前沿材料科學(xué)

1、前沿材料科學(xué)第一頁，共199頁。前沿材料科學(xué) 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：32 學(xué)分?jǐn)?shù)：學(xué)分?jǐn)?shù)：2.0第二頁，共199頁。一、課程的目的：一、課程的目的：了解復(fù)合材料科學(xué)、納米科學(xué)、超導(dǎo)科學(xué)、半固態(tài)加工科學(xué)、超聲加工科學(xué)、激光加工科學(xué)等先進(jìn)材料科學(xué)的基本原理、基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法、主要特點與應(yīng)用等內(nèi)容對前沿材料科學(xué)體系形成較為系統(tǒng)的認(rèn)識第三頁，共199頁。二、課程教學(xué)內(nèi)容：二、課程教學(xué)內(nèi)容：共分6章第一章第一章 復(fù)合材料科學(xué)復(fù)合材料科學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容：介紹復(fù)合材料科學(xué)的基本情況，包括復(fù)合材料的基本概念、特點、研究方法和加工技術(shù)等內(nèi)容目的：目的：了解復(fù)合材料科學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展、與其它科學(xué)的交叉和應(yīng)用第四頁，共199

2、頁。第二章第二章 納米科學(xué)納米科學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容：介紹納米科學(xué)的基本情況，包括納米技術(shù)的基本概念、特點、加工技術(shù)等內(nèi)容目的：目的：了解納米科學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展、與其它科學(xué)的交叉和應(yīng)用第五頁，共199頁。第三章第三章 超導(dǎo)科學(xué)超導(dǎo)科學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容：介紹超導(dǎo)科學(xué)的基本情況，包括超導(dǎo)科學(xué)的基本概念、特點、研究方法等內(nèi)容目的：目的：了解超導(dǎo)科學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用第六頁，共199頁。第四章第四章 半固態(tài)加工科學(xué)半固態(tài)加工科學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容：介紹半固態(tài)加工科學(xué)的基本情況，包括半固態(tài)加工的基本概念、特點、加工技術(shù)等內(nèi)容目的：目的：了解半固態(tài)加工的產(chǎn)生、發(fā)展、與其它科學(xué)的交叉和應(yīng)用第七頁，共199頁。第五章第五章 超聲加工

3、科學(xué)超聲加工科學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容：介紹超聲加工科學(xué)的基本情況，包括超聲加工的基本概念、特點、加工技術(shù)等內(nèi)容目的：目的：了解超聲加工的產(chǎn)生、發(fā)展、與其它科學(xué)的交叉和應(yīng)用第八頁，共199頁。第六章第六章 激光加工科學(xué)激光加工科學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容：介紹激光加工科學(xué)的基本情況，包括激光加工的基本概念、特點、加工技術(shù)等內(nèi)容目的：目的：了解激光加工的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用第九頁，共199頁。主要教學(xué)參考書：主要教學(xué)參考書：1.復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)/湯佩釗編著，重慶大學(xué)出版社，19982.功能材料與納米技術(shù)/李玲、向航編著，化學(xué)工業(yè)出版社，20023.半固態(tài)金屬加工技術(shù)及其應(yīng)用/謝水生、黃聲宏編著，冶金工業(yè)出版社，19994

4、.現(xiàn)代加工技術(shù)/張遼遠(yuǎn)編著，機(jī)械工業(yè)出版社，2002第十頁，共199頁。考核方式：考核方式：提交報告（35人一組）課程宗旨：課程宗旨：不是負(fù)擔(dān)，輕松學(xué)習(xí)，獲得知識第十一頁，共199頁。三、前沿科學(xué)及其交叉三、前沿科學(xué)及其交叉石器時代青銅器時代鐵器時代現(xiàn)代中國目前就有960多個重點學(xué)科這些學(xué)科就象金字塔一樣，以雄厚的基礎(chǔ)支撐著活躍在科技領(lǐng)域的前沿學(xué)科復(fù)合材料科學(xué)、半固態(tài)加工科學(xué)和超聲振動科學(xué)及其交叉第十二頁，共199頁。1 復(fù)合材料科學(xué)及其交叉復(fù)合材料科學(xué)及其交叉二十世紀(jì)六十年代以來，對工業(yè)材料提出了越來越苛刻的要求，傳統(tǒng)材料力不從心，復(fù)合材料應(yīng)運而生第十三頁，共199頁。二十世紀(jì)九十年代，美國

5、和前蘇聯(lián)等的科學(xué)家進(jìn)行聲學(xué)研究與復(fù)合材料研究交叉1.1 復(fù)合材料科學(xué)與聲學(xué)科學(xué)的交叉復(fù)合材料科學(xué)與聲學(xué)科學(xué)的交叉科技難題：科技難題：軍事裝備的隱身問題利用陶瓷鐵氧體、碳黑、塑料、磷酸鹽等材料復(fù)合成高損耗吸波復(fù)合材料特點：特點：可吸收不同頻率的聲波和電磁波導(dǎo)致了隱形飛機(jī)和隱形艦艇等高科技產(chǎn)品的問世美國隱形轟炸機(jī)，縱橫馳騁，無所顧忌第十四頁，共199頁。1.2 復(fù)合材料科學(xué)與納米加工科學(xué)的交叉復(fù)合材料科學(xué)與納米加工科學(xué)的交叉二十世紀(jì)八十年代，德國物理學(xué)家格蘭特開發(fā)了納米級超細(xì)粉末，給材料領(lǐng)域帶來了巨大的變化科技難題：科技難題：高溫陶瓷復(fù)合材料的燒結(jié)問題特性之一：特性之一：熔點的降低。2納米金粉末金

6、的熔點106433將納米材料的這一特性交叉到復(fù)合材料學(xué)科中，可利用納米粉末在低溫下制備出采用常規(guī)粉末在極高溫下也很難制備的高溫陶瓷復(fù)合材料第十五頁，共199頁。1.3 復(fù)合材料科學(xué)與磁學(xué)科學(xué)的交叉復(fù)合材料科學(xué)與磁學(xué)科學(xué)的交叉本世紀(jì)初，美國科學(xué)家理查德.波斯特將磁學(xué)研究交叉在復(fù)合材料研究領(lǐng)域科技難題：科技難題：磁懸浮問題利用鐵、硼、釹等材料制備了超級磁性復(fù)合材料特點：特點：產(chǎn)生的磁場全部指向同一方向，無需電力就可將列車懸浮起來在美國航空航天局的資助下，磁懸浮列車的速度達(dá)到了640 km/h第十六頁，共199頁。半固態(tài)加工處于固液二相區(qū)，可利用擠壓手段將含有雜質(zhì)的液體擠出，留下初生純固相，然后再從

7、新進(jìn)行半固態(tài)擠壓，進(jìn)一步提純，這樣一次一次地提純，最后就可獲得超純材料半固態(tài)加工與超純材料研究學(xué)科的交叉半固態(tài)加工與超純材料研究學(xué)科的交叉科技難題：科技難題：超純材料的制備問題日本科學(xué)家利用半固態(tài)擠壓技術(shù)制備出了純度為15個9的半導(dǎo)體材料2 半固態(tài)加工科學(xué)及其交叉半固態(tài)加工科學(xué)及其交叉二十世紀(jì)七十年代初期MIT的Flemings教授提出半固態(tài)加工思想第十七頁，共199頁。3 超聲振動科學(xué)及其交叉超聲振動科學(xué)及其交叉二十世紀(jì)六十年代，Merchant提出需要更新加工觀念，于是人們開始探索采用除機(jī)械能以外的能量進(jìn)行加工，這樣就逐漸形成了將超聲振動加工技術(shù)第十八頁，共199頁。超聲振動科學(xué)與冶金科學(xué)

