材料的特殊制備方法

會計學1材料的特殊制備方法第一章、快速凝固技術2TechnologyofRapidSolidification在比常規(guī)工藝過程中快得多的冷卻速度下，金屬或合金以極快的速度從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。第1頁/共51頁凝固與

結晶鑄件尺寸米、厘米

液態(tài)金屬凝固時間:時、分

冷卻速度≦102

C/S尺寸毫米、微米

液態(tài)金屬凝固時間:秒

冷卻速度104～109C/SRS第一節(jié)、快速凝固（RS）的技術特點大型砂型鑄件/鑄錠凝固冷速：10-6~10-3℃/S中等鑄件/鑄錠冷速:10-3~100℃/S薄壁鑄件/壓鑄件/普通霧化冷速:100~102℃/SNS第2頁/共51頁1960年美國加州理工學院Duwez等人，一種特殊的熔體急冷技術，首次使液態(tài)合金107℃/S冷卻凝固發(fā)現(xiàn)：原本共晶系的Cu-Ag合金中出現(xiàn)了無限固溶的連續(xù)固溶體Ag-Ge合金系中出現(xiàn)了新的亞穩(wěn)相；共晶Au-Si(XSi=25%)合金凝固為非晶態(tài)結構（金屬玻璃）4粗晶組織偏析組織RS過程得到均勻的

金相組織時/空條件

不具備往往生成

亞穩(wěn)相RS過程非平衡凝固過程微晶RS過程晶體合金

又稱第3頁/共51頁1.快速凝固能達到的冷卻速度：快凝104～109C/S常規(guī)102C/S2.可以制備非晶態(tài)合金材料超細合金（晶粒尺寸達m~nm級）制備出的材料優(yōu)點（如非晶態(tài)材料）高強度、高硬度和剛度好塑、韌性高耐蝕性高電阻率、高導磁率、低磁損晶粒非常細小，

成分均勻，

空位、位錯密度大，形成新的亞穩(wěn)相因為5第4頁/共51頁實現(xiàn)液態(tài)金屬的快速凝固兩途徑：（1）傳統(tǒng)的急冷快速凝固過程；（2）深過冷熔體的快速凝固。兩種不同的凝固機制：（1）在急冷和深過冷條件下晶體大量形核并快速長大，

而且一些在平衡或近平衡凝固條件下不可能出現(xiàn)

的亞穩(wěn)相得以形成；（2）當冷卻足夠快或過冷十分大時，通常情況下的晶

體形核與長大受到抑制，從而形成非晶或準晶相。6第5頁/共51頁第二節(jié)、快速凝固方法氣槍法旋鑄法表面熔化與自淬火法。霧化法常用方法第6頁/共51頁81.氣槍法(guntechnique)將熔融的合金液滴在高壓（>50atm）惰氣流的突發(fā)沖擊作用下，射向用高導熱率材料（常為純銅）制成的急冷襯底上，由于極薄的液態(tài)合金與襯底緊密相貼，因而可獲得極高的冷卻速度（>107C/S），這樣得到的是一塊多孔的合金薄膜，其最薄厚度<0.5~1.0m第7頁/共51頁92.旋鑄法(chillblockmelt-spinning)將熔融的合金液自坩堝底孔射向一高速旋轉的、以高導熱率材料制成的輥子表面，輥面運動的線速度很高（>30~50m/s）液態(tài)合金的輥面上凝固成一條很薄的帶子（厚度可小至15～20m），條帶在凝固時與輥面緊密相貼，冷速可達106~107C/S可獲連續(xù)、致密的合金條帶是制取非晶態(tài)合金條帶普遍采用的一種方法。第8頁/共51頁103.工件表面熔化與自淬火法(surfacemeltingandselfquenching)用激光或電子束掃描工件表面，使表面極薄層的金屬熔化，熱量由下面基底金屬迅速吸收，使表層（<10m）在很高的冷速下（108C/S）重新凝固?？稍诖蟪叽绻ぜ砻娅@得快速凝固層，是一種具有工業(yè)應用前景的技術。第9頁/共51頁114.霧化法(atomization)普通霧化法：冷速<102~103C/S。為快冷采取冷卻介質強制對流，使合金液在N2、Ar、He等氣體的噴吹下，霧化凝固為細?；蚴轨F化后的合金在高速水流中凝固。另一種霧化法：將熔融的合金射向高速旋轉（表面線速度100m/s）的銅制急冷盤上，在離心力的作用下，合金液霧化凝固成細粒向周圍散開，通過安裝在四周的氣體噴嘴噴吹惰性氣體以加速冷卻。該法制得合金顆粒尺寸一般為10~100m，在理想條件下可達到106C/S的冷速第10頁/共51頁第三節(jié)、凝固理論的實際應用舉例細化鑄態(tài)金屬晶粒Hall-Petch公式：：材料的屈服強度d:晶粒直徑、K是兩個與材料有關的常數d降低，材料強度提高、塑韌性好。第11頁/共51頁13具體方法：(1)增大過冷度

