新材料制备与加工课件(第一章)

新材料制备与加工

ManufactureandProcessingofAdvancedMaterials学时：27授课时间：2-9周主讲教师：李静媛1什么是材料？人类用以制造用于生活和生产的器件、产品等的物质材料金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料材料航天航空材料化工材料机械工程材料建筑材料电子信息材料能源材料生态环境材料生物医用材料（按结构分）（按用途分）分类2材料技术制备技术成形与加工技术改质改性技术防护技术评价表征技术模拟仿真技术检测与监控技术关于材料制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍3材料加工技术现代材料科学与工程由四个基本要素组成

1)材料的成分与结构

2)材料的性质

3)材料的制备与加工工艺（技术）

4)材料的使用性能使用性能性质成分与结构制备与加工4材料制备与加工技术的发展趋势

过程综合技术综合学科综合5 现代高新技术的进步离不开新材料的发展，而大多数新材料从其诞生到走向市场，通常需要一个很长的过程，材料的制备与加工工艺在这一过程中起着决定性的作用。制备与加工技术新材料诞生走向市场很长的时间材料组织材料性能6本课程的特点以新材料的特点、制备与加工方法、应用领域及发展前景为主线条，介绍讲解有关新材料的制备与加工的研究成果。通过本课程的学习，建立起材料的制备与加工方法在新材料开发与应用之间起着重要桥梁作用的概念，从而在新材料设计、制备与加工全过程方面的研究奠定一定的基础。7本课程的内容第1章 新材料加工技术的现状与展望第2章 超导材料的制备与加工第3章 超塑性材料的制备与加工第4章 非晶态材料的制备与加工第5章 高强度钛合金的制备与加工第6章 变形镁合金的制备与加工第7章 减振钢板的制备与加工第8章 爆炸复合板的制备与加工第9章 复合材料的制备与加工第10章 半固态材料的制备与加工81.1新材料的概念1.2新型结构材料1.3新型功能材料1.4新材料研究中的几个活跃问题1.5新材料制备与加工技术的现状与展望第1章新材料加工技术的现状和展望9

1.1新材料的概念

新材料：具有优异的性能而正在开发或有发展前景的一类材料。

新材料是高技术的一个组成部分，具有高技术产业的特点：

高效益高智力高投入

高竞争高风险高势能

1.1新材料的概念10

1.2新型结构材料1.2.1铝锂合金

1.2新型结构材料►锂在铝中的固溶度高►锂密度低，可大幅提高铝合金比强度在铝中固溶度超过1%原子的元素有8个，锂是其中的一个。固溶度比锂高的只有三个。锂属稀有金属，位于碱金属之首，是最轻的金属，其密度仅有0.531g/cm3。铝中每增加1%的锂，可使密度降低3%，弹性模量增加6%，折换成比弹性模量可增加9%。因而含3%锂的铝合金，比强度可提高20~40%，比刚度可提高20~30%，一架波音747-200可减轻重量5吨，年获利上千万美元。因此，铝锂合金受到航空航天工业的高度重视111.2新型结构材料

1.2.2金属间化合物

高温合金是航空发动机的关键材料

金属间化合物的突破使高温合金上了一个新的台阶。限制：材料熔点合金化程度高温合金性能提高潜力不大金属间化合物优异的耐高温性能引起广泛重视Ni3Al、NiAlTi3Al、TiAlFe3Al、FeAl121.2新型结构材料合金熔点（℃）弹性模量（GPa）密度（kg/m3）TiAl14601.703.91Ti3Al16001.454.20NiAl16402.955.86Ni3Al13901.797.50FeAl1250～14002.615.56Fe3Al15401.416.72高温合金～14002.00～8.00几种金属间化合物的物理性能13

1.2.3先进结构陶瓷

是高温、高强度中最有发展前途的一类材料。缺点：脆性、价格高，缺乏竞争力目前应用：刀具、模具、汽车发动机零件未来应用：汽车绝热发动机工业燃气轮机1.2新型结构材料1415陶瓷轴承药机磨桶陶瓷轧辊陶瓷刀片ZrO2陶瓷应用例1.2新型结构材料16

