金属间化合物在材料科学与工程专业教学实践中的研究和应用.pdf

Education & Teaching 教育教学 P.240 摘要：本文主要讲述金属间化合物材料的概述和应用， 并 讲述金属间化合物材料在材料科学与工程专业实验教学中的研 究和应用， 并建议在材料科学与工程专业的实验教学中增加金 属间化合物材料的制备和性能方面的实验课程。 关键词：金属间化合物 材料科学与工程 实验教学 研 究 应用 在材料科学与工程专业的本科教学工作中， 本科生进入大 三和大四的学习生活中， 就要学习材料科学与工程专业的专业课 程和专业基础课程。 其中在材料科学与工程专业的课程教学中， 在讲述材料的合成与制备方法， 材料科学基础等课程中都将讲 述过金属间化合物材料。 金属间化合物材料已经作为金属材料 教学研究中的重要内容。 金属间化合物材料是指金属与金属间 形成的金属互化物或者金属与非金属元素间形成的化合物。 金 属间化合物的种类比较多， 而且一些常用的金属间化合物已经在 工程领域得到应用。 金属间化合物材料中所含元素都是普通元 素， 是金属合金材料， 所以可以将金属间化合物材料的制备和性 能的知识内容引入到材料科学与工程专业的课堂教学和实验教 学中， 可以作为本科学生的毕业设计和专业课程设计教学内容。 一、 金属间化合物材料的概述和应用 金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主组成的二 元或多元系合金中出现的中间相。 金属间化合物主要指金属与 金属间， 金属与类金属之间按一定剂量比所形成的化合物， 金属 间化合物有的已是或将是重要的新型功能材料和结构材料。 金 属间化合物的历史由来已久， 金属间化合物的研究已经成为材 料科学研究的热点之一。 人们发现许多金属间化合物的强度并 不是随温度的升高而单调地下降， 相反是先升高后降低。 因为这 一特性， 掀起了新一轮金属间化合物的研究热潮， 使金属间化合 物具备了成为新型高温结构材料的基础。 现在已研究出许多方 法和措施， 用来改善和提高金属间化合物的塑性， 为将金属间化 合物材料开发成为有实用价值的结构材料打下基础。 金属间化 合物是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新 材料。 金属间化合物强度高， 抗氧化性能好和抗硫化腐蚀性能优 良， 优于不锈钢和钴基， 镍基合金等传统的高温合金， 而且具有 较高的韧性， 因此金属间化合物被公认为是航空材料和高温结 构材料领域内具有重要应用价值的新材料。 金属间化合物材料 作为近20年内才发展起来的新材料， 相对于传统金属材料具有 特殊的优点和规律， 广泛用于制备金属间化合物基复合材料。 金 属间化合物相对于金属材料为脆性材料， 相对于其他材料则具 有一定的韧性， 并且具有相当高的塑性。 某些金属间化合物还具 有反常的强度-温度关系， 在一定的温度范围内， 强度随着温度 的升高而升高， 这对高温结构材料的开发和应用给予很大的希 望。 此外许多金属间化合物材料具有良好的抗氧化性能， 耐腐蚀 性能和耐磨损性能， 如Ni-Al金属间化合物和Fe-Al金属间化合 物材料。 因此采用金属间化合物和其他材料相复合制备复合材 料可以提高金属间化合物材料的力学性能。 金属间化合物具有一系列的优异性能是最具有吸引力的新 一代高温结构材料和表面涂层材料。 金属间化合物的种类非常 多， 近年来国内外主要研究集中于Ni-Al金属间化合物， Ti-Al 金属间化合物， Fe-Al金属间化合物等含Al金属间化合物的研 究。 目前金属间化合物材料已经研究和开发的较为广泛。 许多金 属间化合物材料已经用于铸造， 锻压和高温熔炼等。 金属间化合 物材料具有高温强度好， 高温抗蠕变性能强， 抗腐蚀性能好， 抗 氧化性能好等优点， 且在一定的温度范围内金属间化合物的屈 服强度随着温度的升高而升高。 但是金属间化合物材料作为使 用的结构材料， 还存在硬度低， 断裂韧性差以及高温强度低等缺 点。 将金属间化合物与其他材料进行复合制备金属间化合物基 复合材料， 以制备出兼具有二者优点的复合材料是当前的重要研 究和发展方向。 金属间化合物材料具有较高的加工硬化率和较 特殊的高温性能， 因而被认为是下一代高温结构材料和高温耐 磨损材料之一， 特别是在改善金属间化合物材料的塑性后， 更是 受到了广泛的重视和研究。 为了进一步提高金属间化合物材料 的综合性能， 很多研究工作者在金属间化合物材料中加入强化 相制备金属间化合物复合材料， 即形成金属间化合物基复合材 料。 可以向金属间化合物中加入碳化物硬质相制备耐磨损的金 属间化合物基复合材料。 金属间化合物材料具有许多优秀的性 能而被广泛的应用到工程领域中。 二、 金属间化合物在材料科学与工程专业教学实践中的 研究和应用 金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应 用在工程领域中， 所以应该在材料科学与工程专业的课堂教学 和实践教学中增加一些金属间化合物的知识和内容。 金属间化 合物材料主要包括Al系金属间化合物材料， 主要有Fe-Al金属 间化合物， Ni-Al金属间化合物， Ti-Al金属间化合物等， 还有其 金属间化合物在材料科学与工程专业教学实践中 的研究和应用 江涛 吕巧飞 张维娜 李帅 鄢南平 刘乐 西安石油大学材料科学与工程学院 资助项目： 省级大学生创新创业训练计划资助项目， 编号 (1202)。 201.08.indd 2402014/7/26 8:23:08 Education & Teaching 教育教学 HUMAN RESOURCE MANAGEMENT P.241 他的如Cu-Al合金， Cu-Zn合金以及Ni-Ti合金体系等金属间化 合物材料。 