材料制备-新版1

材料制备一名词解释Conform连续挤压：不需借助挤压轴和挤压垫片的直接作用，即可对坯料施加足够的力以实现挤压变形；(2)挤压筒应具有无限连续工作长度，以便使用无限长的坯料。连续铸（轧）挤：连续铸挤(Castex)技术是在Conform连续挤压技术的基础上发展起来的，由英国Alform公司于1983年首先提出，霍尔顿公司联合其他公司于1986年首先将其应用于工业生产的。是将连续铸造与Conform连续挤压结合一体的新型连续成形方法。坯料以熔融金属的形式通过电磁泵或重力浇注连续供给，由水冷式槽轮（铸挤轮）与槽封块构成的环形型腔同时起到结晶器和挤压筒的作用。流变成形：金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生因相的固-液浆料(固相组分一般为50％左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)。触变成形：如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，称之为触变成形(thixoforming)。喷丸强化：喷丸强化过程是弹丸流不断冲击金属材料表层并使表层材料发生循环塑性变形,从而形成变形强化层的过程。经受喷丸循环塑性变形的表层,其材料的组织结构发生变化,亚晶粒极大细化,位错密度增高,晶格畸变增大;形成很高的宏观残余压应力;表面粗糙度和表面形貌也都发生变化。材料表层发生的各种变化,将明显地提高材料的抗疲劳和应力腐蚀性能,使材料表面性能得到强化。注浆成形：亦称浇注成型（SlipCasting）是基于多孔石膏模具能够吸收水分的物理特性，将陶瓷粉料配成具有流动性的泥浆，然后注入多孔模具内（主要为石膏模），水分在被模具（石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均匀泥层，脱水干燥过程中同时形成具有一定强度的坯体，此种方式被称为注浆成型。动磁压制技术：美国的3个研究单位在1995年联合研发的一种新技术：通过调制脉冲改变电磁场对粉末施加的压力从而将粉末压制成形。动磁压制技术虽然也是二维压制工艺，但与传统的粉末冶金压制工艺不一样的是，动磁压制技术是径向由外向内的压制，而不是轴向压制。高速压制：瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快500～1000倍,其压头速度高达2～30m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的重锤(5～1200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。离子镀：离子镀是将镀层材料气化并电离成离子，通过扩散和电场作用，沉积于制件表面，形成与基体牢固结合的满足所需性能的镀覆层。电镀：电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、光滑性、耐热性和表面美观。微波烧结：微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了粒子间的活化能，加速材料的致密化。它比传统电炉以热传导、热对流和热辐射的外部加热方式有更高的效率。避免了外部加热由于内外温度梯度而造成烧结体裂痕或大幅度变形等缺陷。放电等离子烧结：放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering）简称SPS，是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。该技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，因此有时也被称为等离子活化烧结或等离子体辅助烧结。将金属等粉末装入由石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲和通电电极将特定烧结电源和压制压力施加在烧结粉末。经放电活化、热塑变形和冷却阶段完成制取高性能材料或制件的一种方法。是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。热等静压烧结：在高温高压密封容器中，以高压氩气为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料(或零件)施加各向均等静压力，形成高致密度坯料(或零件)的方法。离子束溅射：离子枪产生一定束强度、一定能量的离子流，以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面形成薄膜。高真空度下进行，气体杂质污染小，容易提高薄膜的纯度；离子束溅射在衬底附近没有等离子体存在，不会产生等离子体轰击导致衬底温度上升、电子和离子轰击损伤等问题；可以精确控制离子束能量、束流的大小和方向，溅射出来的原子可以直接沉积，很适合作为一种薄膜的沉积研究手段。金属陶瓷：是一种由金属或合金同陶瓷所组成的非均质复合材料，金属陶瓷性能是金属与陶瓷二者性能的综合，故起到了取长补短的作用。金属陶瓷中的陶瓷相通常由高级耐火氧化物(如Al2O3，ZrO2等)和难熔化合物(TiC，SiC，TiB2，ZrB，Si3N4，TiN3等)组成。作为金属相的原料为纯金属粉末，如Ti、Cr、Ni、Co等或它们的合金。高密度合金：高比重合金是一类以钨为基体（W含量85-99%），并添加有Ni、Cu、Co、Mo、Cr等元素组成的合金。