新型金属材料制备与应用前景
新型金属材料制备与应用前景
冶金115 05 李凌云
摘要：有色金属是高技术发展的支撑材料，产业关联度高达90％以上。

新世纪以来，物质科学、材料科技、生命科学、信息科技等领域都酝酿着巨大的发展突破，无疑将为有色金属的应用开辟广泛空间。

未来，有色金属工业将同全球产业革命息息相关。

本文将介几种新型金属材料的制备与应用前景。

关键词：金属新材料制备应用
金属是人类使用的最多，最悠久的材料之一。

随着时代的发展和技术的进步，人们对与金属材料的要求也越来越高，特种金属功能材料是指具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。

新型金属材料的制备和应用技术在当下有着越来越重要的地位。

下面就来介绍几种新型金属材料。

1形状记忆合金的发展、制备与应用前景
1.1形状记忆合金的发现与发展
纵观形状记忆合金的发展，与钢铁、铝合金等广泛使用的金属相比，形状记忆合金是一种具有感知和驱动能力的新型功能材料，其应用的最大价值在于“记忆”效应(Shape Memory Effect，简称SME)。

“记忆”效应的发现最早要追溯到1932年，由瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到。

合金的形状在某一温度下受外力被改变，当外力去除时，仍保持变形后的形状，但一旦加热到一定的跃变温度时，材料又可以自动回复到原来的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种特殊功能的合金称为形状记忆合金(Shape memory Alloy．简称SMA)。

形状记忆效应是指形状记忆合金材料在完全母相状态下定型，然后冷却到一定温度形成完全马氏体，将马氏体在该温度下施加变形，使它产生残余变形，如果从变形温度加热，伴随逆相变，就可以使原来存在的残余变形消失，并回复到母相所固有的形状，仿佛合金记住了母相状态所赋予的形状。

当马氏体变形后经逆相变，能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应。

有的材料经适当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，而且在再次冷却时能恢复马氏体变形后的形状，称为双程形状记忆效应。

形状记忆效应被发现之后，人们从未停止过对记忆效应微观原理的探索，并逐步利用这一特性来应用于特殊的场合。

形状记忆合金最早应用于工业生产是在1969年，人们采用了一种与众不同的管道接头装置。

为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比对接管子外径略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。

据外国资料介绍，美国的F-14战斗机使用了10万个以上的类似这样的接头来连接液雁管道，从未发生过漏油、脱落或破损事故。

应用最早也最广泛的形状记忆合金是镍钛形状记忆合金，但为了进一步提升合金其他方面的性能，诸如耐高温性能、抗疲劳性能等，人们向铁镍合金中不断尝试添加其他元素，从而进一步研究开发了钛镍铁、钦镍铜、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金。

除此以外，其他种类的形状记忆合金也相继问世，如铁系合金、铜锌系合金、铜镍系合金等。

人们还通过改变形状记忆合金的组织结构来获得某一优良性能，如多孔镍钛形状记忆合金，其组织内数量巨大的晶界（包括孪晶晶界）和内部大量的微孔结构使得合金具备了优于一般合金材料的阻尼特性，从而能够应用于减震装置。

1.2形状记忆舍金的制备方法
1.2.1自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成法也称燃烧合成法，其实质是燃烧合成。

具体流程是
研磨法一般是在表面活性剂存在下，研磨几周制得。

此法工艺简单，耗能高，制备的微粒粒径分布不均匀；材料利用率低，球磨罐及球的磨损严重，杂质较多，成本昂贵，还不能得到高浓度的磁流体，因而实用性差。

蒸发冷凝法是在旋转的真空滚筒的底部放入含有表面活性剂的基液，随着滚筒的旋转，要其内表面上形成一液体膜。

该法制备的金属磁性液体具有磁性粒子分布均匀、分散性好的特点。

超声波法是在磁流体中加入高分子物质作稳定剂，将易挥发的金属有机物在纯氧条件下超声处理，可制得粒径分布均一的磁流体。

化学沉淀法是最经济的制备纳米流体的方法。

用该方法能够制成稳定的ZDW基磁性液体，在磁场和电场中长期放置或高速离心没有观测到分层或沉淀现象。

热分解法是在载液中加入表面活性剂和金属羰基化合物进行回流，羰基化合物便分解生成磁性超微金属粒子，吸附表面活性剂后分散到载液里形成金属磁流体。

产生的CO气体会污染环境，不适宜规模生产。

4.2磁性微粒的制备方法
磁性微粒的制备方法有分散法、单体聚合法、沉淀法、化学转化法等。

利用纳米礅性微粒构成海绵状体和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛用于各种过滤器、活性电极材料，如备受关注的汽车尾气交净化器。

4.3纳米磁性微晶的制备方法
非晶化方法制备纳米晶粒是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程，将非晶化材料转变为纳米尺寸的晶粒，是目前较常用的方法，尤其适合于薄膜材料与磁性材料的研究中。