由于一般常用的金属间化合物是由两种金属元素形 成的化合物并具有典型的二元相图， 所以可以通过认识和了解 金属间化合物学习和掌握二元相图的知识内容。 此外金属间化 合物材料的制备工艺方法也有很多， 主要有金属熔炼法， 高温自 蔓延反应合成法， 机械合金化法， 反应烧结法， 粉末冶金工艺等 多种方法。 其中反应熔炼法是将不同种金属元素放到熔炼炉中 进行熔化形成金属合金熔体使其均匀混合并冷却形成金属间化 合物材料。 高温自蔓延反应合成方法是通过反应放出大量的热 量维持反应继续进行最终形成所需要的金属合金材料。 机械合 金化工艺过程是利用高能球磨机把两种纯金属粉末放入球磨罐 中并加入适量的添加剂进行球磨， 粉末的制备由机械合金化过 程完成， 块体的制备则由烧结过程实现， 机械合金化工艺是一种 固态反应的过程。 机械合金化技术是近年来发展起来的一种材 料制备方法， 机械合金化工艺通过对粉末反复的破碎， 焊合来达 到合金化的目的， 由于合金化过程中引入大量的应变， 缺陷以及 纳米级的微结构， 机械合金化制备的材料具有一些与传统方法 制备材料不同的特性。 通过机械合金化工艺就可以制备出金属 间化合物粉末。 粉末冶金技术是制备金属间化合物材料比较常 用的一种方法。 以单质或合金粉末为原料， 一般是先用塑性加工 的方法把粉末制备成所需要的复合材料制件， 然后在烧结同时 实现了制件的成型。 反应烧结法是将不同种金属元素粉末通过 热压烧结工艺或者常压烧结工艺形成金属间化合物块体材料。 金属间化合物材料的制备通常采用粉末冶金工艺进行制备。 由于金属间化合物材料原料成本较低， 制备工艺不复杂， 所 以对于金属间化合物材料的制备和性能的研究工作可以引入到 材料科学与工程专业的实验教学工作中。 可以在实验教学的课程 中增加金属间化合物材料的制备和性能的研究内容， 例如通过 反应熔炼法， 机械合金化方法和粉末冶金法等制备金属间化合 物材料， 并对金属间化合物材料的结构和性能进行研究。 通过以 上实验教学过程可以锻炼学生的实践能力和分析能力， 还可以 加深学生对材料科学与工程专业知识内容的认识和了解。 在上 述实验方法中， 其中机械合金化工艺是比较实用并且能够在实 验室里进行的。 机械合金化工艺是将两种不同的金属粉末混合 并经过高能球磨过程制成金属间化合物粉末， 并通过烧结过程 制备金属间化合物块材。 机械合金化工艺可以在实验室里进行， 可以安排学生通过机械合金化工艺制备金属间化合物材料。 此 外在本科学生的专业课程设计和毕业设计期间也可以安排学生 进行金属间化合物材料的制备和性能的研究工作。 通过对金属 间化合物材料的制备和性能的研究工作， 使得学生充分的认识 和了解金属间化合物材料的性能特点， 并加深学生对所学习的 材料科学与工程专业课程知识内容的认识和了解， 使得学生对 材料科学与工程专业的课程内容有一定的掌握和熟悉， 并通过 实验教学过程提高了学生的实践能力和分析问题解决问题的能 力， 扩展了学生的知识面。 所以本文作者认为应该在材料科学与 工程专业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的 实验课程， 并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作 为实验教学课程， 这将有助于提高学生的实践能力并扩展了学 生的知识面， 这为本科学生以后学习材料科学与工程专业的知 识内容打下坚实的实验基础。 三、 金属间化合物材料未来的研究方向和发展趋势 金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应 用在工程领域中。 近年来金属间化合物材料发展迅速， 一些常用 的金属间化合物已经被应用到实际的工程领域中， 还有些新型 的金属间化合物正在研究和开发中， 而且有些金属间化合物作 为结构材料进行使用， 还有些金属间化合物成为先进功能材料 和具有特殊性能的新材料。 所以金属间化合物材料的发展和应 用前景比较广阔。 所以本文作者认为应该在材料科学与工程专 业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的实验课 程， 并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作为实验 教学课程。 通过实验课程教学可以提高本科学生对材料专业课 程内容的认识和了解。 本文主要讲述金属间化合物材料的概述和应用， 并讲述金 属间化合物材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应 用， 并介绍金属间化合物材料的未来发展趋势和方向。 作者认为 在材料科学与工程专业的实验教学中增加金属间化合物材料的 制备和性能方面的实验课程， 通过实验课程教学可以提高学生 对材料科学与工程专业所学知识的认识和掌握。 参考文献 1林栋梁.高温金属间化合物研究的新进展J.上海交通大学学 报,1998,32(2):95-109 2何慧,张晓花,杨渭.金属间化合物的机械合金化制备J.山东冶 金,2004,26(5):45-50 3杨晓光.粉末冶金技术的应用与发展J.航空工艺技术,1999(4):36- 38 4徐润泽.当今世界粉末冶金技术和颗粒材料的新发展J.机械工程材 料,1994,18(2):1-6 5郭志猛,杨薇薇,曹慧钦.粉末冶金技术在新能源材料中的应用J.粉 末冶金工业,2013,23(3):10-20 6马臣,孟延红,曹智贤.机械实验课程教学体系构建的探索J.实验室 科学,20