高密度合金，具有密度大(13.0g/cm3-18.5g/cm3)，抗拉强度高、弹性模具高、热膨胀系数低以及良好的射线吸收能力、导热性、导电性、耐电蚀性、耐高压性能，并且具有良好的机械加工性能、压力加工特性。醇盐水解法：金属醇盐：一般可溶于水中，遇水后很容易分解成乙醇和氧化物或水合物，金属醇盐具有挥发性，因而易于精制。因为金属醇盐水解时不需要添加其他离子，因而可获得高纯度的粉体，获得的颗粒直径可以达到几纳米到几十纳米。由金属醇盐水解可以制备陶瓷粉末，当合成含有多种金属元素的陶瓷粉末时候，可以用两类醇盐溶液。醇盐，醇分子中羟基中的氢被金属取代的化合物。例如甲醇钠CH3ONa和乙醇钠C2H5ONa。溶胶凝胶法：在常温或近似常温下把金属醇盐溶液加水分解，同时发生缩聚反应制成溶胶，再进一步反应形成凝胶并进而固化，然后经低温热处理而得到无机材料的方法。由于加热的温度远远低于氧化物的熔化温度，所以被称为低温合成法。也由于利用了加水分解、缩聚等化学反应，所以又可叫做玻璃的化学合成法。冷冻干燥法：将金属盐水溶液喷雾至低温的有机液体上，液滴在瞬间冻结，经低温减压下的升华而脱水，然后经热分解而制成粉末，从而获得组成均匀、反应性和烧结性良好的细粉。用这种方法时，因为干燥过程中的冻结粒子不产生收缩，所以制成的粉末表面积大，表面活性也高。二简答题：举例说明几种特种铸造（制备）技术。①熔模铸造是一种精密铸造方法。先用易熔材料制成模型或浇注系统，然后用造型材料将其包住，经过硬化后，加热熔失模型，制成无分型面的硬壳型，再在铸型中浇注液态合金铸成铸件。由于模型广泛采用蜡质材料制造，所以熔模铸造又称“失蜡铸造”。②压力铸造简称压铸，是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室内，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形和结晶而获得铸件的一种铸造技术。压力铸造简称压铸，是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室内，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形和结晶而获得铸件的一种铸造技术。③将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成形的铸造方法称为离心铸造。复合铸造：①水平磁场(LMF)制动复合连铸法：②③激光表面加工：①②③半固态浆料：①电磁搅拌法：是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸形方向的强磁场对处于液－固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。②机械搅拌法：机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中的金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。机械搅拌法分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。③液态异步轧挤法：其实质是剪切-冷却-轧制(shearing-coolin-rolling)，简称SCR法，其工艺原理是：利用一个机械旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、破碎,并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料，是一种高效制备半固态坯料的方法。化学法制备纳米：①溶胶－凝胶法：在常温或近似常温下把金属醇盐溶液加水分解，同时发生缩聚反应制成溶胶，再进一步反应形成凝胶并进而固化，然后经低温热处理而得到无机材料的方法。由于加热的温度远远低于氧化物的熔化温度，所以被称为低温合成法。也由于利用了加水分解、缩聚等化学反应，所以又可叫做玻璃的化学合成法。②水热法：是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点，一是其相对低的温度，二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。③溶剂热合成法：用有机溶剂（如：苯、醚）代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。非水溶剂代替水，不仅扩大了水热技术的应用范围，而且能够实现通常条件下无法实现的反应，包括制备具有亚稳态结构的材料。热喷涂技术：①电弧喷涂：是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术。电弧喷涂是钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂方法。电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源、控制装置、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。②等离子喷涂：进行等离子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000K，喷嘴出口的温度可达15000～20000K。