第一篇：N.材料先進制備加工技術-2011中國材料研討會

2011中國材料研討會 5.17-5.20 北京

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N．材料先進制備加工技術 分會主席：謝建新、曲選輝、劉雪峰

單元N1：5月19日上午 主持人：謝建新，李元元 08：30---09：00am *N1 多場作用下金屬粉末成形燒結一體化方法的研究進展

李元元，李小強，楊超；華南理工大學機械與汽車工程學院

為了探索高致密、高性能、短流程、節能和低成本的金屬粉末成形與燒結方法，分別對電-熱-力三場和電-磁-熱-力四場作用下的粉末成形與燒結機理、關鍵技術以及相應裝備進行了研究。研制出一套集電、磁、熱、力多個場作用下的粉末成形與燒結一體化設備；建立了多個場作用下的粉末成形與燒結模型；明晰了場間的交互作用機理和燒結機理；優化了多場作用下碳化鎢、鎢基、鈦基、鐵基等粉末的成形和燒結一體化工藝；證實在電-熱-力三場作用基礎上耦合交變磁場可改善溫度場分布，進一步促進粉體致密、改善燒結組織與性能。研究表明，多場作用下的粉末成形燒結一體化方法在制備優質粉末冶金材料和零件方面優勢顯著。

09：00---09：30am *N2 多元多相合金及其結構件鑄造過程的凝固基礎 介萬奇；西北工業大學凝固技術國家重點實驗室

本文從我國古代鑄造技術的發展說起，概括了凝固理論與技術的應用背景和發展歷程。宏觀總結了自20世紀50年代以來現代凝固理論與技術的發展。進而分析了近年來多組元合金凝固理論及技術研究的新進展，這些進展主要體現在以下3個方面：(1)將熱力學原理與擴散動力學的分析相結合，進行多元合金凝固過程的分凝行為、凝固路徑和相析出規律的預測；(2)采用二元合金凝固擴展模型、界面尋蹤模型和相場分析等方法，進行多元合金凝固過程生長形貌演變規律的研究；(3)鑄錠與鑄件宏觀凝固過程的模擬研究。進而指出了凝固理論與技術研

究的4個重點發展方向，即：(1)多元多相合金非平衡凝固行為的熱力學與動力學耦合理論；(2)多元多相合金凝固過程的多層次表征及跨層次耦合；(3)多元多相合金非平衡凝固過程中熔體-界面-傳輸的協同調控原理；(4)電磁場及高能束作用下多元多相合金的凝固行為及其控制原理。最后介紹了作者關于多組元合金凝固的4個方面的研究工作，即：鑄錠與大型鑄件中的宏觀偏析；枝晶凝固中固相分數變化與微觀偏析；三組元合金的凝固模型；II－VI族化合物半導體晶體生長過程中的分凝與偏析。

09：30---09：50am

N3

雙流澆注連續鑄造工藝參數對凝固液穴的影響 鄭小平，張衛文，邵明；華南理工大學

雙流澆注連續鑄造技術（DSPCC）是一種“液-液復合”制備層狀金屬復合材料的新興工藝，其特點是兩股液態金屬熔體通過對流傳質形成具有毫米級微觀尺度、成分與組織梯度過渡的冶金結合界面。本文利用雙流澆注連續鑄造技術制備了7075/6009鋁合金梯度復合鑄錠，分析了鑄造溫度、鑄造速度、節流孔徑、內導管插入結晶器深度這四個雙流澆注連續鑄造工藝參數對結晶器內凝固液穴的影響，并利用內層合金元素擴散來表征鑄造工藝參數，研究了內層合金元素擴散與凝固液穴的關系，結果表明：在7075/6009合金的雙流澆注連續鑄造過程中，鑄造溫度、節流孔徑和鑄造速度顯著影響著凝固液穴的深度和寬度，而內導管插入結晶器深度變化對液穴寬度與深度的影響較小。內層合金元素擴散與凝固液穴存在r*2?R2?2Rqv(Rq)c?h?s?s?h??H?H?c的關系，通過試驗結果與理論計算分析反映了基本一致的變化規律。

