材料加工技术工程学

资料加工技术工程学资料工程叶旭初2006年6月1日一、资料加工资料加工：资料制备和资料加工资料制备：把各种原子、分子以及更高一级聚集形状结合起来制成资料所采用的各种化学方法和物理方法；资料加工：对原子、分子以及更高一级聚集形状进展控制而获得所需求的性能和外形尺寸(以性能为主)所采用的方法(以物理方法为主)，它是获得适用资料质量和效率的关键技术、如高分子型材、凝固技术、钢板的轧制、气相堆积制膜、陶瓷成型等。资料制备和资料加工的定义虽存在一定的差别。但在资料科学与工程中的界限上变得越来越模糊，正在逐渐变成一个延续的一致体。

首先，由于在选择资料的各种制备方法时必需思索随后为构成适用资料而进展的加工。如采用粉末冶金的方法制造发动机涡轮盘，总是希望原始粉末尽能够细小以便于压实和防止较大尺寸的夹杂，当然粉末细小呵斥原始外表增大而导致外表氧化严重。

其次，现代资料的开展经常把制备和加工连成一体了，如聚合物的反响注射成型以及熄灭合成精细铸造技术便是很好的例子，资料的制备和加工是同时进展的；资料学：1、资料呈现的性质或景象以及运用性能是是资料学首要问题。

2、资料性质以及运用性能与构成资料的成分和各种层次上的构造相互关系。包括元素的种类和他们的构造陈列，资料学第二类问题。

因此“成分—组织—性能〞的三角关系是早期资料学研讨方式。工程学——资料加工工程产品－消费技术〔工艺〕－配备－控制－其它1、掌握资料学的研讨成果；2、过程配备的创新想象；3、第一套配备的开发；4、规模化－工业放大－工程推行〔消费研讨〕；资料学－工艺学研讨的范围资料加工过程安装过程控制电器其它消费研讨资料加工、制备技术工程学的主要研讨内容：〔1〕安装任务原理、影响规律等机理性研讨〔2〕第一套安装的开发研讨〔3〕工程化研讨〔改良、新建〕〔4〕工业化的消费管理研讨〔经济〕等与工业化消费相关的一系列其它活动研讨。资料加工工程学的主要知识构造(1)加工工艺知识(2)工程根底实际知识〔力学－流膂力学、传热、传质、反响动力学等〕(3)工程设计知识二、资料制备和加工的主要技术粉体制备、粉体成型与烧结、反响加工、凝固、纤维制备、薄膜制备、外表改性和涂层、塑性加工、高分子的合成、高分子资料成型与加工、特种冶金、焊接与胶接、化学微组装与生物微组装等大规模消费技术〔无机：水泥、陶瓷、玻璃、耐火资料、磁性资料等，钢材：冶金〕三、资料制备和加工的典型技术举例1、直接金属氧化法

直接金属氧化法(directionmetaloxidemethod,DI-MOX法)是美国Lanxide公司研讨开发出的用以制备复合资料的技术。利用周围气体与金属熔液间的反响制造复合资料。其工艺流程是：①用冷压机把陶瓷粒子或纤维等加强资料加压成型，制成预型件；②把预型件和金属(如Al)—起放入反响器内，在高温下(铝为900—1400℃温度范围)将金属熔化，金属液在全过程(包括向预型件中浸透的过程)中与周围气氛不断反响生成氧化物、氮化物或碳化物〔例如铝液在大气中生成AI2O3〕；③反响终了得制品。图2.5-9所示为DIMOX法制备复合材科的过程表示。2、液相－气相反响法液相－气相发应法〔liquid-gasreactionmethod,VLS〕，是1989年由美国Drexel大学的Koczak和Kumar发明并申报美国专利的反响自生复合资料的新技术。其根本原理是将含有C等元素的气体〔如CH4〕经过导管和气体分散器，在一定温度下导入合金液，气体分解得到的元素与合金液中的反响生成硬质相颗粒，从而制备出复合资料，特别是金属基复合资料。图2.5-10所示为VLS法制备复合资料简图。稀土功能资料的产业化完成了N50系列高档烧结钕铁硼磁体的批量化消费，开场试制N53系列产品。产品性能N50系列高档烧结钕铁硼磁体高性能钕铁氮磁粉消费线正在调试气流磨大型气淬烧结炉双分级气流磨200kg熔炼炉

