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前沿材料科学 任课教师 张鹏 单位 机电学院材料所 前沿材料科学 学时数 32 学分数 2 0 一 课程的目的 了解复合材料科学 纳米科学 超导科学 半固态加工科学 超声加工科学 激光加工科学等先进材料科学的基本原理 基础理论 技术方法 主要特点与应用等内容 对前沿材料科学体系形成较为系统的认识 二 课程教学内容 共分6章 第一章复合材料科学 内容 介绍复合材料科学的基本情况 包括复合材料的基本概念 特点 研究方法和加工技术等内容 目的 了解复合材料科学的产生 发展 与其它科学的交叉和应用 第二章纳米科学 内容 介绍纳米科学的基本情况 包括纳米技术的基本概念 特点 加工技术等内容 目的 了解纳米科学的产生 发展 与其它科学的交叉和应用 第三章超导科学 内容 介绍超导科学的基本情况 包括超导科学的基本概念 特点 研究方法等内容 目的 了解超导科学的产生 发展和应用 第四章半固态加工科学 内容 介绍半固态加工科学的基本情况 包括半固态加工的基本概念 特点 加工技术等内容 目的 了解半固态加工的产生 发展 与其它科学的交叉和应用 第五章超声加工科学 内容 介绍超声加工科学的基本情况 包括超声加工的基本概念 特点 加工技术等内容 目的 了解超声加工的产生 发展 与其它科学的交叉和应用 第六章激光加工科学 内容 介绍激光加工科学的基本情况 包括激光加工的基本概念 特点 加工技术等内容 目的 了解激光加工的产生 发展和应用 主要教学参考书 1 复合材料及其应用技术 汤佩钊编著 重庆大学出版社 1998 2 功能材料与纳米技术 李玲 向航编著 化学工业出版社 2002 3 半固态金属加工技术及其应用 谢水生 黄声宏编著 冶金工业出版社 1999 4 现代加工技术 张辽远编著 机械工业出版社 2002 考核方式 提交报告 3 5人一组 课程宗旨 不是负担 轻松学习 获得知识 三 前沿科学及其交叉 石器时代 青铜器时代 铁器时代 现代 中国目前就有960多个重点学科 这些学科就象金字塔一样 以雄厚的基础支撑着活跃在科技领域的前沿学科 复合材料科学 半固态加工科学和超声振动科学及其交叉 1复合材料科学及其交叉 二十世纪六十年代以来 对工业材料提出了越来越苛刻的要求 传统材料力不从心 复合材料应运而生 二十世纪九十年代 美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉 1 1复合材料科学与声学科学的交叉 科技难题 军事装备的隐身问题 利用陶瓷铁氧体 碳黑 塑料 磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料 特点 可吸收不同频率的声波和电磁波 导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世 美国隐形轰炸机 纵横驰骋 无所顾忌 1 2复合材料科学与纳米加工科学的交叉 二十世纪八十年代 德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末 给材料领域带来了巨大的变化 科技难题 高温陶瓷复合材料的烧结问题 特性之一 熔点的降低 2纳米金粉末金的熔点1064 33 将纳米材料的这一特性交叉到复合材料学科中 可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料 1 3复合材料科学与磁学科学的交叉 本世纪初 美国科学家理查德 波斯特将磁学研究交叉在复合材料研究领域 科技难题 磁悬浮问题 利用铁 硼 钕等材料制备了超级磁性复合材料 特点 产生的磁场全部指向同一方向 无需电力就可将列车悬浮起来 在美国航空航天局的资助下 磁悬浮列车的速度达到了640km h 半固态加工处于固液二相区 可利用挤压手段将含有杂质的液体挤出 留下初生纯固相 然后再从新进行半固态挤压 进一步提纯 这样一次一次地提纯 最后就可获得超纯材料 半固态加工与超纯材料研究学科的交叉 科技难题 超纯材料的制备问题 日本科学家利用半固态挤压技术制备出了纯度为15个9的半导体材料 2半固态加工科学及其交叉 二十世纪七十年代初期MIT的Flemings教授提出半固态加工思想 3超声振动科学及其交叉 二十世纪六十年代 Merchant提出需要更新加工观念 于是人们开始探索采用除机械能以外的能量进行加工 这样就逐渐形成了将超声振动加工技术 超声振动科学与冶金科学交叉 超声振动的乳化作用可使异种材料均匀地混合在一起 将超声振动与冶金学科交叉 可明显改善材料尤其是组分物性差别大的合金 复合材料的组织 形成组织均匀的高性能材料 科技难题 组分物性差别大材料的偏析问题 图0 1铝铅合金 未处理组织 经处理组织 从上述前沿科学及其交叉的介绍可见 前沿科学交叉一方面拓宽了其本身研究领域 另一方面也给其它科学带来了勃勃生机 成功地解决了各领域中存在的难题 使得现代科技产生了史无前例的飞跃 第一章复合材料科学 二十世纪六十年代以来 对工业材料提出了越来越苛刻的要求 耐高温 高强度 轻量化等 1 1复合材料的基本概念 特点 内容 介绍复合材料的基本概念 特点 研究方法和加工技术等内容 传统材料 复合材料大量涌现 钢铁 水泥和木材力不从心 复合材料 由二种或二种以上材料组合的新材料 其中含量多的称为基体 含量少的称为添加体 组合方式 宏观 结构复合体 层合板微观 混合体 合金 1 1 1复合材料概念 特点 具有相补效应 即各组分复合后可以相互弥补各自的弱点 形成优异的综合性能 形成了系统的复合材料科学 已经开发出2000多种复合材料 1 1 2复合材料特点 1 