09：50---10：10am

休息

www.tmdps.cn+Al2O3）/Fe復合材料。研究了Al元素的加入及其加入量對鈦鐵礦原位合成鐵基復合材料還原過程的影響。研究表明：FeTiO3–Al–C–N2體系中Al先與鈦鐵礦發生反應生成鈦的中間產物TixOy和Al2O3，接著C、N2與TixOy反應，最終產物中主要存在三相，即TiCN相、Al2O3相和Fe的固溶相。此外，當體系中鋁的含量過高時，產物中會出現AlN相。

02：30---02：50pm

N10 硅對熱處理態M2高速鋼中共晶碳化物的影響 王維青，潘復生，湯愛濤；重慶大學

高速鋼中碳化物的類型、形貌、數量和分布等是決定高速鋼的性能的重要因素，尤其是共晶碳化物，而合金元素以及熱處理對碳化物有明顯的影響。本文通過金相、掃描電鏡、X射線衍射分析的方法研保溫2.5h的熱處理過程中，片層狀M2C碳化物分解為MC和M6C碳化物，在后續變形中破碎為細小的碳化物顆粒，0.8%Si的M2高速鋼中碳化物的尺寸稍小些。而魚骨狀M6C在熱處理過程中形態上沒有變化，在后續變形后仍有尺寸較大的塊狀碳化物，這對性能不利。

02：50---03：10pm

N11

雙金屬氣壓頂出充芯連鑄工藝的研究 梁賀，臧勃林，吳春京；北京科技大學

采用自制研究設備，運用氣壓頂出充芯連鑄法，通過確定合理的工藝參數，制備出外徑為12mm，內徑為8mm的鉛包錫和銅包鋁雙金屬復合棒坯。復合棒坯連續穩定，表面質量良好，包覆層厚度均勻，界面實現了冶金結合。對銅包鋁雙金屬復合棒坯后續拉拔加工，獲得了直徑為0.95mm銅包鋁復合導線，通過對其力學性能和導電性能進行檢測，性能高于傳統相同直徑銅包鋁復合導線。

03：10---03：30pm

休息

03：30---03：50pm

N12 鐵粉溫高速壓制成形的研究

陳進，肖志瑜；華南理工大學機械與汽車工程學院

溫高速壓制（WHVC）是一種結合溫壓和高速壓制為一體的粉末冶金成形方法，通過沖錘沖擊上模沖產生的沖擊波使加熱的溫粉末迅速成形。該方法很好地結合了溫壓和高速壓制的優點，同時粉末中不添加潤滑劑，粉末加熱溫度可不受潤滑劑的限制。得到的壓坯比傳統高速壓制密度要高。本文以鐵粉為原料，利用自行設計制造的一套利用重力勢能驅動的溫高速壓制成形裝置研究鐵粉的成形規律，采用正交實驗的方法研究了落錘沖擊高度、模具加熱溫度、裝粉量對鐵基冶金材料的溫高速壓制成形的www.tmdps.cn

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壓坯密度以及生坯強度的影響，為優化鐵基冶金材料的最佳溫高速壓制工藝提供一定的參考依據。

03：50---04：10pm

N13

Fatigue Property of Cu-12wt%Al Alloys Fabricated by Continuous Unidirectional Solidification 黃海友，聶銘君，欒燕燕，謝建新；北京科技大學

