先进材料的发展概况要点.ppt

第一章先进材料的发展概况,材料科学与工程学院朱平,当代新技术革命的主要标志：新型材料；信息技术；生物技术。其中，新型材料在高新技术发展过程的基础性和先导性作用，它标志着国家的综合国力及其科学技术的水平。新型材料的主要特点与高新技术密切相关：新型材料的合成和制造，大都利用高技术获得的极端条件作为手段，如超高压、超高真空、超高温、极低温、超高速冷却、超高纯度甚至太空失重条件下制造出特殊的新材料。,1.1先进材料的特点,新型材料的研发与计算机和先进自控技术的发展和应用密切相关，如获得高质量的新材料需要实现精确控制和检测，如超微量的杂质以及原子尺度的缺陷等。新型材料本身就是高技术，属于技术密集程度高和保密性强的产业。,新型材料根据其使用性能分类：新型功能材料包括：半导体材料；信息记录材料（如磁记录、光储蓄等）；信息检测和传感材料（如压电材料、光电转换材料等）；信息传输材料（如光导纤维）；超导材料；形状记忆合金；特殊储能材料（如储氢材料）；,新型结构材料：具有高强度、高韧性、质量轻、耐高温、耐低温、耐腐蚀、抗辐照等优异性能的新材料。包括：新型金属结构材料（双相不锈钢、铝锂合金、高温合金等）；新型无机非金属材料（陶瓷等）；新型有机高分子材料（高性能工程塑料等）；先进复合材料（树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基基复合材料、碳纤维增强的碳-碳复合材料等）。,1.2.1新型金属结构材料如：超高强度钢、超低温钢、双相不锈钢、超耐热合金、钛合金、高弹模轻质铝锂合金等。在工程结构中，金属材料仍处于主导地位。但通过传统的调整化学成分和热处理方法来实现较大幅度提高材料性能的目的已趋极限，必须依靠先进的生产工艺和技术：通过控轧、控冷、控制杂质含量以及多元微量合金化等工艺生产出高强、高韧和抗裂性好的新型高强度钢。,1.2先进材料的发展,通过定向结晶、单晶化、微晶化等控制凝固技术生产出可控晶体结构的高级合金材料，如定向凝固的柱状晶和单晶高温合金。通过非平衡快速冷却显著细化晶粒，并获得微晶和纳米晶，大大降低合金元素的偏析，因此即可提高合金化程度，又不产生脆性相，生产出合金成分高于平衡状态的固溶体材料，显著提高合金强度、韧性等。普通冶炼时的冷速：10-3-10K/s雾化制粉技术的冷速：107-109K/s冷速达到104-106K/s时，可获得非晶态金属合金。由于冷却极快，高温下液态时原子的无序状态，被迅速“冻结”而形成无定形的固体，因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。从结构上讲非晶态金属与普通玻璃相近。,非晶态金属没有结晶学意义上的缺陷，具有显著的抗蚀性、高强度、高韧性。一般比相应的晶体材料强度高10倍，电、磁性能优良。如有些非晶态铁基合金具有良好的磁性能，用作磁头材料和变压器材料，用作变压器时比硅钢片的铁损减少2/3。优点一是强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。其耐磨性也明显地高于钢铁材料。二是其优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。,三是非晶态金属优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新型材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80%，被誉为节能的“绿色材料”。四非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。