深度塑形变形法制备纳米晶体：该方法是材料在准静态压力的作用下发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸在力的作用下发生严重塑性变形，材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。

4.4纳米磁性结构复合材料的制备方法
由于磁性复合材料的种类繁多，因此其制备方法也不尽相同。

同一种功能材料可以采用不同的制备方法，也可以用同一种方法制备出不同功能的复合材料。

4.5纳米磁性材料的应用
纳米磁性材料是当今世界材料领域的研究热点之一，在高密度磁记录、磁流体、磁传感器和微波材料以及催化、环境治理等方面将得到广泛应用。

4.5.1在磁记录，通讯及计算机方面的应用
磁性纳米材料由于其特殊的超顺磁性，因而在巨磁电阻、磁性液体和磁记录、软磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方面具有广阔的应用前景。

纳米氧化铁是新型高磁记录材料，记录密度是普通氧化铁的1 0倍。

超顺磁性纳米微粒的磁性液体被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。

软磁铁氧体在无线电通讯、广播电视、自动控制宇宙航行、雷达导航、测量仪表、计算机、印刷、家用电器等方面均得到了广泛应用。

稀土纳米材料尺寸小、具有单畴结构，矫顽力很高，用于制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

4.5.2在纳米永磁材料方面的应用
对于永磁材料，要求磁性强、保持磁性的能力强、磁性稳定，即要求永磁材料具有高的最大磁能积[ (B H) max]、高的剩余磁通密度(Br)和高的矫顽力(HO)，同时要求这三个磁学量对温度等环境条件具有较高的稳定性。

在一定条件下，纳米磁性材料可得到单畴结构，可显著提高永磁材料的矫顽力和永磁性能；其性能比普通永磁材料更优越，永磁性能可以随合金的组元、含量和制造工艺等不同而有显著的变化。

目前研究较多的主要有铁铬钒系、钕铁硼系和铁铬钴系，这些合金掺杂少量其它元素，如钛、铜、钴、钨等还可进一步改善其永磁性或加工性。

还有是稀土永磁材料，一些稀土元素具有较高的原子磁矩、高的磁晶各向异性、高的磁致伸缩系数、高的磁光效应及低的磁转变点（居
里点）且以稀土永磁材料制成的电机高效节能方面符合节能减排的要求。

4.5.3在生物医学领域的应用
运用于生物医学领域的纳米材料被称之为纳米生物材料，其中具有生物相容性和一定生物医学功能的磁性纳米生物材料具有小尺寸效应，良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活动性功能基团等特点。

纳米磁性材料经过表面改性等处理后，可作为超顺磁氧化铁纳米材料，在磁共振成像以及疾病诊断上有重要用途，也可用于磁性微球的制备。

如将磁性微粒作为载体制成微药物剂注入肿瘤供养动脉后，利用外磁场的诱导，载附抗癌药物的磁微球将被吸附且滞留于肿瘤区域内，持续缓慢释放药物，使肿瘤及周围淋巴结组织内存在高浓度的化疗药物，而身体其他器官药物浓度低，从而最大限度的降低药物的毒副作用，有选择性地杀伤或抑制肿瘤细胞。

此外，人们利用纳米粒子使药物在人体内的传输更为方便这一特点，将磁性纳米粒子制成药物载体，通过静脉注射到动物体内，在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航，使其移动到病变部位达到定向治疗的目的，该方法局部治疗效果好而且副作用少。

4.5.4在纳米软磁材料方面的应用
对于软磁材料，一般要求有高的起始磁导率和饱和磁化强度、低的矫顽力、磁损耗和宽频带等。

选择适当的化学组分和工艺条件，便可以分别制成性能优越的纳米永磁材料和纳米软磁材料。

例如采用射频溅射法制成的纳米晶磁膜，已被制成高起始磁导率、高饱和磁化强度、高居里温度的“三高”纳米软磁材料。

4.5在金属有机高分子磁性材料方面的应用
自80年代末，国际上出现了以有机高分子化学和物理学为主的交叉学科：有机高分子磁学，打破了磁体只有与3d和4f电子金属有关，而与有机高分子无关的传统看法。

有机金属高分子磁性材料分为复合型和结构型两大类：前者是在不加磁粉的情况下，其自身具有本征磁性的结构金属有机磁性材料。

5小结
尽管新型金属材料与技术有如此多的应用及优点，但它也存在着许多人们目前尚未克服的技术困难，这也是新型材料应用尚未普及的原因之一。

因此，要想新型金属材料及技术真正的造福人类，还需要无数科学工作者的不懈努力。

参考文献：
1.超导材料的应用及前景展望高永吉
2.有色金属新材料发展重点和重大工程介绍雨佳
3.纳米磁性材料的特性，制备，应用及其发展趋势卜寿亮等
4.形状记忆合金的发展、制备与应用前景朱富慧等
5.浅谈半导体材料的制备徐胜。