材料制备新技术

王为民(wangwm@)武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室材料先进制备技术1、概述2、粉末材料的加工和制备新技术3、先进的成型4、先进的烧结5、燃烧合成技术6、薄膜材料及制备技术

课程的主要内容粉末材料及其加工和制备粉末材料：绝大多数材料都以粉末状材料为原料。粉末材料的特性很大地影响最终材料的性能。纯度、粒度、形状陶瓷材料：

ZrO2,Al2O3,TiC,Si3N4,SiC,BN

金属基复合材料:Al—SiC,Cu-Al2O3,Fe-TiC

功能复合材料：磁性复合材料,导电复合材料，摩擦材料。高分子复合材料:工程塑料

制备技术:

机械粉碎法蒸发凝聚法溶胶—凝胶法（Sol-Gel法）气相反应法材料成型与烧结材料要获得最终的使用性能必须进行成型。绝大多数材料要经过的主要加工工艺环节包括：

原料的制备与处理

是获得优良陶瓷制品的前提

微细化、高纯化

材料成型

是获得精密结构和形状的关键

精密成型、近净成型

高温烧结

是保证材料最终性能的关键

低温高效烧结

后期加工

是保证零件最终精度的关键

特种加工技术成型技术：模压、挤出、等静压成型、注浆成型等烧结技术：

是减少成形体中气孔，增强颗粒间结合，提高材料物理化学性能的工艺过程

主要的烧结方法：

常压烧结：真空烧结气压烧结：热压烧结热等静压特殊烧结技术：微波烧结、等离子放电烧结（SPS）

热压烧结燃烧合成与材料制备技术

Self-propagatingHigh-temperatureSynthesisIgnitorCombustionZoneProductPre-heatedZoneReactantsQuickProcessHighTemp.LowEnergyConsumption1967提出基本理论A.G.Merzhanov

I.P.Borovinskaya特种材料制备技术燃烧合成

:也称为自蔓延高温合成（Self-PropagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS），是利用化学反应放出的热量来完成材料合成与加工的一种先进的材料制备技术。

其主要特点是：材料合成过程快

工艺设备简单，投资少

合成温度高，冷却速度快，温度梯度大

能耗少，原材料来源广泛

可制备各种材料，包括:

粉末材料块体材料薄膜材料涂层材料特殊结构的复合材料TiB2/Fe叠层复合材料的制备及结构特点TiB2/Fe叠层复合材料制备装备具有特殊结构的复合材料的制备薄膜材料及制备技术薄膜材料在现代工业和技术中扮演着越来越重要的角色：结构材料：耐磨部件（水轮机叶片、数控刀片）功能材料：光电子器件信息存储介质

光全息存储

金属铋、锑等薄膜，

As-Se-Ge系、Te-As-Ge系薄膜

光盘存储材料基质上涂覆铁系或钴系磁光薄膜：TbFe

DyFe

DyCo等。薄膜材料制备技术发展极快电化学沉积薄制备技术

离子注入和离子束沉积制备技术

激光表面处理物理气相沉积

化学气相沉积

外延生长法薄膜制备技术现代高技术和材料合成技术的集成技术微波技术在材料中的应用利用材料分子或基团在微波场中快速震动产生热量的原理，进行材料加工和制备。特点：快速、温度场均匀、无接触污染、应用范围大应用：烧结、材料合成、薄膜制备等本课程的学习要求特点：信息量大，涉及面广。要求：自主学习、查阅资料、消化吸收主要参考资料：学术期刊（可上网查阅）

材料制备新技术（吴建生，上海交通大学出版社）工程材料及成型工艺基础（杨惠智，机械工业出版社）微波等离子化学气相沉积膜金刚石（周健中国建材工业出版特种陶瓷（王零森，中南工业大学出版社）复合材料（吴人杰，天津大学出版社）材料加工新技术于新工艺(谢建新,冶金工业出版社)第一讲概述材料制备：材料合成材料加工材料合成(Synthesis)：

通过物理和化学的方法组合原子或分子以形成有功能的材料。

金刚石的合成：石墨＋触媒＋高温高压－－金刚石富勒希笼球C60:Laser轰击石墨－－－富勒希笼球C60

h-BN---------

-----c-BN高温高压材料加工(processing):

通过控制材料的原子和分子以形成具有一定形状的材料、功能和结构部件材料加工的概念和范畴拓展，内容更广泛：金属冶炼、钢材轧制、陶瓷成型与烧结、高聚物的纺丝、薄膜材料的成膜等材料制备主要发展方向之一是：材料合成加工一体化、材料结构-功能一体化纳米复合材料Al2O3-Ni的制备，SynthesisofAl2O3/NiNano-CompositesAl2O3/Ni-nitrateAl2O3/NiAl2O3/NiOcalciningreductionhot-pressingNiOusedasastartingpowderSimilarfeatureAl2O3/Co,Al2O3/Cu,Al2O3/Ni-Co,MgO/Ni,MgO/Co,MgO/Fe,ZrO2/NiAl2O3/5vol%NiKeyWords：in-situStructureControlMechanismofAl2O3/MetalNanocompositesFracturestrengthvs.matrixgrainsizeforAl2O3/metal(NiandCo)nanocompositesandAl2O3-monolith.Vf=5vol%StrengthStrengthvariationobeysHall-Petchrelations.HigherstrengthcomparedtothemonolithicAl2O3withsamematrixgrainsize.MechanismFinematrixgrainsizeandnarrowgrainsizedistribution.MostdispersionlocatedatgrainboundariesLocalizedresidualstressformedbyTECmismatch.ThustangentialcompressivestressstrengthensG.B.m<P&inter-type(Al2O3/Ni,Co,etc.)compressivestressmetalparticleAl2O3grain0200400600800100012000.00.20.40.60.81.01.21.41.6FractureStrength(MPa)(Al2O3

grainsize)-1/2(µm-1/2)○Al2O3

monolithAl2O3/NiNanocompositesAl2O3/CoNanocomposites●■MagneticProperties

Al2O3/5vol%Ni

Nanocomposites

FerromagnetismofTM(Ni,Co)remainedinthenanocompositesCoerciveforceislargerthanpuremetalZrO2/5vol%NiNanocomposites材料制备新技术发展的重要意义制备新材料的关键技术新型镁合金、ITO(In-SnOxide)膜、钛合金薄板，发现新的物理－－化学现象的源泉材料科学是多学科交叉的前沿,陶瓷超塑性,纳米材料和纳米效应NewFunctions:Superplasticity现代高技术集成的典范材料的微波技术、半导体加工、燃烧合成,快速凝固、超塑性加工等现代社会和经济发展的支撑燃料电池、航天飞机、信息技术、太阳能技术例如：太阳能技术：多晶Si----单晶Si----Si薄膜-----非Si薄膜单位成本：制备技术的发展，成本逐渐降低世界各国相当重视材料制备新技术的研究开发日本：材料加工研发投入占总科研投入的18％。材料加工技术在世界处于领先水平，导致日本的电子技术、汽车、钢铁、造船、通讯技术等领域处于世界领先水平。美国：90年代前，对材料加工认识不足。除在军工、航天、微电子领域领先外，很多领域落后欧洲、日本。国家关键技术委员会：22项关乎国家长期安全的关键技术第一项：材料合成与加工先进材料和加工计划（AMPP):大学－－企业－－政府合作国防建设与军事工业的发展尤为关键在中国：

在材料先进制备技术领域投入较大，设立了一系列的相关研发计划包括基础研究－－应用开发研究－－产业化研究等：

国家自然科学