抑制晶體生長速率，提高形核率更顯著即：提高形核率/生長速率比值，從而晶粒細化。

細化結晶晶粒途徑：

(1)提高形核率

(2)抑制晶體的長大速率。(2)變質處理向金屬液態(tài)中加入一些細小的形核劑（孕育劑或變質劑），作為非均勻形核的基底，使晶核數大量增加，晶粒顯著細化。第12頁/共51頁14（3）振動、攪拌（機械法、電磁法、超聲波法）在澆鑄和結晶過程中～，可顯著細化晶粒。因為：

A.～能向金屬液體中輸入額外能量，增大能量起伏，提

供形核所需形核功。

B.～可使枝晶碎斷，增大晶粒數量。如：Al或Al合金中加少量Ti、Zr；鋼中加Ti、Zr、V；向金屬或合金液體中加入同種固體顆?？稍黾哟罅恐苯幼鳛榻Y晶核心的固相；

可提高冷卻速度，增大過冷度。第13頁/共51頁第二章、機械合金化15MechanicalAlloying在冷態(tài)下，組成元素的金屬粉末通過反復變形、冷焊、剝落并伴有擴散，最終達到合金化的過程。是使人工加入的第二相高度均勻分散的先進粉末冶金工藝。第14頁/共51頁第一節(jié)、MA的原理和機制兩種以上的金屬粉和中間合金，在高能球磨機中球磨一定時間后，便可得到合金粉末。1.冷焊：很早以前就發(fā)現(xiàn)，極平的、純凈的金屬表面在冷態(tài)

下加壓可焊接在一起，此現(xiàn)象在焊接學上叫～。2.MA過程的機制：

塑性金屬粉末在球的碾壓、沖擊下發(fā)生形變，并以十分純凈的表面彼此接近到原子作用力的距離，于是在球表面產生冷焊層。與此同時脆性粉末被破碎，與反應產物質點一起被擠進冷焊層。一定厚度的冷焊層由于不斷的加工硬化又從球表面脫落，接著被破碎、冷焊。如此反復并伴隨擴散過程，最終達到合金化。16第15頁/共51頁第二節(jié)、機械合金化工藝要求和參數1、工藝要求（1）使氧化物達到最佳分布狀態(tài)

（2）合金組元的基本合金化

（3）較高的出粉率2、工藝參數（1）原料粉的性質原料冷焊性塑性MA實現(xiàn)擴散激活能Q≈20Ts（Q：激活能，Ts：熔點）D=Aoexp(-Q/RT)（D：擴散系數）

Q越小越易擴散，所以熔點高而塑性低的金屬冷焊性就差。17第16頁/共51頁W、Mo、Cr、Fe、Ni、Cu的冷焊性依次增強。所以在MA過程中使用的原料粉末中，必須有適當比例的塑性金屬粉，否則不能實現(xiàn)機械合金化。

冷焊過于強烈并不可取，反而會產生嚴重的粘料現(xiàn)象，一旦發(fā)生，MA過程也就終止。（2）原料粉的粒度

尤其是脆性材料，不僅會延長合金化時間，而且粉末粒度大于磨球咬合角時，將不能被破碎，就不能實現(xiàn)機械合金化。

一般脆性粉的粒度控制在200目以下，對冷焊性較差的W、Mo粉應控制在200～300目之間。篩網目數是指篩網每平方英寸的孔數（3）高能球磨機中介質對冷焊的作用

液體介質使塑性粉的冷焊性喪失，因為液膜妨礙了原子間的擴散。氧化性介質使不斷露出的純凈表面氧化，嚴重的阻止冷焊。

機械合金化應避免濕磨且常用氬氣為介質。18第17頁/共51頁（4）球料比和球磨時間球料比和球磨時間的增加促進了合金化，前者更重要。球料比過大，冷焊會相當強烈，形成的永久性冷焊層很難

