材料加工技術(shù)工程學(xué)

資料加工技術(shù)工程學(xué)資料工程葉旭初2006年6月1日一、資料加工資料加工：資料制備和資料加工資料制備：把各種原子、分子以及更高一級(jí)聚集形狀結(jié)合起來制成資料所采用的各種化學(xué)方法和物理方法；資料加工：對(duì)原子、分子以及更高一級(jí)聚集形狀進(jìn)展控制而獲得所需求的性能和外形尺寸(以性能為主)所采用的方法(以物理方法為主)，它是獲得適用資料質(zhì)量和效率的關(guān)鍵技術(shù)、如高分子型材、凝固技術(shù)、鋼板的軋制、氣相堆積制膜、陶瓷成型等。資料制備和資料加工的定義雖存在一定的差別。但在資料科學(xué)與工程中的界限上變得越來越模糊，正在逐漸變成一個(gè)延續(xù)的一致體。

首先，由于在選擇資料的各種制備方法時(shí)必需思索隨后為構(gòu)成適用資料而進(jìn)展的加工。如采用粉末冶金的方法制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤，總是希望原始粉末盡能夠細(xì)小以便于壓實(shí)和防止較大尺寸的夾雜，當(dāng)然粉末細(xì)小呵斥原始外表增大而導(dǎo)致外表氧化嚴(yán)重。

其次，現(xiàn)代資料的開展經(jīng)常把制備和加工連成一體了，如聚合物的反響注射成型以及熄滅合成精細(xì)鑄造技術(shù)便是很好的例子，資料的制備和加工是同時(shí)進(jìn)展的；資料學(xué)：1、資料呈現(xiàn)的性質(zhì)或景象以及運(yùn)用性能是是資料學(xué)首要問題。

2、資料性質(zhì)以及運(yùn)用性能與構(gòu)成資料的成分和各種層次上的構(gòu)造相互關(guān)系。包括元素的種類和他們的構(gòu)造陳列，資料學(xué)第二類問題。

因此“成分—組織—性能〞的三角關(guān)系是早期資料學(xué)研討方式。工程學(xué)——資料加工工程產(chǎn)品－消費(fèi)技術(shù)〔工藝〕－配備－控制－其它1、掌握資料學(xué)的研討成果；2、過程配備的創(chuàng)新想象；3、第一套配備的開發(fā)；4、規(guī)模化－工業(yè)放大－工程推行〔消費(fèi)研討〕；資料學(xué)－工藝學(xué)研討的范圍資料加工過程安裝過程控制電器其它消費(fèi)研討資料加工、制備技術(shù)工程學(xué)的主要研討內(nèi)容：〔1〕安裝任務(wù)原理、影響規(guī)律等機(jī)理性研討〔2〕第一套安裝的開發(fā)研討〔3〕工程化研討〔改良、新建〕〔4〕工業(yè)化的消費(fèi)管理研討〔經(jīng)濟(jì)〕等與工業(yè)化消費(fèi)相關(guān)的一系列其它活動(dòng)研討。資料加工工程學(xué)的主要知識(shí)構(gòu)造(1)加工工藝知識(shí)(2)工程根底實(shí)際知識(shí)〔力學(xué)－流膂力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、反響動(dòng)力學(xué)等〕(3)工程設(shè)計(jì)知識(shí)二、資料制備和加工的主要技術(shù)粉體制備、粉體成型與燒結(jié)、反響加工、凝固、纖維制備、薄膜制備、外表改性和涂層、塑性加工、高分子的合成、高分子資料成型與加工、特種冶金、焊接與膠接、化學(xué)微組裝與生物微組裝等大規(guī)模消費(fèi)技術(shù)〔無機(jī)：水泥、陶瓷、玻璃、耐火資料、磁性資料等，鋼材：冶金〕三、資料制備和加工的典型技術(shù)舉例1、直接金屬氧化法