2复合材料的分类 研究方法 按性能高低分 常用复合材料先进复合材料 1 21复合材料的分类 常用复合材料 常规领域中使用的复合材料 如混凝土 合金钢等 先进复合材料 前沿领域中使用的复合材料 航空航天 军事 高科技领域用复合材料 碳纤维增强环氧树脂 开夫拉层压板 铜 二硼化钛复合材料 按用途分 结构复合材料功能复合材料 结构复合材料 用于完成各种结构功能的复合材料 对力学性能要求高 镁合金手机外壳 功能复合材料 用于实现各种功能的复合材料 如电 磁 光 热 摩擦 振动等 电 钇 钡 铜 氧系和铋 锶 钙 铜 氧系超导复合材料 130K 超导计算机 超导无声推进系统 航天飞机自动升空 按基体分 金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料 光 热 70年 美康宁公司 非氧化物玻璃光导纤维 成分为氟化物 氟化锆 氟化钡 氟化钠多元氟化锆酸盐 光损耗极低0 16分贝 千米 3 6 固体气凝胶 由96 的空气和4 的二氧化硅 二氧化铝与碳制成 密度最小的固体材料 隔热 金属基复合材料 以金属 铝合金 金属间化合物 为基体的各种复合材料 如颗粒增强铝基复合材料 颗粒体积分数一般不超过25 性能比原基体明显提高 20 碳化硅颗粒增强6061铝合金 强度310MPa 496MPa 模量68GPa 103GPa 断裂伸长率12 5 5 耐磨性 尺寸稳定性 耐热性有很大改善 陶瓷基复合材料 是以陶瓷 玻璃和玻璃陶瓷为基体的复合材料 如碳化硅纤维补强氮化硅陶瓷复合材料 耐热性好 用于制备1350 左右的高温叶片 气敏陶瓷 二氧化锡等 压电陶瓷 超导陶瓷 生物陶瓷等 如玻璃钢 玻璃纤维增强塑料 强度是钢的3 4倍 密度为1 4 1 16 导电塑料等 按添加体分 颗粒复合材料 如铜石墨受电弓滑板 层片复合材料 如钢铝合金层合板 纤维复合材料 如碳纤维增强塑料 聚合物基复合材料 是聚合物为基体的复合材料 1 2 2复合材料的研究 最突出 界面研究和可靠性研究 界面研究 界面的表征 界面设计的优化 界面改性 界面残余应力行为 可靠性研究 组分 加工工艺来保证可靠性以及可靠性的评价 检测和监控 1 3复合材料的加工技术 1 粉末冶金技术 将添加体粉末和基体粉末混合 按常规粉末冶金方法加工 特点 工艺和制品质量容易控制 成本较高 2 液相复合技术 将添加体和基体熔体进行混合 按常规加工方法进行加工 混合方法 机械搅拌 雾化喷射沉淀等 3 其它技术 气相浸渗技术 将材料放入气体中进行反应形成复合材料 原位生长技术 将材料放入固体或液体中进行反应形成复合材料 1 4复合材料科学与其它科学的交叉 二十世纪九十年代 美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉 复合材料科学与声学科学的交叉 科技难题 军事装备的隐身问题 利用陶瓷铁氧体 碳黑 塑料 磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料 特点 可吸收不同频率的声波和电磁波 导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世 美国F 117轰炸机 纵横驰骋 无所顾忌 复合材料科学与纳米加工科学的交叉 二十世纪八十年代 德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末 给材料领域带来了巨大的变化 科技难题 高温陶瓷复合材料的烧结问题 特性之一 熔点的降低 2纳米金粉末金的熔点1064 33 将纳米材料的这一特性交叉到复合材料学科中 可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料 复合材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题 磁悬浮问题 本世纪初 美国科学家理查德 波斯特将磁学研究交叉在复合材料研究领域 利用铁 硼 钕等材料制备了超级磁性复合材料特点 产生的磁场全部指向同一方向 无需电力就可将列车悬浮起来在美国航空航天局的资助下 磁悬浮列车的速度达到了640km h 1 5小结 一 复合材料概念复合材料 由二种或二种以上材料组合的新材料 其中含量多的称为基体 含量少的称为添加体 二 复合材料特点具有相补效应 即各组分复合后可以相互弥补各自的弱点 形成优异的综合性能 三 复合材料的分类按性能高低分 常用复合材料 先进复合材料 按用途分 结构复合材料 功能复合材料 按基体分 金属基复合材料 陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料 按添加体分 颗粒复合材料 纤维复合材料和层片复合材料 四 复合材料的研究集中在 界面研究和可靠性研究 五 复合材料的加工技术主要有 粉末冶金技术 液相复合技术和其它技术 08Al钢板 Al 20Sn合金层 轴瓦 图1 1钢 Al 20Sn复合板及轴瓦 钢 Al 20Sn复合板简介 优良的轴瓦材料 适用于汽车 机械 航空航天等广泛领域 需求量很大 我们进行的研究工作 目前典型的成形方法 Al 20Sn合金板 钢板 轧机 钢 Al 20Sn复合板 图1 2固固相轧制成形方法 Sn分布均匀 工艺复杂 能耗大 界面形成机械咬合和部分物理结合 结合强度低 40MPa 应用越来越受到限制 图1 3固固相复合界面 工艺简单 能耗小 界面形成冶金结合 结合强度大 60MPa 符合材料发展方向 其研究占主导地位 钢板 轧机 钢 Al 20Sn复合板 图1 4固液相铸轧成形方法 浇嘴 Al 20Sn合金液 固液相成形存在的问题 1 