材料合成制备

1、1.常用退火工艺方法: 扩散退火，完全退火，不完全退火 ，球化退火，再结晶退火，去应力退火 退火和正火一般作为预先热处理，其作用是：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加工及热处理作好组织准备。2.热处理工艺种类：根据加热和冷却方法不同 普通热处理：退火、正火、淬火和回火 表面热处理：表面淬火、化学热处理 特殊热处理：真空热处理、变形热处理、控制气氛热处理将金属加热、保温、冷却，使其获得接近平衡状态的热处理工艺-退火或正火。退火-炉冷，正火-空冷3.退火: 将偏离平衡状态组织的金属或者合金加热、保温，然后缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的热处理工艺. 特点：加热温度范围广；慢冷

2、, 得到珠光体类组织 目的：降低硬度，便于切削加工, 消除内应力或冷作硬化, 改善组织（铸、锻、焊时的缺陷）；细化晶粒为最终热处理做组织准备退火的种类 按加热温度 在临界温度以上的退火（相变重结晶退火）(完全退火，不完全退火，扩散退火，球化退火)。在临界温度以下的退火（软化退火，再结晶退火，去应力退火）退火的种类按其物理本质的不同，可分成三大类：重结晶退火、再结晶退火和去应力退火 重结晶退火包括完全退火，不完全退火、球化退火、扩散退火，去氢退火，其特点是在退火过程中有相变发生。再结晶退火特点是在退火过程中没有相变，但有再结晶过程。去应力退火特点是既没有相变，又没有再结晶，只有回复过程而引起内应

3、力的消除。4.扩散退火 目的：改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性。规范：在较高的加热温度下长时间保温（10h以上） ，然后缓慢冷却到室温。应用：均匀化退火（改善铸造偏析、轧制偏析）5.均匀化退火 定义 将金属铸锭或锻坯，在稍低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，以达到均匀化的目的的热处理工艺。偏析存在形式及危害：铸造化学成分不均匀、非金属夹杂物分布不均匀、微气泡和气孔 造成偏析。偏析直接导致大型铸件各处成分和组织不均匀、产生组织应力、出现裂纹、机械性能恶化。6.完全退火 定义 将钢件或钢材加热到Ac3点以上，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡

4、组织的热处理工艺。 目的 细化晶粒、降低硬度、改善切削性能、消除内力；应用 各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材；7. 等温退火 定义 将亚共析钢加热到Ac3以上2050，共析、过共析钢加热到Ac1以上2050，保温一定时间后，快冷至Ar1以下某一温度等温，使奥氏体转变成珠光体，然后出炉空冷的热处理工艺。目的与完全退火相同 应用中碳合金钢、经渗碳处理的低碳合金钢、某些高合金钢的大型铸锻件及冲压件。优点缩短退火时间，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢。8.不完全退火 定义 将钢件加热到Ac1和Ac3（Accm）或之间，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织的热处理工艺。目的降低硬度

5、、改善切削性能、消除内力；9.球化退火：适用：过共析钢和合金工具钢。目的：降低硬度、均匀组织、改善切削性能， 目的：降低硬度、均匀组织、改善切削性能，获得球状珠光体的途径： 片状P的低温球化（无相变） 由不均匀A冷却转变为球状P 影响球化的因素：加热温度和保温时间 冷却速度 原始组织 塑性变形 10.再结晶退火（临界点以下温度）定义：经冷变形后金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒的退火工艺 工艺： TK（再结晶温度）150250，空冷；组织：发生恢复再结晶，使变形晶粒为细小等轴晶粒 目的：使冷变形钢恢复塑性，降低硬度，消除内应力11.低温退火（去应力退火）

6、 目的：消除铸、锻、焊及切削加工过程内应力。 特征：组织不发生变化。亚结构发生变化。脱氢退火：氢存在形式：溶解于固溶体中的氢，易使钢产生白点，出现裂纹；脱氢退火消除。 存在于位错、孪晶、晶界处氢，只能采用压力加工方式消除。加热温度确定原则：在该温度下氢的溶解度小、并且扩散速度快。 一般情况下珠光体转变的鼻子温度作为脱氢退火温度。典型应用：大型碳钢锻件加热到620，保温10h后缓慢冷却。12.正火：定义：正火是把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。工艺规范：加热温度： Ac3 或Accm +3050；保温时间：完全奥氏体化 冷却速

