材料科学前沿 复习资料总结

一、张佐光 复合材料1、 复合材料以及先进复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合成的一种新的固体材料。先进复合材料专指可用于主承力结构或次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。主要为高性能纤维（硼纤维、碳纤维、芳纶等）增强的树脂基复合材料，从技术成熟程度与应用范围看，碳纤维复合材料，尤其是碳纤维树脂基复合材料最为突出。2、 复合材料的分类按照用途可以分为：结构复合材料：主要用作主承力、次承力结构，要求质量轻、强度和刚度高。且能耐受一定温度，有时还要求膨胀系数、绝热、耐介质腐蚀性能等.功能复合材料:除力学性能以外，还提供电、磁、光、热、声、机械（阻尼、摩擦）等物理性能的复合材料，由功能体和基体组成。按照基体不同可分为：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、C/C复合材料3、 复合材料的特点与优势是什么？为什么在航空航天领域得到了大力应用？六大特点：质轻高强、可设计、抗疲劳和损伤、耐腐蚀、整体成型、结构/功能一体化4、 复合材料技术的关键是什么？材料是基础：增强纤维（CF、GF、KF）树脂体系（环氧、双马来酰亚胺）材料的高性能化、多功能化、纤维与树脂的匹配是关键制造是关键：自动铺带、自动铺丝、共固化/共胶接技术自动化与低成本是关键设计为先导：设计理念与验证方法是关键评价是保障：无损检测精细检测与可靠性分析是关键5、 碳纳米管的性质与应用结构与性能：杨氏模量高，拉伸强度高，密度小，高导电，高导热，热稳定性和化学稳定性好。应用：结构复合材料，纳米探针，场发射，转换器，逻辑门，电路开关，电极，贮氢材料6、 碳纳米纤维与碳纳米管纤维的区别碳纳米纤维（carbonnanofiber）是合成纤维，成分是极普通的尼龙，将普通的尼龙纤维制成直径数十nm的超细纤维之后，产生了几乎与棉纤维相同的吸湿性能。因为他有极大的比表面积，在成型的网毡上有很多微孔，因此有很强的吸附力以及度好的过滤性、阻隔性、粘合性和保温性。由于无机纳米纤维的独特性能，他可以用于制作纳米尺度电子元件，也可以用做储氢材料以及在水中吸附有机溶质的材料。碳纳米管纤维：碳纳米管沿着一定方向有序排列形成的宏观纱线。7、 碳纳米管的发展路线具有极高强度的碳纳米管材料，兼具高强以及好的塑性一低成本制造单壁碳纳米管材料（应用于电子器械）一表面功能化一多功能应用（结构/电子结构/热热胀涂层）-一碳纳米管复合材料（与环氧树脂、尼龙、乙烯进行复合应用）8、 复合材料制造工艺的特点结构成型与材料成型同时完成成型工艺含两个过程一成形（赋予构件形状，物理变化流动浸润与化学变化粘流、密实）与固化（固定构件形状，化学固化反应）复合材料结构可实现整体成型：采用共固化和共胶接技术，可大量减少零件、紧固件数目，提高减重效率。不过这样对工艺方法和工艺参数控制提出更高要求。9、 复合材料制造技术发展趋势液体成型复合材料技术:LCM技术包括树脂传递模塑（RTM）树脂传递渗透工艺（RFI）真空辅助RTM（VARTM）真空辅助树脂熔塑成型（VARI）,LCM是最重要的低成本工艺方法。LCM是指在一定温度以及压力下把低粘度的树脂注入预先置有增强纤维的模具中，然后固化成型的一种复合材料成型方法。可以降低设备成本和能耗，便于干净尺寸零件成型。自动化制造技术:实现大型构件制造的必要前提，包括自动下料、激光定位、自动铺放、自动化生产线、自动化无损检测、自动化装配大面积整体成型技术:大量减少零件、紧固件的数目，实现复合材料结构设计到制造一体化成形的相关技术。复合材料结构大面积整体成形在满足结构总体性能要求的前提下，可以进一步减轻结构重量，降低成本，特别是制造成本。以飞机制造的整体化成形为例：减少零件数目和连接件数目；易于实现翼身融合体布局；增加机体表面光滑完整程度；避免钻孔，减少构件加工损伤。非热压罐成型技术:采用真空袋工艺制备预浸料复合材料，预浸料制备与孔隙控制技术是关键。数字化制造技术:控制制造质量提高稳定性，降低制造成本，缩短研制周期二、张跃一一特种、结构、功能陶瓷及制备过程1、 什么是陶瓷材料？什么是特种陶瓷？陶瓷材料是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。特种陶瓷：主要以高纯化工试剂为原料2、 高温结构陶瓷优点有哪些？陶瓷材料存在问题是什么，应该如何改进？