8、交叉超聲振動科學(xué)與冶金科學(xué)交叉超聲振動的乳化作用可使異種材料均勻地混合在一起，將超聲振動與冶金學(xué)科交叉，可明顯改善材料尤其是組分物性差別大的合金、復(fù)合材料的組織，形成組織均勻的高性能材料科技難題：科技難題：組分物性差別大材料的偏析問題第十九頁，共199頁。圖圖0-1 鋁鉛合金未處理組織經(jīng)處理組織第二十頁，共199頁。從上述前沿科學(xué)及其交叉的介紹可見，前沿科學(xué)交叉一方面拓寬了其本身研究領(lǐng)域，另一方面也給其它科學(xué)帶來了勃勃生機(jī)，成功地解決了各領(lǐng)域中存在的難題，使得現(xiàn)代科技產(chǎn)生了史無前例的飛躍。第二十一頁，共199頁。第一章第一章 復(fù)合材料科學(xué)復(fù)合材料科學(xué)二十世紀(jì)六十年代以來，對工業(yè)材料提出了越來越

9、苛刻的要求，耐高溫、高強(qiáng)度、輕量化等1.1復(fù)合材料的基本概念、特點復(fù)合材料的基本概念、特點內(nèi)容：內(nèi)容：介紹復(fù)合材料的基本概念、特點、研究方法和加工技術(shù)等內(nèi)容傳統(tǒng)材料：傳統(tǒng)材料：復(fù)合材料復(fù)合材料大量涌現(xiàn)鋼鐵、水泥和木材力不從心第二十二頁，共199頁。復(fù)合材料：復(fù)合材料：由二種或二種以上材料組合的新材料，其中含量多的稱為基體，含量少的稱為添加體組合方式：組合方式：宏觀-結(jié)構(gòu)復(fù)合體、層合板 微觀-混合體、合金1.1.1 復(fù)合材料概念復(fù)合材料概念第二十三頁，共199頁。特點：特點：具有相補(bǔ)效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)，即各組分復(fù)合后可以相互彌補(bǔ)各自的弱點，形成優(yōu)異的綜合性能形成了系統(tǒng)的復(fù)合材料科學(xué)，已經(jīng)開發(fā)出2000

10、多種復(fù)合材料1.1.2 復(fù)合材料特點復(fù)合材料特點第二十四頁，共199頁。1.2復(fù)合材料的分類、研究方法復(fù)合材料的分類、研究方法 按性能高低分：按性能高低分：常用復(fù)合材料 先進(jìn)復(fù)合材料1.21 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料:常規(guī)領(lǐng)域中使用的復(fù)合材料，如混凝土、合金鋼等先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料:前沿領(lǐng)域中使用的復(fù)合材料，航空航天、軍事、高科技領(lǐng)域用復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、開夫拉層壓板、銅-二硼化鈦復(fù)合材料第二十五頁，共199頁。按用途分：按用途分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于完成各種結(jié)構(gòu)功能的復(fù)合材料，對力學(xué)性能要求高，鎂合金手機(jī)外殼功能

11、復(fù)合材料：功能復(fù)合材料：用于實現(xiàn)各種功能的復(fù)合材料，如電、磁、光、熱、摩擦、振動等電：電：釔、鋇、銅、氧系和鉍、鍶、鈣、銅、氧系超導(dǎo)復(fù)合材料，130K，超導(dǎo)計算機(jī)，超導(dǎo)無聲推進(jìn)系統(tǒng)，航天飛機(jī)自動升空第二十六頁，共199頁。按按基體基體分：分：金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 聚合物基復(fù)合材料光：光：熱熱：70年，美康寧公司，非氧化物玻璃光導(dǎo)纖維，成分為氟化物-氟化鋯、氟化鋇、氟化鈉多元氟化鋯酸鹽，光損耗極低0.16分貝/千米，3.6%固體氣凝膠，由96%的空氣和4%的二氧化硅、二氧化鋁與碳制成，密度最小的固體材料，隔熱第二十七頁，共199頁。金屬基復(fù)合材料：金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁合金、金屬間

12、化合物）為基體的各種復(fù)合材料。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)一般不超過25%，性能比原基體明顯提高。 20%碳化硅顆粒增強(qiáng)6061鋁合金，強(qiáng)度310MPa 496MPa，模量68GPa103GPa，斷裂伸長率12% 5.5%，耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、耐熱性有很大改善。 第二十八頁，共199頁。陶瓷基復(fù)合材料：陶瓷基復(fù)合材料：是以陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷為基體的復(fù)合材料。 如碳化硅纖維補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷復(fù)合材料，耐熱性好，用于制備1350左右的高溫葉片。 氣敏陶瓷（二氧化錫等）；壓電陶瓷；超導(dǎo)陶瓷；生物陶瓷等。第二十九頁，共199頁。如玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料），強(qiáng)度是鋼的34倍，密度為1/41/16

13、；導(dǎo)電塑料等。 按添加體分：按添加體分：顆粒復(fù)合材料，如銅石墨受電弓滑板 層片復(fù)合材料，如鋼鋁合金層合板 纖維復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)塑料聚合物基復(fù)合材料：聚合物基復(fù)合材料：是聚合物為基體的復(fù)合材料。第三十頁，共199頁。1.2.2 復(fù)合材料的研究復(fù)合材料的研究最突出：最突出：界面研究和可靠性研究。 界面研究：界面研究：界面的表征、界面設(shè)計的優(yōu)化、界面改性、界面殘余應(yīng)力行為 可靠性研究：可靠性研究：組分、加工工藝來保證可靠性以及可靠性的評價、檢測和監(jiān)控。第三十一頁，共199頁。1.3復(fù)合材料的加工技術(shù)復(fù)合材料的加工技術(shù)1.粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù) 將添加體粉末和基體粉末混合，按常規(guī)粉末冶金方法加

14、工。 特點：特點：工藝和制品質(zhì)量容易控制，成本較高。 第三十二頁，共199頁。2.液相復(fù)合技術(shù)液相復(fù)合技術(shù) 將添加體和基體熔體進(jìn)行混合，按常規(guī)加工方法進(jìn)行加工。 混合方法：混合方法：機(jī)械攪拌、霧化噴射沉淀等。 第三十三頁，共199頁。3.其它技術(shù)其它技術(shù) 氣相浸滲技術(shù)：氣相浸滲技術(shù)：將材料放入氣體中進(jìn)行反應(yīng)形成復(fù)合材料。 原位生長技術(shù)：原位生長技術(shù)：將材料放入固體或液體中進(jìn)行反應(yīng)形成復(fù)合材料。 第三十四頁，共199頁。1.4 復(fù)合材料科學(xué)與其它科學(xué)的交叉復(fù)合材料科學(xué)與其它科學(xué)的交叉二十世紀(jì)九十年代，美國和前蘇聯(lián)等的科學(xué)家進(jìn)行聲學(xué)研究與復(fù)合材料研究交叉復(fù)合材料科學(xué)與聲學(xué)科學(xué)的交叉復(fù)合材料科學(xué)與聲

