材料的特殊制备方法

会计学1材料的特殊制备方法第一章、快速凝固技术2TechnologyofRapidSolidification在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。第1页/共51页凝固与

结晶铸件尺寸米、厘米

液态金属凝固时间:时、分

冷却速度≦102

C/S尺寸毫米、微米

液态金属凝固时间:秒

冷却速度104～109C/SRS第一节、快速凝固（RS）的技术特点大型砂型铸件/铸锭凝固冷速：10-6~10-3℃/S中等铸件/铸锭冷速:10-3~100℃/S薄壁铸件/压铸件/普通雾化冷速:100~102℃/SNS第2页/共51页1960年美国加州理工学院Duwez等人，一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金107℃/S冷却凝固发现：原本共晶系的Cu-Ag合金中出现了无限固溶的连续固溶体Ag-Ge合金系中出现了新的亚稳相；共晶Au-Si(XSi=25%)合金凝固为非晶态结构（金属玻璃）4粗晶组织偏析组织RS过程得到均匀的

金相组织时/空条件

不具备往往生成

亚稳相RS过程非平衡凝固过程微晶RS过程晶体合金

又称第3页/共51页1.快速凝固能达到的冷却速度：快凝104～109C/S常规102C/S2.可以制备非晶态合金材料超细合金（晶粒尺寸达m~nm级）制备出的材料优点（如非晶态材料）高强度、高硬度和刚度好塑、韧性高耐蚀性高电阻率、高导磁率、低磁损晶粒非常细小，

成分均匀，

空位、位错密度大，形成新的亚稳相因为5第4页/共51页实现液态金属的快速凝固两途径：（1）传统的急冷快速凝固过程；（2）深过冷熔体的快速凝固。两种不同的凝固机制：（1）在急冷和深过冷条件下晶体大量形核并快速长大，

而且一些在平衡或近平衡凝固条件下不可能出现

的亚稳相得以形成；（2）当冷却足够快或过冷十分大时，通常情况下的晶

体形核与长大受到抑制，从而形成非晶或准晶相。6第5页/共51页第二节、快速凝固方法气枪法旋铸法表面熔化与自淬火法。雾化法常用方法第6页/共51页81.气枪法(guntechnique)将熔融的合金液滴在高压（>50atm）惰气流的突发冲击作用下，射向用高导热率材料（常为纯铜）制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而可获得极高的冷却速度（>107C/S），这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄厚度<0.5~1.0m第7页/共51页92.旋铸法(chillblockmelt-spinning)将熔融的合金液自坩埚底孔射向一高速旋转的、以高导热率材料制成的辊子表面，辊面运动的线速度很高（>30~50m/s）液态合金的辊面上凝固成一条很薄的带子（厚度可小至15～20m），条带在凝固时与辊面紧密相贴，冷速可达106~107C/S可获连续、致密的合金条带是制取非晶态合金条带普遍采用的一种方法。第8页/共51页103.工件表面熔化与自淬火法(surfacemeltingandselfquenching)用激光或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属熔化，热量由下面基底金属迅速吸收，使表层（<10m）在很高的冷速下（108C/S）重新凝固。可在大尺寸工件表面获得快速凝固层，是一种具有工业应用前景的技术。第9页/共51页114.雾化法(atomization)普通雾化法：冷速<102~103C/S。为快冷采取冷却介质强制对流，使合金液在N2、Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒或使雾化后的合金在高速水流中凝固。另一种雾化法：将熔融的合金射向高速旋转（表面线速度100m/s）的铜制急冷盘上，在离心力的作用下，合金液雾化凝固成细粒向周围散开，通过安装在四周的气体喷嘴喷吹惰性气体以加速冷却。该法制得合金颗粒尺寸一般为10~100m，在理想条件下可达到106C/S的冷速第10页/共51页第三节、凝固理论的实际应用举例细化铸态金属晶粒Hall-Petch公式：：材料的屈服强度d:晶粒直径、K是两个与材料有关的常数d降低，材料强度提高、塑韧性好。第11页/共51页13具体方法：(1)增大过冷度