答：优点：①在1000°C以上，较高温合金具有密度低、比强度高、优异的耐高温、耐高温腐蚀性能。②高温使用环境条件下，不需要冷却系统，发动机的燃烧消耗减少17%~40%。③适用多种燃料，节省能源、金属资源。存在问题及改进方法：①脆性大、塑韧性低：陶瓷材料几乎没有塑性，难以通过塑性变形阻止裂纹扩展。加强陶瓷韧化的基础，通过新的韧化途径（例如，利用纳米晶等）进一步大幅度提高陶瓷材料的韧性；用在十分严酷的工况条件下（如1000°C以上超高温，高温无润滑，高温带腐蚀，强烈腐蚀磨损），注意避免冲击碰撞和大的拉应力。②成本高：先进陶瓷首先对原料粉末提出了苛刻的要求，如要求高纯、超细（粉体粒度在1mm以下）甚至纳米粉料。制造工艺复杂，制造成本较高。低成本高性能原料制备技术、低成本成型与烧结技术是高温结构陶瓷产业化的关键技术。③陶瓷强度设计与陶瓷材料的合理使用：与金属材料相比，陶瓷材料强度特别是高温强度并不差，但塑韧性很低，抗拉强度大大低于抗压强度。另一方面陶瓷加工性能很差，除精细的磨加工外，其它形式的机械加工难以进行,且成本很高。把陶瓷材料应用于很软的应力状态，即在该应力状态下材料内部的拉应力分量很小，压应力或剪应力分量可以很大，这是陶瓷材料开展产品设计和服役要考虑的问题。3、 氧化物陶瓷的优点有哪些？答：①原子结合以离子键为主，存在部分共价键，高强度，耐磨损；②熔点较高，高于Sio2,耐高温；③良好的电绝缘性能；④优异的化学稳定性和抗氧化性。例如：A12O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反应，并且具有高硬度和优异的耐磨性；ZrO2陶瓷力学性能好（相变增韧），热传导系数小，隔热效果好，热膨胀系数较大，易与金属部件匹配。4、 陶瓷的制备过程：a、 粉体：高纯度，相组成（a、。氮化硅），颗粒尺寸、颗粒形态、粒径分布、比表面积均有影响（烧结角度讲，粒度越小越好，超细粉容易团聚，成型性能不好；不同成型方法，对粒度要求不同；较宽的粒度分布及双峰分布有利于成型堆积密度的提高，不利于烧结以及结构与性能）b、 成型：将陶瓷粉体制备成一定形状的素坯，密度高均匀性好的成形体是获得优质陶瓷的关键，希望近净尺寸成形。方法有干压成形、胶体成形等。c、 烧结：方法有常压烧结、热压烧结、电弧等离子放电烧结等等5、 有机前驱体裂解陶瓷采用有机硅为原料，通过高温裂解无机化制备无机陶瓷材料。特点:利用有机■无机转化的活化作用在较低温度获得高共价键材料；在有机分子合成过程设计分子结构，能够获得其他方法无法获得的材料体系，如SiCO,SiCN等；能够获得高均匀性高共价键非晶体，高温稳定性好（SiBCN,2200°C）；有机前躯体易纺丝、易液态成型陶瓷化过程的主要问题：放出气体;产生较大的体积收缩（20-30%线收缩）；裂纹与气孔；只能获得小尺度（几百微米）致密体（纤维、涂层、泡沫体）解决途径：多次浸渍一裂解,填料性质:可达到的室温电阻率幅度大，高温抗氧化，抗化学腐蚀性，高强高模三、于荣海一一能源材料及纳米材料1、燃料电池的工作原理：燃料电池是一种把化学能转化为电能的装置。燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料（氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取）和氧（或空气）不断由外界输入。质子交换膜燃料电池工作原理主要是利用氢气进入电池组，经由扩散层，与触媒层中的触媒作用后，氧化为氢离子（质子）并释放出电子，同时在阴极与氧气发生反应产生电位差发电。下列为阴极、阳极反应及总反应：•阳极（电池负极）半反应：H2—2H++2e-阴极（电池正极）半反应：2H++/O2+2e—H2O总反应：田+%。2一田0△E=1.229V（latm、25°C）2、 试述染料敏化材料的光伏作用：光敏染料电池，聚合物多层修饰电极型太阳能电池。它是基于由光敏电极和电解质构成的半导体，是一个电气化学系统。DSSC的工作原理是由染料做为吸光材料，染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至纳米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。DSSC工作原理：⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中；⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。