15、學(xué)科學(xué)的交叉科技難題：科技難題：軍事裝備的隱身問題利用陶瓷鐵氧體、碳黑、塑料、磷酸鹽等材料復(fù)合成高損耗吸波復(fù)合材料特點：特點：可吸收不同頻率的聲波和電磁波導(dǎo)致了隱形飛機(jī)和隱形艦艇等高科技產(chǎn)品的問世美國F-117轟炸機(jī)，縱橫馳騁，無所顧忌第三十五頁，共199頁。復(fù)合材料科學(xué)與納米加工科學(xué)的交叉復(fù)合材料科學(xué)與納米加工科學(xué)的交叉二十世紀(jì)八十年代，德國物理學(xué)家格蘭特開發(fā)了納米級超細(xì)粉末，給材料領(lǐng)域帶來了巨大的變化科技難題：科技難題：高溫陶瓷復(fù)合材料的燒結(jié)問題特性之一：特性之一：熔點的降低。2納米金粉末金的熔點106433將納米材料的這一特性交叉到復(fù)合材料學(xué)科中，可利用納米粉末在低溫下制備出采用常規(guī)粉末

16、在極高溫下也很難制備的高溫陶瓷復(fù)合材料第三十六頁，共199頁。復(fù)合材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科的交叉復(fù)合材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：磁懸浮問題 本世紀(jì)初，美國科學(xué)家理查德.波斯特將磁學(xué)研究交叉在復(fù)合材料研究領(lǐng)域，利用鐵、硼、釹等材料制備了超級磁性復(fù)合材料特點：特點：產(chǎn)生的磁場全部指向同一方向，無需電力就可將列車懸浮起來在美國航空航天局的資助下，磁懸浮列車的速度達(dá)到了640 km/h。.第三十七頁，共199頁。1.5小結(jié)小結(jié) 一、復(fù)合材料概念一、復(fù)合材料概念復(fù)合材料：復(fù)合材料：由二種或二種以上材料組合的新材料，其中含量多的稱為基體，含量少的稱為添加體。二、復(fù)合材料特點二、復(fù)合材料

17、特點具有相補(bǔ)效應(yīng)，具有相補(bǔ)效應(yīng)，即各組分復(fù)合后可以相互彌補(bǔ)各自的弱點，形成優(yōu)異的綜合性能。 第三十八頁，共199頁。三、復(fù)合材料的分類三、復(fù)合材料的分類按性能高低分：按性能高低分：常用復(fù)合材料、先進(jìn)復(fù)合材料；按用途分：按用途分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料；按基體分：按基體分：金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料；按添加體分：按添加體分：顆粒復(fù)合材料、纖維復(fù)合材料和層片復(fù)合材料。 第三十九頁，共199頁。四、復(fù)合材料的研究四、復(fù)合材料的研究集中在：集中在：界面研究和可靠性研究 五、復(fù)合材料的加工技術(shù)五、復(fù)合材料的加工技術(shù)主要有：主要有：粉末冶金技術(shù)、液相復(fù)合技術(shù)和其它技術(shù)。 第四十頁

18、，共199頁。08Al鋼板鋼板Al-20Sn合金層合金層軸瓦軸瓦圖圖1-1 鋼-Al-20Sn復(fù)合板及軸瓦鋼鋼Al-20Sn復(fù)合板簡介復(fù)合板簡介優(yōu)良的軸瓦材料，適用于汽車、機(jī)械、航空航天等廣泛領(lǐng)域，需求量很大。我們進(jìn)行的研究工作我們進(jìn)行的研究工作第四十一頁，共199頁。目前典型的成形方法目前典型的成形方法Al-20Sn合金板合金板鋼板鋼板軋機(jī)軋機(jī)鋼鋼- Al-20Sn復(fù)合板復(fù)合板圖圖1-2 固固相軋制成形方法Sn分布均勻；工藝復(fù)雜、能耗大；界面形成機(jī)械咬合和部分物理結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低，40MPa，應(yīng)用越來越受到限制。第四十二頁，共199頁。圖圖1-3 固固相復(fù)合界面第四十三頁，共199頁。工藝簡

19、單，能耗??；界面形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度大，60MPa；符合材料發(fā)展方向，其研究占主導(dǎo)地位。鋼板鋼板軋機(jī)軋機(jī)鋼鋼- Al-20Sn復(fù)合板復(fù)合板圖圖1-4 固液相鑄軋成形方法澆嘴澆嘴Al-20Sn合金液合金液第四十四頁，共199頁。固液相成形存在的問題固液相成形存在的問題1）Al-20Sn覆層內(nèi)存在覆層內(nèi)存在Sn分布不均分布不均2）界面脆化）界面脆化Al和Sn的密度與熔點差別較大，造成合金液中Sn沉淀，所以產(chǎn)生Sn分布不均現(xiàn)象。鐵鋁化合物層使復(fù)合界面脆化，復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度沒有達(dá)到其應(yīng)有的水平。鐵鋁化合物層鐵鋁化合物層圖圖1-5 界面層第四十五頁，共199頁。圖圖1-6 理想的界面層圖圖1-7 脆化

20、的界面層第四十六頁，共199頁。鋼板鋼板軋機(jī)軋機(jī)澆嘴澆嘴Al-20Sn半固態(tài)漿料半固態(tài)漿料圖圖1-8 半固態(tài)鑄軋成形裝置鋼鋼-Al-20Sn復(fù)合板復(fù)合板預(yù)熱裝置預(yù)熱裝置我們采用的方法我們采用的方法第四十七頁，共199頁。復(fù)合界面結(jié)構(gòu)復(fù)合界面結(jié)構(gòu)圖圖1-9 典型的復(fù)合界面（ fs=34%）復(fù)合界面由位于鋼基內(nèi)的1、2和3區(qū)構(gòu)成， 1和3區(qū)與覆層中后生固相相接觸，由鐵鋁化合物構(gòu)成；2區(qū)與覆層中的初生固相相接觸，由含鋁量小于3.5%的鐵鋁固溶體，構(gòu)成；因此鋼半固態(tài)Al-20Sn復(fù)合界面是由鐵鋁化合物和鐵鋁固溶體交替構(gòu)成的新型結(jié)構(gòu)。當(dāng)固相率為34.3%，復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度最大為70.2MPa，這比固液

21、相復(fù)合板的提高了10MPa。第四十八頁，共199頁。 A l-20Sn 熔 體預(yù) 處 理 鋼 板預(yù) 熱 裝 置復(fù) 合 板振 動 裝 置澆 嘴澆 嘴 上 蓋圖圖1-10 高頻振動復(fù)合成形高頻振動空化效應(yīng)產(chǎn)生的“均勻分散”、“促進(jìn)潤濕”和“凈化表面”等特性來消除Al-20Sn覆層中Sn的偏析和實現(xiàn)熔體與鋼板迅速鋪展、貼緊，改善鋼板與Al-20Sn覆層的結(jié)合，獲得界面結(jié)合強(qiáng)度高、潤滑性能好的鋼Al-20Sn復(fù)合板第四十九頁，共199頁。第二章第二章 納米科學(xué)納米科學(xué) 內(nèi)容：內(nèi)容：介紹納米科學(xué)的基本情況，包括納米技術(shù)的基本概念、特點、加工技術(shù)等內(nèi)容。 2.1納米科學(xué)的基本概念、特點納米科學(xué)的基本概念、

22、特點 二十世紀(jì)八十年代，德國物理學(xué)家格蘭特開發(fā)了納米級超細(xì)粉末，給材料領(lǐng)域帶來了巨大的變化。二十世紀(jì)八十年代以來，由于發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征和操縱技術(shù)，為納米級微粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性的研究提供了保障，因此納米科學(xué)如雨后春筍般茁壯成長起來。 第五十頁，共199頁。2.1.1 納米的概念納米的概念 納米材料：納米材料：是指構(gòu)成材料的顆粒的尺度在1100nm（10-9m）之間的材料。 2.1.2 納米材料特性納米材料特性 四大基本特性：四大基本特性：小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。 第五十一頁，共199頁。小尺寸效應(yīng)：小尺寸效應(yīng)：納米材