1.2.4

工程塑料

工程塑料以代替金属为目的的，适用于结构与机械部件的高性能塑料。目前工程塑料强度：>50MPa

耐高温：>150℃经过挤压大变形所形成的高分子纤维，是目前所有材料中比强度最高的可以实现用分子设计手段控制材料的性能汽车上的应用：7%1.2新型结构材料171.2.5复合材料

——结构材料的最主要发展趋势单一材料复合材料性能优化发挥长处克服不足独自特性应用广泛

性能不同强度、塑性韧性、耐热耐磨、耐蚀应用受到限制1.2新型结构材料18典型的复合材料轻金属基复合材料（增强材料：碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维）:<800℃陶瓷基复合材料（增强材料：陶瓷纤维、陶瓷颗粒）：1000～1400℃碳/碳复合材料：>1500℃层状复合材料1.2新型结构材料19先进复合材料：纤维增强复合材料

存在的问题：

◆不同组元间的结合性能

◆价格高

◆连接技术难以解决1.2新型结构材料20长纤维增强型树脂（塑料）水润滑轴承质量轻、售价低、省油1.2新型结构材料21

1.2.6高耐磨耐腐蚀材料

——要求越来越高最具发展前途的是：◆表面涂层◆表面合金化（激光处理、离子注入）◆表面耐磨耐腐蚀材料的层状复合●使用寿命提高1000倍（工具钢）100倍（硬质合金）●提高车削精度●提高智能加工线效率刀具材料金刚石膜复合刀具1.2新型结构材料221.3新型功能材料

1.3.1信息材料1.3新型功能材料信息材料信息的：获取传输存储显示处理

应用领域计算机技术通讯技术控制技术23电子管计算机与普通微机一些参数的对比

计算机体积缩小重量降低可靠性提高功能强大价格降低半导体材料集成电路制造工艺普及到世界各个角落人类文明发生飞跃1.3新型功能材料24(1)半导体材料目前所用材料仍以硅单晶为主（95%以上）但质量要求更高，单晶直径还要加大。

GaAs是仅次于硅的一种半导体材料，与硅相比，GaAs具有耐高温、耐高频、受激发光等更优异的性能，因此有利于发展高密度、高速度芯片。近年来，多孔硅的发现，使其有可能在光电子学中得到应用。1.3新型功能材料25磁盘磁带光盘磁光盘铁电薄膜(2)存储纪录材料1.3新型功能材料26计算机控制技术主要依赖于敏感元件，很多敏感材料属于氧化物陶瓷，但是有机物也可以作为敏感材料来使用，如人体的各种感知，都靠有机体的分子来进行识别。金属敏感材料中最典型的是形状记忆合金。(3)敏感材料与敏感元件1.3新型功能材料271.3新型功能材料28

(4)光导纤维医用内窥镜石英光导纤维管1.3新型功能材料29不同通讯方式相对信息总量随年代的变化1.3新型功能材料30光导纤维主要的性能指标为每公里信息的衰减率，目前已达到0.16分贝/千米，材料为掺杂石英纤维目前其衰减率已接近理论值（0.1分贝/千米），要寻求线路损耗更低的光纤可能是卤素化合物若能达到10-3～10-4分贝/千米，则可以直通2500千米而中间不需放大了1.3新型功能材料311.3.2超导材料目前Hg-Ca-Ba-Cu-O的超导转变温度已达到136K，在高压下可达164K。

由于高温氧化物超导材料的超导转变温度超过了77.3K（液氮温度），使其在液氮中得以实现，且液氮资源丰富、成本低廉，因此，从技术经济角度上为新型氧化物超导材料的实用化提供了可靠的保障。1911年：水银：4.2K