Al 20Sn覆层内存在Sn分布不均 2 界面脆化 Al和Sn的密度与熔点差别较大 造成合金液中Sn沉淀 所以产生Sn分布不均现象 铁铝化合物层使复合界面脆化 复合板的结合强度没有达到其应有的水平 铁铝化合物层 图1 5界面层 图1 6理想的界面层 图1 7脆化的界面层 钢板 轧机 浇嘴 Al 20Sn半固态浆料 图1 8半固态铸轧成形装置 钢 Al 20Sn复合板 预热装置 我们采用的方法 复合界面结构 图1 9典型的复合界面 fs 34 复合界面由位于钢基内的1 2和3区构成 1和3区与覆层中后生固相相接触 由铁铝化合物构成 2区与覆层中的初生固相相接触 由含铝量小于3 5 的铁铝固溶体 构成 因此钢 半固态Al 20Sn复合界面是由铁铝化合物和铁铝固溶体交 替构成的新型结构 当固相率为34 3 复合板界面剪切强度最大为70 2MPa 这比固液相复合板的提高了10MPa 图1 10高频振动复合成形 高频振动空化效应产生的 均匀分散 促进润湿 和 净化表面 等特性来消除Al 20Sn覆层中Sn的偏析和实现熔体与钢板迅速铺展 贴紧 改善钢板与Al 20Sn覆层的结合 获得界面结合强度高 润滑性能好的钢 Al 20Sn复合板 第二章纳米科学 内容 介绍纳米科学的基本情况 包括纳米技术的基本概念 特点 加工技术等内容 2 1纳米科学的基本概念 特点 二十世纪八十年代 德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末 给材料领域带来了巨大的变化 二十世纪八十年代以来 由于发明了扫描隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 等微观表征和操纵技术 为纳米级微粒的结构 形态和特性的研究提供了保障 因此纳米科学如雨后春笋般茁壮成长起来 2 1 1纳米的概念 纳米材料 是指构成材料的颗粒的尺度在1 100nm 10 9m 之间的材料 2 1 2纳米材料特性 四大基本特性 小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长 超导态的相干长度等物理特征相当或更小时 晶体周期性的边界条件被破坏 非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小 使得材料的声 光 电 磁 热 力学等特性出现改变而导致新的特性出现的现象 表面效应 纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小 微粒表面所占有的原子数目远远多余相同质量的非纳米材料粒子表面所占有的原子数目 单位质量粒子表面积的增大 表面原子数目的聚增 使原子配位数严重补助不足 高表面积带来的高表面能 使粒子表面原子极其活跃 很容易与周围的气体反应 也容易吸附气体 这一现象称为表面效应 量子尺寸效应 在纳米材料中 微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更小时 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能隙变宽的现象叫纳米材料的量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应 宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧道效应 几十年来 形成了系统的纳米材料科学 纳米科技已经在材料与制造 纳米陶瓷 微电子 光电子与计算机 磁盘 医学与健康 纳米药 生物工程与农业 基因改变 环境与能源 处理污水 航空与航天 纳米涂料 国家安全 吸波材料 等广泛领域得到应用 纳米科学技术的最终目标 是人类按照自己的意志操纵单个原子组装具有特定功能的成品 来改变人类的生产和生活模式 1 2 1纳米材料的分类 2 2纳米材料的分类 研究方法 纳米材料包含 纳米颗粒 纳米固体 纳米组装体系等三个层次 1 纳米颗粒 是指线度处于1 100nm之间的粒子聚合体 成分为 金属或金属间化合物 非金属氧化物或其他化合物 纳米磁粉 磁卡 固体燃料 病毒 形态为 球形 片状 棒状 针状 星状 网状等 晶体结构为 大多数为单晶 尺寸为60nm时 可观察到孪晶界 层错和位错等微结构 也可为非晶态或亚稳相 2 纳米固体 是由纳米微粒聚集而成的凝聚体 按几何形态可分为 纳米块状材料 纳米薄膜材料 纳米纤维材料 是指由表面清洁的纳米微粒经高压形成的三维凝聚体 是指二维的纳米固体 包括纳米粒子薄膜和纳米缺陷与复合薄膜 人体 是指一维的纳米固体 按微粒结构状态可分为 纳米晶体 纳米非晶体 纳米准晶材料 包含的纳米微粒为晶态的纳米固体 由具有短序的非晶态纳米微粒组成的纳米固体 将只有取向对称性的纳米级准晶微粒弥散在基体中得到的纳米固体 按组成材料相数多少可分为 纳米相材料 纳米复合材料 由单相纳米微粒构成的纳米固体称为纳米相材料 由不同材料的纳米微粒或二种及二种以上固相的纳米微粒 至少在一个方向上以纳米级尺寸复合而成的纳米固体称为纳米复合材料 3 纳米组装体系 由人工组装合成的纳米结构的材料体系称为纳米组装体系 纳米阵列体系 介孔组装体系 薄膜嵌镶体系 2 2 2纳米材料的研究 制备研究 制备方法 机理研究 表征研究 集中在 制备研究和应用研究 应用研究 结合各领域的特点进行声 光 电 磁 热 力学等性能与机理的研究 2 3纳米材料的加工技术 一 纳米粉体加工技术 纳米粉体加工技术包括 物理法 化学法 综合法等技术 1 物理法 惰性气体沉淀技术 高能球磨技术 热物理技术 非晶晶化技术 等离子技术 1 惰性气体沉淀技术 是金属在外源 