23、料中的微粒尺寸小到與光波波長或德布羅意波波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度等物理特征相當(dāng)或更小時，晶體周期性的邊界條件被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，使得材料的聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性出現(xiàn)改變而導(dǎo)致新的特性出現(xiàn)的現(xiàn)象。 第五十二頁，共199頁。表面效應(yīng)：表面效應(yīng)：納米材料由于其組成材料的納米粒子尺寸小，微粒表面所占有的原子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)多余相同質(zhì)量的非納米材料粒子表面所占有的原子數(shù)目，單位質(zhì)量粒子表面積的增大，表面原子數(shù)目的聚增，使原子配位數(shù)嚴(yán)重補(bǔ)助不足，高表面積帶來的高表面能，使粒子表面原子極其活躍，很容易與周圍的氣體反應(yīng)，也容易吸附氣體，這一現(xiàn)象稱為表面效應(yīng)。 第五十三頁，共199

24、頁。量子尺寸效應(yīng)：量子尺寸效應(yīng)：在納米材料中，微粒尺寸達(dá)到與光波波長或其他相干波長等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散并使能隙變寬的現(xiàn)象叫納米材料的量子尺寸效應(yīng)。 宏觀量子隧道效應(yīng)：宏觀量子隧道效應(yīng)：納米材料中的粒子具有穿過勢壘的能力叫隧道效應(yīng)。宏觀物理量在量子相干器件中的隧道效應(yīng)叫宏觀隧道效應(yīng)。 第五十四頁，共199頁。 幾十年來，形成了系統(tǒng)的納米材料科學(xué)，納米科技已經(jīng)在材料與制造（納米陶瓷）、微電子、光電子與計算機(jī)（磁盤）、醫(yī)學(xué)與健康（納米藥）、生物工程與農(nóng)業(yè)（基因改變）、環(huán)境與能源（處理污水）、航空與航天（納米涂料）、國家安全（吸波材料）等廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)

25、用。 納米科學(xué)技術(shù)的最終目標(biāo)：納米科學(xué)技術(shù)的最終目標(biāo)： 是人類按照自己的意志操縱單個原子組裝具有特定功能的成品，來改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活模式。第五十五頁，共199頁。1.2.1 納米材料的分類納米材料的分類 2.2 納米材料的分類、研究方法納米材料的分類、研究方法 納米材料包含:納米顆粒納米顆粒納米固體納米固體納米組裝體系納米組裝體系等三個層次第五十六頁，共199頁。1. 納米顆粒：納米顆粒：是指線度處于1100nm之間的粒子聚合體。 成分為：成分為：金屬或金屬間化合物、非金屬氧化物或其他化合物。納米磁粉，磁卡，固體燃料，病毒 形態(tài)為：形態(tài)為：球形、片狀、棒狀、針狀、星狀、網(wǎng)狀等。 晶體結(jié)構(gòu)為：

26、晶體結(jié)構(gòu)為：大多數(shù)為單晶尺寸為60nm時，可觀察到孿晶界、層錯和位錯等微結(jié)構(gòu)； 也可為非晶態(tài)或亞穩(wěn)相。第五十七頁，共199頁。2. 納米固體納米固體:是由納米微粒聚集而成的凝聚體。 按幾何形態(tài)可分為：按幾何形態(tài)可分為： 納米塊狀材料 納米薄膜材料 納米纖維材料 是指由表面清潔的納米微粒經(jīng)高壓形成的三維凝聚體。 是指二維的納米固體，包括納米粒子薄膜和納米缺陷與復(fù)合薄膜。人體？ 是指一維的納米固體。 第五十八頁，共199頁。按微粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)可分為：按微粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)可分為： 納米晶體 納米非晶體 納米準(zhǔn)晶材料 包含的納米微粒為晶態(tài)的納米固體。 由具有短序的非晶態(tài)納米微粒組成的納米固體。 將只有取向?qū)ΨQ性

27、的納米級準(zhǔn)晶微粒彌散在基體中得到的納米固體。 第五十九頁，共199頁。按組成材料相數(shù)多少可分為：按組成材料相數(shù)多少可分為： 納米相材料 納米復(fù)合材料 由單相納米微粒構(gòu)成的納米固體稱為納米相材料。 由不同材料的納米微?；蚨N及二種以上固相的納米微粒，至少在一個方向上以納米級尺寸復(fù)合而成的納米固體稱為納米復(fù)合材料。 第六十頁，共199頁。3. 納米組裝體系納米組裝體系: 由人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系稱為納米組裝體系。 納米陣列體系介孔組裝體系薄膜嵌鑲體系第六十一頁，共199頁。2.2.2 納米材料的研究納米材料的研究 制備研究：制備研究：制備方法、機(jī)理研究、表征研究。 集中在：集中在：制備研

28、究和應(yīng)用研究 應(yīng)用研究：應(yīng)用研究：結(jié)合各領(lǐng)域的特點進(jìn)行聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等性能與機(jī)理的研究。 第六十二頁，共199頁。2.3納米材料的加工技術(shù)納米材料的加工技術(shù) 一、納米粉體加工技術(shù)一、納米粉體加工技術(shù) 納米粉體加工技術(shù)包括： 物理法物理法化學(xué)法化學(xué)法綜合法等技術(shù)。綜合法等技術(shù)。 第六十三頁，共199頁。1.物理法物理法 惰性氣體沉淀技術(shù)高能球磨技術(shù)熱物理技術(shù)非晶晶化技術(shù)等離子技術(shù) 第六十四頁，共199頁。1） 惰性氣體沉淀技術(shù)惰性氣體沉淀技術(shù)是金屬在外源（熱、等離子、激光等）蒸發(fā)下，采用惰性氣體對金屬蒸氣進(jìn)行保護(hù)得到納米顆粒的技術(shù)。2） 高能球磨技術(shù)高能球磨技術(shù)是將大塊物料放入高能球磨

29、機(jī)或氣流磨中，利用介質(zhì)和物料之間相互研磨和沖擊使物料細(xì)化的技術(shù)。第六十五頁，共199頁。3）熱物理技術(shù)）熱物理技術(shù)是將大塊材料在真空中加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出原子或分子在低壓惰性氣體介質(zhì)中冷卻而形成納米粉的技術(shù)。4）非晶晶化技術(shù)）非晶晶化技術(shù)是通過熔體快冷、高速直流濺射、等離子流霧化等過程得到納米粉體的技術(shù)。+5）等離子技術(shù)）等離子技術(shù)是以等離子態(tài)作為材料制備能源而得到納米顆粒的技術(shù)。物理法總結(jié)第六十六頁，共199頁。2.化學(xué)法化學(xué)法 化學(xué)沉淀技術(shù) 水熱技術(shù) 乳液技術(shù) 溶膠-凝膠技術(shù) 第六十七頁，共199頁。1）化學(xué)沉淀技術(shù)）化學(xué)沉淀技術(shù)在包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，加入沉淀劑（如OH-,C2

30、O42-,CO32-等）后，或在一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類，從溶液中析出，并將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)熱分解或脫水即可得到所需的氧化物粉料的技術(shù)。第六十八頁，共199頁。2）水熱技術(shù)）水熱技術(shù) 是指在高溫、高壓下一些氫氧化物在水中的溶解度大于對應(yīng)的氧化物在水中的溶解度，于是氫氧化物溶入水中同時析出氧化物超細(xì)粉末的技術(shù)。 3）乳液技術(shù)）乳液技術(shù) 是利用二種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成一個均勻的乳液，從乳液中析出固相制備納米材料的技術(shù)。 第六十九頁，共199頁。4）溶膠）溶膠-凝膠技術(shù)凝膠技術(shù) 是將易于水解的金屬化合物（無機(jī)鹽或醇鹽）在某種溶