直接金屬氧化法(directionmetaloxidemethod,DI-MOX法)是美國Lanxide公司研討開發(fā)出的用以制備復(fù)合資料的技術(shù)。利用周圍氣體與金屬熔液間的反響制造復(fù)合資料。其工藝流程是：①用冷壓機(jī)把陶瓷粒子或纖維等加強(qiáng)資料加壓成型，制成預(yù)型件；②把預(yù)型件和金屬(如Al)—起放入反響器內(nèi)，在高溫下(鋁為900—1400℃溫度范圍)將金屬熔化，金屬液在全過程(包括向預(yù)型件中浸透的過程)中與周圍氣氛不斷反響生成氧化物、氮化物或碳化物〔例如鋁液在大氣中生成AI2O3〕；③反響終了得制品。圖2.5-9所示為DIMOX法制備復(fù)合材科的過程表示。2、液相－氣相反響法液相－氣相發(fā)應(yīng)法〔liquid-gasreactionmethod,VLS〕，是1989年由美國Drexel大學(xué)的Koczak和Kumar發(fā)明并申報(bào)美國專利的反響自生復(fù)合資料的新技術(shù)。其根本原理是將含有C等元素的氣體〔如CH4〕經(jīng)過導(dǎo)管和氣體分散器，在一定溫度下導(dǎo)入合金液，氣體分解得到的元素與合金液中的反響生成硬質(zhì)相顆粒，從而制備出復(fù)合資料，特別是金屬基復(fù)合資料。圖2.5-10所示為VLS法制備復(fù)合資料簡(jiǎn)圖。稀土功能資料的產(chǎn)業(yè)化完成了N50系列高檔燒結(jié)釹鐵硼磁體的批量化消費(fèi)，開場(chǎng)試制N53系列產(chǎn)品。產(chǎn)品性能N50系列高檔燒結(jié)釹鐵硼磁體高性能釹鐵氮磁粉消費(fèi)線正在調(diào)試氣流磨大型氣淬燒結(jié)爐雙分級(jí)氣流磨200kg熔煉爐

先進(jìn)鎂合金及其運(yùn)用研討合金開發(fā)樣品試制合金消費(fèi)運(yùn)用消費(fèi)500MPa碳素鋼先進(jìn)工業(yè)化制造技術(shù)氣－液混合反應(yīng)聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇纖維是合成纖維的一類，其常規(guī)產(chǎn)品是聚乙烯醇縮甲醛纖維(Polyvinylformalfiber)，在我國俗稱維綸，或維尼綸。PVA→水洗→脫水→溶解→混合→過濾→脫泡→紡絲溶液(1)干濕法紡〔drywetspinning)又稱為干噴濕紡，是一種將干法和濕法特點(diǎn)結(jié)合起來的紡絲方法。干濕法紡絲時(shí)，紡絲溶液從噴絲頭擠出后，先經(jīng)過一段空氣層．然后進(jìn)入凝固浴．圖2.7-12為干濕法紡絲表示。從凝固浴導(dǎo)出的初生纖維的后處置過程與普通濕法紡絲一樣。碳纖維碳纖維〔carbonfiber)具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電傳熱等眾多優(yōu)點(diǎn)。碳纖維主要有纖維素基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維(polyacrylonitrile-basedcarbonfiber)和瀝青基碳纖維。纖維素基碳纖維由于消費(fèi)技術(shù)復(fù)雜，消費(fèi)本錢高，這類碳纖維己甚本淘汰?；瘜W(xué)氣相堆積制造碳纖維。真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)

真空條件下加熱被蒸鍍資料、使其熔化(或升華)并構(gòu)成由原子、分子或原于團(tuán)組成的蒸氣，凝結(jié)在基底外表成膜。蒸鍍是一種開展較早的鍍膜技術(shù)，方法簡(jiǎn)單，曾經(jīng)在光學(xué)、微電子學(xué)、磁學(xué)、裝飾、防腐蝕等方面得到了廣泛運(yùn)用。如：電于束蒸發(fā)(e-beamevaporation)用電子束加熱水冷銅坩鍋中的蒸發(fā)資料使其熔融或升華汽化并凝結(jié)在基底外表成膜。常用的電子槍有遠(yuǎn)聚焦直槍、2700。磁偏轉(zhuǎn)槍(e型電子槍)和空心陰極電子槍。如圖2.8-2，圖2.8-3所示?？招年帢O電子槍又有？管陰極和六硼化鑭陰極兩種。目前主要采用e型電子槍。被鍍膜的基片電弧離子鍍電弧離子鍍是蒸發(fā)源為電弧源的離子鍍。圖2.8－4所示為電弧離子鍍膜任務(wù)原理。圖2.8－4中陰極是靶材，真空室接地作陽極。在點(diǎn)火器與陰極任務(wù)面間隔適當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的電離火花激發(fā)陰極任務(wù)外表、產(chǎn)半直徑為0.01－100μm的亮堂弧斑。運(yùn)動(dòng)的斑區(qū)溫度高達(dá)數(shù)千至數(shù)萬度、并噴發(fā)出電子、離子、熔融的陰極資料微粒和原子。工件工件偏置電源真空室壁陰極屏陰極化學(xué)氣相堆積的安裝化學(xué)氣相堆積按化學(xué)反響中能量獲得的方式可分為熱CVD，等離子體加強(qiáng)CVD〔chemicalvapordeposition〕，其中熱CVD是比較傳統(tǒng)的CVD技術(shù)，等離子體加強(qiáng)CVD，激光和光CVD是新開展期來的CVD技術(shù)。(1)化學(xué)氣相堆積系統(tǒng)化學(xué)氣相堆積系統(tǒng)普通由三大部分組成。即反響物供應(yīng)系統(tǒng)、堆積室、尾氣處置系統(tǒng)。圖2.8-5是典型的CVD安裝表示。(2)反響物供應(yīng)系統(tǒng)a.反響物輸運(yùn)。反響物必需以氣體形狀引入列堆積室中，假設(shè)反響物在室溫下是液態(tài)，可以將其加熱汽化，然后由載氣將共蒸氣帶入堆積室。b.反響物的純化。隨著運(yùn)用領(lǐng)域?qū)瘜W(xué)氣相堆積的薄膜質(zhì)量要求越來越高，化學(xué)氣相堆積對(duì)反響物的純度要求也越來越高，由于反響物中的雜質(zhì)是呵斥薄膜缺陷的主要緣由。氣體的純度通常被表示為幾個(gè)九，如六個(gè)九，即表示純度到達(dá)99．9999％。有時(shí)純度也可以根據(jù)雜質(zhì)的含量表示為106(百萬分之一)或109(十億分之—)。等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相堆積