抑制晶体生长速率，提高形核率更显著即：提高形核率/生长速率比值，从而晶粒细化。

细化结晶晶粒途径：

(1)提高形核率

(2)抑制晶体的长大速率。(2)变质处理向金属液态中加入一些细小的形核剂（孕育剂或变质剂），作为非均匀形核的基底，使晶核数大量增加，晶粒显著细化。第12页/共51页14（3）振动、搅拌（机械法、电磁法、超声波法）在浇铸和结晶过程中～，可显著细化晶粒。因为：

A.～能向金属液体中输入额外能量，增大能量起伏，提

供形核所需形核功。

B.～可使枝晶碎断，增大晶粒数量。如：Al或Al合金中加少量Ti、Zr；钢中加Ti、Zr、V；向金属或合金液体中加入同种固体颗粒可增加大量直接作为结晶核心的固相；

可提高冷却速度，增大过冷度。第13页/共51页第二章、机械合金化15MechanicalAlloying在冷态下，组成元素的金属粉末通过反复变形、冷焊、剥落并伴有扩散，最终达到合金化的过程。是使人工加入的第二相高度均匀分散的先进粉末冶金工艺。第14页/共51页第一节、MA的原理和机制两种以上的金属粉和中间合金，在高能球磨机中球磨一定时间后，便可得到合金粉末。1.冷焊：很早以前就发现，极平的、纯净的金属表面在冷态

下加压可焊接在一起，此现象在焊接学上叫～。2.MA过程的机制：

塑性金属粉末在球的碾压、冲击下发生形变，并以十分纯净的表面彼此接近到原子作用力的距离，于是在球表面产生冷焊层。与此同时脆性粉末被破碎，与反应产物质点一起被挤进冷焊层。一定厚度的冷焊层由于不断的加工硬化又从球表面脱落，接着被破碎、冷焊。如此反复并伴随扩散过程，最终达到合金化。16第15页/共51页第二节、机械合金化工艺要求和参数1、工艺要求（1）使氧化物达到最佳分布状态

（2）合金组元的基本合金化

（3）较高的出粉率2、工艺参数（1）原料粉的性质原料冷焊性塑性MA实现扩散激活能Q≈20Ts（Q：激活能，Ts：熔点）D=Aoexp(-Q/RT)（D：扩散系数）

Q越小越易扩散，所以熔点高而塑性低的金属冷焊性就差。17第16页/共51页W、Mo、Cr、Fe、Ni、Cu的冷焊性依次增强。所以在MA过程中使用的原料粉末中，必须有适当比例的塑性金属粉，否则不能实现机械合金化。

冷焊过于强烈并不可取，反而会产生严重的粘料现象，一旦发生，MA过程也就终止。（2）原料粉的粒度

尤其是脆性材料，不仅会延长合金化时间，而且粉末粒度大于磨球咬合角时，将不能被破碎，就不能实现机械合金化。

一般脆性粉的粒度控制在200目以下，对冷焊性较差的W、Mo粉应控制在200～300目之间。筛网目数是指筛网每平方英寸的孔数（3）高能球磨机中介质对冷焊的作用

液体介质使塑性粉的冷焊性丧失，因为液膜妨碍了原子间的扩散。氧化性介质使不断露出的纯净表面氧化，严重的阻止冷焊。

机械合金化应避免湿磨且常用氩气为介质。18第17页/共51页（4）球料比和球磨时间球料比和球磨时间的增加促进了合金化，前者更重要。球料比过大，冷焊会相当强烈，形成的永久性冷焊层很难