31、劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解與縮聚過程而逐漸凝膠化，在經(jīng)干燥、燒結(jié)處理，得到所需的各種納米材料的技術(shù)。+ 化學(xué)法總結(jié)第七十頁，共199頁。3.綜合法綜合法 輻射合成技術(shù) 微波/溶膠凝膠技術(shù) 是在常溫下采用射線輻照金屬鹽的溶液制備納米微粒的技術(shù)。 是將溶膠-凝膠技術(shù)與微波燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合來制備納米材料的技術(shù)。綜合法 第七十一頁，共199頁。二、納米膜的加工技術(shù)二、納米膜的加工技術(shù) 納米膜的加工技術(shù)包括： 還原技術(shù)還原技術(shù) 濺射技術(shù)濺射技術(shù) 化學(xué)氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積技術(shù) 第七十二頁，共199頁。1）還原技術(shù)）還原技術(shù) 是用金屬元素的酸溶液，以檸檬酸鈉為還原劑迅速混合溶液，并還原成具有納米尺寸的金屬

32、顆粒，形成懸浮液，最后去除水分，得到含有超微細(xì)金屬顆粒構(gòu)成的納米材料薄膜的技術(shù)。 第七十三頁，共199頁。2）濺射技術(shù)）濺射技術(shù) 是利用直流或高頻電場使惰性氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生輝光放電等離子體，電離產(chǎn)生的正離子和電子高速轟擊靶材，使靶材上的原子或分子濺射出來，然后沉淀到基板上形成薄膜的技術(shù)。 第七十四頁，共199頁。是利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質(zhì)在襯底表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的技術(shù)。 3）化學(xué)氣相沉積技術(shù)）化學(xué)氣相沉積技術(shù) 三、納米塊料的加工技術(shù)三、納米塊料的加工技術(shù) 以粉末等靜壓技術(shù)為主。 等靜壓技術(shù)等靜壓技術(shù) 是將較低壓力下干壓成型的坯體置于一個橡膠皮模內(nèi)密封，在高壓容器中

33、以液體為壓力傳遞介質(zhì)，使坯體均勻受壓，得到密度高的納米塊料的技術(shù)。 第七十五頁，共199頁。2.4.1 納米材料學(xué)科與計算機(jī)學(xué)科的交叉納米材料學(xué)科與計算機(jī)學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：微電路的制備問題 日前，美國西北大學(xué)的英金等人研制出納米光刻機(jī)，其刻筆筆尖可以“浸”入有機(jī)分子池中，刻劃出15nm線寬的圖形，從而可以生產(chǎn)出比傳統(tǒng)的光刻機(jī)法小幾個數(shù)量級的微電路，這項發(fā)明被認(rèn)為是納米技術(shù)研究的重大突破。 2.4與其它科學(xué)的交叉與其它科學(xué)的交叉第七十六頁，共199頁。2.4.2 納米材料學(xué)科與軍事學(xué)科的交叉納米材料學(xué)科與軍事學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：射程遠(yuǎn)、初速大的問題 火炮

34、和輕武器，靠增加裝藥量來提高射程，這將增加武器的重量。軍事科學(xué)家將納米材料學(xué)科與軍事學(xué)科相交叉，利用納米鋁或銅顆粒遇到空氣發(fā)生猛烈爆炸的現(xiàn)象，將發(fā)射藥制成納米級顆粒，提高單位體積所釋放的能量，使彈頭的初速和射程得以提高，同時減輕了重量，解決了問題。 第七十七頁，共199頁。2.4.3 納米材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科的交叉納米材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：高效率電源變壓器問題 2000年西班牙巴塞羅納科學(xué)家發(fā)明了一種新型納米磁性材料。用它制造的變壓器具有超高效率，能量損耗比傳統(tǒng)的變壓器小得多，變壓器幾乎不發(fā)熱，而且可以作得很小。 第七十八頁，共199頁。2.5本章小結(jié)本章小結(jié) 一

35、、一、 納米的概念納米的概念納米材料：納米材料：是指構(gòu)成材料的顆粒的尺度在1100nm（10-9m）之間的材料。二、二、 納米材料特性納米材料特性 四大基本特性：四大基本特性：小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng) 第七十九頁，共199頁。三、三、 納米材料的分類納米材料的分類 按納米材料結(jié)構(gòu)分為：1. 納米顆粒；2. 納米固體；3. 納米組裝體系 四、四、 納米材料的研究納米材料的研究 集中在：集中在：制備研究和應(yīng)用研究 五、納米材料的加工技術(shù)五、納米材料的加工技術(shù) 1.納米粉體加工技術(shù)；2.納米膜的加工技術(shù)；3.納米塊料的加工技術(shù) 第八十頁，共199頁。第三章第三章 超導(dǎo)科學(xué)

36、超導(dǎo)科學(xué) 內(nèi)容：內(nèi)容：介紹超導(dǎo)科學(xué)的基本情況，包括超導(dǎo)科學(xué)的基本概念、特點、研究方法等內(nèi)容。 3.1超導(dǎo)科學(xué)的基本概念、特點超導(dǎo)科學(xué)的基本概念、特點 1911年4月荷蘭萊頓大學(xué)的昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)水銀在4.16K電阻消失以來，宣布了超導(dǎo)時代的開始+，近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，為超導(dǎo)科學(xué)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)，因此超導(dǎo)科學(xué)得到了飛速的發(fā)展。 第八十一頁，共199頁。3.1.1 超導(dǎo)的概念超導(dǎo)的概念 超導(dǎo)材料：超導(dǎo)材料：是指在一定溫度下（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）具有零電阻的材料。 3.1.2 超導(dǎo)材料特性超導(dǎo)材料特性 基本特性：基本特性：零電阻特性、完全抗磁性。 第八十二頁，共199頁。零電阻特性：零電阻特性：任

37、何超導(dǎo)材料的電阻均為零。 圖圖3-1 有電流的超導(dǎo)體環(huán) 第八十三頁，共199頁。完全抗磁性（零磁感）：完全抗磁性（零磁感）：在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)材料在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電流，這個電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場大小相等、方向相反，因此超導(dǎo)材料內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，即B=0，此即為完全抗磁性。 +=外磁場感生磁場磁場為零圖圖3-2 磁通線被完全驅(qū)出超導(dǎo)球+第八十四頁，共199頁。3.2.1 超導(dǎo)材料的分類超導(dǎo)材料的分類 3.2超導(dǎo)材料的分類、研究方法超導(dǎo)材料的分類、研究方法 超導(dǎo)材料可分為： 常規(guī)超導(dǎo)材料常規(guī)超導(dǎo)材料 （30K） 第八十五頁，共199頁。一、常規(guī)超導(dǎo)材料一、常規(guī)超導(dǎo)材料 即低溫

38、超導(dǎo)材料（30K）+ 1986年，米勒和貝德諾茨首次開發(fā)了鑭鋇銅氧化物，使超導(dǎo)臨界溫度升到30K。1987.11 ，他們獲得了諾貝爾物理獎。1987.2 ，物理所趙忠賢100K。目前 ，130K。第八十七頁，共199頁。高溫超導(dǎo)材料（30K）主要有： 1.氧化物超導(dǎo)材料：氧化物超導(dǎo)材料： 2.非氧化物超導(dǎo)材料：非氧化物超導(dǎo)材料： 3.其他超導(dǎo)材料：其他超導(dǎo)材料： 由各種系列的氧化物構(gòu)成的超導(dǎo)材料，如鑭鍶銅氧化物、釔鋇銅氧化物、釹鈰銅氧化物等。 非晶體超導(dǎo)材料、復(fù)合超導(dǎo)材料、重費米超導(dǎo)材料、有機(jī)超導(dǎo)材料等。 由C60化合物構(gòu)成的超導(dǎo)材料。+第八十八頁，共199頁。地上線圈液氮貯槽超導(dǎo)磁體車輪驅(qū)動