7、度：空冷（冷却速度比退火快）组织：（细珠光体）共析钢S 、亚共析钢F+S、过共析钢Fe3CS 应用: 调整硬度、改善钢的切削加工性能, 细化晶粒、均匀组织、消除热加工缺陷; 消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火; 提高普通结构零件的机械性能正火与退火的区别 冷却速度：正火 > 退火晶粒大小：正火 < 退火珠光体含量：正火 > 退火强度硬度：正火 > 退火 正火与退火的正确选用: 改善切削加工性 改善组织缺陷并为淬火作组织准备 去应力、均匀成分等主要用退火, 不重要件最终热处理主要用正火, 改善冷变形性能. 从成分角度选用： 含碳量0.25的低碳钢，通常采用正火代替退火

8、。提高冲压件的冷变形性能；提高硬度，改善切削加工性能；在没有其它热处理工序时，正火可以细化晶粒，提高强度 含碳量在0.250.5之间的中碳钢，可用正火代替退火 正火成本低、生产率高。 硬度偏高，但尚能进行切削加工 含碳量在0.50.75之间的钢，一般采用完全退火。降低硬度，改善切削加工性。 含碳量 0.75的高碳钢或工具钢，正火球化退火。正火与退火的常见缺陷：硬度偏高，过热，球化不完全，脱碳，退火石墨碳13.淬火 目的：提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具 提高强韧性：轴类、杆件、销、受力件 提高硬磁性：高碳钢、磁钢指的永久磁性（马氏体磁性）提高弹性：各类弹簧 提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢

9、获得M组织 淬火方法: 按加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火、二次淬火 按加热速度：普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火 按加热介质及热源条件：真空淬火、铅浴加热淬火、盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、电子束加热淬火、激光加热淬火 按淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火 按冷却方式：有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火等直接淬火；马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火、冷处理等 淬火介质: 理想淬火介质具备：高温慢冷；奥氏体鼻子温度快冷；马氏体转变慢冷。目的：获得M 热应力 开裂 稳定，成本低 安全，无毒；不腐蚀工件 淬火介质的新发展: 环保、优效（高

10、温快速、低温慢速）、安全、经济为发展方向。植物油基生态淬火油（使蒸汽膜阶段短、提高高温阶段冷速） 聚合物水基淬火介质（降低水的冷速、环保）固气流化介质）单介质淬火方法: 将加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。如水淬和油淬都属于这种方法。该方法操作简单，易实现机械化，应用较广。双介质淬火:是指将工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却，避免珠光体转变，然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。常用的方法是水淬油冷或油淬空冷。其优点是冷却比较理想，缺点是第一种介质中停留时间不易控制，需要有实践经验。该方法主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件。分级淬火:指将奥氏体化的工件淬

11、入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保温，待工件表、心部温度接近盐浴温度时取出来空冷的淬火方法。分级淬火可以很好地消除淬火工件表心部的温差问题，有效地减少工件变形开裂倾向。等温淬火:加热工件在高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，获得下贝体组织后再空冷的淬火方法。经等温淬火的零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小，适用于形状复杂及要求较高的小型件。14.钢的淬透性：淬透性钢在淬火时能够获得马氏体的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。影响淬透性的因素：决定因素:临界冷却速度; 取决于A成分。因此使C曲线右移的因素均使淬透性提高; 奥氏体化温度越高,保温时间越长,则晶粒越粗大,成分越均匀,

12、过冷奥氏体越稳定,C曲线越向右移,淬火临界冷却速度越小,钢的淬透性越好。淬透性测量方法：断口法适用碳素工具钢 2)U型曲线法用于结构钢 临界直径法 端淬法：此方法是世界上通用方法。淬透性的表示方法：用淬透性曲线表示即用J*HRC/d 表示，J 表示末端淬透性，d 至水冷端距离 HRC该处硬度值 用临界淬透直径表示 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。淬透性的实际意义：1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。 选用高淬透性钢2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/21/3），如轴类。低淬透性钢淬硬层深度

13、与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。 15.淬火缺陷：1. 淬火内应力 淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因。淬火内应力超过材料屈服强度-引起工件变形；淬火内应力超过材料断裂强度-引起工件断裂。淬火内应力分：热应力（温度应力）组织应力（相变应力）热应力：由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同而造成的内应力。 组织应力：由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。2 .淬火变形 几何形状变化体积变化 热应力使工件沿着最大尺寸方向收缩。组织应力使工件沿着最大尺寸方向伸长。淬火变形影响因素：淬透性：好，组织应力作用大；差，热应力作用大奥氏体化学成分，1）含碳量的影响； 2