剝落。所以要將合金化和出粉率適當地結合起來。解決原則：利用冷焊又要控制冷焊，特別是初期的冷焊。（5）在不同高能球磨機上，工藝參數相同但冷焊程度不同球磨機轉速高，溫升大，導致冷焊嚴重；反之冷焊輕微不利于合金化。19第18頁/共51頁第三節(jié)、機械合金化的重要設備1、高能球磨機：又稱攪拌球磨機。立、臥式（1）帶水冷套的圓柱形桶（或底椎形圓桶）

高度和直徑比約為2/1（2）攪拌棒（垂直攪拌棒帶橫臂，減速器，動密封，裝料口

和抽氣口）。攪拌速度80～300r/min（3）磨球：粉料隨球螺旋上升，在攪拌軸處下降，循環(huán)混合。桶、棒、球有冷焊層的保護，無需擔心雜質污染，但用于

破碎時，必須考慮污染問題。2、破碎效率球的位能單位時間內碰撞次數20第19頁/共51頁第20頁/共51頁N=42.4/D1/2N：臨界轉速

D：滾筒直徑（1）使用大直徑（10～100mm）磨球則急劇的減少碰撞

點，因此破碎效率是有限的。（2）而高能球磨機的破碎則依賴球的動能和擠壓力，幾

乎沒有臨界轉速的限制。（3）可采用小直徑（6～10mm）磨球，碰撞點多，遠遠

超過普通球磨。22第21頁/共51頁第三章、復合材料的制備Preparationofcomposites23第22頁/共51頁1、基本概念：是由兩種或兩種以上的物理和化學性質不同

的物質組合而成的一種多相固體材料。2、特點：其各組分材料雖然保持相對獨立，但其性能卻不

是組分材料性能的簡單加和，而有重大改進。3、基體：復合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為～。增強材料：以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相。

如：增強纖維、顆粒狀或彌散的填料

兩相間存在相界面。24第一節(jié)、復合材料的幾個概念第23頁/共51頁1、基本概念：是由兩種或兩種以上的物理和化學性質不同

的物質組合而成的一種多相固體材料。2、特點：其各組分材料雖然保持相對獨立，但其性能卻不

是組分材料性能的簡單加和，而有重大改進。3、基體：復合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為～。增強材料：以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相。

如：增強纖維、顆粒狀或彌散的填料

兩相間存在相界面。25第一節(jié)、復合材料的幾個概念第24頁/共51頁1、命名（1）增強材料名稱+基體材料名稱+“復合材料”

如：玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構成的復合材料“玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料”簡：增材/基材+“復合材料”如：“玻璃/環(huán)氧復合材料”第二節(jié)、復合材料的命名和分類（2）有時為突出增強材料和基體材料，視強調的組分不同如：“玻璃纖維復合材料”，“環(huán)氧樹脂復合材料”

碳纖維和金屬基體構成的復合材料叫“金屬基復合材料”

或“碳/金屬復合材料”