39、同步馬達(dá)軌道圖圖3-3 磁懸浮列車示意圖第一臺超導(dǎo)磁懸浮列車日本建造1972年517km/h平穩(wěn)、無噪音、無震動、舒適第八十九頁，共199頁。3.2.2 超導(dǎo)材料的研究超導(dǎo)材料的研究 集中在：集中在：高溫超導(dǎo)材料晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)特性研究方面 第九十頁，共199頁。3.3超導(dǎo)材料的加工技術(shù)超導(dǎo)材料的加工技術(shù) 1.濕法加工技術(shù) 2.干法加工技術(shù) 3.熔融加工技術(shù) 4.磁控濺射加工技術(shù) 5.脈沖激光蒸鍍技術(shù) 6.機(jī)械加工技術(shù) 第九十一頁，共199頁。1.濕法加工技術(shù)濕法加工技術(shù) 2.干法加工技術(shù)干法加工技術(shù) 是將超導(dǎo)元素溶入溶液中，根據(jù)需要進(jìn)行配比，沉淀后即可形成一定比例的超導(dǎo)氧化物，或形成

40、化合物鹽，再經(jīng)燒結(jié)后形成超導(dǎo)氧化物的加工技術(shù) 是將氧化物進(jìn)行充分的混合，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成超導(dǎo)材料的加工技術(shù)。 第九十二頁，共199頁。3.熔融加工技術(shù)熔融加工技術(shù) 是將氧化物或化合物鹽混合后進(jìn)行高溫融化，冷凝后形成超導(dǎo)材料的加工技術(shù)。 4.磁控濺射加工技術(shù)磁控濺射加工技術(shù) 是通過電場電離氬離子、通過磁場加速、利用高速氬離子打靶濺射在基板上形成超導(dǎo)薄膜的加工技術(shù)。 第九十三頁，共199頁。5.脈沖激光蒸鍍技術(shù)脈沖激光蒸鍍技術(shù) 6.機(jī)械加工技術(shù)機(jī)械加工技術(shù) 是利用激光打靶蒸發(fā)在基板上形成超導(dǎo)薄膜的技術(shù)。 是將超導(dǎo)材料粉末灌入銀管，通過軋制或拉拔形成超導(dǎo)線材的加工技術(shù)。 第九十四頁，共199頁。3.

41、4與其它科學(xué)的交叉與其它科學(xué)的交叉 3.4.1 超導(dǎo)材料學(xué)科與選礦學(xué)科的交叉超導(dǎo)材料學(xué)科與選礦學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：不同成分的顆粒分離問題 將超導(dǎo)材料學(xué)科與選礦學(xué)科相交叉，利用超導(dǎo)材料制成超導(dǎo)磁體，產(chǎn)生超高的磁場強(qiáng)度（2特），通過改變超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)形狀，得到各種梯度的磁場，形成超導(dǎo)磁分離技術(shù)，可將混合礦物中的不同成分的顆粒分離開來。 第九十五頁，共199頁。3.4.2 超導(dǎo)材料學(xué)科與貯能學(xué)科的交叉超導(dǎo)材料學(xué)科與貯能學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：儲存電能的問題 將超導(dǎo)材料學(xué)科與貯能學(xué)科相交叉，利用超導(dǎo)磁體的無焦耳熱損耗，直接將電能長時間地、無損耗地儲存起來，這樣就可利

42、用超導(dǎo)磁體儲存巨大的能量，可保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。 第九十六頁，共199頁。3.4.3 超導(dǎo)材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科的交叉超導(dǎo)材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科的交叉 解決科技難題：解決科技難題：船的電磁推進(jìn)問題 將超導(dǎo)材料學(xué)科與磁學(xué)學(xué)科相交叉，在船底裝上超導(dǎo)磁體，產(chǎn)生磁場，在海水中通過電流，就可產(chǎn)生向前的推力，從而使船前進(jìn)，通過改變電流的方向和大小，可實現(xiàn)船體運動的方向和速度的變化。 第九十七頁，共199頁。3.5本章小結(jié)本章小結(jié) 一、超導(dǎo)的概念一、超導(dǎo)的概念 超導(dǎo)材料：超導(dǎo)材料：是指在一定溫度下具有零電阻的材料。 二、超導(dǎo)材料特性二、超導(dǎo)材料特性 基本特性：基本特性：零電阻特性、完全抗磁性。 第九十八頁，共199頁。

43、三、超導(dǎo)材料的分類三、超導(dǎo)材料的分類 超導(dǎo)材料可分為： 常規(guī)超導(dǎo)材料常規(guī)超導(dǎo)材料包括單質(zhì)超導(dǎo)材料、合金超導(dǎo)材料和化合物超導(dǎo)材料等。 高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料包括氧化物超導(dǎo)材料、非氧化物超導(dǎo)材料、非晶體超導(dǎo)材料、復(fù)合超導(dǎo)材料、重費米超導(dǎo)材料、有機(jī)超導(dǎo)材料等 第九十九頁，共199頁。五、超導(dǎo)材料的加工技術(shù)五、超導(dǎo)材料的加工技術(shù) 主要有：主要有：濕法加工技術(shù)、干法加工技術(shù)、熔融加工技術(shù)、磁控濺射加工技術(shù)、脈沖激光蒸鍍技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)等。 四、超導(dǎo)材料的研究四、超導(dǎo)材料的研究 集中在：集中在：高溫超導(dǎo)材料晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)特性研究方面 第一百頁，共199頁。第四章第四章 半固態(tài)加工科學(xué)半固態(tài)加

44、工科學(xué) 內(nèi)容：內(nèi)容：介紹半固態(tài)加工科學(xué)的基本情況，包括半固態(tài)加工的基本概念、特點、加工技術(shù)等內(nèi)容。 4.1半固態(tài)加工科學(xué)的基本概念半固態(tài)加工科學(xué)的基本概念70年代初期，美國麻省理工學(xué)院的Flemings教授提出了一種嶄新的金屬成形技術(shù)半固態(tài)加工技術(shù)。+ 第一百零一頁，共199頁。半固態(tài)加工的基本思想是：半固態(tài)加工的基本思想是：對處于凝固過程中的金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，充分打碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的非枝晶半固態(tài)漿料(固相組分一般為50左右)，然后再對漿料進(jìn)行加工。 第一百零二頁，共199頁。4.2半固態(tài)加工的分類、特點、研究方法半固態(tài)加工的分類、特

45、點、研究方法 4.2.1 半固態(tài)加工的分類半固態(tài)加工的分類 按熔點分：按熔點分： 低熔點有色金屬半固態(tài)加工 高熔點黑色金屬半固態(tài)加工 第一百零三頁，共199頁。按成形方式分：按成形方式分： 流變成形流變成形 觸變成形觸變成形 利用流變漿料直接進(jìn)行成形加工,這種方法稱為半固態(tài)金屬的流變成形。 將流變漿料凝固成錠，按需將此金屬錠切成一定大小并重新加熱（即坯料的二次加熱）至金屬的半固態(tài)區(qū)，這時的金屬錠一般稱為半固態(tài)金屬坯料，利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工，這種方法稱為觸變成形。 第一百零四頁，共199頁。4.2.2 半固態(tài)加工的特點半固態(tài)加工的特點 由于半固態(tài)金屬成形采用了非枝晶半固態(tài)漿料，打破了