先进镁合金及其运用研讨合金开发样品试制合金消费运用消费500MPa碳素钢先进工业化制造技术气－液混合反应聚乙烯醇纤维

聚乙烯醇纤维是合成纤维的一类，其常规产品是聚乙烯醇缩甲醛纤维(Polyvinylformalfiber)，在我国俗称维纶，或维尼纶。PVA→水洗→脱水→溶解→混合→过滤→脱泡→纺丝溶液(1)干湿法纺〔drywetspinning)又称为干喷湿纺，是一种将干法和湿法特点结合起来的纺丝方法。干湿法纺丝时，纺丝溶液从喷丝头挤出后，先经过一段空气层．然后进入凝固浴．图2.7-12为干湿法纺丝表示。从凝固浴导出的初生纤维的后处置过程与普通湿法纺丝一样。碳纤维碳纤维〔carbonfiber)具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电传热等众多优点。碳纤维主要有纤维素基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维(polyacrylonitrile-basedcarbonfiber)和沥青基碳纤维。纤维素基碳纤维由于消费技术复杂，消费本钱高，这类碳纤维己甚本淘汰。化学气相堆积制造碳纤维。真空蒸发镀膜技术

真空条件下加热被蒸镀资料、使其熔化(或升华)并构成由原子、分子或原于团组成的蒸气，凝结在基底外表成膜。蒸镀是一种开展较早的镀膜技术，方法简单，曾经在光学、微电子学、磁学、装饰、防腐蚀等方面得到了广泛运用。如：电于束蒸发(e-beamevaporation)用电子束加热水冷铜坩锅中的蒸发资料使其熔融或升华汽化并凝结在基底外表成膜。常用的电子枪有远聚焦直枪、2700。磁偏转枪(e型电子枪)和空心阴极电子枪。如图2.8-2，图2.8-3所示。空心阴极电子枪又有？管阴极和六硼化镧阴极两种。目前主要采用e型电子枪。被镀膜的基片电弧离子镀电弧离子镀是蒸发源为电弧源的离子镀。图2.8－4所示为电弧离子镀膜任务原理。图2.8－4中阴极是靶材，真空室接地作阳极。在点火器与阴极任务面间隔适当时产生的电离火花激发阴极任务外表、产半直径为0.01－100μm的亮堂弧斑。运动的斑区温度高达数千至数万度、并喷发出电子、离子、熔融的阴极资料微粒和原子。工件工件偏置电源真空室壁阴极屏阴极化学气相堆积的安装化学气相堆积按化学反响中能量获得的方式可分为热CVD，等离子体加强CVD〔chemicalvapordeposition〕，其中热CVD是比较传统的CVD技术，等离子体加强CVD，激光和光CVD是新开展期来的CVD技术。(1)化学气相堆积系统化学气相堆积系统普通由三大部分组成。即反响物供应系统、堆积室、尾气处置系统。图2.8-5是典型的CVD安装表示。(2)反响物供应系统a.反响物输运。反响物必需以气体形状引入列堆积室中，假设反响物在室温下是液态，可以将其加热汽化，然后由载气将共蒸气带入堆积室。b.反响物的纯化。随着运用领域对化学气相堆积的薄膜质量要求越来越高，化学气相堆积对反响物的纯度要求也越来越高，由于反响物中的杂质是呵斥薄膜缺陷的主要缘由。气体的纯度通常被表示为几个九，如六个九，即表示纯度到达99．9999％。有时纯度也可以根据杂质的含量表示为106(百万分之一)或109(十亿分之—)。等离子体加强化学气相堆积

等离子体加强CVD系统等离子体加强CVD的系统和普通CVD的区别主要在于堆积室合用于产生等离子体的单元。在大多数等离子体加强CVD的系统中，等离子体是由平行电极之间的射频或微波辉光放电产生的。图2.8-6所示是射频等离子体加强化学气相堆积(radiofrequencyplasmaenhancedchemicalvapordeposition)系统表示。

