热双金属材料的发展现状及应用前景毕业设计论文.doc

功能材料论文论文题目：热双金属材料的发展现状及应用前景 学 院：化学与化工学院 专 业：材 料 化 学 班 级：材料化学121 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2015年6月6日贵州大学论文(设计）论文诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的论文，是在导师的指导下独立进行研究所完成。论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 第 3 页第 I 页贵州大学论文(设计）目录摘要Abstract第1章 引言1第2章 热双金属的发展现状12.1发展状况12.2分类及应用12.2.1通用型22.2.2高温型22.2.3低温型22.2.4高灵敏度型22.2.5电阻型22.2.6特殊型22.2.7耐腐蚀型2第三章 热双金属的工作原理2第4章 热双金属的制备技术34.1熔合法44.2双浇法44.3热轧复合法44.4爆炸复合法44.5真空扩散法44.6化学复合双金属簇44.7可控气氛复合44.7.3退火处理5第5章 应用前景55.1 “Bloom”装置65.2热双金属层保护的玻璃盒子65.3热双金属式系统65.4蚱蜢式构造呼吸墙壁7第6章 结语8参考文献8致谢9第 页贵州大学论文（设计）热双金属材料的发展现状及应用前景摘要 本文对热双金属材料的发展现状、工作原理、制备技术及应用前景进行了较为全面的介绍热双金属材料当受到温度变化时，将使材料的曲率改变。此曲率随温度而变化(温曲率)是各种热双金属的基本性能。因其这一特性，它作为调节控制、检测与保护元器件,越来越广泛地应用于各个领域。除此之外，它具有良好的控温性能，在未来的建筑领域也有着巨大的应用前景。关键词：热双金属，发展现状，工作原理，制备技术，应用前景Abstract In this article,the development status of thermal bimetal material, working principle, preparation technology and application prospect were comprehensively introduced. Thermal bimetal material when subjected to temperature changes will make the curvature of the material change. The rate of change with temperature (temperature and curvature) is the basic performance of thermal bimetal. As a result of its characteristics, it is used in various fields as regulation control, detection and protection components. In addition, it has good temperature control performance, in the future construction field also has a huge application prospect.Keywords: Hot bimetallic, development status, working principle, preparation technology, application prospect第 9 页贵州大学论文（设计）第1章 引言 热双金属材料一般是用两层或多层具有不同膨胀系数的金属或合金复合组成条片或薄板形状的复合材料，属于功能材料的范畴。因各层永久性地结合在一起,当受到温度变化时，将使材料的曲率改变。此曲率随温度而变化(温曲率)是各种热双金属的基本性能1。热双金属制造有各种工艺,其中用得最普遍的是热轧复合与冷轧复合两种,这两种工艺采用的都是组元固相复合原理。 其工作原理是利用不同合金组元间的热膨胀系数差异，在升高(或降低)同样温度T时因组元层不同的伸长量(或收缩量)发生弯曲变形，这样就能将热能简单转化为机械能，产生一定的力或位移。与其它热敏材料(如记忆合金、PTC材料等)相比，热双金属材料成本较低、生产工艺技术成熟(发展历史已近l00年)、设计灵活多变2。因而已被广泛地应用于各种测量或控制电器及其它需热转换功能装置的传感元件。然而，因其良好的控温性能，在未来建筑领域中可用作建筑的皮肤，实现室内温度的自动调节。其中中国科学家设计的热双金属层保护的“玻璃盒子”、美国科学家设计的“Bloom”装置和“蚱蜢式构造呼吸墙壁”等已经奠定了其在建筑领域的基础。