14、）合金元素的影响 淬火加热T高、内应力大、变形大；淬火冷速快、内应力大、变形大；工件形状不对称，厚薄不均匀，变形大3. 淬火裂纹：重要性：淬火变形可以校正，淬火开裂则无法挽回，因此我们要研究淬火开裂原因，进行预防。淬火裂纹产生原因： 淬火内应力超过材料断裂强度 材料内部缺陷 + 一定的淬火应力。淬火裂纹分类： 纵向裂纹 横向裂纹 网状裂纹 剥离裂纹 显微裂纹 淬火裂纹种类：1）纵向裂纹产生原因：组织应力、沿轧制方向有严重带状夹杂物、淬火前既存裂纹扩展。2 ）横向裂纹和弧形裂纹产生原因：热应力3）表面裂纹产生原因：拉应力 减少淬火变形和防止淬火开裂的措施：1）正确选材 如选择淬透性好的材料2）合

15、理设计工件形状 如避免截面形状悬殊的零件3）合理消除材料缺陷 如淬火前锻造和预备热处理4）合理制定热处理工艺 如加热温度、冷却速度、回火、操作方法等16.回火 回火在A1线以下很宽温度范围内进行，是使淬火组织的亚稳定进一步向稳定状态转变过程，获得稳定的组织和性能，减少或消除淬火内应力。回火目的：提高淬火钢塑性和韧性，降低其脆性； 降低或消除淬火引起的残余应力；稳定尺寸。回火时钢的组织转变 随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化 马氏体中碳原子偏聚（80100）马氏体的分解（80250）产物：M回 残余奥氏体的转变（200300）产物：M回（主要）+ B下（微量） 碳化物析出和转变（250400

16、） 产物：T回 相状态变化及碳化物聚集长大（>400 ) 产物： S回 回火时组织转变： 按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生，而是相互重叠的。 1.碳原子偏聚（时效阶段） (80100以下) 由于淬火马氏体为过饱和固溶体，晶格中有大量微观缺陷的亚稳态。对位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近对孪晶马氏体，低温下C 、N原子短程扩散聚集到某一晶面 2.马氏体分解（80-250 ）高碳马氏体发生分解，马氏体中过饱和碳不断以碳化物形式析出，使马氏体碳含量降低。低碳马氏体，低于150无碳化物析出，只有C偏聚高于200，马氏体中可析出稳定碳化物； 产物：回火马氏体。 性能：保

17、留淬火后高硬度 3.残余奥氏体分解（200-300 ）淬火后的残余奥氏体是不稳定组织，在本阶段，残余奥氏体分解为低碳马氏体和碳化物，此组织为回火马氏体。4.碳化物的转变（250-400 ）亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。5.相状态变化和碳化物聚集长大（400-700 ）铁素体发生回复和再结晶为等轴状、碳化物球化粗化回火索氏体。主要发生如下变化：内应力消除：宏观区域性内应力（工件内外），550 全部消除； 微观区域性内应力（晶粒之间）， 500 基本消除；晶格弹性畸变应力（碳过饱和）， 转变完即消除。回复与再结晶：回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和片状马氏体特征保留（回复）、消

18、失（再结晶）。碳化物聚集长大：原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，并逐渐球化长大，越来越粗大。回火脆性： 在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。第一类（低温）回火脆性: 是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。除弹簧钢之外，其它零件淬火后应避免在250350回火。第二类（高温）回火脆性：（500650） 是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性。 回火后快冷不出现。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中，是一种可逆性的回火脆性。预防措施：（1）高温回火后，在水中快速冷却。一般适

19、用于较小截面的零件。（2）加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W。 适用大截面零件或合金钢(如Cr-Ni钢等)。17.金属热处理原理与工艺 热处理：通过在固态下加热、保温和冷却，使钢材内部的组织结构发生变化，获得所需性能的一种工艺方法。热处理作用：提高和控制材料性能 消除或降低各种铸、锻、焊等热加工工 艺造成 的缺陷、细化晶粒、消除偏析、降低内应力。提高材料加工性能 提高产品可靠性和使用寿命。热处理与材料强化关系 材料微观强化机制：细晶强化固溶强化 位错强化 沉淀强化和弥散强化 热处理与其他加工工艺如铸造、压力加工等的区别： 热处理只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 热处理发展方向：

20、绿色热处理 新型淬火介质和淬火方法 真空热处理，可控气氛热处理 合理利用余热 热处理工艺和设备的改进：多参数热处理 复合热处理 ： 两种或两种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其它加工工艺复合。材料的性能：使用性能：物理，化学，力学性能 工艺性能：焊接性 铸造性 锻造性 金属的物理性能：密度 热学性能 电学性能 磁学性能 金属的化学性能：材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。金属的力学性能：定义 : 是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。（强度 塑