焰流速度在喷嘴出口处可达1000～2000m/s，但迅衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成膜。③水稳等离子喷涂：这种方法的工作介质不是气而是水，它是一种高功率或高速等离子喷涂的方法，其工作原理是:喷枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧。由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，因此，可喷涂高熔点材料，特别是氧化物陶瓷，喷涂效率非常高。溅射技术：①磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。②离子束溅射：离子枪产生一定束强度、一定能量的离子流，以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面形成薄膜。③射频溅射：是利用射频放电等离子体中的正离子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术。用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段(5~30MHz)所以这种溅射方法称为射频溅射。

2、简述物理气相沉积原理及其应用。物理气相沉积：物理气相沉积(physicalvapordeposition，PVD)是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。相对于化学气相沉积而言，具有以下几个特点：(1)需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；(2)源物质经过物理过程而进入气相；(3)需要相对较低的气体压力环境；(4)在气相中及在衬底表面并不发生化学反应。应用：电子束物理气相沉积被广泛应用于航空、航天、船舶和冶金等工业领域。而离子镀广泛用于机械、电子、航空、航天、轻工、光学和建筑等部门，用以制备耐磨、耐蚀、耐热、超硬、导电、磁性和光电转换等镀层。化学气相沉积：原理：气相元素或化合物被输运到基体(衬底)表面附近，在一定条件下使它们发生化学反应，并在基体表面发生固相反应成膜。化学反应大致可分为分解反应(热分解)、还原反应、氧化反应、水解反应、聚合反应和输运反应等。使化学反应激活的方法包括加热、高频电压、激光、X射线、等离子体、电子碰撞和催化等。应用：耐磨镀层：以氮化物、氧化物、碳化物和硼化物为主，主要应用于金属切削刀具。在切削应刷中，镀层性能上主要包括硬度、化学稳定性、耐磨性、低摩擦系数、高导热与热稳定性和与基体酬结合强度。这类镀层主要有TiN、TiC、TaC、HfN、Al2O3、TiB2等，都已得到应用；摩擦学镀层：降低接触的滑动面或转动面之间的摩擦系数，减少粘着、摩擦或其他原因造成的磨损。这类镀层主要是难熔化合物。在镀层性能上主要是硬度、弹性模量、断裂韧性、与基体的结合强度、晶粒尺寸等。高温应用镀层：镀层的热稳定性。高分解温度的难熔化合物，比较适合予高温环境应用。涉及到反应性气氛，就须考虑它的氧化和化学稳定性，可选用难熔化合物和氧化物的混合物。此外有相容的热膨胀特性和强度，如环境有经常性的热震，选择难熔金属硅化物和过渡金属铝化物。这类应用包括火箭喷嘴、加力燃烧室部件、返回大气层的锥体、高温燃气轮机热交换部件和陶瓷汽车发动机缸套、活塞等。开发新材料：陶瓷材料中增韧的化合物晶须可用CVD来生产，已有的Si3N4、TiC、Al2O3、TiN、Cr3C2、SiC、ZrC、ZrO2等。金属注射成形：是一种从塑料注射成形行业中引伸出来的新型粉末冶金近净成形技术，众所周知，塑料注射成形技术低廉的价格生产各种复杂形状的制品，但塑料制品强度不高，为了改善其性能，可以在塑料中添加金属或陶瓷粉末以得到强度较高、耐磨性好的制品。近年来，这一想法已发展演变为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的烧结过程中完全除去粘结剂并使成形坯致密化。这种新的粉末冶金成形方法称为金属注射成形。应用：1.通常小于50g的零件2.具有复杂的集合外形3.能够大批量生产（超过10000件）4.材料要求强度高、硬度大5.联合设计的新项目6.直接为注射成型设计的零件产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域。（金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与粉料一起注入成形模中，施于低而均匀的等静压力，使之固结成形，然后脱粘结剂烧结。这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的复杂形状结构（如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等）制品，具有更高的材质密度（93%~100%的理论密度）和强韧性，并具有材质各向同性等特性。目前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术并已进入工业化生产阶段。金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通信器械元件(如手机的情报通信器械和计算机的OA器件)、电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点：其结构小而复杂，密度和精度高等。