布勒(Buehler)等发现了钛镍合金具有形状记忆效应。1964年Cu-Al-Ni也被发现有这种效应。70年代以后，科学家又在304奥氏体不锈钢和Fe-18.5Mn中发现了这种效应。
1969年美国Raychem公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金管接头用于F14战斗机上的液压管路系统连接,这是SMA第一次成功应用。1970年,美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。前苏联在1969年开始对形状记忆合金进行了系统研究。德国于1971年开始探索形状记忆效应的机制及应用,1976年声称有成功的产品问世。日本在70年代也积极开展这方面的研究工作。由于形状记忆合金成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。20世纪70年代,各国相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金。80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金。从20世纪90年代至今,高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。美国、日本等国家对形状记忆合金的研究和应用开发已较为成熟,同时也较早地实现了形状记忆合金的产业化。
我国从上世纪70年代末才开始对形状记忆合金展开研究,起步较晚,但起点较高,在材料冶金学方面,特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的认可,在应用开发上也有一些独到的成果。但是,由于研究条件的限制,在形状记忆合金的基础理论和材料科学研究方面,我国与国际先进水平尚有一定差距,尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大
4、形状记忆合金的分类
到目前为止，被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来，应用在各行各业，以满足各种不同的特殊需求。
Ti-Ni形状记忆合金开发的最早，形状记忆效应最稳定，相对比较成熟，已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵，且加工成本高等因素，其应用受到限制。
Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al- Ni两种。Fe基形状记忆合金发展较晚，成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势，被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料，受到广泛的关注。
5、形状记忆合金的应用
由于形状记忆合金除具有独特的形状记忆功能外还具有超弹性、高阻尼、耐磨损和抗腐蚀等优点，所以在机械、建筑、航空航天、汽车以及医疗等许多领域中得到广泛的应用。
机械工程：最早应用是在管接头和紧固件上。在机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处,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扩径约8%,装配时将这种套管从液氮取出,把欲连接的管子从两端插入.当温度升高至常温时,利用电加热改变温度,接口处记忆合金变形,套管收缩即形成紧固密封,使接口紧密滴水(油)不漏,远胜于焊接,特别适合用于航空、航天、核工业及船舰和海底输油管道等.在一些施工不便的部位,用记忆合金制成销钉,装入孔内加热,其尾端自动分开卷曲实现紧固.利用记忆合金的感温驱动双重功能,制作机器人、机械手,体型微小,结构紧凑。
建筑工程：形状记忆合金具有超弹性特性和高阻尼特性,含形状记忆合金的结构可以显著增加系统的阻尼,减小结构的动力反应,可以用它制作各种形式的阻尼耗能装置。还可以利用形状记忆合金设计隔震器，它的工作原理是形状记忆合金装置变形后会产生较大的变形位移耗能,减少下部结构地震能量向上部结构的传输,从而达到保护上部结构的目的,提高结构的抗震性能。
航空航天工业：美国F-14型飞机的液压系统中，平均每架要用800个形状记忆合金接头.自1970年以来，美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头，没出现过一次失效的记录。 除了做管接头外，形状记忆合金还用在宇宙飞船天线、紧固件、连接部件、电器连接和机电执行元件上。
汽车工业：用于发动机防热风扇离合器、排气自动调节喷管、柴油机散热器孔自动开关和喷气发动机抽过滤器的形状记忆弹簧等。
医疗器械：形状记忆合金因具有良好的力学性能和生物相容性已在医用领域得到了广泛的应用。尤其是 NiTi 形状记忆合金, 其良好的超弹性和形状记忆效应已成功应用于口腔牙齿的矫正、外科的矫正和整形及心血管的微创介入治疗。血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后,会逐渐恢复成网状,从而阻止95%的凝血块流向心脏和肺部。已进入医疗临床试用的还有手术缝合线、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、髓内针、人工关节、避孕环、人造心脏、人造肾脏用微型泵等。
6、形状记忆合金的发展趋势
1．铁基形状记忆合金。因其很好的可加工性和低廉的价格而备受关注.最近的研究工作包括相变机制和影响因素,主要是通过选择合适的合金成分配比和摸索恰当的制备工艺提高和改善Fe-Mn-Si系合金性能。
2．高温形状记忆合金。NiTi和CuZnAl合金都只能在100℃以下使用。但在相当多的情况下，如防火装置，汽车发动机的记忆合金元件的工作温度均超过100℃。在核反应堆工程中，记忆合金热动元件的动作温度高达600℃，因而研制高温形状记忆合金就成为一个主要发展方向。高温用形状记忆合金在热驱动器、继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景。
3．磁性形状记忆合金。磁性形状记忆合金可以在磁场的作用下输出较大应变,同时将记忆合金的工作频率从温控状态的1Hz左右(TiNi记忆合金薄膜的热驱动工作频率最高可达100Hz),提高到磁控状态下的300Hz以上。利用磁驱动记忆合金的这些功能特性,制成的传感和驱动元件在石油、电子和航空航天等工业领域有着重要的应用前景。
新材料之四：梯度功能材料
梯度功能材料（ FGM ）: 是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。
1、梯度功能材料的原理及特点
1.1梯度功能材料与复合材料比较:
材料
复合材料
梯度材料
设计思想
材料优点的相互复合
特殊功能为目标
结合方式
化学键/物理键
分子间力/化学键/物理键
微观组织
界面处非均质
均质/非均质
宏观组织
均质/突变
非均质（连续变化）
功能
一致
梯度化
1.2梯度功能材料主要特征
Ø 材料的组分和结构呈连续性梯度变化；
Ø 材料内部没有明显的界面；
Ø 材料的性质也呈连续性梯度变化。

2、梯度功能材料的制备方法
Ø 气相沉积法（CVD/PVD）
Ø 等离子喷射沉积法(PS)
Ø 颗粒梯度排列法
Ø 自蔓延高温合成法(SHS)
Ø 激光熔覆法

3、梯度功能材料应用
航天方面:
n 90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。
n 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采用热防护梯度材料解决热应力问题。
n 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
船舶方面:
在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。
汽车方面
n 为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。
n 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。
核反应方面:
n 核反应堆内壁温度高达数千K
n 如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。
n 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。
能源方面:
n 固体氧化物燃料电池堆的新型设计是采用金属/陶瓷的多层梯度结构，它们与金属整体互连。
n 组分梯度性过渡可有效减小电池充放电对电极材料引起的微观应力，延长电池使用寿命，有效降低成本，简化制造。
光学器件方面:
n 梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。
n 梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率。
生物医学方面:
n 羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯度功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。
n HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合金生物相容性也很好，强度高，
n 人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。烧结后特别适于植入人体，在保证良好的生物相容性的同时提供一定的支撑强度，还可以显著提高牙齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤

电子材料方面:
n PZT压电陶瓷广泛用于制造超声波振子、陶瓷滤波器等电子元件，但其在温度稳定性和失真振荡方面存在一定问题。
n 通过调整材料组成，使其梯度化，就能使压电系数和温度系数等得到最恰当的分配，提高压电器件的性能和寿命。
FGM的研究展望
梯度功能材料是一种设计思想新颖、性能优良的新材料，将FGM结构和技术与智能材料系统有机地结合起来，将会给材料科学带来一场新的革命。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉，多产业结合，国际化合作的方向发展。