气相外延生长的设备气相外延生长设备可分为两个独立的根本组成部分，即气体分配单元和堆积室。气体分配单元的功能是对气体反响物按准确比例进展混合，并按一定程序送入堆积室，其主要构件包括质量流量控制器和压力控制器．所采用阀门和流量计都必需能防止污染。否那么，会给薄膜带来污染。在多数气相外延系统的设计中，气体分配单元都是大同小异的．而堆积室那么因生长化学过程和所需产品不同而有很大差别。图2.8-7是常见的几种气相外延生长堆积室的构造。等离子弧喷焊(plasmaarcwelding)是采用转移型等离个弧为主要热源，在金属基材外表喷焊合金粉末的方法。等离子弧原理如图2.9—24所示。普通采用两台整流电源，将负极并联在一同，经过电缆接至喷抢的电极，其中—台电源的正极接喷抢的喷嘴，用于产少非转移弧。另一台电源的电极接工件，用于产生转移弧。冷却水经过水电缆引入喷枪，冷却喷嘴和电极。采用氩气作离子气，引入喷枪。电源接通后、借助高频火花引燃非转移弧．继而利用非转移弧射流在电极与工件间呵斥的导电通道，引燃转移弧。在建立转移弧的同时或之前，由送粉器向喷枪供应合金粉末，吹人电弧中，并放射到工件上，因此转移弧一建立，就在任务件上构成合金熔池．使合金粉末在工件上熔融。随着喷枪和工件的相对挪动，液态合金逐渐凝固，构成合金喷焊层。电弧喷涂[electricarcspraying)是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作热源来镕化金属丝材，用紧缩空气进展雾化的热喷涂方法。图2.9－25所示是其喷涂表示。喷嘴端部成一定角度的延续送进的两报金属丝，分别接直流电源的正负极。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产小电弧，将两根丝材的端部同时熔化，由电弧发生点的背后放射出的紧缩空气，使熔化的金屑脱离并雾化成微粒，在高速气流的作用下。放射到制备好的基材外表上而构成喷涂层。爆炸喷涂(explosionspraying)是以忽然迸发的热能加热熔化喷涂资料并使熔粒加速的热喷涂方法。原理如图2.9—26所尔，将一定比例和流量的乙炔和氧气引入内径为25mm的水冷枪简内，与同时引入的喷涂粉末混合。经过火花塞点火瞬间引爆，枪筒内的温度忽然上升到3300℃以上．气体熄灭的速度超越音速的十倍，构成冲击波，爆炸的热能将喷徐粉末加热到熔融或半熔殿形状，并使熔粒加速到2倍音速喷出，撞击到基体外表构成涂层。以后将氮气引入枪周内置换．直到下一个爆炸过程开场。通入气体和粉末的爆炸过程，每秒可反复进展1～8次，根据涂层所要求的厚度可以反复进展。压制技术:轧制可以在加热形状下进展(热轧),也可以在低于再结晶的温度下进展(温轧),也可以再室温下进展(冷轧).同时,也可以根据轧制的受力和变形方式来进展分类,通常可分为：板带、箔材轧制、纵轧成型轧制、横轧成形压制、斜轧成型、楔横轧等。管材轧制:模锻:模锻是一种批量消费金属锻件的工艺方法，它是金属资料在一定外形的模腔内变形，可以消费出外形和尺寸都接近废品零件的模锻件。和自在锻造相比，模锻可以节省零件的机加工任务量和材科的耗费，提高劳动消费率串以及提高整批产品的质量稳定性。运用模锻工艺可以制造外形非常复杂的锻件，可以使锻件获得良好的纤维组织以及高的力学性能，但是模锻需求运用大功率的锻压设备和昂贵的摸具，普通在对零件的组织性能有较高要求而且消费批量比较大时，选用模锻才适台。旋转锻造