46、傳統(tǒng)的枝晶凝固模式，所以半固態(tài)金屬與過熱的液態(tài)金屬相比，含有一半左右的球狀初生固相，與固態(tài)金屬相比，又含有一半左右的液相，具有許多獨特的優(yōu)點。+ 第一百零五頁，共199頁。半固態(tài)金屬成形的主要優(yōu)點：半固態(tài)金屬成形的主要優(yōu)點： 1)半固態(tài)金屬的凝固收縮減小、初晶晶粒細(xì)小、成分均勻，因此利用半固態(tài)金屬制造的金屬制品不存在偏析的組織，性能更優(yōu)異、更均勻； 2)被加工材料的變形抗力小，半固態(tài)金屬的初生固相接近球狀，因此變形應(yīng)力顯著降低，成形能耗更低，成形速度更快，并縮短加工工序，節(jié)省設(shè)備投資，還可以成形復(fù)雜的零件毛坯，金屬制品的成本更低； 第一百零六頁，共199頁。3)半固態(tài)漿料部分凝固潛熱已經(jīng)放出，

47、對加工設(shè)備的熱作用小、本身凝固收縮小，成形溫度低，減輕了模具的熱沖擊，提高了模具的壽命，尤其當(dāng)成形高熔點黑色合金時更是如此，因此加工設(shè)備可以小型化、產(chǎn)品的性能明顯提高、尺寸精確； 4)半固態(tài)金屬的粘度較高，可以方便地加入增強(qiáng)材料(顆?；蚶w維)而制造復(fù)合材料，為復(fù)合材料的生產(chǎn)開辟了一個新途徑。 第一百零七頁，共199頁。4.2.3半固態(tài)加工的研究半固態(tài)加工的研究 集中在：集中在：低熔點有色金屬和高熔點黑色金屬的漿料制備、物性和組織演變機(jī)理研究方面。 一、低熔點有色金屬半固態(tài)加工一、低熔點有色金屬半固態(tài)加工 二十世紀(jì)七十年代以來，美國、法國、意大利、日本等先進(jìn)工業(yè)國家對鋁合金、鎂合金、鉛合金、銅合

48、金等進(jìn)行了較為充分的研究，國外目前進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的半固態(tài)有色金屬主要是鋁合金、鎂合金，這些合金最成功的應(yīng)用主要集中在汽車領(lǐng)域，如半固態(tài)模鍛鋁合金制動總泵體、掛架、汽缸頭、輪轂、壓縮機(jī)活塞等。 第一百零八頁，共199頁。1.低熔點有色金屬半固態(tài)漿料或坯料制備方法低熔點有色金屬半固態(tài)漿料或坯料制備方法 1）機(jī)械攪拌法 2）電磁攪拌方法 3）應(yīng)變激活方法(SIMA) 4）粉末冶金方法 5）單輥旋轉(zhuǎn)方法 第一百零九頁，共199頁。1）機(jī)械攪拌法）機(jī)械攪拌法 圖圖4-1 機(jī)械攪拌法示意圖 攪拌棒攪拌室出口漿料美國麻省理工學(xué)院Flemings M C等人發(fā)明的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 造價較高，產(chǎn)量不大2.27kg/m

49、in，攪拌室和攪拌棒的壽命較短, 攪拌棒易于污染金屬。第一百一十頁，共199頁。2）電磁攪拌方法）電磁攪拌方法 圖圖4-2 電磁攪拌法示意圖 電磁攪拌方法是半固態(tài)鋁合金坯料的主要工業(yè)生產(chǎn)方法之一。 出口電磁極電磁極攪拌室半固態(tài)漿料第一百一十一頁，共199頁。3）應(yīng)變激活方法）應(yīng)變激活方法(SIMA) 是預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠, 再將金屬錠擠壓變形, 而且變形量要足夠大，最后按需要將變形的金屬錠切成一定大小, 在加熱到固液區(qū), 形成具有一定固相率的半固態(tài)漿料。該方法生產(chǎn)的金屬鑄錠純凈，產(chǎn)量較大，但制備過程中需要的變形量很大，而且坯料的最終規(guī)格尺寸較小，只適合于制作小零件，因此這種方法的應(yīng)

50、用范圍十分有限。 第一百一十二頁，共199頁。4）粉末冶金方法）粉末冶金方法 是首先利用傳統(tǒng)的制粉方法，將金屬制成粉末，再將金屬粉末預(yù)成形，并將預(yù)成形件加熱到固液相區(qū)域，形成具有一定固相率的半固態(tài)漿料。該方法工藝復(fù)雜、制備費用昂貴，一般只用于高溫金屬半固態(tài)漿料的制備。 第一百一十三頁，共199頁。5）單輥旋轉(zhuǎn)方法）單輥旋轉(zhuǎn)方法 圖圖4-3 單輥旋轉(zhuǎn)法示意圖 旋轉(zhuǎn)輪支撐塊冷卻板刮刀金屬液半固態(tài)漿料該方法較為簡單方便，已經(jīng)制備出了鉛合金、鋁合金等金屬的半固態(tài)漿料，但半固態(tài)漿料的制備過程較難控制，穩(wěn)定性較差，所以目前仍處在研究之中。 第一百一十四頁，共199頁。2.半固態(tài)低熔點有色金屬物性研究半固態(tài)

51、低熔點有色金屬物性研究主要是主要是半固態(tài)金屬的流變特性，即研究半固態(tài)金屬漿料表觀粘度的變化規(guī)律。 是揭示半固態(tài)金屬成形的本質(zhì)、研究半固態(tài)金屬制備中漿料流動和半固態(tài)金屬成形中漿料流動規(guī)律的動量方程中最重要的一個物理量。 第一百一十五頁，共199頁。圖圖4-4 雙旋轉(zhuǎn)筒粘度儀 研究連續(xù)冷卻攪拌和等溫攪拌中半固態(tài)漿料的表觀粘度 第一百一十六頁，共199頁。Joly等學(xué)者研究了連續(xù)冷卻攪拌和等溫攪拌中Sn-15%Pb合金半固態(tài)漿料的表觀粘度 結(jié)果表明：Sn-15%Pb半固態(tài)漿料的表觀粘度隨平均剪切速率的增加而下降，隨漿料固相分?jǐn)?shù)的增加而增大，隨平均冷卻速率的增加而增大；在相同的剪切速率下，等溫攪拌的S

52、n-15%Pb合金半固態(tài)漿料的表觀粘度比連續(xù)冷卻攪拌的半固態(tài)漿料的表觀粘度低；第一百一十七頁，共199頁。在一定的剪切速率范圍內(nèi)，等溫攪拌的Sn-15%Pb半固態(tài)漿料的表觀粘度a可用下面簡單的經(jīng)驗指數(shù)方程描述：a=Kn （1）式中是剪切速率，n是指數(shù)，對于合金來說n小于0，K是常數(shù) 適用于Sn-15%Pb合金的穩(wěn)態(tài)流變特性，但未考慮冷卻速度、固相顆粒大小和形態(tài)以及固相集聚的影響 第一百一十八頁，共199頁。Turng等學(xué)者也研究了Sn-15%Pb合金半固態(tài)漿料的表觀粘度 總結(jié)出下面的經(jīng)驗方程：(，fs)（1-fs/fs*）-m()(fs)1+*(fs)/an/a （2）式中fs*=0.7，(f