21、性 硬度 冲击韧性 疲劳强度） 强度的概念：定义指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。应用 强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。金属抗拉强度的主要指标：（1）弹性极限 材料不产生永久变形时所承受的最大应力。（2）屈服点 材料在外力作用下，产生屈服现象的应力。（3）抗拉强度 试件在断裂前所承受的最大拉应力。、 塑性：定义金属材料断裂前发生永久变形的能力。衡量指标 伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。 断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。 硬度：布氏硬度 应用 测量比较软的材料。

22、优缺点 压痕大，测量准确，但不能测量成品件。洛氏硬度： 应用 测量比较硬的材料。优缺点 优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。 缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 疲劳强度：材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力。 提高疲劳极限途径 改善零件的结构形状降低表面粗糙度值 采取表面强化 金属的工艺性能：工艺性能指对材料进行某种加工方法以获得优质产品的可能性或难易程度。 1.焊接性2.铸造性3.锻造性4.热处理工艺性 . 固溶强化现象：溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，

23、这一现象称为固溶强化。 影响因素：1）溶质原子浓度越高，强化作用也越大 2) 溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著 3)1 溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强化约为G/102溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化约为G的几倍。第二相强化 :当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动, 产生显著的强化作用。沉淀强化或时效强化：如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化 弥散强化：第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用 细晶强化 ：1. 对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。2. 对热轧或冷变形后退火态使用的

24、合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。3. 对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却工艺参数, 利用相变重结晶来细化晶粒。18.纳米结构：以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-910-7m)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米科学：在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学 纳米技术：在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的技术。科学意义：（1）纳米科技将促使人类认知的革命（2）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3）纳

25、米科技是一门综合性的交叉学科.前景展望：材料和制备 微电子和计算机技术 环境和能源 医学与健康 生物技术 航天和航空 国家安全纳米材料的分类：纳米粉末，纳米纤维，纳米膜，纳米块体 纳米微粒的四大效应：（1）表面效应 （2）量子尺寸效应 。（3）小尺寸效应 4）宏观量子隧道效应 。纳米科技的研究方法：自上而下 通过微加工和固态技术,不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化. 自下而上粉碎法：物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变化，主要表现在：1、粒子结构变化，如表面结构自发的重组，形成非晶态结构或重结晶。2、粒子表面的物理化学性质变化，如电性、吸附、分散与团聚等性质。3、受反复应

26、力使局部发生化学反应，导致物料中化学组成发生变化。构筑法：构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子 化学合成方法：化学法主要是“自下而上”的方法，即是通过适当的化学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排，这种过程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。化学法包括气相反应法和液相反应法。气相分解法：又称单一化合物热分解法。一般是将待分解的化合物或经前期预处理的中间化合物行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳米粒子。一般的反应形式为：A（气） B（固） C（气） 气相合成法：通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成为相应的化合物，

27、再经过快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。一般的反应形式为：A（气） B（气） C（固） D（气）共沉淀法：在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。根据沉淀的类型可分为单相共沉淀和混合共沉淀。均匀沉淀法：在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时，即使沉淀剂的含量很低，不断搅拌，沉淀剂浓度在局部溶液中也会变得很高。均匀沉淀法是不外加沉淀剂，而是使沉淀剂在溶液内缓慢地生成，消除了沉淀剂的局部不均匀性。水解沉淀法：反应的产物一般是氢氧化物或水合物。因为原料是水解反应的对象是金属盐和水，所以如果能高度精制金属盐，就很容易得到高纯度的纳米粒子。常用的原料有：氯化物、硫酸盐、硝酸

28、盐、氨盐等无机盐以及金属醇盐。水热法：水热过程是指在高温、高压下在水、水溶液或蒸气等流体中所进行有关化学反应的总称。水热条件能加速离子反应和促进水解反应。溶胶凝胶法：基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。溶胶凝胶法的应用：溶胶凝胶法按其反应机理可分为三类，即传统胶体型、无机聚合物型（金属醇盐型）和络合物型。主要应用于如下几个方面：粉体原材料。线型材料。薄膜或涂层材料。复合材料。体型材料。优点：操作温度远低于玻璃熔融温度，节约能源，使得材料制备过程易于控制；制备的材料各组分间高度均匀、组成范围广且