剥落。所以要将合金化和出粉率适当地结合起来。解决原则：利用冷焊又要控制冷焊，特别是初期的冷焊。（5）在不同高能球磨机上，工艺参数相同但冷焊程度不同球磨机转速高，温升大，导致冷焊严重；反之冷焊轻微不利于合金化。19第18页/共51页第三节、机械合金化的重要设备1、高能球磨机：又称搅拌球磨机。立、卧式（1）带水冷套的圆柱形桶（或底椎形圆桶）

高度和直径比约为2/1（2）搅拌棒（垂直搅拌棒带横臂，减速器，动密封，装料口

和抽气口）。搅拌速度80～300r/min（3）磨球：粉料随球螺旋上升，在搅拌轴处下降，循环混合。桶、棒、球有冷焊层的保护，无需担心杂质污染，但用于

破碎时，必须考虑污染问题。2、破碎效率球的位能单位时间内碰撞次数20第19页/共51页第20页/共51页N=42.4/D1/2N：临界转速

D：滚筒直径（1）使用大直径（10～100mm）磨球则急剧的减少碰撞

点，因此破碎效率是有限的。（2）而高能球磨机的破碎则依赖球的动能和挤压力，几

乎没有临界转速的限制。（3）可采用小直径（6～10mm）磨球，碰撞点多，远远

超过普通球磨。22第21页/共51页第三章、复合材料的制备Preparationofcomposites23第22页/共51页1、基本概念：是由两种或两种以上的物理和化学性质不同

的物质组合而成的一种多相固体材料。2、特点：其各组分材料虽然保持相对独立，但其性能却不

是组分材料性能的简单加和，而有重大改进。3、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为～。增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相。

如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料

两相间存在相界面。24第一节、复合材料的几个概念第23页/共51页1、基本概念：是由两种或两种以上的物理和化学性质不同

的物质组合而成的一种多相固体材料。2、特点：其各组分材料虽然保持相对独立，但其性能却不

是组分材料性能的简单加和，而有重大改进。3、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为～。增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相。

如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料

两相间存在相界面。25第一节、复合材料的几个概念第24页/共51页1、命名（1）增强材料名称+基体材料名称+“复合材料”

如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料“玻璃纤维环氧树脂复合材料”简：增材/基材+“复合材料”如：“玻璃/环氧复合材料”第二节、复合材料的命名和分类（2）有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同如：“玻璃纤维复合材料”，“环氧树脂复合材料”

碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”

或“碳/金属复合材料”

碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”第25页/共51页2、常见分类方法（1）按增强材料的形态分类：连续纤维复合材料

短纤维复合材料

粒状填料复合材料

编织复合材料（2）按增强纤维种类分：

玻璃纤维复合材料

碳纤维复合材料

有机纤维复合材料（如芳香族聚脂胺纤维）

金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）

陶瓷纤维（如Al2O3纤维、SiC纤维、B纤维等）

两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为

混杂复合材料。27第26页/共51页（3）按基体材料分类：金属基复合材料

无机非金属基复合材料

聚合物基复合材料

（4）按材料作用分类：结构复合材料

功能复合材料

智能复合材料（5）同质复合材料：增强材料和基体材料属于同种物质的复

合材料，如C/C复合材料。

异质复合材料：前述的多属此类。

28第27页/共51页第三节、复合材料的性能29复合材料是多相材料的复合，其共同特点：

（1）可综合发挥各种组合材料的优点，使一种材料具多种性能。

如：玻璃增强环氧树脂基复合材料，有类似钢材的强度

和塑料的介电性和耐腐蚀性。

（2）可按性能的需要进行材料的设计和制造

（3）可制备所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。

如：可避免金属产品的铸造、切削、磨光等工序。第28页/共51页1、聚合物基复合材料（PMC）的主要性能

（1）比强度大，比模量大

（2）耐疲劳性能好。30（3）减震性好。材料振动阻尼很高。

（4）过载时安全性好。

少数纤维断，载荷重新分配，构件在短期内不至于失去承载能力。

（5）具有多种功能性：

a.可制成具有较高比热、熔融热和汽化热的材料，以吸收高温烧蚀

时的大量热能；

b.有良好的摩擦性能；

c.高度的电绝缘性能；

d.耐蚀性能；

e.特殊的光、电、磁学性能。（6）有很好的加工工艺性金属材料疲劳突发聚合物基复材疲劳界面能阻止裂纹扩展第29页/共51页2、金属基复合材料的主要性能

（1）高比强度、比模量

因：基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等构件重量轻、刚性好、强度高（B纤维、C纤维、SiC纤维等）。（2）导热导电性能