1973年：Nb3Ge：23.2K

1986年：Ba-La-Cu-O：35K1.3新型功能材料32需要：更高的使用温度 更简单的制备工艺1.3新型功能材料331.3.3非晶态材料铁损低，相当于冷轧硅钢的1/3电阻率比一般的铁基或铁镍合金高3～4倍有些非晶合金的力学性能强度高、韧性比超高强度钢好某些非晶态材料的热膨胀系数接近于零具有催化性能非晶态材料的性能1.3新型功能材料34作为软磁材料可作变压器铁芯是长寿命、音质好的磁头材料非晶态合金具有良好的耐腐蚀性能，如Fe72Cr8P13C7的耐腐蚀性能优于不锈钢。非晶态材料是一种全方位材料：材料铁损（W/kg）Fe81B13.5Si3.5C20.31Fe80B15.9Si2.4C0.90.15Fe-3.2Si（冷轧硅钢片）1.00非晶态材料与硅钢片的比较1.3新型功能材料351.3.4新能源材料(a)快中子增殖堆目前世界核电容量在3亿千瓦以上，占总发电量16%左右。所用燃料为U235，而其含量在铀中仅占0.72%，而U238占99.275%，因此铀的利用率极低。

快中子增殖堆就是利用U238作燃料，目前已实验成功，但还没有大规模投产，其原因在于其冷却靠液态金属，在高温下其抗腐蚀性很差，材料没有过关。1.3新型功能材料36(b)核聚变目前的原子能是“核裂变”的产物，利用铀235的核裂变产生热量。

铀235资源有限 放射性物质的后处理复杂且危险利用原子核靠拢、聚变的形式发出能量的核聚变是一项先进的技术。核聚变与太阳发热的原理相同，因此，被称为地上的太阳。1.3新型功能材料37为保证核聚变反应的进行，必须具备三个条件

a)粒子温度为1亿度；

b)粒子密度为100兆个/cm3；

c)约束时间为1秒。

对于实用反应堆，由于需要输出，条件更加严格，即

粒子温度：2亿度；

约束时间：2秒。1.3新型功能材料38(c)太阳能利用1.3新型功能材料39(d)风能、潮汐、地热和海水温差能源利用风能、潮汐、地热和海水温差作为能源都要受到地域的影响，目前除海水温差以外，其它三个方面都已经得到不同程度的发展，对材料的要求不言自明。1.3新型功能材料401.3.5功能高分子材料研究现状和进展有机分离膜可用于海水淡化，富氧燃烧等，在进行氮氧分离时，可使氧富集到40%，由此可提高燃效30%聚乙炔经过掺杂后可以导电目前有机体的电导率已接近于铜有机高分子材料也是良好的光导纤维、光学材料及非线形光学材料高分子磁性材料：磁性可与铁族金属相蓖美高分子形状记忆、高分子压电、高分子液晶1.3新型功能材料411.4新材料研究中的几个活跃问题材料革命（年代）时代标志拟达到目标特点第一次（1980-1984）高分子合成材料产量超过天然材料已通用高分子结构材料为主第二次（21世纪中期）微电子新材料质与量满足超技术发展要求特种结构材料和新功能材料第三次（更遥远）生物技术合成的仿生新材料的功能优于生物体合成的仿生新功能材料新材料发展的设想42

仿生材料

(性质)展望高分子催化剂、聚氨基酸、聚电介质、高分子膜（信息性）电子计算机（信息性）传感器（信息性）医用功能材料（信息性）仿生高级功能材料（第三次材料革命的目标）仿生高分子（人工酶、合成蛋白质、人工核酸、仿生生物膜）光计算机生物计算机化学传感器（嗅、味觉）人造骨、脏器、血、皮肤生物体和器官细胞人脑五觉人体器官、人血、皮肤◆第三次材料革命的设想1.4新材料研究中的几个活跃问题431.4.1生物医学材料与仿生设计（1）生物医学材料包括人体器官、生物传感器、血液制品、药物释放媒介以及外科材料。目前除了神经系统以外，几乎人体的所有器官都可以用人造材料来代替。1.4新材料研究中的几个活跃问题44人体材料相容性无血凝无害无毒长寿命力学性能匹配1.4新材料研究中的几个活跃问题45(2)仿生材料生物体是千百年演化而来的，其结构应该是最合理的。通过解剖与分析生物体的结构，可以制造更加合理的材料。蚌壳：由于碳酸钙薄层中间夹有有机物，因此强度高、韧性高；竹子：其加强筋的分布外密内疏，由此可以保持最佳的强韧性。由此制成的碳纤维增强树脂基复合材料，在数量相同的原材料条件下，其弯曲强度提高80%以上。1.4新材料研究中的几个活跃问题461.4新材料研究中的几个活跃问题471.4新材料研究中的几个活跃问题48(3)生物体系模拟如何用人造材料或器件达到生物体系功能，使工业反应器在室温条件下进行合成，使信息处理达到人脑的功能生物体系具有超乎寻常的功能。如脊椎动物的能量效率接近100%，而最好的发动机也不超过50%；人的肾上腺只有6克，而生物碱达百种以上，可随生物体情况而释放不同物质以保持人体平衡。1.4新材料研究中的几个活跃问题491.4.2纳米材料当物质颗粒小到纳米量级时，在催化、吸光、医药、磁性等方面出现很多特点。