29、可以大幅度变化；工艺简单，易于工业化，成本低，应用灵活；可提高生产效率；可保证最终产品的纯度；制备的气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔非晶固态材料，具有许多特殊性质，因而蕴藏着广阔的应用前景。缺点：a.  烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，凝胶颗粒之间烧结性差，块体材料烧结性不好； b.  干燥时收缩大。化学气相沉积技术：化学气相沉积（CVD）方法目前被广泛的应用于纳米薄膜材料的制备，主要用于制备半导体、氧化物、氮化物、碳化物纳米薄膜。􀀹 CVD法可分为常压CVD； 低压CVD；热CVD；等离子CVD；间隙CVD；激光CVD； 超声CVD等

30、等。纳米材料的应用：（1）纳米材料在高科技中的地位及应用；（2）磁学应用1.纳米磁记录材料 2.纳米巨磁电阻材料 3.新型的磁性液体 4.纳米微晶软磁材料 5.纳米微晶稀土永磁材料 6.纳米磁致冷；(3) 纳米催化 1.纳米粒子的化学催化 2.半导体纳米粒子的光催化 3.纳米金属、半导体粒子的热催化(4) 陶瓷增韧 (5) 光学应用 1.红外反射材料 2.优异的光吸收材料3.隐身材料19.功能陶瓷的合成与制备 “陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其它特殊性能(压电性、磁性和光学性能)，但

31、脆性大 结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料 功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。结构陶瓷是指在应用时主要利用其力学性能的材料功能陶瓷 是指以电、磁、光、声、热力、化学和生物学信息的检测、转换、耦合、传输及存储功能为主要特征，这类介质材料通常具有一种或多种功能 功能陶瓷的分类：功能陶瓷的应用十分广泛，材料体系和品种繁多、功能全、技术高、更新快，主要材料有电气电子材料、磁性材料、光学材料、化学功能材料、热功能材料及生物功能材料等。材料特性：1. 机械材料：耐磨损、高比强度、高

32、硬度、抗冲击、高精度尺寸、自润滑性等。2. 热学材料：耐热、导热、隔热、蓄热与散热、热膨胀等。3. 化学材料：耐腐蚀性、耐气候性、催化性、离子交换性、反应性、化学敏感性等。4. 光学材料：发光性、光变换性、分光性、光敏感性 等。5. 电器材料：磁性、介电性、压电性、绝缘性、导电性、存储性、半导性、热电性等。6. 生物医学材料：生物化学反应性、脏器代用功能性、感觉功能脏器性、生物形态性等。功能陶瓷的制备工艺：多晶体的陶瓷一般均是通过高温烧结而制成的，所以也称为烧结陶瓷。由于组成陶瓷的物质不同，种类繁多，制造工艺因而多种多样，一般工艺可按下列流程图进行，这也是功能陶瓷的制造工艺。技术要素：(1)

33、原材料：高纯超细、粒度分布均匀；(2) 化学组成：可以精确调整和控制；(3) 精密加工：精密可靠，而且尺寸和形状可根据需 要进行设计；(4) 烧结：可根据需要进行温度、湿度、气氛和压力控制。超微细粉料的制备：高性能陶瓷与普通陶瓷不同，通常以化学计量进行配料，要求粉料高纯超细，传统的通过机械粉碎和分级的固相法已不能满足要求。功能陶瓷的微观结构和多功能性，在很大程度上取决于粉末原料的特性、粒度及其形状与尺寸、化学组成及其均匀度等。随着科学技术的迅猛发展，对功能陶瓷元件提出了高精度、多功能、高可靠性、小型化的要求。为了制造出高质量的功能陶瓷元件，其关键之一就是要实现粉末原料的超纯、超细的均匀化。要求

34、：粉末组成和化学计量比可以精确地调节和控制，粉料成分有良好的均一性；粒子的形状和粒度要均匀，并可控制在适当的水平；粉料具有较高的活性，表面洁净，不受污染；能制成掺杂效果、成形和烧结性能都较好的粉料；适用范围较广、产量较大、成本较低；操作简单、条件适宜、能耗小、原料来源充分而方便 功能陶瓷超微细粉的常用制备方法：固相法：一般是把金属氧化物或其盐按照配方充分混合、研磨后进行煅烧。液相法：沉淀法：可分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法等，均利用生产沉淀的液相反应来制取。水解法：1) 醇盐水解法，是制备高纯的超微细粉的重要方法；2) 金属盐水解法 溶胶-凝胶(sol-gel)法：是将金属氧化物或氢氧化