金属基占高体积分数，仍保持金属的特性。31高集成度电子器件散热（3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好

调节增强物含量，获得不同的热膨胀系数。

如：石墨纤维/镁基，当纤维含40%时，热膨胀系数为零。零件不变形，对人造卫星构件特别重要。超高模量石墨纤维金刚石纤维金刚石颗粒铝基或铜基导热率比铝、铜还高制成集成电路底板和封装件第30页/共51页（4）良好的高温性能

金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。

（5）耐磨性能好

陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的复合材料具有很好的耐磨性。

（6）良好的疲劳性能和断裂韧性

取决于增强物与金属基体的界面结合状态。有效传递载荷，阻裂扩，KIC

（7）不吸潮、不老化，气密性好

金属性质稳定，组织致密，不老化、不分解、不吸潮等。聚合物基，分解低分子，污染仪器及环境32第31页/共51页3、陶瓷基复合材料的主要性能

陶瓷材料优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下

抗磨损性好，耐化学腐蚀，热膨胀系数小，

相对密度较小。

陶瓷材料缺点：抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为

结构材料的使用。用高强度、高模量的纤维和晶须增强后，其强、韧性大大提高；欧洲动力公司航天飞机C纤维增强SiC基体(1700℃);SiC纤维增强SiC基体(1200℃)(1)保持20℃时的抗拉强度；

(2)抗压性能较好；

(3)较高的层间剪切强度；

(4)断裂伸长率较一般陶瓷高；

(5)耐辐射效率高；

(6)可有效地降低表面温度；

(7)有极好的抗氧化、抗开裂性能。陶瓷基复材发展慢的原因

(1)制备工艺复杂；

(2)缺少耐高温的纤维。第32页/共51页第四节、各种复合材料的制备方法一、树脂基复合材料的制备方法1.手糊工艺（1）基体：a.能在室温下凝胶、固化，且固化过程中无低分子物产生；

b.能配置成粘度适当的胶液；

c.无毒或低毒且价廉；

（2）增强材料：采用玻璃纤维及其织物（布毡/热处理、化学处理/浸润）

（3）脱模剂：薄膜型：如聚脂薄膜，玻璃纸等。

混合溶液型：如聚乙烯醇溶液

蜡型：如多用脱模蜡（美）使用方便，省工省时。模具准备涂脱模剂树脂胶液配制手糊成型固化脱模后处理检验制品增强材料铺在模中浇、刷或喷法加树脂使增强材料浸渍橡皮辊或涂刷赶出空气反复厚度第33页/共51页2、模压成型工艺

对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。35料的称量模具预热脱模剂涂刷料预热和

预成型装模压制脱模打底及

辅助加工检验成品后处理压制前准备压制混合物入模腔闭模加入熔化压力充满模腔第34页/共51页3、连续缠绕成型工艺

将浸过树脂胶液的连续纤维或布袋，按照一定规律缠绕在回转芯模上，然后在室温常压下固化脱模成为增强塑料制品。承受一定内压的中空型容器固体火箭发动机壳体导弹放热层和发射筒压力容器、大型贮罐近年发展的异型缠绕技术复杂截面形状的回转体断面为矩形等不规则形容器干法缠绕/湿法缠绕芯模：石膏/钢/铝/低熔点金属/低熔点盐/木材/水泥/石蜡/聚乙烯醇/塑料等第35页/共51页二、金属基复合材料(MMC)制备方法37