热 等离子 激光等 蒸发下 采用惰性气体对金属蒸气进行保护得到纳米颗粒的技术 2 高能球磨技术 是将大块物料放入高能球磨机或气流磨中 利用介质和物料之间相互研磨和冲击使物料细化的技术 3 热物理技术 是将大块材料在真空中加热蒸发 蒸发出原子或分子在低压惰性气体介质中冷却而形成纳米粉的技术 4 非晶晶化技术 是通过熔体快冷 高速直流溅射 等离子流雾化等过程得到纳米粉体的技术 5 等离子技术 是以等离子态作为材料制备能源而得到纳米颗粒的技术 物理法总结 2 化学法 化学沉淀技术 水热技术 乳液技术 溶胶 凝胶技术 1 化学沉淀技术 在包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中 加入沉淀剂 如OH C2O42 CO32 等 后 或在一定温度下使溶液发生水解 形成不溶性的氢氧化物 水合氧化物或盐类 从溶液中析出 并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去 经热分解或脱水即可得到所需的氧化物粉料的技术 2 水热技术 是指在高温 高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度 于是氢氧化物溶入水中同时析出氧化物超细粉末的技术 3 乳液技术 是利用二种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液 从乳液中析出固相制备纳米材料的技术 4 溶胶 凝胶技术 是将易于水解的金属化合物 无机盐或醇盐 在某种溶剂中与水发生反应 经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化 在经干燥 烧结处理 得到所需的各种纳米材料的技术 化学法总结 3 综合法 辐射合成技术 微波 溶胶凝胶技术 是在常温下采用 射线辐照金属盐的溶液制备纳米微粒的技术 是将溶胶 凝胶技术与微波烧结技术相结合来制备纳米材料的技术 综合法 二 纳米膜的加工技术 纳米膜的加工技术包括 还原技术 溅射技术 化学气相沉积技术 1 还原技术 是用金属元素的酸溶液 以柠檬酸钠为还原剂迅速混合溶液 并还原成具有纳米尺寸的金属颗粒 形成悬浮液 最后去除水分 得到含有超微细金属颗粒构成的纳米材料薄膜的技术 2 溅射技术 是利用直流或高频电场使惰性气体发生电离 产生辉光放电等离子体 电离产生的正离子和电子高速轰击靶材 使靶材上的原子或分子溅射出来 然后沉淀到基板上形成薄膜的技术 是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的技术 3 化学气相沉积技术 三 纳米块料的加工技术 以粉末等静压技术为主 等静压技术 是将较低压力下干压成型的坯体置于一个橡胶皮模内密封 在高压容器中以液体为压力传递介质 使坯体均匀受压 得到密度高的纳米块料的技术 2 4 1纳米材料学科与计算机学科的交叉 解决科技难题 微电路的制备问题 日前 美国西北大学的英金等人研制出纳米光刻机 其刻笔笔尖可以 浸 入有机分子池中 刻划出15nm线宽的图形 从而可以生产出比传统的光刻机法小几个数量级的微电路 这项发明被认为是纳米技术研究的重大突破 2 4与其它科学的交叉 2 4 2纳米材料学科与军事学科的交叉 解决科技难题 射程远 初速大的问题 火炮和轻武器 靠增加装药量来提高射程 这将增加武器的重量 军事科学家将纳米材料学科与军事学科相交叉 利用纳米铝或铜颗粒遇到空气发生猛烈爆炸的现象 将发射药制成纳米级颗粒 提高单位体积所释放的能量 使弹头的初速和射程得以提高 同时减轻了重量 解决了问题 2 4 3纳米材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题 高效率电源变压器问题 2000年西班牙巴塞罗纳科学家发明了一种新型纳米磁性材料 用它制造的变压器具有超高效率 能量损耗比传统的变压器小得多 变压器几乎不发热 而且可以作得很小 2 5本章小结 一 纳米的概念 纳米材料 是指构成材料的颗粒的尺度在1 100nm 10 9m 之间的材料 二 纳米材料特性 四大基本特性 小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 三 纳米材料的分类 按纳米材料结构分为 1 纳米颗粒 2 纳米固体 3 纳米组装体系 四 纳米材料的研究 集中在 制备研究和应用研究 五 纳米材料的加工技术 1 纳米粉体加工技术 2 纳米膜的加工技术 3 纳米块料的加工技术 第三章超导科学 内容 介绍超导科学的基本情况 包括超导科学的基本概念 特点 研究方法等内容 3 1超导科学的基本概念 特点 1911年4月荷兰莱顿大学的昂内斯发现水银在4 16K电阻消失以来 宣布了超导时代的开始 近年来 随着现代工业的发展 为超导科学的研究奠定了良好的基础 因此超导科学得到了飞速的发展 3 1 1超导的概念 超导材料 是指在一定温度下 超导转变温度 具有零电阻的材料 3 1 2超导材料特性 基本特性 零电阻特性 完全抗磁性 零电阻特性 任何超导材料的电阻均为零 完全抗磁性 零磁感 在超导状态下 超导材料在磁场作用下 表面产生一个无损耗感应电流 这个电流产生的磁场与外加磁场大小相等 方向相反 因此超导材料内磁感应强度为零 即B 0 此即为完全抗磁性 3 2 1超导材料的分类 3 2超导材料的分类 研究方法 超导材料可分为 常规超导材料 30K 高温超导材料 30K 一 常规超导材料 即低温超导材料 30K 分为 1 单质超导材料 2 合金超导材料 3 化合物超导材料 由超导元素构成的超导材料 有50多种 如Ti Hg Nb等 