先进材料连接技术绪论

绪论,先进材料连接技术,主讲人：张美丽,一、先进材料先进材料(AdvancedMaterials)是新材料和具有高性能的传统材料的总称，既包括具有优良性能的新材料，又包括具有高性能的传统材料。,1、先进金属材料,轻金属材料以铝合金、镁合金、钛合金为主。1.高强、高韧铝合金材料飞机结构件（7000系）、蒙皮（2000系）2.铝锂合金材料低密度、高比强度材料，美国用2195铝锂合金代替2219合金，做航天飞机的液氢液氧外推进剂储箱，重量减少3500Kg。3.耐热铝合金材料采用喷射沉积方法制备的铝合金,可以耐300。制造鱼雷、导弹外壳。重量减少2/3，射程多12公里。4.铝合金功能材料记忆合金、泡沫铝材料等,金属玻璃材料（非晶态）通常金属为晶体结构，将熔化的金属急剧冷却形成非晶态（玻璃态）材料性能：高强度、高硬度，高韧性和塑性，可弯曲180度不断。高压容器、火箭关键部位零件；磁感应强度高、热稳定性好，录象机、录音机磁头；易磁化、易退磁，磁阻硅钢片1/5-1/10，制作变压器铁心，损耗降低80%。,2、先进陶瓷材料,金属陶瓷材料不导电、易碎裂，加入金属可以导电、提高断裂韧性。铝电解金属陶瓷惰性阳极。胜过钢铁的陶瓷材料用Al2O3TiC制作刀具切削超硬工程材料，切削效果比硬质合金高3-10倍。透明陶瓷材料1957年制造出第一块氧化铝透明陶瓷，熔点2500，透光率达95%。,3、先进高分子材料,神奇的反渗透膜材料高分子膜具有微孔，表面吸附一层水分子，将盐分子以及其它杂质排斥开。施加压力越大，透过水越多。高吸水的树脂材料70年代美国农业部开发了一种树脂，可以吸收相当自身重量5000倍以上的水，受热缓慢放水。建无形水库，使沙漠变绿洲。在日用品、医疗器械、农业园艺、建筑应用。高分子功能材料导电塑料材料（掺杂）聚乙炔超过铜；光导高分子材料（塑料光导纤维）降低成本；,4、先进信息材料,先进半导体材料在半导体材料中掺入百万分之一硼、磷元素电阻率降低到原十万分之一。制作集成电路芯片，宽度0.3微米的芯片集成100万个元件，需高质量单晶硅。砷化镓单晶材料优于硅，高速集成电路比用硅，响应速度提高1000倍，用于高速计算机。先进光导纤维材料信息以电子为载体传送时，用金属导线或管。当以光子为载体传送信息，用光导纤维。它是利用光的全反射传导光子的玻璃细丝，直径为8-50微米。比电通信快1-10亿倍，一根光纤同时传送100亿个电话。由光纤线路网组成“信息高速公路”。信息存储材料VCD、DVD、录象机等需要的磁记录材料。,5、先进复合材料,金属基复合材料1）两种金属板复合（铝-不锈钢、钢-铜），铝塑复合材料铝-不锈钢复合板，化工、制药、建筑、炊具等。2）颗粒和纤维增强金属基复合材料加入颗粒或纤维使金属的机械性能提高。人造卫星的抛物面天线、轻型坦克的底盘和装甲、船甲板、鱼雷、水雷等构件。电厂烟灰颗粒增强铝基复合材料，提高湿润性和渗透性，提高粘贴强度。,铝-不锈钢复合板样品,树脂基复合材料1）玻璃钢热固性树脂中加入玻璃纤维，纤维直径10微米，抗拉强度3600MPa。轻质、高强、耐腐蚀、绝缘好材料。强度超过一般钢材，密度为钢材1/4-1/5。制作火箭、导弹中耐烧蚀材料，车身材料。2）碳纤维复合材料热固性树脂中加入碳纤维，密度为钢的1/3-1/4，比强度为钢的3-5倍。大量应用在战术导弹、新型飞机上。美国战斗机使用碳纤维复合材料后重量减少15%，滑跑距离15%，增加航程20%，增加载荷30%。,陶瓷基复合材料1）碳纤维等增强复合材料高比强、高比模、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的新材料。应用于耐高温、耐腐蚀要求极严格的领域。法国幻影2000战斗机的推进器计划全部装上陶瓷基复合材料。陶瓷基体用碳纤维、炭化硅纤维（晶须）增强。2）金属-陶瓷复合材料陶瓷材料耐腐蚀性强，导电率低、易碎裂。加入金属后可以提高导电性，增大短裂韧性。在尖晶石陶瓷中加入银/铜金属，制成金属陶瓷复合材料，用于铝电解槽中作阳极，不再排放有害气体，而放出氧气，彻底解决铝电解污染问题。,6、生物医学材料,生物医学材料的发展发展最快的行业，每年递增20%高速发展。主要用于诊断治疗、修复人体器官。要求材料必须具有相容性、活性、无毒性。人造内脏人造肾脏、人造胰脏、人工肺脏等，在人体内不发生抗体、不出故障。人工关节早期采用的人工关节用钛合金制作，如股骨头、膝关节等，一般只能用10年，再更换。用纳米氧化铝制成的人工关节与人骨相近，相容性好，耐磨损，按上后可用一生。,7、纳米材料,什么是纳米材料？粉料制成nm级，使颗粒更小。纳米粉料制品能够改善物理性能，不能改变化学性能。纳米材料炒过热了？纳米洗衣机（杀菌）、纳米衣服（杀菌）、纳米陶瓷惰性阳极（耐腐蚀）纳米陶瓷材料用纳米陶瓷粉制成的制品具有高强、高硬、良好的塑性与韧性。氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅、炭化硅都能制成纳米粉体。制成纳米陶瓷刀具、拔丝模、钠灯管、人工关节等。,纳米磁性材料鸽子飞行、蝴蝶不迷方向、乌龟东游西荡找到家，靠体内的纳米磁性粒子。人们在Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Co/Ag、Co/Cu纳米结构的多层膜中发现有巨磁电阻效应，之后美国IBM公司制成巨磁电阻效应的读出磁头，使磁盘记录密度提高17倍，达到5Gb/in2，近来达到11Gb/in2。巨磁电阻效应小型化、廉价化，可靠性高。纳米仿生材料目前仿生材料的研究热点已经转移到纳米复合材料。自然界生物的器官-牙齿、骨骼、昆虫的皮都是由纳米复合材料构成的。美国利用聚二甲基丙烯酸甲脂和聚偏氟乙烯混合物为基体，在其内原位生成氧化钛纳米微粒，制成人造骨骼，与动物骨骼非常相似。,8、先进能源材料,先进核能材料随着地球上的煤、石油等能源材料的匮乏，核电将是未来主要能源。核燃料在制备和反应过程中需要一些特殊性质的材料，耐高温、耐腐蚀、吸收中子少。锆合金、硫化陶瓷、碳素材料等。其中SiC陶瓷做裂变容器内壁和核聚变容器内壁，显示出优异性能。目前核电站是以铀为原料的裂变型电站。未来将是以氘、氚聚合的受控热核聚变电站，原料充足。但是聚合反应在1亿度的极高温度进行，必须有强磁场才能实现。这样的强磁场只有超导磁体提供。,高密度电池材料为了消除汽车尾气对环境的污染，人们在努力开发电动汽车，我国已列为十五攻关计划。需要高密度电池。钠-硫电池、锌-氯电池等。能量密度理论值达到0.79KWh/Kg,铅蓄电池只有0.17KWh/Kg。这种电池还不成熟，主要是电池中的五硫化二钠和三硫化二钠具有强化学腐蚀性，容器必须是铬合金材料，密封材料为硼硅酸盐、陶瓷等。要求材料高致密性、高平直度、高强度、高韧性、高温稳定性等。超导材料超导材料在某一温度下具有零电阻效应和完全抗磁性特征。利用超导材料开发出磁悬浮列车，时速达500公里。超导材料输电，可以节电，实现有待时日。,二、材料连接的内涵,材料连接方法包括机械连接、焊接、钎接和胶接等，其中焊接是金属连接的最重要方法。,材料连接是通过适当的手段，使两个或两个以上分离的固态物体产生形成一个整体，从而实现物理量的传导。,先进连接应具备下述特征：,接头的质量好；生产效率高；节约材料与能源；操作便捷。,焊接与机械连接（如螺纹连接、铆接等）比较,强度高，密封性好，接头重量轻，加工简单，节约材料。,连接设备；连接工艺；连接材料。,先进材料连接的三个方面内容：,三、焊接行业现状,、在装备制造业中的地位与作用,焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。,三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等。其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m，高5.4m，重440t，为世界最大的铸焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用12t焊丝，耗时4个多月。,三峡水利枢纽,神舟号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步。其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构。焊接接头的气密性和变形控制是关键技术。,神州飞船,中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5.5m，长62m，厚337mm，重2060t，为当今世界最大、最重的锻焊结构加氢反应器，采用全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接天。,煤直接液化装置的加氢反应器,中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，长4000km的西气东输的管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板焊形式的焊接管。,西气东输的管线,舰船,2007年起我国造船订单量晋身全球第一，船体是典型的板-焊结构。,被称为“中华第一盾”的170舰,上海泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥。,桥梁,国家大剧院的椭球型钢结构穹顶。,建筑,奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨。,焊接发展历程大致分成三个阶段：,第一次工业革命前，以炭火加热的锻焊、钎焊等为代表；第一次工业革命到二次世界大战前，以手工电弧焊和电阻焊等为代表；二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为代表。,2、焊接技术的发展,锻焊,在古代锻焊曾是金属连接的唯一方式。,古代锻焊制品,花钢（三国时期）,青铜复合剑（战国时期）,电焊,1856年，JamesJoule首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。1886年，ElihuThomson制造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机。,1964年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。目前仍广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。,电阻焊,汽车车体焊接装配生产线,1810年，HumphreyDavy在电路的两极造了一个稳定的电弧电弧焊的基础。1881年，NikolaiBenardos在碳极和工件间产生了电弧，金属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。1890年，Benardos进一步完善了这一焊接法，用金属棒代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金属。1907年，OscarjKellberg发明了涂层焊条，使焊缝质量显著改善，电焊技术得到突破。,电弧焊,一战期间，舰船等装备的需求刺激了一批廉价、快捷的焊接技术的发展；二战期间，航空业有色金属（镁、铝）连接的需求刺激了新的焊接技术的产生。,1908电渣焊ESW；俄罗斯美国乌克兰1909等离子焊接PAW；德国美国1920钨极惰性气体保护电弧焊TIG，GMAW；美国1930螺柱焊；美国1930熔化极惰性气体保护电弧焊MIG；美国1930埋弧焊SAW；美国1953活性气体保护电弧焊MAG，GMAW；俄罗斯1970激光焊接LBW；英国1991搅拌摩擦焊FSW英国,焊接技术方法的发展,1801年,HumphreyDavy在首批电弧实验中使用电池作为电源。Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。单是电池的总重量就达到2400kg。Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。OscarKjellberg使用110V直流电压电源，他让电流通过一个装满盐水的桶，从而把电流减小到适当的水平。1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。由三相异步电动机驱动，其特性适合焊接，重1000kg,电流250A。,焊接设备的发展,19世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。,直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接着很快出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于1970年。但是逆变器在1977年以前没有普遍用于工业。1984年，伊萨推出140A“Caddy”牌逆变器，重量只有8kg。,早期焊机,现代焊机,焊接工艺的发展,提高焊接效率：,加拿大人JohnChurch使用了快速送丝速度和混合保护气体，在使用同样的焊接设备下，熔化极惰性气体保护电弧焊接速度提高一倍。在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊焊接速度极快，熔深大。,节约能源和材料：,孔端电极解决放电扩散的问题，比传统焊接方法省电，减少金属飞溅。窄间隙节省时间，节省耗材，减少了热影响区焊接的变形。冷弧焊液体金属温度低，焊件热输入少。,据工业发达国家统计，每年仅需要进行焊接加工后使用的钢材就占钢总产量的45%左右。焊接还可以解决铝、铜、钛、锆等有色金属及其复合材料的连接。,微电子工业的发展促进了微型连接工艺和设备的发展；陶瓷材料和复合材料的发展促进了钎焊、真空扩散焊、喷涂以及粘结工艺的发展等。,世界各工业发达国家都非常重视焊接技术的发展与创新。美国和德国专家在讨论21世纪焊接的作用和发展方向。一致认为：,焊接是制造业的重要加工技术，精确、可靠、低成本，目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接，并对所焊产品增加更大的附加值。焊接技术（包括连接、切割、涂敷）现在以及将来，都有最大可能成功地将各种材料加工成可投入市场的产品的首选加工方法。焊接对改善产品全寿命的成本、质量和可靠性是至关重要的