◆表面原子数量增加，如颗粒小到10nm时，表面原子占20%，4nm时，占40%，2nm时，占80%。表面原子扩散速度快，烧结温度低，有利于陶瓷成形；

◆溶质原子的溶解度大大提高，如Bi在Cu中的溶解度：<10-4%→4%1.4新材料研究中的几个活跃问题50纳米材料的用途用磁性纳米粒子表面涂敷高分子药物注入人体，在外加磁场作用下，使药物移向病变部位，可达到治疗的目的纳米材料光性质的改变，有可能成为良好的隐身材料由纳米级颗粒制成的陶瓷可以得到超塑性1.4新材料研究中的几个活跃问题51

1.4.3开发传统材料性能的潜力

(1)高强度镁合金

21世纪的重要战略物资

世界上最令人瞩目的绿色环保工程材料

镁具有密排六方结构，加工性能差，力学性能随变形温度、变形速度以及变形程度有很大的变化

1.4新材料研究中的几个活跃问题52镁合金的特点

最轻的商用金属结构材料（镁密度：1.74）

比强度、比刚度高

尺寸稳定性好

抗划痕能力高

机械较高性能优良

具有良好的振动性能

资源丰富：贮量为金属的第八位，海水中含0.13%1.4新材料研究中的几个活跃问题53镁合金的应用目前，国外单车镁合金平均用量约3公斤/辆（VolvoLCP2000单车镁合金用量达50公斤）根据国际镁协会（IMA）的预测：到2030年世界汽车保有量将比目前增加一倍，达10亿辆。今后10年汽车工业镁合金将以15％的速度持续增长，到2005年，镁合金用量将达到10公斤/辆，镁合金年耗量达20万吨；到2010年，轿车镁合金用量将达到40公斤应用范围主要是常温低服役条件的壳体等结构零部件(如：汽车仪表板、座位架、方向操纵部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、泵阀体等)1.4新材料研究中的几个活跃问题54我国的优势我国是镁资源大国我国廉价原镁导致世界原镁价格降低我国是世界稀土大国

1.4新材料研究中的几个活跃问题55(2)钢铁材料钢铁材料的特点资源丰富，地壳中含有约4.2%（重量）的铁，到现在还有500多亿吨容易加工成各种形状，可满足各领域的需要便于大生产、质量稳定、价格低廉回收率高，回收率可达到90%。资源的循环使用，有利于环境保护1.4新材料研究中的几个活跃问题56存在的问题S含量冲击韧性钢材的洁净度低1.4新材料研究中的几个活跃问题57S含量脆性转变温度1.4新材料研究中的几个活跃问题58C、S、P、O、N、H总量，ppm10005000196019802000年代深冲钢1.4新材料研究中的几个活跃问题59钢铁材料的强度潜力未得到充分发挥

大部分钢铁材料的强度：几百MPa

理论强度：9000MPa以上。

钢铁材料的强度大有潜力可挖

理想材料实际材料伸长率屈服强度1.4新材料研究中的几个活跃问题60耐腐蚀性能需要提高目前钢铁材料的腐蚀报废率占钢铁年产总量的20～40%

全世界每年因腐蚀而报废的钢铁材料达到近1亿吨

钢铁材料的腐蚀与其洁净度有关系，钢材洁净度可以使钢材的耐蚀速度成倍变化超纯铁（99.9999%）基本不生锈1.4新材料研究中的几个活跃问题61人均占有量低

我国人均钢占有量<100公斤

世界人均钢占有量：150公斤

发达国家人均钢占有量：500公斤1.4新材料研究中的几个活跃问题62

——开发钢铁材料的潜力○日本科学技术厅：

“超级钢铁材料开发计划”