3、 简述镣氢电池的工作原理：-）MH|KOH|NiOOH（+储氢充电电池原理正极： NiOOH-+H2O+e<=>Ni（HO）2+OH（正向放电，反向充电）负极： MH+OH=M+H2O+e（正向放电，反向充电）电池反应：MH+NiooH<=>Ni（HO）2+M（正向放电，反向充电）M:贮氢金属材料MH：金属氢化物电解液KOH起导电作用4、解释磁记录单元的体积局限性:多个磁颗粒（约100个左右）组成一个记录单元来记录Ibit的信息一或者lo当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应”。微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道效应,这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸局限。四、沙江波一一金属间化合物及各种高温结构合金1、航空器发展对材料的要求？航空飞行器的工作条件十分复杂，就飞机而言，军用飞机要求提高机动性、近距格斗和全天候作战的能力；民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性、经济性，相应地要求发展大推比和长寿命的发动机以及先进的火控电子设备和仪表系统；所以对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。2、 航天器对材料的要求航空航天材料处于极端苛刻的服役环境：超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子氧、粒子云、陨石。设计准则：静强度设计一损伤容限设计设计选材时的决定因素：寿命期成本、比强度、疲劳寿命、断裂韧性、储存期及可靠性、可维修性。结构材料发展的关键：轻质高强和高温耐蚀功能材料发展的关键：高性能，智能化3、 航空飞行器使用的材料机体材料：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料——提高飞机的结构效率,降低飞机结构重量系数;树脂基复合材料和钛合金用量增加;传统铝合金和钢材的用量减少。发动机材料：1、某些部件必须采用轻质超高温材料2、大量采用高温、轻质、高比强/高比模材料3、需要大量各类钛合金4、材料抗氧化能力要求更高5、密封、隔热、润滑、轴承要求更高机载设备材料：1、缺陷密度极低2、针对不同用途对其物理性能（光、声、电、磁、热）要求高3、加工、成形、联结、涂覆技术不能对材料物理性能和装备功能产生有害影响。4、 什么是金属间化合物，金属间化合物的特点是什么？指两种金属或金属与类金属组成的具有整数化学计量比的化合物。类金属：H、B、N、S、P、C、Sio性质：或多或少与普通化合物有区别。特点：密度低、屈服强度随温度升高而提高、比刚度高；熔点高、高温强度好以及抗氧化性能优良等。5、 金属间化合物分为哪几类，各自的特点是什么？答：分类及特点：①正常价化合物：化学电负性较大的金属元素与类金属元素组成；符合一般化合物原子价规律。键特点：电子转移和共用电子对。符合Hume-Rothery法则（价电子浓度决定晶体结构），a.金属倾向与IVB,VB,VIB族元素形成化合物,b.金属正电性越强,B族负电性越强，越易形成，越稳定。②电子化合物：a.不符合原子价规则，成分不确定,b.结构由电子浓度决定，具有超点阵结构,c.原子间结合键主要是金属键。③间隙化合物：由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的C、N、B等元素组成；高熔点；高硬度。④复杂化合物：更复杂结构的间隙化合物——渗碳体及碳化物（Fe3C,Cr23C6）。6、 金属间化合物结构材料脆性原因？其韧化方法有哪些？答：脆性原因：①结构特性：电负性、键取向、结构复杂性②滑移特征：独立滑移系，交滑移，滑移均匀性，加工硬化率（穿晶解理断裂）③晶界特征：杂质偏聚④环境影响：氢脆⑤应力状态：缺口敏感性。韧化方法：①偏离化学计量比②合金化：微合金化法、宏合金化③改变晶粒形态：细化晶粒、择优取向④微结构控制：组织优化。合金化：微合金化法:通常加入小于l%Wt以下元素如B、C、Hf、Ce、Mn等，不使晶格类型、变形模式变化，改变晶界结构，不析出有害相，抑制杂质影响，提高结合强度。例如：面心立方的Ni3Al合金中加入微量B,因其偏聚于晶界，抑制晶界杂质P、S、0、H等在晶界偏聚，从而改善晶界脆性，改变晶界原子排列，促使晶粒间位错传播，降低晶界应力集中，使强度和塑性得到明显提高。