第2章 热双金属的发展现状2.1发展状况 由于其优越的温度控制和电阻控制等物理性能以及成本低的特点，热双金属材料广泛应用于一般工业(恒温装置、限流器、蒸汽温度调节等)、汽车(汽化控制器、香烟点火器等)、建筑(暖气、冷气设备)、家庭(取暖用放热器、熨斗、吹风机)、电器工业(热继电器、低压空气断路器等)，成了当代工业生产不可缺少特别是低压电器行业一直是无可替代的一种功能材料3。随着家用电器、建筑行业的发展，对热双金属材料的需求大大增加，对材料的外观形貌也提出了更高的要求。随着电器向高精尖方向发展，提高薄型(0.3 mm厚以下)热双金属材料的板型一致性对微型温度控制元件的制造有着极其重要的意义。国内外热双金属材料主要的加工工艺流程是：复合一热处理一轧制一后加工。其中轧制过程分为开坯轧制和成品精轧制。在我国，广东佛山精密电工合金有限公司在热双金属材料的技术控制及生产水平上遥遥领先。2.2分类及应用 根据热双金属本身的特性及其应用范围，可分为8类。2.2.1通用型 适用用于多种用途的品种，它有较高的热敏感性能(较大的比弯曲系数)和机械强度以及中等使用温度范围。2.2.2高温型 置用于300以上温度工作。要求有较高的机械强度和良好的抗氧化性能，但热敏感性较低。2.2.3低温型 重用于0以下温度。性能要求与通用型相近。最低温度可达80。2.2.4高灵敏度型 具有很高的比弯曲系数(K值)、高电阻率等等性，但腐蚀性能很差。2.2.5电阻型 这种类型中电阻率有多种、多样，而其性能(如比弯曲系数)基本相同。适用于小型化微型断路器。2.2.6特殊型具有各种特殊性能。2.2.7耐腐蚀型采用电镀、复耐蚀金属方法使热双金属元件具有较好的耐腐蚀性能3。第三章 热双金属的工作原理 取热双金属带材一直条元件,开始或是平直形或是具有一均匀的原始曲率,则 一均匀变化温度所造成 的变化 曲率也将是均匀的,也即将产生一个真正具有恒定半径的弧度。 在一定温度下,两种长度相等,并且分别具有较高和较低热膨胀系数的金属(或合金)条片A 和 B。 一旦当环境温度升高时,其相对长度发生变化 如果两条片事先被紧密地结合在一起,则 当温度升高时,高膨胀条片A将被压缩,而低膨胀条片B将被拉伸。 这些作用 力将形成使直条元件弯曲成均匀弧度力矩。 热双金属的曲率变化值是正比于组元层膨胀系数差值和温度变化,而反比于复合条片的厚度。同时,弯曲率还受到两条片的弹性模量之比及其厚度之比的影响。根据维拉索 （Villarceau) 推荐,可按下列公式计算热双金属平直形条片的比弯曲 K。式中:膨胀系数的平均值；E弹性模量；T温度差值；t组元层厚度，当时，可获得最佳弯曲比。设热双金属片厚度t为两组元层厚度的总和,于是得下 大多两层热双金属均可满足这项要求,所以弯曲程度 的大小 (对初始状态不平直的条片来说,是指弯曲变化值大小),只是决定上述三个相互无关的因素。 温度变化、厚度与材料常数。材料常数即是我们熟悉的维拉索系数:4 受温度影响导致内应力的不均，从而使材料发生弯曲变形。第4章 热双金属的制备技术 热双金属生产工艺复杂 ,其中的复合工艺是生产的关键环节。本文就各种复合工艺进行比较 ,分析其科学性和适用性。4.1熔合法 熔合法是将低熔点合金加热至熔融状态 ,是其熔焊在高熔点合金上的一种复合方法。 此法仅适用于两组之间合金熔点差异悬殊的热双金属。加工的低熔点合金表面易形成许多小缩孔 ,因而表面需加工 ,造成成材率低。4.2双浇法 利用组元合金的熔点差异 ,将低熔点合金浇注在一特殊的扁模内 ,然后将模内的抽板提升 ,在把高熔点合金浇注在抽板提升后的空位上 ,即可得到复合的热双金属坯料。其工艺掌握困难 ,结合面系铸态 ,所以厚度比不均匀 ,性能的一致性、稳定性差。4.3热轧复合法 利用高温、高压把组元层合金予以复合的一种方法。 此法因其每对坯料均需刨削加工,其厚度不一致 ,造成热双金属性能一致性和稳定性差,而且成材率低 ,仅 34% 40% 。4.4爆炸复合法 利用炸药爆炸产生的冲击波能量 ,使组元层的原子间相互啮合的一种复合法。其结合面与双浇法相比不出现中间过度层 ,但不平滑有小的波浪 ,结合强度高。 此法对环境污染较大 ,对生产现场有特定的要求。 此法适用于两种金属和合金的复合 ,有色金属及其合金与钢的复合。4.5真空扩散法 在真空状态下利用高温、高压将轧制到一定厚度的、并清洗脱脂过的带材保温一定时间后、冷却即可获得热双金属坯料。 此法用于生产热膨胀系数小的难熔金属作为被动层的无磁热双金属。4.6化学复合双金属簇电化学法复合双金属簇是采用两种保护性金属阳极作为金属源 ,电化学法制备了四烷基铵盐 ,稳定化的、尺寸在 2.5mm3.5mm的双金属簇 ,如 Ni/Pd、 Fe /Co、Fe/Ni5。通过调整两阳极的电流密度可控制两金属的相对比例。4.7可控气氛复合 可控气氛热复合是在室温固相复合的基础上发展起来的 ,它比室温固相复合所生产的产品性能更为优越。