由超导合金构成的超导材料 如NbTi等 由超导化合物构成的超导材料 如Nb3Sn等 二 高温超导材料 30K 1986年 米勒和贝德诺茨首次开发了镧钡铜氧化物 使超导临界温度升到30K 1987 11 他们获得了诺贝尔物理奖 1987 2 物理所赵忠贤100K 目前 130K 高温超导材料 30K 主要有 1 氧化物超导材料 2 非氧化物超导材料 3 其他超导材料 由各种系列的氧化物构成的超导材料 如镧锶铜氧化物 钇钡铜氧化物 钕铈铜氧化物等 非晶体超导材料 复合超导材料 重费米超导材料 有机超导材料等 由C60化合物构成的超导材料 第一台超导磁悬浮列车 日本建造 1972年 517km h 平稳 无噪音 无震动 舒适 3 2 2超导材料的研究 集中在 高温超导材料晶格结构 电子结构和磁学特性研究方面 3 3超导材料的加工技术 1 湿法加工技术 2 干法加工技术 3 熔融加工技术 4 磁控溅射加工技术 5 脉冲激光蒸镀技术 6 机械加工技术 1 湿法加工技术 2 干法加工技术 是将超导元素溶入溶液中 根据需要进行配比 沉淀后即可形成一定比例的超导氧化物 或形成化合物盐 再经烧结后形成超导氧化物的加工技术 是将氧化物进行充分的混合 再经高温烧结形成超导材料的加工技术 3 熔融加工技术 是将氧化物或化合物盐混合后进行高温融化 冷凝后形成超导材料的加工技术 4 磁控溅射加工技术 是通过电场电离氩离子 通过磁场加速 利用高速氩离子打靶溅射在基板上形成超导薄膜的加工技术 5 脉冲激光蒸镀技术 6 机械加工技术 是利用激光打靶蒸发在基板上形成超导薄膜的技术 是将超导材料粉末灌入银管 通过轧制或拉拔形成超导线材的加工技术 3 4与其它科学的交叉 3 4 1超导材料学科与选矿学科的交叉 解决科技难题 不同成分的颗粒分离问题 将超导材料学科与选矿学科相交叉 利用超导材料制成超导磁体 产生超高的磁场强度 2特 通过改变超导磁体的结构形状 得到各种梯度的磁场 形成超导磁分离技术 可将混合矿物中的不同成分的颗粒分离开来 3 4 2超导材料学科与贮能学科的交叉 解决科技难题 储存电能的问题 将超导材料学科与贮能学科相交叉 利用超导磁体的无焦耳热损耗 直接将电能长时间地 无损耗地储存起来 这样就可利用超导磁体储存巨大的能量 可保持电网的稳定 3 4 3超导材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题 船的电磁推进问题 将超导材料学科与磁学学科相交叉 在船底装上超导磁体 产生磁场 在海水中通过电流 就可产生向前的推力 从而使船前进 通过改变电流的方向和大小 可实现船体运动的方向和速度的变化 3 5本章小结 一 超导的概念 超导材料 是指在一定温度下具有零电阻的材料 二 超导材料特性 基本特性 零电阻特性 完全抗磁性 三 超导材料的分类 超导材料可分为 常规超导材料包括单质超导材料 合金超导材料和化合物超导材料等 高温超导材料包括氧化物超导材料 非氧化物超导材料 非晶体超导材料 复合超导材料 重费米超导材料 有机超导材料等 五 超导材料的加工技术 主要有 湿法加工技术 干法加工技术 熔融加工技术 磁控溅射加工技术 脉冲激光蒸镀技术和机械加工技术等 四 超导材料的研究 集中在 高温超导材料晶格结构 电子结构和磁学特性研究方面 第四章半固态加工科学 内容 介绍半固态加工科学的基本情况 包括半固态加工的基本概念 特点 加工技术等内容 4 1半固态加工科学的基本概念 70年代初期 美国麻省理工学院的Flemings教授提出了一种崭新的金属成形技术 半固态加工技术 半固态加工的基本思想是 对处于凝固过程中的金属熔体进行强烈的搅拌 充分打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固相的非枝晶半固态浆料 固相组分一般为50 左右 然后再对浆料进行加工 4 2半固态加工的分类 特点 研究方法 4 2 1半固态加工的分类 按熔点分 低熔点有色金属半固态加工 高熔点黑色金属半固态加工 按成形方式分 流变成形 触变成形 利用流变浆料直接进行成形加工 这种方法称为半固态金属的流变成形 将流变浆料凝固成锭 按需将此金属锭切成一定大小并重新加热 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 这种方法称为触变成形 4 2 2半固态加工的特点 由于半固态金属成形采用了非枝晶半固态浆料 打破了传统的枝晶凝固模式 所以半固态金属与过热的液态金属相比 含有一半左右的球状初生固相 与固态金属相比 又含有一半左右的液相 具有许多独特的优点 半固态金属成形的主要优点 1 半固态金属的凝固收缩减小 初晶晶粒细小 成分均匀 因此利用半固态金属制造的金属制品不存在偏析的组织 性能更优异 更均匀 2 被加工材料的变形抗力小 半固态金属的初生固相接近球状 因此变形应力显著降低 成形能耗更低 成形速度更快 并缩短加工工序 节省设备投资 还可以成形复杂的零件毛坯 金属制品的成本更低 3 半固态浆料部分凝固潜热已经放出 对加工设备的热作用小 本身凝固收缩小 成形温度低 减轻了模具的热冲击 提高了模具的寿命 尤其当成形高熔点黑色合金时更是如此 因此加工设备可以小型化 产品的性能明显提高 尺寸精确 4 半固态金属的粘度较高 可以方便地加入增强材料 颗粒或纤维 而制造复合材料 为复合材料的生产开辟了一个新途径 4 2 3半固态加工的研究 集中在 低熔点有色金属和高熔点黑色金属的浆料制备 物性和组织演变机理研究方面 一 低熔点有色金属半固态加工 二十世纪七十年代以来 美国 法国 意大利 日本等先进工业国家对铝合金 镁合金 铅合金 铜合金等进行了较为充分的研究 