开发计划：10年（1997～2006年）总投资：1000亿日圆，相当于80亿人民币。开发目的：结构用钢铁材料的强度提高一倍，寿 命提高一倍达到节省资源和保护环境的目的该开发计划是与脑科学、信息技术、地球科学并列的四大开发计划之一。

发展趋势1.4新材料研究中的几个活跃问题63应用：

提高高层建筑高度和高速

公路的性能；

推动高防灾性城市的建设；

轻量化汽车；

高速船舶的制造。1.4新材料研究中的几个活跃问题64日本通产省

“超金属开发计划”

开发计划：5年（1997～2001年），年预算6亿日圆

研究对象：铁基、铝基等金属

开发目的：探讨金属材料在极限状态下所具有的特性

减少对某些有限资源、稀有金属的依赖性

打破过去既成的金属概念

提高金属材料的重复利用性

节约资源、节约能源

大幅度地提高金属材料的各种性能。

研究方法：开发新的工艺路线

将金属组织控制在超细晶粒的界观领域及

纳米级非晶态结构1.4新材料研究中的几个活跃问题65○

北美和欧洲联合研究新型高效钢铁材料

○

德国对开发新的高效长寿钢给予重视

○世界许多钢铁生产厂与汽车制造厂联合

开展超轻量化车体用钢

1.4新材料研究中的几个活跃问题66○我国

△“八五”、“九五”：低合金钢、轿车用钢

△攀登计划：

“新一代微合金高强高韧钢的基础研究”

△973项目：

“新一代钢铁材料的重大基础研究”

要求经济上有竞争力

在微观理论和研究方法上有突破

制造技术上有突破

高洁净化高均匀化超细化

1.4新材料研究中的几个活跃问题67应用目标

我国新世纪用新型钢铁材料屈服强度

普碳钢：以Q235为主（盘条、热轧薄板）

200→400MPa（目前：4000万吨/年）

低合金钢：以管线钢为主（高层建筑用钢）

400→800MPa（目前：2000万吨/年）

合金结构钢：机械制造用钢

800→1500MPa(目前：1000万吨/年）

上述三类钢占我国钢总产量的60%以上1.4新材料研究中的几个活跃问题68

1.4.4计算机模拟与材料设计

随着材料研究的深入与计算机技术的迅速发展，可以通过计算机模拟来预测材料的结构、性能及其相互间的关系，从而达到优化材料设计的目的。例如从量子和原子尺度出发来预测材料的各种物性，从宏观热力学角度出发绘出相图，甚至与制造技术相结合，得出最后产品的使用性能，由此，形成了一门计算材料科学，当然计算材料科学必须与实验相配合，否则难以达到实用的目的。1.4新材料研究中的几个活跃问题691.5新材料制备与加工技术的现状与展望20世纪70年代开始，人们把信息、能源、材料誉为人类文明的三大支柱

80年代以来又把新材料技术、信息技术、生物技术一起列为高新技术革命的重要标志材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础与先导70新材料和新材料加工技术的发展的突破以大规模集成电路为代表的微电子技术以载人飞船或航天飞机为代表的航空航天技术以光纤通信为代表的现代通信技术以核磁共振成像系统与磁悬浮技术等应用为典型代表的超导技术1.5新材料制备与加工技术展望71材料加工技术的分类方法检测与监控技术模拟仿真技术评价表征技术制备技术涂镀层处理技术防护技术改质改性技术各种热处理技术成形加工技术凝固成形、塑性加工、连接技术高分子材料合成、粉体制备技术1.5新材料制备与加工技术展望721.5.1材料加工技术的发展历史与现状1.5新材料制备与加工技术展望731.5新材料制备与加工技术展望74第四次材料加工技术革命中，存在一个较为普遍的问题：