等離子體加強(qiáng)CVD系統(tǒng)等離子體加強(qiáng)CVD的系統(tǒng)和普通CVD的區(qū)別主要在于堆積室合用于產(chǎn)生等離子體的單元。在大多數(shù)等離子體加強(qiáng)CVD的系統(tǒng)中，等離子體是由平行電極之間的射頻或微波輝光放電產(chǎn)生的。圖2.8-6所示是射頻等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相堆積(radiofrequencyplasmaenhancedchemicalvapordeposition)系統(tǒng)表示。

氣相外延生長的設(shè)備氣相外延生長設(shè)備可分為兩個(gè)獨(dú)立的根本組成部分，即氣體分配單元和堆積室。氣體分配單元的功能是對(duì)氣體反響物按準(zhǔn)確比例進(jìn)展混合，并按一定程序送入堆積室，其主要構(gòu)件包括質(zhì)量流量控制器和壓力控制器．所采用閥門和流量計(jì)都必需能防止污染。否那么，會(huì)給薄膜帶來污染。在多數(shù)氣相外延系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，氣體分配單元都是大同小異的．而堆積室那么因生長化學(xué)過程和所需產(chǎn)品不同而有很大差別。圖2.8-7是常見的幾種氣相外延生長堆積室的構(gòu)造。等離子弧噴焊(plasmaarcwelding)是采用轉(zhuǎn)移型等離個(gè)弧為主要熱源，在金屬基材外表噴焊合金粉末的方法。等離子弧原理如圖2.9—24所示。普通采用兩臺(tái)整流電源，將負(fù)極并聯(lián)在一同，經(jīng)過電纜接至噴搶的電極，其中—臺(tái)電源的正極接噴搶的噴嘴，用于產(chǎn)少非轉(zhuǎn)移弧。另一臺(tái)電源的電極接工件，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)移弧。冷卻水經(jīng)過水電纜引入噴槍，冷卻噴嘴和電極。采用氬氣作離子氣，引入噴槍。電源接通后、借助高頻火花引燃非轉(zhuǎn)移?。^而利用非轉(zhuǎn)移弧射流在電極與工件間呵斥的導(dǎo)電通道，引燃轉(zhuǎn)移弧。在建立轉(zhuǎn)移弧的同時(shí)或之前，由送粉器向噴槍供應(yīng)合金粉末，吹人電弧中，并放射到工件上，因此轉(zhuǎn)移弧一建立，就在任務(wù)件上構(gòu)成合金熔池．使合金粉末在工件上熔融。隨著噴槍和工件的相對(duì)挪動(dòng)，液態(tài)合金逐漸凝固，構(gòu)成合金噴焊層。電弧噴涂[electricarcspraying)是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，利用其端部產(chǎn)生的電弧作熱源來镕化金屬絲材，用緊縮空氣進(jìn)展霧化的熱噴涂方法。圖2.9－25所示是其噴涂表示。噴嘴端部成一定角度的延續(xù)送進(jìn)的兩報(bào)金屬絲，分別接直流電源的正負(fù)極。在金屬絲端部短接的瞬間，由于高電流密度，使兩根金屬絲間產(chǎn)小電弧，將兩根絲材的端部同時(shí)熔化，由電弧發(fā)生點(diǎn)的背后放射出的緊縮空氣，使熔化的金屑脫離并霧化成微粒，在高速氣流的作用下。放射到制備好的基材外表上而構(gòu)成噴涂層。爆炸噴涂(explosionspraying)是以忽然迸發(fā)的熱能加熱熔化噴涂資料并使熔粒加速的熱噴涂方法。原理如圖2.9—26所爾，將一定比例和流量的乙炔和氧氣引入內(nèi)徑為25mm的水冷槍簡(jiǎn)內(nèi)，與同時(shí)引入的噴涂粉末混合。經(jīng)過火花塞點(diǎn)火瞬間引爆，槍筒內(nèi)的溫度忽然上升到3300℃以上．氣體熄滅的速度超越音速的十倍，構(gòu)成沖擊波，爆炸的熱能將噴徐粉末加熱到熔融或半熔殿形狀，并使熔粒加速到2倍音速噴出，撞擊到基體外表構(gòu)成涂層。以后將氮?dú)庖霕屩軆?nèi)置換．直到下一個(gè)爆炸過程開場(chǎng)。通入氣體和粉末的爆炸過程，每秒可反復(fù)進(jìn)展1～8次，根據(jù)涂層所要求的厚度可以反復(fù)進(jìn)展。壓制技術(shù):軋制可以在加熱形狀下進(jìn)展(熱軋),也可以在低于再結(jié)晶的溫度下進(jìn)展(溫軋),也可以再室溫下進(jìn)展(冷軋).同時(shí),也可以根據(jù)軋制的受力和變形方式來進(jìn)展分類,通常可分為：板帶、箔材軋制、縱軋成型軋制、橫軋成形壓制、斜軋成型、楔橫軋等。管材軋制:模鍛:模鍛是一種批量消費(fèi)金屬鍛件的工藝方法，它是金屬資料在一定外形的模腔內(nèi)變形，可以消費(fèi)出外形和尺寸都接近廢品零件的模鍛件。和自在鍛造相比，模鍛可以節(jié)省零件的機(jī)加工任務(wù)量和材科的耗費(fèi)，提高勞動(dòng)消費(fèi)率串以及提高整批產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。運(yùn)用模鍛工藝可以制造外形非常復(fù)雜的鍛件，可以使鍛件獲得良好的纖維組織以及高的力學(xué)性能，但是模鍛需求運(yùn)用大功率的鍛壓設(shè)備和昂貴的摸具，普通在對(duì)零件的組織性能有較高要求而且消費(fèi)批量比較大時(shí)，選用模鍛才適臺(tái)。旋轉(zhuǎn)鍛造