国外目前进入工业应用的半固态有色金属主要是铝合金 镁合金 这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域 如半固态模锻铝合金制动总泵体 挂架 汽缸头 轮毂 压缩机活塞等 1 低熔点有色金属半固态浆料或坯料制备方法 1 机械搅拌法 2 电磁搅拌方法 3 应变激活方法 SIMA 4 粉末冶金方法 5 单辊旋转方法 1 机械搅拌法 图4 1机械搅拌法示意图 美国麻省理工学院FlemingsMC等人发明的 结构复杂 造价较高 产量不大2 27kg min 搅拌室和搅拌棒的寿命较短 搅拌棒易于污染金属 2 电磁搅拌方法 图4 2电磁搅拌法示意图 电磁搅拌方法是半固态铝合金坯料的主要工业生产方法之一 3 应变激活方法 SIMA 是预先连续铸造出晶粒细小的金属锭 再将金属锭挤压变形 而且变形量要足够大 最后按需要将变形的金属锭切成一定大小 在加热到固液区 形成具有一定固相率的半固态浆料 该方法生产的金属铸锭纯净 产量较大 但制备过程中需要的变形量很大 而且坯料的最终规格尺寸较小 只适合于制作小零件 因此这种方法的应用范围十分有限 4 粉末冶金方法 是首先利用传统的制粉方法 将金属制成粉末 再将金属粉末预成形 并将预成形件加热到固液相区域 形成具有一定固相率的半固态浆料 该方法工艺复杂 制备费用昂贵 一般只用于高温金属半固态浆料的制备 5 单辊旋转方法 图4 3单辊旋转法示意图 该方法较为简单方便 已经制备出了铅合金 铝合金等金属的半固态浆料 但半固态浆料的制备过程较难控制 稳定性较差 所以目前仍处在研究之中 2 半固态低熔点有色金属物性研究 主要是半固态金属的流变特性 即研究半固态金属浆料表观粘度的变化规律 是揭示半固态金属成形的本质 研究半固态金属制备中浆料流动和半固态金属成形中浆料流动规律的动量方程中最重要的一个物理量 图4 4双旋转筒粘度仪 研究连续冷却搅拌和等温搅拌中半固态浆料的表观粘度 Joly等学者研究了连续冷却搅拌和等温搅拌中Sn 15 Pb合金半固态浆料的表观粘度 结果表明 Sn 15 Pb半固态浆料的表观粘度随平均剪切速率的增加而下降 随浆料固相分数的增加而增大 随平均冷却速率的增加而增大 在相同的剪切速率下 等温搅拌的Sn 15 Pb合金半固态浆料的表观粘度比连续冷却搅拌的半固态浆料的表观粘度低 在一定的剪切速率范围内 等温搅拌的Sn 15 Pb半固态浆料的表观粘度 a可用下面简单的经验指数方程描述 a K n 1 式中 是剪切速率 n是指数 对于合金来说n小于0 K是常数 适用于Sn 15 Pb合金的稳态流变特性 但未考虑冷却速度 固相颗粒大小和形态以及固相集聚的影响 Turng等学者也研究了Sn 15 Pb合金半固态浆料的表观粘度 总结出下面的经验方程 fs 1 fs fs m fs 1 fs a n a 2 式中fs 0 7 fs 为渐进表观粘度 fs 为临界剪切速率 m 360 n a为常数 适用于Sn 15 Pb合金半固态浆料的流变特性 也未考虑冷却速度 固相颗粒大小和形态以及固相的集聚影响 Hirai等学者研究了Al 10 Cu的半固态浆料的表观粘度 套用Mori关于固液两相 固相为刚性球状 均匀分布 的粘度模型 得出下式 a La 1 2 41 105C1 3 4 3 2 1 fs 1 0 72 8 82C1 3 1 3 3 式中 La为液相的粘度 C为凝固速度 适用于Al 10 Cu的半固态浆料的流变特性 虽然考虑了冷却速度的影响 但未考虑固相颗粒大小和形态以及固相的集聚影响 而且理论计算结果与实际测定结果的偏差较大 从以上可知 到目前为止 低熔点金属及合金的半固态浆料的稳态或非稳态表观粘度的本构关系仍然不健全 也就是低熔点金属及合金的半固态浆料的物性研究仍然很不完善 3 有色金属半固态组织的演变机制研究 组织演变机制是半固态金属研究中的一个重要内容 通过对半固态金属组织演变机制的研究 可以获得对半固态金属成形本质的认识 从而为优化搅拌工艺和成形工艺提供理论依据 通过对半固态有色金属的组织形态与搅拌参数之间关系的研究 发现初生相随剪切速率的提高而更加园整 随搅拌时间的延长而更加园整 随冷却速度的提高而更加细小 但在搅拌过程中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎 转变机制 目前尚未开展此方面的研究 关于有色金属半固态组织的演变机制 目前只有几种假设 Flemins认为 在搅拌的作用下 初生枝晶由于熟化作用 也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发生碰撞 摩擦和冲刷作用 细小的初生枝晶逐渐转变为玫瑰花状 最后转变为球状 Vogel等人认为 熔点温度附近的初生 Al枝晶具有一定的韧性 在搅拌的紊流之中只发生弯曲而不会断裂 在搅拌过程中 如果一个 Al枝晶臂相对于枝晶主干弯曲了q角 就要求枝晶臂中必须存在附加的位错 这些位错将会因回复和再结晶过程的发生而转变成晶界 那么该晶界就具有q角大小的取向错误 如果q角较大 这个大角度晶界的能量比固液相的界面能大两倍以上 这种晶界完全会被液体薄膜所浸润 最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作用而从枝晶主干上脱落下来 Dohery等人认为 由于搅拌的剪切作用 初生柔软的 相枝晶臂将会发生塑性弯曲 弯曲将以位错的形式使枝晶臂发生取向错误 这些位错的迁移会形成晶界 大于20取向错误的晶界所具有的能量比固液界面能量的二倍还要大 如果这种高能量晶界在枝晶臂中形成并与液相接触 晶界就会被液体薄膜所取代 枝晶臂便会最终从初生晶粒的主干上脱落下来 二 高熔点黑色金属半固态加工 