53、s)為漸進(jìn)表觀粘度，*(fs)為臨界剪切速率，m()=360/ ，n、a為常數(shù) 適用于Sn-15%Pb合金半固態(tài)漿料的流變特性，也未考慮冷卻速度、固相顆粒大小和形態(tài)以及固相的集聚影響 第一百一十九頁，共199頁。Hirai等學(xué)者研究了Al-10%Cu的半固態(tài)漿料的表觀粘度 套用Mori關(guān)于固液兩相(固相為剛性球狀，均勻分布)的粘度模型，得出下式：a=La1+(2.41105C1/3-4/3)/21/fs-1/(0.72-8.82C1/3-1/3) （3）式中La為液相的粘度，C為凝固速度 適用于Al-10%Cu的半固態(tài)漿料的流變特性，雖然考慮了冷卻速度的影響，但未考慮固相顆粒大小和形態(tài)以及固相

54、的集聚影響，而且理論計算結(jié)果與實際測定結(jié)果的偏差較大 第一百二十頁，共199頁。從以上可知：到目前為止，低熔點金屬及合金的半固態(tài)漿料的穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)表觀粘度的本構(gòu)關(guān)系仍然不健全，也就是低熔點金屬及合金的半固態(tài)漿料的物性研究仍然很不完善。 第一百二十一頁，共199頁。3.有色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制研究有色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制研究 組織演變機(jī)制是半固態(tài)金屬研究中的一個重要內(nèi)容。通過對半固態(tài)金屬組織演變機(jī)制的研究，可以獲得對半固態(tài)金屬成形本質(zhì)的認(rèn)識，從而為優(yōu)化攪拌工藝和成形工藝提供理論依據(jù)。 通過對半固態(tài)有色金屬的組織形態(tài)與攪拌參數(shù)之間關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)初生相隨剪切速率的提高而更加園整，隨攪拌時間

55、的延長而更加園整，隨冷卻速度的提高而更加細(xì)小。但在攪拌過程中初生晶粒究竟遵循怎樣的破碎、轉(zhuǎn)變機(jī)制，目前尚未開展此方面的研究。 第一百二十二頁，共199頁。關(guān)于有色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制，目前只有幾種假設(shè) Flemins 認(rèn)為：在攪拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用，也由于初生枝晶之間以及它們與液體之間發(fā)生碰撞、摩擦和沖刷作用，細(xì)小的初生枝晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊倒寤?，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢?第一百二十三頁，共199頁。Vogel等人認(rèn)為：熔點溫度附近的初生Al枝晶具有一定的韌性，在攪拌的紊流之中只發(fā)生彎曲而不會斷裂；在攪拌過程中，如果一個Al枝晶臂相對于枝晶主干彎曲了q角，就要求枝晶臂中必須存在附加的位錯，

56、這些位錯將會因回復(fù)和再結(jié)晶過程的發(fā)生而轉(zhuǎn)變成晶界，那么該晶界就具有q角大小的取向錯誤；如果q角較大，這個大角度晶界的能量比固液相的界面能大兩倍以上，這種晶界完全會被液體薄膜所浸潤，最后該枝晶臂就會由于晶界引發(fā)的熔化作用而從枝晶主干上脫落下來。 第一百二十四頁，共199頁。Dohery等人認(rèn)為：由于攪拌的剪切作用，初生柔軟的相枝晶臂將會發(fā)生塑性彎曲，彎曲將以位錯的形式使枝晶臂發(fā)生取向錯誤，這些位錯的遷移會形成晶界；大于20 取向錯誤的晶界所具有的能量比固液界面能量的二倍還要大；如果這種高能量晶界在枝晶臂中形成并與液相接觸，晶界就會被液體薄膜所取代，枝晶臂便會最終從初生晶粒的主干上脫落下來。 第一

57、百二十五頁，共199頁。二、高熔點黑色金屬半固態(tài)加工二、高熔點黑色金屬半固態(tài)加工 存在以下困難：1)選擇材料限于固相線與液相線溫度區(qū)間較大；2)高溫半固態(tài)漿料難以連續(xù)穩(wěn)定地制備；3)熔體的溫度、固相的比率和分布難以準(zhǔn)確控制；4)漿料在高溫下輸送和保溫困難；5)成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證，所以鋼鐵材料半固態(tài)成形加工研究的進(jìn)展非常緩慢，目前研究重點主要集中在某些鋼種的壓鑄、鍛造等非連續(xù)半固態(tài)成形加工方面。 目前只有美國、日本、英國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了系統(tǒng)的探索性研究。 第一百二十六頁，共199頁。1.黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料制備方法黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料制備方法 1）機(jī)械攪拌法 2）

58、電磁攪拌方法 3）應(yīng)變激活方法(SIMA) 4）粉末冶金方法 5）單輥旋轉(zhuǎn)方法 這些方法仍然存在這樣或那樣的問題，處在研究之中。 第一百二十七頁，共199頁。2.黑色金屬半固態(tài)成形加工方法的研究動態(tài)黑色金屬半固態(tài)成形加工方法的研究動態(tài) 流變成形：流變成形：國外學(xué)者利用機(jī)械攪拌方法、應(yīng)變激活方法或粉末方法成功地制備了AISI4340碳鋼、440C和304不銹鋼、M2高速鋼、鑄鐵等及X40、Ti-20Co等合金的半固態(tài)漿料或制造出優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)零件毛坯坯料。尤其最近幾年，國外有學(xué)者嘗試?yán)秒姶艛嚢璺椒ㄖ苽銩ISI4340、440C、304、52100、1050、8720、M7、M2、等鋼種的半固態(tài)鑄

59、錠，利用壓鑄機(jī)對Fe-2.5%C-3.1%Si鑄鐵和AISI440A不銹鋼的半固態(tài)漿料直接進(jìn)行流變成形，可以獲得初生固相分布均勻的優(yōu)質(zhì)鑄件。由于黑色金屬半固態(tài)漿料的保存和階段式輸送較為困難，其流變成形零件毛坯的進(jìn)展緩慢。 第一百二十八頁，共199頁。觸變成形：觸變成形：利用壓鑄機(jī)或壓力機(jī)對AISI440C和304不銹鋼、M2高速鋼、X40及鑄鐵等金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行了觸變成形研究，都制造出優(yōu)質(zhì)的零件毛坯。成形研究發(fā)現(xiàn)：壓鑄半固態(tài)不銹鋼AISI440C的壓力為10000 psi、射口處半固態(tài)金屬的流速為1060 ft/sec時，鑄件質(zhì)量優(yōu)異；若壓鑄半固態(tài)不銹鋼AISI440時的壓力為6800 p

60、si、射口處半固態(tài)金屬的流速為40100 ft/sec時，鑄件質(zhì)量優(yōu)異；在黑色金屬半固態(tài)觸變成形時，坯料的二次加熱方法只能采用電磁感應(yīng)加熱，且要求坯料內(nèi)部的溫度均勻，控制精度為1；與液態(tài)黑色金屬壓鑄相比，黑色金屬半固態(tài)觸變成形零件毛坯的模具壽命有所提高，但仍有許多問題需要解決。 第一百二十九頁，共199頁。2.半固態(tài)黑色金屬物性研究半固態(tài)黑色金屬物性研究對440C不銹鋼、AISI4340低合金鋼、M2高速鋼等個別鋼種半固態(tài)漿料的表觀粘度也進(jìn)行了一定的研究，結(jié)果表明：表觀粘度隨剪切速率的提高而變小，隨固相分?jǐn)?shù)的增大而變大，隨冷卻速度的增加而變大。 第一百三十頁，共199頁。3.黑色金屬半固態(tài)組織