旋轉(zhuǎn)鍛造簡(jiǎn)稱旋鍛，是模鍛的一種特殊方式。它運(yùn)用一副或多副〔最多可達(dá)8個(gè)〕對(duì)擊的錘頭來消費(fèi)精細(xì)軸類件的鍛造工藝，鍛造時(shí)坯料旋轉(zhuǎn)送進(jìn)，在錘頭的打擊下到達(dá)減小直徑，增大長度和成型的目的。擠壓技術(shù)〔1〕正擠壓金屬流動(dòng)方向與擠壓軸方向一樣，釘坯與擠壓筒有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，縮需擠壓力較大。擠壓消費(fèi)型材時(shí)，通常采用平模后或分流組合模擠壓。平模擠壓時(shí)，?？诘亩◤綆У拈L度設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的要素，分流組合模擠壓時(shí)，分流孔的設(shè)計(jì)是非常重要的?！?〕反擠壓金屬流動(dòng)方向與擠壓軸的運(yùn)動(dòng)方向相反。但消費(fèi)效率較低，通常運(yùn)用于消費(fèi)一些塑性較差的金屬?！?〕結(jié)合擠壓這種方法既有正擠壓，又有反擠壓，故稱結(jié)合擠壓。管材穿孔－擠壓過程屬這類方法，穿孔時(shí)金屬向相反方向流動(dòng)為反擠壓，穿孔后，金屬正擠壓成管材。拉拔方法〔1〕實(shí)心材拉拔〔2〕空拉〔3〕長芯桿拉拔(4)固定短芯頭拉拔(5)游動(dòng)芯頭拉拔在連鑄連軋技術(shù)