宏合金化:通常添加1%以上的合金元素元素:改变晶体结构；改变滑移特征；形成韧性第二相；强化晶界。制备多相合金：通过向脆性金属间化合物基体中引人塑性第二相来达到韧化基体的目的，即形成韧/脆多相结构。改进制备工艺（更加重要）定向凝固、机械合金化、热压或热等静压、微晶涂层改变晶粒形态：细化晶粒、择优取向微结构控制：组织优化。7、 Ti3Al（a2）基合金是唯一进入成熟应用研究阶段的金属间化合物，二元Ti3Al合金的缺点有哪些，其发展思路是什么？答：缺点：①室温断裂韧性较低；②室温冲击韧性只有普通Ti合金的十分之一左右（这是设计应用部门担心的问题之一）；③。相合金的抗氧化问题。高Nb合金抗氧化性差。发展思路：在Ti-Al-Nb的基础上，通过添加0相稳定元素（如Nb和M。），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金的室温塑性和加工性能得到改善。8、 Ti3AIM2）基合金中加入p相稳定元素的目的是什么？不同P相稳定元素含量分别对应什么相组成？答：通过添加0相稳定元素（如Nb和M。），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金的室温塑性和加工性能得到改善。①第一代。稳定元素含量在10%〜14%,显微组织为（X2（DO19）+P；②（3稳定元素含量在14%〜17%之间，该合金具有更高的拉伸强度和蠕变抗力，显微组织取决于热处理，主要为。和。相（第一代。相合金）0相（基于Ti2AlNb,正交结构，可看作（12的畸变结构；③。稳定元素含量在23%以上，如GE公司研制的Ti-24.5Al-23.5Nb和Ti-22Al-27Nb合金，显微组织为0+0,这类以O相为基的合金比阪合金和超&合金有更高的高温屈服强度、蠕变抗力和断裂韧性，已经成为近期研究的重点（第二代O相合金）O9、 NiAl金属间化合物的主要问题以及改善措施？主要问题是室温塑性和韧性差，高温强度不足。微合金化：主要元素有Fe,Ga,Mo,B和La等，加入量一般小于1%（摩尔分数），可提高NiAl的室温塑性，增加晶界结合力和协调变形；固溶元素：主要有Fe,Co,还有Cu和Mn。添加大量的Fe和Co使固溶度提高；伪共晶元素：Cr,Mo,还有V,W等，从而形成p+y或。+印+泌）共晶组织，同时塑性相y+y/能提高合金室温塑性提高室温韧性；沉淀相形成元素：主要有Hf和Zr,还有Y,Sc,Ti,V,Nb,La和Ta等，以提高高温强度，但同时会引起塑韧性的下降。10、 Ni3Al金属间化合物的特点以及改善措施？特点：高熔点、高抗高温氧化、耐腐蚀、较高的高温强度和蠕变抗力以及高的比强度，有反常温度关系问题：单晶体Ni3Al具有较高的塑性，但多晶体Ni3Al呈脆性，且多晶Ni3Al以脆性晶间断裂模式失效，为本征脆性。高温下Ni3Al合金在含氧空气中易产生环境脆性。760°C空气试验表明，该合金呈晶间断裂。改善：1、B的强韧化作用：原因：富A1晶界结合能低，晶界强度低，沿晶脆断，富Ni相反，富Ni晶界具有高强度，具有抵抗沿晶断裂的能力。作用机理：B偏聚在晶界上，使晶界进一步富Ni,强化晶界，改善位错滑移性，阻止H沿晶界扩散产生的环境脆性，改善室温塑性和综合性能。B可以改善NI3AL的环境敏感性。2、Zr对Ni3Al的强韧化作用：大于600。（2时，B对塑性无作用，Zr对室温至850。（2之间的塑性均有改善。Zr偏聚在晶界上，使晶界贫化A1,富化Ni,强化晶界，阻止裂纹扩展，诱发相邻晶内位错开动，改善高温塑性和综合性能。Zr不能改善其环境敏感性。11>Co合金的研究过程：传统Co基高温合金：主要的相组成：面心立方的奥氏体基体Y和一种或多种碳化物相，其中碳化物相为主要强化相。优点及应用：在高温抗热腐蚀方面，抗热疲劳性能和焊接性方面的具有一定优越性。主要工作在730-1100°C条件下，应用于航空发动机涡轮导向叶片中.存在问题：与传统的Ni基高温合金相比，不具备双相组织形成共格强化，高温机械性能差,中温强度低。新型Co基高温合金：CO-9A1-9W合金主要的相组成：面心立方的连续奥氏体基体y和共格有序的A3B型金属间化合物Y'相Co3（A1,W）相;优点及应用：提高了钻基高温合金的高温机械性能。存在问题：由于存在元素W,合金比重较大。此外，热处理和加工工艺对性能影响方面的研究匮乏。合金化及原则新型C。