新材料研制与制备加工工艺开发

的非同步发展

材料加工技术的发展，明显落后于关于材料设计、材料性能的研究进展1.5新材料制备与加工技术展望75发展材料先进制备、成形与加工技术的重要性比以往任何时候都更加突出。

进入21世纪以后，材料科学技术的发展将具有以下两个主要特征：

（1）按照使用要求来设计材料的性能，实现性能设计与制备加工工艺设计一体化；

（2）在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中，对材料的组织性能和形状尺寸实行精确控制。

1.5新材料制备与加工技术展望76

1.5.2材料加工技术的发展趋势与方向

(1)材料加工技术的总体发展趋势概括为三个综合：

“过程综合、技术综合、学科综合”1.5新材料制备与加工技术展望77研制新材料新产品确定使用性能环境条件解决的问题材料设计材料组成材料结构材料服役行为材料制备材料加工工艺材料的保护材料再利用新材料新产品学科综合的发展趋势起因于现代科学技术的发展要求“按照使用要求来设计材料性能”的特点。1.5新材料制备与加工技术展望78(2)金属材料加工技术的主要发展方向

（a）常规材料加工工艺的短流程化和高效化

打破传统的材料成形与加工模式，缩短生产工艺流程，简化工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产，提高生产效率。

例如，半固态成形、连续铸轧、连续铸挤等是将凝固与成形两个过程合而为一，实行精确控制，形成以节能、降耗、高效、优质为主要特征的新技术和新工艺。1.5新材料制备与加工技术展望79半固态加工技术目前，国外半固态加工技术已经进入较大规模工业应用的是铝合金和镁合金。铝合金半固态成形方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等；而镁合金半固态成形的成熟技术目前只有半固态触变注射成形（Thixomolding）技术。半固态加工技术的一个重要发展方向是高熔点的钢铁材料和钛合金的应用。钛合金用途广泛，但成形加工困难，开发钛合金半固态加工技术具有重要的实际意义。1.5新材料制备与加工技术展望80目前，国外铝合金和镁合金半固态加工技术已经进入较大规模工业应用阶段。对于铝合金：

流变压铸触变压铸触变锻造

NewRheocasting对于镁合金

半固态触变注射成形(thxiomolding)成熟工艺1.5新材料制备与加工技术展望81连续铸轧

连续铸轧是一种将金属熔体直接轧制成薄带坯或成品带材的工艺，自20世纪50年代以来已在铝合金等有色金属带材生产上获得广泛应用。其进一步的发展方向是高速、高精度、扩大品种规格以及在钢铁材料生产上的应用。1.5新材料制备与加工技术展望82下图：二辊铸轧金属铸轧区示意图上图：双辊倾斜式连续铸轧工艺流程示意图83(b)先进成形加工技术及组织性能精确控制非平衡凝固、电磁铸轧、电磁连铸

发展非平衡凝固技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术，可在材料的制备过程中通过冷却速度的控制或附加外场的作用，改善材料的组织，大幅度地提高材料的性能。1.5新材料制备与加工技术展望84等温成形、低温强加工

应用等温成形技术、低温强加工技术，可通过对成形加工过程和工艺参数（温度、变形程度等）的精确控制，精确控制材料的组织与性能，或发展难加工材料与难成形零部件的成形加工技术，提高材料（零部件）的附加价值。1.5新材料制备与加工技术展望85激光焊接、电子束焊接、扩散焊接、摩擦焊接

激光焊接、电子束焊接、扩散焊接、摩擦焊接等先进连接技术的发展，解决了高性能先进材料的连接技术难题，其应用范围将不断扩大；

20世纪90年代初出现的搅拌摩擦焊接技术在熔融焊接困难（如金属基复合材料）或焊缝质量要求特别严格（如宇航与军事领域）的材料连接等方面，具有潜在的应用前景。1.5新材料制备与加工技术展望86

（c）材料设计（包括成分设计、性能设计与工艺设计）、制备与成形加工一体化

发展材料设计、制备与成形加工一体化技术，可以实现先进材料与零部件的高效、近终形、短流程成形。

典型技术有喷