目前，世界各國有色金同連鑄設(shè)備多達(dá)數(shù)十種，其突出的優(yōu)點(diǎn)是：液態(tài)金屬能一次成坯或成材，簡(jiǎn)化了消費(fèi)過程節(jié)約大量的投資；可省去一至兩道加熱過程，大大降低能耗；可防止每根鑄錠由于縮孔、疏松和夾雜等缺陷所需求的切去頭尾。提高了成材率，可大大改善勞動(dòng)條件。四、資料加工工程學(xué)的定位與研討內(nèi)容產(chǎn)品－消費(fèi)技術(shù)〔工藝〕－配備－控制－其它資料加工定位：1、掌握資料學(xué)的研討成果；2、過程配備的創(chuàng)新想象；3、第一套配備的開發(fā)；4、規(guī)?；I(yè)放大－工程推行〔消費(fèi)研討〕；工程學(xué)資料學(xué)－工藝學(xué)研討的范圍資料加工過程安裝過程控制電器其它消費(fèi)研討研討主要內(nèi)容資料加工、制備技術(shù)工程學(xué)的主要研討內(nèi)容：〔1〕安裝任務(wù)原理、影響規(guī)律等機(jī)理性研討〔2〕第一套安裝的開發(fā)研討〔3〕工程化研討〔改良、新建〕〔4〕工業(yè)化的消費(fèi)管理研討〔經(jīng)濟(jì)〕等與工業(yè)化消費(fèi)相關(guān)的一系列其它活動(dòng)研討。資料加工、制備技術(shù)的主要知識(shí)構(gòu)造－知識(shí)構(gòu)造是一個(gè)非常復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單三大類：(1)加工工藝知識(shí)(2)工程根底知識(shí)〔力學(xué)、熱工、反響動(dòng)力學(xué)等〕(3)工程設(shè)計(jì)知識(shí)本報(bào)告：關(guān)于資料制備和資料加工的一點(diǎn)思索五、資料加工機(jī)理研討的幾個(gè)舉例熱絲CVD研討存在的問題：溫度場(chǎng)不均勻，產(chǎn)品性能不理想，工件放大困難。電加熱絲燈絲加工件論文結(jié)論〔流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)－反響器設(shè)計(jì)〕1.在對(duì)金剛石各種氣相生長工藝進(jìn)展系統(tǒng)學(xué)綜合對(duì)比分析的根底上,以HFCVD為范例。進(jìn)展了生長形狀參數(shù)空間場(chǎng)模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研討,證明由于熱阻塞和熱繞流效應(yīng),降低了外傳質(zhì),使自在空間準(zhǔn)靜態(tài)HFCVD生長金剛石的速率難以提高,而構(gòu)成的溫度場(chǎng)不均勻性那么會(huì)影響膜層質(zhì)量。2.采用管道流動(dòng)反響方式進(jìn)展金剛石氣相生長,有利于消除熱繞流。為此,要求熱絲在管道橫截面內(nèi)均勻分布,并采用絕熱壁邊境條件。3.在消除熱繞流條件下,反響器處于外傳質(zhì)控制形狀,可按照質(zhì)量作用定律,經(jīng)過添加反響氣體質(zhì)量通量,來提高金剛石生長速率。4.采用分別送入反響氣體任務(wù)方式,可以顯著減輕鎢絲碳化,有利于延伸鎢絲壽命。5.本項(xiàng)研討結(jié)果為大面積高速氣相生長金剛石反響器設(shè)計(jì)提供了實(shí)際根據(jù),并在此根底構(gòu)成了對(duì)于熱絲化學(xué)氣相生長金剛石新型反響器的想象。〔2002〕論文結(jié)語微電子資料制造中反響器設(shè)計(jì)的根本目的之就是薄膜資料可以在襯底上均勻快速高質(zhì)量生長熱絲法化學(xué)氣相堆積系統(tǒng)中,薄膜資料生長依賴于碳源濃度!襯底溫度和氣體流動(dòng)等生長條件與環(huán)境本文數(shù)值模擬了單熱絲CVD系統(tǒng)內(nèi)襯底外表的輻照度分布和溫度分布"基于輻射熱平衡計(jì)算得到的溫度分布與襯底外表輻照度分布類似,存在較強(qiáng)的不均勻性"計(jì)入襯底橫向熱傳導(dǎo)后,襯底外表溫度分布的均勻性提高,在一定程度上為生長大面積質(zhì)量良好的薄膜發(fā)明了有利條件"阿姆斯特丹大學(xué)(2002)采用CFD技術(shù)對(duì)聚合物成型過程中的流變過程進(jìn)展的研討微射流噴涂過程研討(1998)CFD技術(shù)模擬中的網(wǎng)格劃分圖玻璃電熔窯內(nèi)脫氣過程的研討〔流動(dòng)軌跡、電場(chǎng)分布〕醋酸乙烯的聚合反響研討－金山石化螺帶攪拌漿七、資料工程系主要