35、物浓的溶胶转变为凝胶，再将凝胶干燥后进行煅烧，然后制备氧化物的方法。利用该法制备ZrO2超微细粉，其成型体可在1500ºC烧成。溶剂蒸发法：把金属盐混合溶液化成很小的液滴，使盐迅速呈超微细颗粒并且均匀析出，如喷雾干燥法、冷冻干燥法。气相法：蒸发凝聚法：将原料加热气化并急冷，即获超细粉（粒径为5100nm），适于制备单一或复合氧化物，碳化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸发-凝聚，通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。气相反应法：如气相合成法、气相氧化法、气相热分解反应法等，其优点有：1) 容易精制提纯、生成物纯度高，不需粉碎，粒径分布均匀；2) 生成颗粒弥散性好；3) 容易控制气氛

36、；4) 通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。功能陶瓷的主要应用基础研究方向：功能陶瓷的应用及市场开发前景广阔，因而功能陶瓷的技术与市场竞争激烈、元器件的升级换代周期短。围绕着高性能、低成本、高可靠、微型化和集成化的发展方向，提出了许多共性的科学问题，今后需要进行更深入的研究 超导态与正常导体的区别是：正常金属导体的电阻率在低温下变为常数，而超导体的电阻在转变点突然消失为零。超导体的性质：超导体 (superconductor)，是指当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。每一种超导体都有一定的超导转变温度，即物质由常态变为超导态的温度称其为超导临界温度（C

37、ritical temperature of super conductor）用 Tc 表示。不同超导材料的超导临界温度是不同的。超导临界温度以绝对温度来表示。判断材料是否具有超导性：超导电性，指材料在低温下失去电阻的性质；完全抗磁性，指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通为零。超导体的完全导电性：通常，电流通过导体时，由于存在电阻，不可避免地会有一定的能量损耗。所谓超导体的完全导电性即在超导态下（在临界温度下）电阻为零，电流通过超导体时没有能量的损耗。超导体的完全抗磁性：超导体的完全抗磁性：是指超导体处于外界磁场中，能排斥外界磁场的影响，即外加磁场全被排除在超导体之外，这种特

38、性也称为迈斯纳效应。超导体的分类：从材料来区分，可分成三大类：元素超导体 合金或化合物超导体 氧化物超导体即超导陶瓷 从低温处理方法来分，可分为为四类：液氦温区超导体（4.2K以下）液氢温区超导体（20K以下）液氮温区超导体（77K以下）常温超导体 超导体主要性能测试：超导体的性能很多，但表征超导材料的基本参量有：临界温度Tc、临界磁场Hc、临界电流Ic和磁化强度M。 超导陶瓷的制备：1. 高温熔烧法2. 熔融生长法3. 化学共沉淀法4. 低温化学技术5. 部分熔化法6. 激光加热基座晶体生长技术 超导陶瓷的应用：1. 在电力系统方面(1) 输配电(2) 超导线圈(3) 超导发电机2. 在交通

39、运输方面(1) 制造超导磁悬浮列车(2) 超导电磁性推进器和空间推进系统3. 在选矿和探矿等方面4. 环保和医疗方面5. 在高能核实试验和热核聚变方面6. 在电子工程方面20.薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。薄膜分类 ：（1）物态 气态 液态 固态（2）结晶态（3）化学角度 有机无机薄膜（4）组成 金属薄膜，非金属薄膜（5）物性 硬质，声学，热学，超导，介电薄膜 薄膜应用 ：薄膜材料及相关薄膜器件兴起于2

40、0世纪60年代。是新理论、高技术高度结晶的产物。主要的薄膜产品：光学薄膜、集成电路、太阳能电池、液晶显示膜、光盘、磁盘、刀具硬化膜、建筑镀膜制品、塑料金属化制品 物理成膜：利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。成膜方法与工艺：真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子成膜 真空蒸发镀膜：工艺原理：真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：（1）蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。（2）输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压

41、条件下由蒸发源输运到衬底。（3）吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。 工艺方法：（1）对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。1）电阻加热 2）电子束加热 3）高频感应加热 4）电弧加热 5）激光加热 （2）对于化合物合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）2）多源蒸发3）反应蒸发4）三温度蒸发5）热壁法6）分子束外延(7） 脉冲激光沉积( 外延：外延是指单晶衬底上形成单晶结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取向和衬底的晶体结构和取向有关。外延

42、方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空蒸发外延法、溅射外延法等 原理：在超高真空条件下，将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适当的温度下外延沉积成膜。应用：目前MBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量子点，及3-5族化合物的半导体器件。蒸镀用途：适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的导电膜、光学镜头用增透膜。蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。镀纯金属时速度快，90%为铝膜。铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。工艺原理：离子束溅射