存在以下困难 1 选择材料限于固相线与液相线温度区间较大 2 高温半固态浆料难以连续稳定地制备 3 熔体的温度 固相的比率和分布难以准确控制 4 浆料在高温下输送和保温困难 5 成形温度高 工具材料的高温性能难以保证 所以钢铁材料半固态成形加工研究的进展非常缓慢 目前研究重点主要集中在某些钢种的压铸 锻造等非连续半固态成形加工方面 目前只有美国 日本 英国等少数发达国家进行了系统的探索性研究 1 黑色金属半固态浆料或坯料制备方法 1 机械搅拌法 2 电磁搅拌方法 3 应变激活方法 SIMA 4 粉末冶金方法 5 单辊旋转方法 这些方法仍然存在这样或那样的问题 处在研究之中 2 黑色金属半固态成形加工方法的研究动态 流变成形 国外学者利用机械搅拌方法 应变激活方法或粉末方法成功地制备了AISI4340碳钢 440C和304不锈钢 M2高速钢 铸铁等及X40 Ti 20Co等合金的半固态浆料或制造出优质的半固态零件毛坯坯料 尤其最近几年 国外有学者尝试利用电磁搅拌方法制备AISI4340 440C 304 52100 1050 8720 M7 M2 等钢种的半固态铸锭 利用压铸机对Fe 2 5 C 3 1 Si铸铁和AISI440A不锈钢的半固态浆料直接进行流变成形 可以获得初生固相分布均匀的优质铸件 由于黑色金属半固态浆料的保存和阶段式输送较为困难 其流变成形零件毛坯的进展缓慢 触变成形 利用压铸机或压力机对AISI440C和304不锈钢 M2高速钢 X40及铸铁等金属的半固态坯料进行了触变成形研究 都制造出优质的零件毛坯 成形研究发现 压铸半固态不锈钢AISI440C的压力为10000psi 射口处半固态金属的流速为10 60ft sec时 铸件质量优异 若压铸半固态不锈钢AISI440时的压力为6800psi 射口处半固态金属的流速为40 100ft sec时 铸件质量优异 在黑色金属半固态触变成形时 坯料的二次加热方法只能采用电磁感应加热 且要求坯料内部的温度均匀 控制精度为 1 与液态黑色金属压铸相比 黑色金属半固态触变成形零件毛坯的模具寿命有所提高 但仍有许多问题需要解决 2 半固态黑色金属物性研究 对440C不锈钢 AISI4340低合金钢 M2高速钢等个别钢种半固态浆料的表观粘度也进行了一定的研究 结果表明 表观粘度随剪切速率的提高而变小 随固相分数的增大而变大 随冷却速度的增加而变大 3 黑色金属半固态组织的演变机制研究 通过对440C不锈钢和AISI4340碳钢初生相的组织形态与搅拌参数之间关系的研究 发现初生相随剪切速率的提高而更加园整 随搅拌时间的延长而更加园整 随冷却速度的提高而更加细小 但半固态黑色金属在搅拌过程中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎 转变机制 目前尚未开展此方面的研究 4 3半固态加工技术 由于半固态浆料或坯料较常规金属液的粘度大 所以通常半固态加工技术均需要外力的作用 主要有 1半固态锻造技术 2半固态压铸技术 3半固态挤压技术 4半固态轧制技术 1半固态锻造技术 图4 5半固态锻造技术 2半固态压铸技术 图4 6半固态压铸技术 3半固态挤压技术 图4 7半固态挤压技术 4半固态轧制技术 图4 8半固态轧制技术 4 4与其它科学的交叉 半固态加工处于固液二相区 可利用挤压手段将含有杂质的液体挤出 留下初生纯固相 然后再从新进行半固态挤压 进一步提纯 这样一次一次地提纯 最后就可获得超纯材料 科技难题 超纯材料的制备问题 日本科学家利用半固态挤压技术制备出了纯度为15个9的半导体材料 4 5本章小结 一 半固态的概念 半固态加工的基本思想是 对处于凝固过程中的金属熔体进行强烈的搅拌 充分打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固相的非枝晶半固态浆料 固相组分一般为50 左右 然后再对浆料进行加工 二 半固态的特点 1 半固态金属的凝固收缩减小 初晶晶粒细小 成分均匀 因此利用半固态金属制造的金属制品不存在偏析的组织 性能更优异 更均匀 2 被加工材料的变形抗力小 半固态金属的初生固相接近球状 因此变形应力显著降低 成形能耗更低 成形速度更快 并缩短加工工序 节省设备投资 还可以成形复杂的零件毛坯 金属制品的成本更低 3 半固态浆料部分凝固潜热已经放出 对加工设备的热作用小 本身凝固收缩小 成形温度低 减轻了模具的热冲击 提高了模具的寿命 尤其当成形高熔点黑色合金时更是如此 因此加工设备可以小型化 产品的性能明显提高 尺寸精确 4 半固态金属的粘度较高 可以方便地加入增强材料 颗粒或纤维 而制造复合材料 为复合材料的生产开辟了一个新途径 三 半固态加工的分类 按熔点分 低熔点有色金属半固态加工 高熔点黑色金属半固态加工 按成形方式分 流变成形 触变成形 四 半固态的研究 集中在 低熔点有色金属和高熔点黑色金属的浆料制备 物性和组织演变机理研究方面 半固态浆料或坯料制备方法 1 机械搅拌法 2 电磁搅拌方法 3 应变激活方法 SIMA 4 粉末冶金方法 5 单辊旋转方法 物性的研究 主要是半固态金属的流变特性 即研究半固态金属浆料表观粘度的变化规律 组织的演变机制研究 初生相随剪切速率的提高而更加园整 随搅拌时间的延长而更加园整 随冷却速度的提高而更加细小 五 半固态加工技术 1半固态锻造技术 2半固态压铸技术 3半固态挤压技术 4半固态轧制技术 我们进行的研究工作 主要围绕 钢 半固态Al 20Sn合金复合铜 石墨复合进行介绍 1钢 半固态Al 20Sn合金复合 科技问题 界面脆化 预处理的钢板 轧机 钢 Al 20Sn复合板 图4 9固液相铸轧成形方法 浇嘴 Al 20Sn合金液 