旋转锻造简称旋锻，是模锻的一种特殊方式。它运用一副或多副〔最多可达8个〕对击的锤头来消费精细轴类件的锻造工艺，锻造时坯料旋转送进，在锤头的打击下到达减小直径，增大长度和成型的目的。挤压技术〔1〕正挤压金属流动方向与挤压轴方向一样，钉坯与挤压筒有较大的相对运动，缩需挤压力较大。挤压消费型材时，通常采用平模后或分流组合模挤压。平模挤压时，模口的定径带的长度设计是一个重要的要素，分流组合模挤压时，分流孔的设计是非常重要的。〔2〕反挤压金属流动方向与挤压轴的运动方向相反。但消费效率较低，通常运用于消费一些塑性较差的金属。〔3〕结合挤压这种方法既有正挤压，又有反挤压，故称结合挤压。管材穿孔－挤压过程属这类方法，穿孔时金属向相反方向流动为反挤压，穿孔后，金属正挤压成管材。拉拔方法〔1〕实心材拉拔〔2〕空拉〔3〕长芯杆拉拔(4)固定短芯头拉拔(5)游动芯头拉拔在连铸连轧技术

目前，世界各国有色金同连铸设备多达数十种，其突出的优点是：液态金属能一次成坯或成材，简化了消费过程节约大量的投资；可省去一至两道加热过程，大大降低能耗；可防止每根铸锭由于缩孔、疏松和夹杂等缺陷所需求的切去头尾。提高了成材率，可大大改善劳动条件。四、资料加工工程学的定位与研讨内容产品－消费技术〔工艺〕－配备－控制－其它资料加工定位：1、掌握资料学的研讨成果；2、过程配备的创新想象；3、第一套配备的开发；4、规模化－工业放大－工程推行〔消费研讨〕；工程学资料学－工艺学研讨的范围资料加工过程安装过程控制电器其它消费研讨研讨主要内容资料加工、制备技术工程学的主要研讨内容：〔1〕安装任务原理、影响规律等机理性研讨〔2〕第一套安装的开发研讨〔3〕工程化研讨〔改良、新建〕〔4〕工业化的消费管理研讨〔经济〕等与工业化消费相关的一系列其它活动研讨。资料加工、制备技术的主要知识构造－知识构造是一个非常复杂的问题简单三大类：(1)加工工艺知识(2)工程根底知识〔力学、热工、反响动力学等〕(3)工程设计知识本报告：关于资料制备和资料加工的一点思索五、资料加工机理研讨的几个举例热丝CVD研讨存在的问题：温度场不均匀，产品性能不理想，工件放大困难。电加热丝灯丝加工件论文结论〔流动、传热、传质－反响器设计〕1.在对金刚石各种气相生长工艺进展系统学综合对比分析的根底上,以HFCVD为范例。进展了生长形状参数空间场模拟计算和实验研讨,证明由于热阻塞和热绕流效应,降低了外传质,使自在空间准静态HFCVD生长金刚石的速率难以提高,而构成的温度场不均匀性那么会影响膜层质量。2.采用管道流动反响方式进展金刚石气相生长,有利于消除热绕流。为此,要求热丝在管道横截面内均匀分布,并采用绝热壁边境条件。3.在消除热绕流条件下,反响器处于外传质控制形状,可按照质量作用定律,经过添加反响气体质量通量,来提高金刚石生长速率。4.采用分别送入反响气体任务方式,可以显著减轻钨丝碳化,有利于延伸钨丝寿命。5.本项研讨结果为大面积高速气相生长金刚石反响器设计提供了实际根据,并在此根底构成了对于热丝化学气相生长金刚石新型反响器的想象。〔2002〕论文结语微电子资料制造中反响器设计的根本目的之就是薄膜资料可以在衬底上均匀快速高质量生长热丝法化学气相堆积系统中,薄膜资料生长依赖于碳源浓度!衬底温度和气体流动等生长条件与环境本文数值模拟了单热丝CVD系统内衬底外表的辐照度分布和温度分布"基于辐射热平衡计算得到的温度分布与衬底外表辐照度分布类似,存在较强的不均匀性"计入衬底横向热传导后,衬底外表温度分布的均匀性提高,在一定程度上为生长大面积质量良好的薄膜发明了有利条件"阿姆斯特丹大学(2002)采用CFD技术对聚合物成型过程中的流变过程进展的研讨微射流喷涂过程研讨(1998)CFD技术模拟中的网格划分图玻璃电熔窑内脱气过程的研讨〔流动轨迹、电场分布〕醋酸乙烯的聚合反响研讨－金山石化螺带搅拌浆七、资料工程系主要