制作材料除铁镍合金外，还有钛及钛合金、铝及铝合金、超硬合金和重合金等。）半固态加工：金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生因相的固-液浆料(固相组分一般为50％左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)。如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，称之为触变成(thixoforming)。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工(semi-solidformingorprocesingofmetals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solidmetallurgy)。应用：（1）在铝合金制备中的应用：目前半固态金属成形应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。（2）在其它材料中的应用：对于镁合金和铜合金，也可以应用SSM成形技术，并且已经取得了一些成果，可以用这种方法制造出质量优良的零件。（3）应用于复合材料的制备。半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度.等离子体活化烧结：SPS烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，其烧结的中间过程还有待于进一步研究。SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita最早提出放电等离子烧结的观点，他认为：粉末颗粒微区还存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分，使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇式快速放电。应用：由于其独特的烧结机理，SPS技术具有升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、节能环保等特点，SPS已广泛应用于纳米材料、梯度功能材料、金属材料、磁性材料、复合材料、陶瓷等材料的制备。温压成型技术：它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成型技术。应用：压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造机械制造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。离子注入：其基本原理是:用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。应用：（1）在微电子工业中的应用。主要集中在集成电路和微电子加工上。引发了从集成电路(IC)发展到大规模集成电路(VLSI)、超大规模集成电路(ULSI)和吉规模集成电路(GSI)的一场微电子革命；（2）在核反应堆材料模拟试验中的应用。在原子反应堆中，材料都受到中子束和离子照射，而引起核反应堆中材料体积的变化，特别是堆中的核心－燃料元件包壳材料和核燃料的肿胀，给反应堆的安全运行带来很大的影响；（3）在刀具。氮的强离子束易于获得，在用氮离子注入加工较轻质的工具，可使寿命提高2-12倍，而且注入件的刀口锋利，加工效率高。等。喷射沉积：合金熔液经过喷射雾利后形成高速飞行的液滴。这些液滴在完成凝固之前沉积在激冷汗基板上快速凝固。通过连续沉积可获得大尺寸的快速凝固制件。应用：三论述试述非晶态材料的特点及其制备技术。答：非晶态材料具有三个基本特征。①只存在小区间内的短程序，而没有任何长程序；波矢

k不再是一个描述运动状态的好量子数。②它的电子衍射、中子衍射和

X射线衍射图是由较宽的晕和弥散的环组成；用电子显微镜看不到任何由晶粒间界、晶体缺陷等形成的衍衬反差。③任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。当连续升温时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构变化，从非晶态转变为晶态，这个晶化过程主要取决于材料的原子扩散系数、界面能和熔解熵。制备技术：液相急冷和从稀释态凝聚等，包括蒸发、离子溅射、辉光放电和电解沉积等，近年来还发展了离子轰击、强激光辐照和高温压缩等新技术。溅射法：是利用高能离子去轰击阴极靶材，将其动量直接传送给靶材原子，使其向外飞溅，附着在阳极基板上获得靶材的非晶薄带。真空蒸镀法：在高真空中合金被加热蒸发，蒸发的蒸气沉积在液氟或液氯冷却的冷基板上形成非晶薄膜。试述液相法制备纳米粉末的方法及原理。答：①共沉淀法在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，使金属离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。②均匀沉淀法：在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质，使溶液中的沉淀均匀出现，称为均匀沉淀法。③水热法：是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采