43、，气体放电溅射 工艺特点：（1）整个过程仅进行动量转换，无相变（2）沉积粒子能量大，沉积过程带有清洗作用，薄膜附着性好（3）薄膜密度高，杂质少（4）膜厚可控性、重现性好（5）可制备大面积薄膜（6）设备复杂，沉积速率低。溅射的物理基础辉光放电：溅射镀膜基于高能粒子轰击靶材时的溅射效应。整个溅射过程是建立在辉光放电的基础上，使气体放电产生正离子，并被加速后轰击靶材的离子离开靶，沉积成膜的过程。不同的溅射技术采用不同的辉光放电方式，包括：直流辉光放电 直流溅射；射频辉光放电射频溅射 ；磁场中的气体放电磁控溅射（1）直流辉光放电 指在两电极间加一定直流电压时，两电极间的稀薄气体（产

44、生的放电现象。（2）射频辉光放电 指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压，而在电极之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡从而获得能量，并且与原子碰撞产生离子和更多的电子。特点 辉光放电空间产生的电子，获得足够的能量，足以产生碰撞电离，减少对二次电子的依赖，降低击穿电压射频电压能够通过任何类型的阻抗耦合进去，所以，电极无需是导体，可以溅射任何材料（3）电磁场中的气体放电：在放电电场空间加上磁场，放电空间中的电子就要围绕磁力线作回旋运动，其回旋半径为eB/mv，磁场对放电的影响效果，因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差别。 溅射特性参数：（1）溅射阈值（2）溅射率 影响因素：入射离子能量 靶

45、材种类入射离子种类入射角溅射温度 几种典型的溅射镀膜方法：（1）直流溅射镀膜（2）射频溅射镀膜 与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。（3）磁控溅射镀膜 与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。（4）离子束溅射 采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子，目前已有直径>10cm的宽束离子源用于溅射镀膜。 优点：轰击离子的能量和束流密度独立可控，基片不直接接触等离子体，有利于控制膜层质量。缺点：速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难。离子成膜：1. 离子镀及其原理：真空蒸发与溅射

46、结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。主要影响因素： 真空度 放电气体种类与压强 蒸发源物质供给速率与蒸汽流大小 衬底负偏压与离子电流 衬底温度 衬底与蒸发源的相对距离。 离子镀的目的：提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。离子镀的类型和特点：离子镀设备在真空、气体放电的情况下完成镀膜和离子轰击过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。（1） 空心阴极离子镀（HCD（2）多弧离子镀 原理：多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上

47、直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电仅仅在靶材表面的一个或几个密集的弧斑处进行。特点：直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。（3）离子束辅助沉积 低能的离子束1用于轰击靶材，使靶材原子溅射并沉积在基底上；离子束2起轰击（注入）作用，同时，可在室温或近似室温下合成具有良好性能的 合金、化合物、特种膜层，以满足对材料表面改性的需要。化学成膜：有化学反应的使用与参与，利用物质间的化学反应实现薄膜生长的方法。化学气相沉积：原 理1.气相沉积的基本过程包括三个步骤：即提供气相镀料；镀料向镀制的工件或基片输送

48、；镀料沉积在基片上构成膜层2. 气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，因此，称为化学气相沉积（CVD），否则，称为物理气相沉积（PVD）。3. CVD与PVD的不同处：沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。CVD薄膜生长过程：反应气体向衬底表面输运扩散；反应气体在衬底表面吸附；衬底表面气体间的化学反应，生成固态和气态产物，固态生成物粒子经表面扩散成膜；气态生成物由内向外扩散和表面解吸；气态生成物向表面区外的扩散和排放。CVD条件：除沉积的薄膜外，反应生成物均须是气态； 沉积薄膜的蒸汽压要足够低 ；反应只在衬底及其附近进行；沉积温度下，衬底材料的蒸汽压足够低；衬底表面要有足够的反应气体

49、供给影响因素：沉积温度；反应气体配比；衬底 特 点：反应气连续供应、气态产物连续排放，反应非平衡；惰性气体为输运载气；反应气压一般为一大气压 封闭式CVD：特 点：保持真空度、无需连续抽气，不易被外界污染；可用于高蒸汽压物质的沉积；材料生长率小、生产成本高 常压CVD：反应器内压强近于大气压，其它条件与一般CVD相同。一般分流通式和封闭式两种反应器。多用于半导体集成电路制造 低压CVD：工作气压10-1000Pa。一般分流通式和封闭式两种反应器。多用于半导体集成电路制造 等离子体CVD：原 理：将等离子体引入CVD技术。等离子体中的电子与分子原子碰撞，可以使分子在低温下即成为激发态，实现原子间