4.7.1原材料的准备及清洗根据所需要的热双金属的比弯曲、电阻率等参数 ,可控气氛热复合的计算程序可以选择适当的原材料、厚度比等参数。在复合之前材料的结合面必须进行彻底的清洗 ,无任何杂物及氧化物 ,清洗在全自动的清洗线上完成。4.7.2可控气氛热复合复合是在复合轧机上完成的。 其结构如图： 图1 复合轧机 复合是相互接触的金属表面之间的一种永久结合 ,当相互接触的金属原子的外层轨道电子形成金属键后 ,复合过程才算完成。可控气氛热复合是指清洗后的材料在一定的可控气氛炉中在一定的压力下经轧机使材料得以复合 ,其变形率为20% 40%。4.7.3退火处理 退火可控气氛热复合后 ,进行退火 ,用于清除复合过程中带来的加工硬化现象 ,为后续的精轧做准备。 退火在专用的卧式退火炉中进行6。第5章 应用前景 热双金属最具有潜力的是在未来建筑领域的应用。热双金属材料一般主要制成热双金属片，受温度影响出现扩张与回缩，该过程犹如人体的呼吸过程，因此也可称其为“会呼吸的金属”，受热发生卷曲，降至初始温度时恢复原状，受温度影响从而控制空气的太阳光的通过量，因而具有良好的控温性能。目前，科学家相继设计出了几种热双金属在建筑领域应用的模型。5.1 “Bloom”装置 它是一个热双金属做的遮蓬。需做的两件事：第一做成遮太阳的装置，当太阳光照射在它的表面时，它可以限制太阳光通过装置的量；第二，是一个通风系统这样被它困在下面的热空气可以在有需要的时候穿过或者离开这个装置。图2“Bloom”装置 5.2热双金属层保护的玻璃盒子 外部被热双金属层护套保护，由中国科学家发明，一个屏幕环绕，且该热双金属层可以根据太阳移动进行开关，此外，它还可以遮挡隐私区域，这样可将私人空间与公共空间在一天不同的时间区别开来。这样的房子不需要窗帘和百叶窗，人们可在这栋建筑上挡上一些东西，并能管理室内清新的状况。 图3 热双金属层保护的玻璃盒子5.3热双金属式系统在一个双层玻璃窗之间安装热双金属片，当阳光照射到外层时，它会加热两层玻璃中间的空隙，热双金属受热发生弯曲，它会在建筑的某些区域挡住阳光。一栋高楼的大板体系，从一楼直到几十层，整栋建筑的表面，可能在一天不同时间有不同温度，这取决于太阳光照射的强度。 图4 热双金属式系统5.4蚱蜢式构造呼吸墙壁 蚱蜢有一套完全不同的呼吸系统，它们通过身体侧面的呼吸孔来呼吸，这些呼吸孔让空气进入并且通过系统达降温的目的，蚱蜢的身体构造及其呼吸方式，可应用到建筑当中，在建筑的侧面覆上一层热双金属层，当冷空气流经墙壁时，热双金属闭合，阻止空气进入，热空气流过时，热双金属受热时发生卷曲，空气从建筑的侧面进入到建筑内部，室内温度可自动调节，从而实现冬暖夏凉。 冷空气 热空气 图5蚱蜢式构造呼吸墙壁 空调出现之前，要砌一层厚厚的墙，厚墙是很好的隔热材料，可保持墙的内部冬暖夏凉。平板玻璃的到来，冷轧钢技术的出现及大规模的生产，建筑物由天花板到地板都是玻璃，无任何阻挡视线的东西，人们逐渐依赖机电冷却系统来给晒烫了的房间降温，此外，在我们失去能源之后，我们不能开窗，这些建筑不再适合居住，必须空置出来。因此，在建筑的表面覆上一层热双金属保护层，这样，起到限制太阳光起到自动调节室内温度并节约能源，并逐步取代空调，真正实现节能环保。第6章 结语 目前 ,热双金属的材料设计、制造技术虽已趋于成熟阶段 , 但更稳定 、更可靠、一致性更好的材料品质要求一直为大家所期盼7。因此对热双金属的研究将主要侧重于制造过程的控制。具有优良性能的热双金属材料将为人类的生活翻开新的一页，它将会在工业、汽车、建筑、家庭电器等领域有着更广泛应用，在建筑领域全新的应用具有跨时代的意义。参考文献1 徐卓辉.热双金属先进性制造技术及发展方向J.电工材料，2009(2):35-36.2 徐卓辉.特殊型热双金属材料的制造与设计J.电工材料，2003(4):29-31.3 王铁明.浅谈热双金属的应用J.科技信息，2008（13）：43-44.4 朱明达.热双金属工作原理及主要技术性能J.低压电器，1996,6（3）：49-50.5 张雪.热双金属复合工艺及其发展趋势J.西安邮电学院学报，1999,4（2）：64-65.6 王海平，张乃千.热双金属生产的新工艺-可控气氛热复合J.工艺设备，1996,5(7)：54-55.7 李金华，周光喆.薄型热双金属板材板型控制研究J.电工材料，2011（2):19.致谢 由于经验的缺少，难免有许多考虑不周全的地方如果没有导师的督促和指导，以及一起工作的同学和老师的支持，想要完成这个论文是难以想象的。在这里要感谢我的导师。老师平日工作繁多，但我在论文设计的每个阶段，从选题，该题，提纲设计到查阅资料，题目的确定和修改，后期等整个过程都给了我悉心的指导。我的论文才得以顺利完成。然后要感谢教过我们的函授老师，为我们的扎实的基础知识打下良好的基础。多谢你们，向你们表示深深的敬意！