碳纖維和碳構成的復合材料叫“碳/碳復合材料”第25頁/共51頁2、常見分類方法（1）按增強材料的形態(tài)分類：連續(xù)纖維復合材料

短纖維復合材料

粒狀填料復合材料

編織復合材料（2）按增強纖維種類分：

玻璃纖維復合材料

碳纖維復合材料

有機纖維復合材料（如芳香族聚脂胺纖維）

金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）

陶瓷纖維（如Al2O3纖維、SiC纖維、B纖維等）

兩種或兩種以上纖維增強同一基體制成的復合材料稱為

混雜復合材料。27第26頁/共51頁（3）按基體材料分類：金屬基復合材料

無機非金屬基復合材料

聚合物基復合材料

（4）按材料作用分類：結構復合材料

功能復合材料

智能復合材料（5）同質復合材料：增強材料和基體材料屬于同種物質的復

合材料，如C/C復合材料。

異質復合材料：前述的多屬此類。

28第27頁/共51頁第三節(jié)、復合材料的性能29復合材料是多相材料的復合，其共同特點：

（1）可綜合發(fā)揮各種組合材料的優(yōu)點，使一種材料具多種性能。

如：玻璃增強環(huán)氧樹脂基復合材料，有類似鋼材的強度

和塑料的介電性和耐腐蝕性。

（2）可按性能的需要進行材料的設計和制造

（3）可制備所需的任意形狀的產品，可避免多次加工工序。

如：可避免金屬產品的鑄造、切削、磨光等工序。第28頁/共51頁1、聚合物基復合材料（PMC）的主要性能

（1）比強度大，比模量大

（2）耐疲勞性能好。30（3）減震性好。材料振動阻尼很高。

（4）過載時安全性好。

少數纖維斷，載荷重新分配，構件在短期內不至于失去承載能力。

（5）具有多種功能性：

a.可制成具有較高比熱、熔融熱和汽化熱的材料，以吸收高溫燒蝕

時的大量熱能；

b.有良好的摩擦性能；

c.高度的電絕緣性能；

d.耐蝕性能；

e.特殊的光、電、磁學性能。（6）有很好的加工工藝性金屬材料疲勞突發(fā)聚合物基復材疲勞界面能阻止裂紋擴展第29頁/共51頁2、金屬基復合材料的主要性能

（1）高比強度、比模量

因：基體中加入了適量的高強度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等構件重量輕、剛性好、強度高（B纖維、C纖維、SiC纖維等）。（2）導熱導電性能

金屬基占高體積分數，仍保持金屬的特性。31高集成度電子器件散熱（3）熱膨脹系數小，尺寸穩(wěn)定性好

調節(jié)增強物含量，獲得不同的熱膨脹系數。

如：石墨纖維/鎂基，當纖維含40%時，熱膨脹系數為零。零件不變形，對人造衛(wèi)星構件特別重要。超高模量石墨纖維金剛石纖維金剛石顆粒鋁基或銅基導熱率比鋁、銅還高制成集成電路底板和封裝件第30頁/共51頁（4）良好的高溫性能

金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強度和模量。

（5）耐磨性能好

陶瓷纖維、晶須、顆粒增強的復合材料具有很好的耐磨性。

（6）良好的疲勞性能和斷裂韌性

取決于增強物與金屬基體的界面結合狀態(tài)。有效傳遞載荷，阻裂擴，KIC

（7）不吸潮、不老化，氣密性好

金屬性質穩(wěn)定，組織致密，不老化、不分解、不吸潮等。聚合物基，分解低分子，污染儀器及環(huán)境32第31頁/共51頁3、陶瓷基復合材料的主要性能

陶瓷材料優(yōu)點：強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下

抗磨損性好，耐化學腐蝕，熱膨脹系數小，

相對密度較小。

陶瓷材料缺點：抗彎強度不高，斷裂韌性低，限制了其作為

結構材料的使用。用高強度、高模量的纖維和晶須增強后，其強、韌性大大提高；歐洲動力公司航天飛機C纖維增強SiC基體(1700℃);SiC纖維增強SiC基體(1200℃)(1)保持20℃時的抗拉強度；

(2)抗壓性能較好；

(3)較高的層間剪切強度；

(4)斷裂伸長率較一般陶瓷高；

(5)耐輻射效率高；

(6)可有效地降低表面溫度；

(7)有極好的抗氧化、抗開裂性能。陶瓷基復材發(fā)展慢的原因

(1)制備工藝復雜；

(2)缺少耐高溫的纖維。第32頁/共51頁第四節(jié)、各種復合材料的制備方法一、樹脂基復合材料的制備方法1.手糊工藝（1）基體：a.能在室溫下凝膠、固化，且固化過程中無低分子物產生；

b.能配置成粘度適當的膠液；

c.無毒或低毒且價廉；

（2）增強材料：采用玻璃纖維及其織物（布氈/熱處理、化學處理/浸潤）

（3）脫模劑：薄膜型：如聚脂薄膜，玻璃紙等。

混合溶液型：如聚乙烯醇溶液

蠟型：如多用脫模蠟（美）使用方便，省工省時。模具準備涂脫模劑樹脂膠液配制手糊成型固化脫模后處理檢驗制品增強材料鋪在模中澆、刷或噴法加樹脂使增強材料浸漬橡皮輥或涂刷趕出空氣反復厚度第33頁/共51頁2、模壓成型工藝

對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復合材料成型方法。35料的稱量模具預熱脫模劑涂刷料預熱和

預成型裝模壓制脫模打底及

輔助加工檢驗成品后處理壓制前準備壓制混合物入模腔閉模加入熔化壓力充滿模腔第34頁/共51頁3、連續(xù)纏繞成型工藝

將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布袋，按照一定規(guī)律纏繞在回轉芯模上，然后在室溫常壓下固化脫模成為增強塑料制品。承受一定內壓的中空型容器固體火箭發(fā)動機殼體導彈放熱層和發(fā)射筒壓力容器、大型貯罐近年發(fā)展的異型纏繞技術復雜截面形狀的回轉體斷面為矩形等不規(guī)則形容器干法纏繞/濕法纏繞芯模：石膏/鋼/鋁/低熔點金屬/低熔點鹽/木材/水泥/石蠟/聚乙烯醇/塑料等第35頁/共51頁二、金屬基復合材料(MMC)制備方法37