液态法：常用4种方法固态法：主要扩散法和粉末冶金法2种。喷涂沉积法：喷雾共沉积法金属基：铝、钛、镁、铜、钢等，增强材料：陶瓷、碳、硼、金属化合物等关键：基体金属/增强材料间良好浸润和合适的界面结合。第36页/共51页（一）液态法（常用4种）金属浸润法（MoltenMetalInfiltration)

使基体金属呈熔融状态，与增强材料浸润结合，然后凝固成型。

1、常压铸造法（conventionalcasting）纤维整体或局部形状的零件预制坯浇注模预热预处理液体金属浇入金属液渗入纤维

预制坯并凝固靠重力38第37页/共51页搅拌直到在

熔体中均布2、液态金属搅拌法（MoltenMetalStirring）

主要用于陶瓷颗粒增强金属复合材料的制造。（坩埚）

基体

金属

旋叶片逐渐加入弥散增强材料复

合

熔

体

脱

气铸

入

模

中1）可采用壳模精密铸造直接生产零件。

2）也可先铸成铸坯，二次加工成型（生产板、管和各

种型材。对颗粒预处理，改善金属对它的浸润性和颗粒在熔体中分布状态。界面状态好39第38页/共51页3、真空加压铸造法（VacuumPressureCasting)真空环境可防止纤维和基体金属加热氧化，有利于纤维表面净化，改善其浸润性，减少复合材料和制品中的缺陷。4、挤压铸造(SqueezeCasting)该法建立在金属液态模锻基础上。1）增强材料预制坯制造过程2）挤压铸造过程40压头加热器顶杆预制坯液压机复合材料金属液加压使金属渗透预制坯高压下凝固第39页/共51页（二）固态法（扩散法和粉末冶金法）扩散粘结法（DiffusionBonding）金属基体为固态，与增强材料的复合是在不大的塑性变形情况下，靠较长时间、较高温度和压力，使组成材料之间接触界面原子间相互扩散粘结而成。等离子喷涂法

液态金属浸渍法

化学涂复法把纤维制成预制品浸渍复合丝

复合箔

无纬带仔细处理清洗按一定形状剪裁按一定比例

和排列方式

叠层封装

加热压制（模中）

（真空、大气）为使金属基体能完全充满纤维间所有间隙，适当提高温度，使金属有一定的塑性流变。41第40页/共51页压制方法热压法

（HotPressing)

(HotIsostaticPressing)热轧法

(HotRolling)热等静压法42第41页/共51页1）热压法滚筒缠绕法把连续纤维预制

成带或复合丝按一定长度裁下

交替叠层铺在金属箔上

（层间垫入的金属箔的数量取决

于材料中纤维体积含量的要求）

放入金属模中

或封入真空不锈钢套内加热、

加压、保持取出，冷却去封套43第42页/共51页2）热等静压法用于制造形状较为复杂的零件，但设备费用非

常昂贵。以连续纤维增强铝管材为例。纤维预制带

或复合丝铺设并卷绕在

受热易变形的薄壁钢管上

达需要的厚度套入厚壁

钢管中两端焊合抽真空后密封置于高压容器内注入

高压

惰性

气体

并加热借助气体受热膨胀，均匀地对受压件施加很高的压力。44第43页/共51页3）热轧法预处理的

纤维、复合丝或晶须与铝箔交替排成坯料用不锈钢薄板包裹夹在两层不锈钢薄板间或或加热或多次

反复轧制制成

板材

或带材若采用热辊轧制

（即对轧辊进行

加热）可提高

轧制效果45第44页/共51页粉末冶金法（PowderMetallurgy)是传统的粉末冶金工艺应用于制作复合材料。金属粉末+陶瓷颗粒（或晶须，或短纤维）均匀混合入模，

高温高压成型易于氧化的金属

在真空、惰气中

直接制成构件和型材优点：

1）致密度高

2）增强材料

分布均匀

3）增强材料的

含量可在较

大范围内变

动（