50、在低温下的化合。等离子体对CVD的作用：将反应气体激发为活性离子，降低反应所需温度；加速反应物的表面迁移率，提高成膜速率；对衬底和膜层溅射清洗，强化薄膜附着力；等离子中各粒子的碰撞、散射作用，膜厚均匀 液相反应沉积(液相外延)：利用液相中进行的反应而沉积薄膜的方法。主要方法：液相外延技术 化学镀 电化学沉积 溶胶-凝胶法 LB膜技术21.结构陶瓷 定义：所谓结构陶瓷，是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。 分类：因结构陶瓷往往在高温下作为结构材料使用，因而常称之为高温结构陶瓷或工程陶瓷。按组分分类，结构陶瓷又可分为：(

51、1)氧化物陶瓷(2)氮化物陶瓷(3)碳化物陶瓷(4)硼化物陶瓷 氧化铝粉体的制备：拜耳法：工业氧化铝粉体的生产一般采用拜耳法。是由KJ Bayer(拜耳)所发明。它是将含铝量高的天然矿物，如铝矾土用酸法或碱法处理而得。碱法处理是近代炼铝工业中制造氧化铝的主要方法。酸法生产很少使用，但能提取贫矿中的氧化铝，因而是有发展前途的一种方法。高纯度氧化铝粉体制备：是将高纯度铝盐和金属铝分别热解、氧化而制得的，主要有以下四种方法：1.铵明矾热解法2.有机铝盐加水分解法3.铝的水中放电分解法4. 铝的铵碳酸盐热分解法 高纯度氧化铝粉体制备：1.铵明矾热解法2.有机铝盐加水分解法3.铝的水中放电分解法4. 铝

52、的铵碳酸盐热分解法 Al2O3陶瓷的制备：Al2O3生产中预烧具有以下作用：使- Al2O3转变为稳定的- Al2O3。这样制品在烧成时的线收缩可以从22%降低为14%，或者体积收缩从53%降低为37%。煅烧后的Al2O3可能形成极细小的- Al2O3单晶颗粒。球状Al2O3的脆性提高，易于研磨。预烧还可以排除原料中的杂质Na2O，提高原料的纯度，从而提高产品的性能。氧化铝陶瓷的成型：氧化铝陶瓷成型的方法有许多种，依产品的形状、大小、复杂性与精度等要求选用合适的成型方式。最常用的方法有干压法成型、注浆成型、挤压成型、冷等静压法成型（CIP), 注射成型、流延成型、热压成型与热等静压成型(HIP

53、)以及近几年来新开发的压滤成型、凝胶注成型、固体自由成型制造技术等。影响氧化铝陶瓷烧结的因素：烧成制度 2.烧成气氛3.成形方法4.原料的颗粒度5.晶体的缺陷6.添加剂 氧化铝陶瓷的性能和应用：机械强度高；电阻率高，电绝缘性好；硬度高；熔点高，抗腐蚀；化学稳定性好 ZrO2陶瓷增韧机制：相变增韧 微裂纹增韧 弥散增韧 氧化锆陶瓷性质与应用：切割应用；阀类应用；陶瓷轴承；生物应用；个人用品；光纤连接器用陶瓷 氮化铝陶瓷 氮化铝是共价键化合物，属于六方晶系，呈白色或灰白色。氮化铝在2450下分解，在2000以内的高温非氧化气氛中，稳定性很好，抗热震件也好。22. 金属的性能 使用性能:力学性能（金

54、属材料在外力的作用下所表现出 来的抵抗能力）物理性能（不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响）。化学性能（材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力工艺性能:铸造、锻压、焊接、切削加工。 金属的力学性能 意义：是选择和使用金属材料的重要依据一：弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：

55、单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（%）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。分为弹性变形与塑性变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。二：强度概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力。按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗

56、扭强度。以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。1强度意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。三：塑性在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。塑性对材料的意义:1.金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性:防止塑性变形使材料强化而避免突然断裂强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。最大伸长率可高达1

57、000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。四：硬 度它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。硬度试验方法:1压入法布氏硬度（HB），HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBS ，HBW：硬质合金作压头；适用于650HBW 、适用范围常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：测值重复性强、测量结果准确。缺点：压痕大，不适合成品检验2洛氏硬度（HR）适用范围 洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检

58、查中应用最多。表示方法：硬度值+HR 3维氏硬度（HV）测定原理:用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。表示方法:硬度值+HV+试验力/保持时间。适用范围:适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。五：冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。表示方法：国标GB/T2291994冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。低温脆性随温度降

59、低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（ Tt ）。 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。提高冲击韧性的途径：冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣， 气泡等缺陷；六：疲劳，强度金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，