液態(tài)法：常用4種方法固態(tài)法：主要擴散法和粉末冶金法2種。噴涂沉積法：噴霧共沉積法金屬基：鋁、鈦、鎂、銅、鋼等，增強材料：陶瓷、碳、硼、金屬化合物等關鍵：基體金屬/增強材料間良好浸潤和合適的界面結合。第36頁/共51頁（一）液態(tài)法（常用4種）金屬浸潤法（MoltenMetalInfiltration)

使基體金屬呈熔融狀態(tài)，與增強材料浸潤結合，然后凝固成型。

1、常壓鑄造法（conventionalcasting）纖維整體或局部形狀的零件預制坯澆注模預熱預處理液體金屬澆入金屬液滲入纖維

預制坯并凝固靠重力38第37頁/共51頁攪拌直到在

熔體中均布2、液態(tài)金屬攪拌法（MoltenMetalStirring）

主要用于陶瓷顆粒增強金屬復合材料的制造。（坩堝）

基體

金屬

旋葉片逐漸加入彌散增強材料復

合

熔

體

脫

氣鑄

入

模

中1）可采用殼模精密鑄造直接生產零件。

2）也可先鑄成鑄坯，二次加工成型（生產板、管和各

種型材。對顆粒預處理，改善金屬對它的浸潤性和顆粒在熔體中分布狀態(tài)。界面狀態(tài)好39第38頁/共51頁3、真空加壓鑄造法（VacuumPressureCasting)真空環(huán)境可防止纖維和基體金屬加熱氧化，有利于纖維表面凈化，改善其浸潤性，減少復合材料和制品中的缺陷。4、擠壓鑄造(SqueezeCasting)該法建立在金屬液態(tài)模鍛基礎上。1）增強材料預制坯制造過程2）擠壓鑄造過程40壓頭加熱器頂桿預制坯液壓機復合材料金屬液加壓使金屬滲透預制坯高壓下凝固第39頁/共51頁（二）固態(tài)法（擴散法和粉末冶金法）擴散粘結法（DiffusionBonding）金屬基體為固態(tài)，與增強材料的復合是在不大的塑性變形情況下，靠較長時間、較高溫度和壓力，使組成材料之間接觸界面原子間相互擴散粘結而成。等離子噴涂法

液態(tài)金屬浸漬法

化學涂復法把纖維制成預制品浸漬復合絲

復合箔

無緯帶仔細處理清洗按一定形狀剪裁按一定比例

和排列方式

疊層封裝

加熱壓制（模中）

（真空、大氣）為使金屬基體能完全充滿纖維間所有間隙，適當提高溫度，使金屬有一定的塑性流變。41第40頁/共51頁壓制方法熱壓法

（HotPressing)

(HotIsostaticPressing)熱軋法

(HotRolling)熱等靜壓法42第41頁/共51頁1）熱壓法滾筒纏繞法把連續(xù)纖維預制

成帶或復合絲按一定長度裁下

交替疊層鋪在金屬箔上

（層間墊入的金屬箔的數量取決

于材料中纖維體積含量的要求）

放入金屬模中

或封入真空不銹鋼套內加熱、

加壓、保持取出，冷卻去封套43第42頁/共51頁2）熱等靜壓法用于制造形狀較為復雜的零件，但設備費用非

常昂貴。以連續(xù)纖維增強鋁管材為例。纖維預制帶

或復合絲鋪設并卷繞在

受熱易變形的薄壁鋼管上

達需要的厚度套入厚壁

鋼管中兩端焊合抽真空后密封置于高壓容器內注入

高壓

惰性

氣體

并加熱借助氣體受熱膨脹，均勻地對受壓件施加很高的壓力。44第43頁/共51頁3）熱軋法預處理的

纖維、復合絲或晶須與鋁箔交替排成坯料用不銹鋼薄板包裹夾在兩層不銹鋼薄板間或或加熱或多次

反復軋制制成

板材

或帶材若采用熱輥軋制

（即對軋輥進行

加熱）可提高

軋制效果45第44頁/共51頁粉末冶金法（PowderMetallurgy)是傳統(tǒng)的粉末冶金工藝應用于制作復合材料。金屬粉末+陶瓷顆粒（或晶須，或短纖維）均勻混合入模，

高溫高壓成型易于氧化的金屬

在真空、惰氣中

直接制成構件和型材優(yōu)點：

1）致密度高

2）增強材料

分布均勻

3）增強材料的

含量可在較

大范圍內變

動（