材料化学第五章

1、材料化学第五章1第1页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四本章主要内容 5.1 高温结构材料 超耐热合金；高温结构陶瓷 5.2 轻质结构材料 铝锂合金；纤维材料 2第2页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四一、超耐热合金1 定义： 700-1200高温下工作的金属通称耐热 合金，又称高温合金。 （一般金属材料只在500600下长期工作） 2 应用 火力发电：提高热效率提高蒸汽温度材料耐热 喷气发动机：工作温度高达1380 高温加热炉3第3页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四4第4页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四3 性能要求

2、 1）高温抗腐蚀性 因为T，金属的氧化、腐蚀速度显著加快2）高温强度和韧性 高温下金属易疲劳断裂、蠕变 “耐热”：高温下具有良好的抗氧化性，能保持足 够强度5第5页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四提高抗氧化性：1）表面合金化处理 加入合金元素（ Cr、Si、A1 ） 氧化气氛 致密氧化膜 阻止氧化2）高温涂层 形成高熔点涂层（氧化物、碳化物、氮化物等）6第6页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四提高高温强度： 1）加入Cr、Mo、W 增加高温结合力（金属键强）2）加入W、Mo、V 形成碳化物（WC、MoC） 增加高温强度。7第7页，共37页，2022年，5月

3、20日，4点8分，星期四4 耐热合金的组成： 副族元素：熔点高、硬度大8第8页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四5 耐热合金的常见种类 1、铁基：使用温度1000 加入Cr、 Al 、Si 形成保护膜高温抗腐蚀性 加入1%W、Mo提高结晶温度高温蠕变性 2、镍基：使用温度10001100 组织中基体：Ni-Cr-Co的固溶体和Ni3A1金属化合物； 是：最优的超耐热金属材料9第9页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四6、耐热合金的研究现状工作温度偏低 铁、镍、钴熔点1539 ，1453 ，1495 工作温度不超过1100（熔点的60%） 难熔金属钨3399 ，

4、延展性、化学稳定性好； 但夹杂物影响强度和韧性，脆性大其他材料无法替代，需进一步研究 新的金属陶瓷、高温结构陶瓷材料出现 10第10页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四镍基超耐热合金的应用 我国目前消费量：12万吨/年， 应用领域 航空：2万吨， 工业汽轮机：1.25万吨，发动机及零部件 汽车工业：7500吨，柴油发动机 2010年：需求将增长250% 11第11页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四二、高温结构陶瓷1 发展背景 金属材料（易腐蚀，高温时不耐氧化） 高温结构陶瓷（耐高温、不怕氧化、耐 酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损）2 性能特点 耐高温（比耐热合金）

5、； 耐腐蚀（比普通陶瓷）。12第12页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四3 制备特点 原料 成型 烧成性能比较传统陶瓷粘土、石粉普通成型1250左右烧成使用温度低、易碎结构陶瓷合成（细磨）助烧剂，高压成型15002000烧成 耐高温（1500）耐腐蚀13第13页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四4 应用举例1）氧化铝陶瓷（人造刚玉） 熔点高：高级耐火材料（如坩埚、高温炉管等） 硬度大：制造刚玉磨球机 透明：制作高压钠灯的灯管。 是一种极有前途的高温结构材料。14第14页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四2）氮化硅（Si3N4）陶瓷 优点：

6、高硬、耐磨、高强、耐高温强共价键（电负相近）； 耐高温安全使用温度16501750，应用于火箭发动机； 耐热冲击、抗高温蠕变助烧剂 抗氧化除氢氟酸外，不与其他无机酸反应； 膨胀系数小、导热系数大、电绝缘性好等。缺点：脆性断裂，难烧结。ZrO2增韧：基质微裂纹，诱发相变，吸收能量，抑制裂纹扩展。15第15页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四上节内容：新型结构材料 5.1 高温结构材料 超耐热合金(700） 高温抗腐蚀性、强度、韧性；（铁基、镍基） 高温结构陶瓷 耐高温，耐腐蚀；（氧化铝 、氮化硅） 5.2 轻质结构材料 铝锂合金； 纤维材料16第16页，共37页，2022年，5

7、月20日，4点8分，星期四5.2 轻质结构材料一、铝锂合金 演变过程：金属铝 铝合金 铝锂合金 1、金属铝 密度2.69， 用量之多，范围之广，仅次于钢铁 17第17页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四 2、铝合金1）合金化机理 加Cu，Mg 固溶体强化相； 加Mn 细化晶粒，提高强度和抗腐蚀性能。2）铝合金系列Al-Mg合金（2195）：美国航天局1998年用于空间站储存仓 （47m8.4m)，重量减少约3.4t Al-Cu-Mg合金（2524）：提高断裂韧性，美国用于B777机身Al-Zn-Mg-(Cu)合金（7000）：既高强度，又抗应力腐蚀 18第18页，共37页，2