缺点但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在500度以上时就会发生结晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。制造成本较高也是限制非晶态金属广泛应用的一个重要问题。,通过机械合金化生产出用熔炼方法无法获得并具有特别优异性能的新型合金。如高熔点氧化物弥散强化的超级合金，具有优异的高温蠕变强度，与同类高温合金相比，其寿命可延长10倍以上。机械合金化实现了在固态下的合金化，没有熔化过程，因而物理、化学性能相差很大、互不相溶的材料也可形成合金。,通过合金成分的合理设计及微量元素的控制获得性能优异的新型合金。如通过添加多种合金元素以及微合金化等解决了铝锂合金和一些有序金属间化合物的严重脆性问题，研制出高比强度的铝锂合金和具有高熔点、抗氧化和低密度等优异性能的金属间化合物高温合金。通过爆炸焊、轧制、堆焊或钎焊等工艺方法制成的新型双金属复合板材，如以新型的不锈钢、镍基合金、铜基合金、钛合金板为复层，以低碳钢或低合金钢为基层制成的双金属板材。,1.2.2高性能工程塑料性能特点：韧性好，强度高（b达70MPa以上），弹性模量高（至少2GPa），抗蠕变、尺寸稳定，热变形温度在170以上，使用温度范围宽，在液氮甚至液氢中仍能保持韧性，并能经受高低温交变，连续使用温度在150以上，耐磨、耐燃、耐辐照、低放气，介电性能优异，耐老化，在115下至少可使用11.5年，在80或更高温度下能耐很多化学介质腐蚀，加工成型性能良好。如：强度最高的聚酰胺酰亚胺（PAI），柔韧性、耐磨性、耐碱性、加工性及黏结性均较好。抗拉强度高达185MPa，热变形温度达274，连续使用温度为240，比强度很高，可代替金属用作飞机中结构件。,1.2.3先进陶瓷材料成分组成：由原来的Al2O3、SiO2、MgO等发展到Si3N4、SiC、ZrO2等；粉体制备工艺：由简单的机械粉碎发展到用物理、化学方法制取超细粉体；烧结方法：由普通的大气中烧结发展到在控制气氛（N2）中的热压烧结、热等静压烧结、微波烧结等先进烧结方法。因此，这类陶瓷具有特定的精细显微结构和性能，故又称为精细陶瓷。,根据陶瓷用途分类：功能陶瓷具有各种特殊电性能和磁性能，有些陶瓷对声、光、热以及压力敏感，功能陶瓷产量约占精细陶瓷的90%。结构陶瓷具有高强度、耐磨、耐高温和耐腐蚀等优异特性，是一种很好的高温材料，但其固有脆性使其应用受到限制，目前只能用做个别的机械零件和切削刀具，尚不能作为重要的结构材料。,1.2.4先进复合材料树脂基复合材料：由碳纤维、芳酰胺纤维等高性能纤维增强的耐热性好的热固性和热塑性树脂基复合材料。主要特点：高比强，高弹性模量、低膨胀系数、优良的尺寸稳定性、优异的减振性和抗疲劳性能。主要问题：横向力学性能较差，层间抗剪强度低，使用温度不够高，存在易吸潮、老化、蠕变和燃烧等缺点。发展趋势：由热固性中温型向热塑性高温型发展。,金属基复合材料：以具有高熔点、高强度、高模量、低密度和低线膨胀系数的非金属纤维或颗粒为增强相的塑性、韧性好的金属基复合材料。主要特点：高强度、高弹性模量、低膨胀系数、优良的韧性、抗冲击、抗热振、耐热性高、横向力学性能好、不燃烧、不吸潮、导电导热性好、耐辐射、高真空环境稳定等。主要问题：增强相与基体之间的界面反应易形成低应力破坏的脆性界面。纤维表面处理；基体合金化；改善制造工艺发展趋势：由铝基复合材料向极限工作温度更高的钛基以及镍基、铌基和金属间化合物基的高温金属基复合材料发展。,陶瓷基复合材料：以具有高熔点、高强度、高模量、低密度和低线膨胀系数的无机非金属颗粒、晶须或纤维为增韧相的陶瓷基复合材料。主要特点：高强度、高模量、抗氧化、耐高温、耐腐蚀、等。主要问题：固有脆性。发展趋势：增韧以有效解决脆性问题。其它基复合材料的中纤维增强作用；陶瓷基复合材料中纤维补强增韧作用，利用纤维来分散裂纹尖