铁铝化合物厚层 图4 10界面层 4 11固液相铸复合界面 针对界面脆化问题 我们首先提出了界面非均匀扩散技术思想 然后将复合加工与半固态加工相交叉 在中国博士后基金的资助下 采用Al 20Sn半固态浆料与钢板进行复合研究顺利地实现了技术思想 解决了问题 并且开发了钢 半固态Al 20Sn浸镀轧制复合技术 界面非均匀扩散技术思想 在复合界面上形成Al原子向钢基内扩散浓度的差异 从而破坏铁铝化合物的层状结构 消除界面脆化 进一步提高界面结合性能 图4 12界面扩散 在钢 半固态Al 20Sn复合研究中 首先开发了电磁机械复合搅拌技术 成功地制备了Al 20Sn半固态浆料 图4 13电磁 机械搅拌装置 图4 14迅速凝固部分的组织 图4 15Al 20Sn半固态浆料 图4 16温度与固相率 fs 1683 4 86t 0 0035t2 4 1 Testingsample Table4 1ANN训练与预测 利用人工神经网络与遗传算法技术 得到实现非均匀扩散的最佳条件为 钢板预热温度为505 固相率为34 3 铸轧速度为10mm s 得到的最大界面剪切强度为71 2MPa 复合界面是由铁铝化合物和铁铝固溶体交替构成的新型结构 图4 17典型的复合界面 2铜 石墨复合 科技问题 铜 石墨材料中石墨的宏观偏析 铜与石墨的物性差别很大 所以在制备过程中总是存在石墨上浮现象 组织极为不均 图4 18石墨上浮现象 石墨 铜合金 针对石墨的宏观偏析问题 我们首先提出了局部偏析技术思想 然后将复合加工与半固态加工相交叉 在中国博士后基金的资助下 采用铜 石墨半固态浆料进行复合研究顺利地实现了技术思想 解决了问题 并且开发了钢 石墨半固态复合技术 图4 19局部偏析 局部偏析技术思想 利用预置的固相 将整体Al 20Sn合金液分割成无数个局部 使得Sn在合金液中的偏析转变成被分割为局部的微观偏析 从而消除锡的宏观分布不均 采用QTi3 5 10石墨材料进行研究 fs 753 9 0 706t 4 2 Table4 2固相率与搅拌温度 得到最佳复合条件为 固相率大于42 5 Table4 3固相率与石墨百分数 图4 20QTi3 5 10石墨材料组织 第五章超声加工科学 内容 介绍超声加工科学的基本情况 包括超声加工的基本概念 特点 加工技术等内容 5 1超声加工科学的基本概念 特点 超声波 频率高于16kHz的振动波 重要性质 式中 为弹性介质密度 kg m3 c为弹性介质中的波速 m s A为振动的振幅 mm 为圆频率 rad s 1 可以传递很强的能量 能量密度J 通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量W cm2 可达100W cm2以上 5 1 2 具有空化作用 当超声波经过液体介质传播时 将以极高的频率压迫液体质点振动 在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域 由于液体介质的不可压缩性 由此产生正 负交变的压力变化 由于这一过程时间极短 发生冲击波 局部产生极大的冲击力 瞬时高温 物质的分散 破碎及各种物理化学作用 此即为超声波的空化作用 由于超声波具有上述特性 二十世纪六十年代以来 超声波开始广泛应用于加工领域 经过几十年的发展 已逐步形成了系统的超声加工科学体系 超声加工是利用工具端面的超声振动 通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成形方法 如右图所示 5 1 1超声加工的概念 5 1 超声加工原理 加工时 在工具头和工件之间加入磨料悬浮液 同时使工具以一定的力作用在工件上 超声换能器产生16kHZ以上超声波的纵向振动 并通过变幅杆 连接换能器锥体 把振幅放大到0 05 0 1mm左右 驱动工具端面作超声振动 迫使磨料悬浮液中的磨粒以很大的加速度和速度不断地锤击 冲击被加工表面 使工件材料被加工下来 与此同时 工作液受工具端面的超声振动作用而产生的高频 交变的液压正负冲击波和 空化 作用 加剧了机械破坏作用 5 1 2超声加工的特点 1 适合于加工各种硬脆材料 特别是不导电的非金属材料 例如玻璃 陶瓷等 2 由于工具可用较软的材料 做成较复杂的形状 故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动 因此超声加工机床的结构比较简单 操作 维修方便 3 由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时的局部撞击作用 故工件表面的宏观切削力很小 切削应力 切削热很小 不会引起变形及烧伤 表面粗糙度也较低 可达Ra 1 0 1 m 加工精度可达0 01 0 02mm 而且可以加工薄壁 窄缝 低刚度零件 5 2超声加工的分类 研究方法 5 2 1超声加工的分类 按振动性质分 自激振动加工 强迫振动加工 是利用加工过程中产生的振动进行加工的 是利用专门设置的振动装置 使工具或工件产生某种有规律的可控振动来进行加工的 这类超声加工在超声加工体系中占的主要地体 5 2 2超声振动的研究 集中在 运动学分析和机理研究方面 运动学分析主要集中在振动方向与加工方向等之间的关系等方面 机理研究主要集中在超声振动对金属学影响机理等方面 其中形核 细化 乳化等方面的研究较为成熟 5 3超声振动加工技术 几十年来 在各领域专家的努力下 形成了许多超声振动加工技术 其中有代表性的主要有 1超声振动切割技术 2超声振动焊接技术 3超声振动清洗技术 1超声振动切割技术 超声振动切割技术是将切割刀具焊在超声振动变幅杆上进行的切割加工技术 是利用超声频振动作用 去除工件表面的氧化