8、022年，5月20日，4点8分，星期四 3、铝锂合金1）锂：是世界上最轻的元素（密度0.53）； 在铝中的溶解度高。 2）突出优点：密度低, 但刚性高 （锂每增加1%,密度下降3%,而刚性却提高5%）3）应用领域：航空、航天、航海 19第19页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四4）铝锂合金的发展1924年：德国研制，但没获得重要成果 1957年（第一代）：英国研制，含锂1.1的X-2020铝合金 美国用于超音速攻击机的机翼 1983年（第二代）：巴黎国际航空博览会，美、英国宣布成功 存在问题：各向异性、不可焊、强度较低 1999年（第三代）：高强可焊、低各向异性的合金相继出现

9、 例：高强可焊的Weldalite系列合金 低各向异性的AF/C489合金20第20页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四5）应用前景 铝锂合金成本：只是碳纤维增强塑料的1/10 制造波音飞机：重量减轻 146； 燃料节省 54； 飞机成本下降 21； 飞行费用降低 22。 21第21页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四二、纤维材料（高强度、高模量） 1 玻璃纤维1）简介 工艺：天然矿石为原料 配料 粉磨均化 高温熔制 拉丝 络纱、织布等 直径：纤维单丝的直径从几 二十几微米，相当 于一根头发丝的1/201/5， 每束纤维有数百根甚至上千根单丝组成。22第22

10、页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四2）性能特点 P205优点：比强度大，弹性模量高，电绝缘、耐腐蚀 应用复合材料的增强；电绝缘、绝热保温 领域电子、交通和建筑 影响强度的因素：缺陷 尺寸越大 缺陷越多 强度越小； 夏季（温度高，湿度大） 强度小； 碱性：影响力学性能23第23页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四3）拉丝工艺 坩埚拉丝法（传统工艺）： 天然矿石玻璃球熔化拉丝； （二次熔化，能耗大；产量低，工艺参数难控） 池窑拉丝法（国外引进）： 从天然矿石原料到产品一步完成； （产量高、能耗低；高品质产品）24第24页，共37页，2022年，5月20日，4点

11、8分，星期四4）应用举例（绝缘材料；复合材料，光导纤维）优秀的绝缘材料（既绝缘又耐热） 电机（器）厂：6000千瓦汽轮发电机,玻璃纤维 绝缘部件1800多件； 优势：提高电机性能；缩小体积；降低成本。25第25页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四玻璃纤维复合材料 玻璃钢：玻璃布浸在热熔的塑料中,加压成型 比钢坚韧,不生锈,耐腐蚀,重量轻（钢的1/4） 船只,汽车,火车外壳，机器零件。 玻璃棉：玻璃熔化后,高速气流（火焰）吹成细、短纤维 超细头发粗的1/ 200 保温3厘米厚的玻璃棉 = 1米厚的砖墙 其他吸音、隔热、防震、过滤等. 26第26页，共37页，2022年，5月20

12、日，4点8分，星期四 光导纤维 应用：电话通信 成功（容量大,输送损耗极微,干扰小,节省铜） 电视电话：传输图像作材料： 1）石英玻璃光纤 2）多元氧化物光纤 3）非氧化物光纤 4）晶体光纤27第27页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四光导纤维是一种由折射率较大的纤芯和折射率较小的包层构成的可以自由弯曲的导光材料。28第28页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四29第29页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四5）我国玻璃纤维现状 1958年：土法生产为主，初期125吨/年。八十年代：总产量仅达到3万吨/年左右。九十年代：引进国外先进的池窑拉丝技

13、术，产量、规格品 种、工艺技术和企业规模都上了新台阶。九十年代后期：全国玻璃纤维产量达到16万吨，成为世界玻 璃纤维生产大国。 三大龙头企业 山东泰山、浙江巨石、重庆， （总产量已达17万吨，全行业50%） 30第30页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四玻璃纤维的发展产量： 2002年我国玻璃纤维总产量超过34万吨增长速度：每年以30%以上的速度增长，池窑拉丝法 生产的产品产量增幅达50%以上。出口额：2002年超过12万吨，10年翻了4番产品结构：中碱玻璃纤维无碱玻璃纤维。31第31页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四2、 晶须晶须：直径约1um， 针状单

14、晶材料，长经比很大（250 25001），结晶完善，强度很高。（纤维）：几几十um，多晶或非晶材料，长经比小。生产工艺：可从过饱气相、熔体、溶液或固体生长。一般 用气相结晶法（工艺复杂，造价高）主要材料：金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、石墨 和高分子化合物。主要种类：金属晶须；陶瓷晶须P21132第32页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四晶须高度：取向结构不仅使其具有高强度、高模 量和高伸长率，而且还具有电、光、 磁、介电、导电、超导电性质。晶须强度：远高于其他短切纤维，主要用作复合 材料的增强体。 33第33页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四34第34页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四5.2 超低温合金一、超低温对材料的特殊要求 低温：常温至绝对零度的较大温度范围 -100C以上：采用铁素体钢铁（体心立方结构） 沸点：天然气：-163C, 液氮：-195.8C 液氢：-253C, 液氦：-269C 35第35页，共37页，2022年，5月20日，4点8分，星期四要求：（1）防止低温脆性 铁素体：-200C发生从韧性到脆性的转变 措施：添加镍使转变温度降低；面心立方金属 泰坦尼克号：钢材含硫高，脆性断裂所致（2）