合金的研究原则：1、元素对寸相固溶温度的影响，对相组成和显微组织的影响，成分与组织设计2、组织与力学性能关系3、组织与氧化性能关系研究方法：1、成分设计:变换组成成分，增加Co元素，减少W元素2、 分析组织结构以及各相成分，分析元素变化对结构的影响3、 测量合金室温和高温下的各种力学性能，如压缩断裂，拉伸断裂，屈服强度12、什么是高温合金？高温合金的服役条件是什么？高温合金的强化方法有哪些？以Ni基高温合金的强化为例讲述高温合金强化原理。答：高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金（S叩eralloys）,是指以Fe、Ni、Co为基，能在600C以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。服役条件（航空发动机热端部件）：①600〜1100C②氧化和燃气腐蚀环境③复杂应力（蠕变，高、低周疲劳，热疲劳等）④长期可靠工作。强化方法：组织：y/寸共格组织，基体：Y，强化相：W①固溶强化：Y②第二相强化：Y（沉淀与共格进行强化）③晶界强化：微量元素晶界偏聚④工艺强化：定向或单晶。Ni基高温合金强化：丫一Ni基固溶体（F.C.C）；W—NRAKF.C.C）实际合金中为（Ni,Co,Fe）3（Al,Ti,Nb,Ta）；碳化物:MC,M6C,M23C6,Cr7C3碳化物形成元素：Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti；B化物:M3B2Y”-NijNb（BCT）在高Nb合金如718中存在借助Mo来提高晶格错配度，增加晶格界面应力场，阻止位错运动，减小合金最小蠕变速率。在蠕变过程中形成稠密的界面位错网络，这些位错网络在稳定的蠕变阶段可以有效阻止Y相中的滑移位错进入/相。提高了Mo元素的含量，增大了合金高温蠕变过程中TCP相析出的倾向，增加Ru元素降低这一倾向，提高合金稳定性。13、 Nb基合金的强化、韧化和改善抗氧化性方式有哪些？答：(1)强化：①固溶强化——Mo,W,Hf,Cr,Al,Si等能与Nb形成置换固溶体，W、Mo最强②金属间化合物——Nbss/Nb3Al(Nb-Al二元合金)和Nbss/Nb5Si3(Nb.Si二元合金)，Nbss提供韧性而NbsAl和NbsSi3提供高温强度韧/脆两相结构，Nbss：Solidsolution,固溶体③特殊热加工 定向凝固(DS:directionalsolidification),热等静压(HIP:hotisostaticpressing),热挤出(HE:hotextrusion),etc.韧化：①合金化--Hf、Ti元素对Nbss韧化②减少Si含量--Si减少，Nb5Si3减少，塑韧性上升③改变组织形态・・Mo,W等元素倾向形成片状组织，改善Nbss和Nb5Si3形态。改善抗氧化：基体抗氧化+涂层，Cr-NbCr2有利于抗氧化，Si-SiCh有利于抗氧化，Ti有利于抗氧化。14、 Ir基高温合金的特性金属：熔点高，比重大，原子间结合力强，组织稳定，有一定的塑韧性，易于加工，与Ilf、Zr.Nb、共晶反应产生强化作用15、 什么是难熔金属与合金？其一般特性是什么？答：通常将熔点高于2400°C的金属称作难熔金属，主要有W(3422°C)>Mo(2623°C)>Ta(3020°C)>Nb(2469°C)>Ir(2443°C)等。以上述金属为基体，添加各种合金元素或化合物制成的合金称作难熔合金。一般特性：①难熔金属一般具有良好的高温强度和耐蚀性能，较低的蒸汽压(Cr除外)。主要缺点是抗高温氧化性能差，有些元素如W、Mo脆性大不易塑性加工。②难熔金属与合金在一定条件下能吸收氢气形成金属氢化物而变脆，通常要在真空条件下加热至一定温度进行脱氢处理。③难熔金属与合金具有较好的耐蚀性能，此外难熔金属对液态的Li、Na、K、Hg、Mg、Bi等溶液也有较好的耐腐蚀能力。五、李岩一一生物降解、组织工程、生物医用、形状记忆、智能材料1、 什么是生物医用材料？什么是生物相容性？引起生物变化的因素有哪些？答：生物医用材料是指对生物体进行诊断、治疗、和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。生物相容性：生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应的一种概念。引起生物变化的因素：①生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动；②细胞生物电、磁场、电解和氧化作用；③新陈代谢过程中的生