In this paper, the tensile mechanical properties and fatigue strength of single-crystalline and continuous-columnar-grained Cu-12wt%Al alloy rods prepared by vertical continuous unidirectional solidification(OCC)technology were investigated and compared with those properties of polycrystalline Cu-12wt%Al alloy prepared by conventional casting.The results of tensile mechanical test indicated that single-crystalline and columnar-grained samples had more excellent mechanical properties comparing with the polycrystalline alloy.For single-crystalline samples, the elongation was 8.7% and the tensile strength up to 717MPa, which was twice as much as that of polycrystalline samples(332MPa).For columnar-grained samples, the tensile strength was 380MPa and the elongation reached 24.2%, which was 6.5 times as much as that of polycrystalline alloy(3.7%).The fatigue strengths of single-crystalline, columnar-grained and polycrystalline alloys were measured by using descent method, which were 413MPa, 303MPa, 256MPa, respectively.Compared with the conventional casting polycrystalline samples, the single-crystalline and continuous-columnar-grained samples had higher fatigue strength.The fatigue strength of single-crystalline samples was 1.6 times as much as that of polycrystalline samples and higher than continuous-columnar-grained samples.Compared with the aging state QBe2.0 bronze(tensile strength 1250MPa, fatigue strength 200MPa), the tensile strength of single-crystalline Cu-12wt%Al alloy was 2/3 of that of QBe2.0, but the fatigue strength was twice.04：10---04：30pm

N14

奧氏體不銹鋼管坯二輥斜軋穿孔裂紋的形成及控制

張凱，宋仁伯；北京科技大學材料科學與工程學院

奧氏體不銹鋼圓管坯高溫塑性差，易開裂，在穿孔過程中內壁經常出現裂紋（內裂）。相關文獻研究了管坯的化學成分、α相、穿孔工藝對裂紋的影響，認為雖然管坯質量對穿孔內裂產生一定的影響，但產生內裂的主導原因還在穿孔工藝上。但是由于其工藝參數的調整在實際生產中較難把握規律，造成了產品成本高，生產周期長，開發新產品困難等問題。本文用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA根據某鋼廠提供的錐形二輥斜軋穿孔機的實際幾何參數，建立了三維有限元模型，并以0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼為例，模擬了穿孔過程。

管坯在斜軋穿孔時，受曼乃斯曼效應影響，管坯心部容易過早出現孔腔，孔腔如果提前出現就容易在穿出的毛管內外表面產生裂紋、分層、內折等缺陷。由于孔腔形成是由于中心部分金屬受到交變切應力和很大的拉伸應力作用的結果。中心破裂屬于韌性-脆性斷裂。根據第一強度理論，模擬中設置了最大拉應力單元失效準則判斷孔腔是否提前出現。管坯旋轉前進到頂頭，受頂頭作用，材料也會屈服破壞，產生斷裂。根據第四強度理論，模擬中同時設置了Von mises等效應力失效準則。

在ANSYS/LS-DYNA中，同時設置上述兩種單元失效判據，模擬了穿孔過程，得到了各階段管坯的應力應變云圖和金屬的流動規律，顯示了裂紋的形成與分布；并得到軋制時存在打滑現象，易對管坯外表面質量產生影響，實際生產時還會加劇軋輥的磨損，使生產效率降低，應當盡量控制打滑；實際生產中存在兩軋輥磨損程度不同或更換頻率不同導致兩軋輥表面摩擦系數不同，模擬得到兩軋輥表面摩擦系數的差異容易在管坯外表面引起裂紋；同時得到了管坯傾斜進入孔型時對管坯的影響。本文對實際生產中管坯的裂紋控制具有很好的參考價值。

04：30---04：50pm

N15

粉末冶金高釩冷作模具鋼不同熱處理狀態析出相的研究

李小明，況春江；安泰科技股份有限公司

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粉末冶金高釩冷作模具鋼中的微細析出相對其性能有重要影響，本文采用電解的方法提取了粉末冶金高釩冷作模具鋼中的析出相，并對不同熱處理狀態合金的析出相進行了定量分析，用X射線衍射、掃描電鏡、激光粒度、X射線小角衍射、ICP等方法對析出相的種類、形態、粒度分布和成分進行了分析。研究發現合金的析出相為V6C5，淬火態試樣中一次析出碳化物尺寸大多處于0.631μm-2.512μm之間。回火態合金中有大量細小的二次析出相，響的規律與強度變化的規律相反。造成銀包鋁絲材力學性能上述變化規律的主要原因是其力學性能受退火軟化、界面擴散相變以及由于擴散導致的包覆層和芯材合金化三種機制共同作用，在較低退火溫度和較短退火時間的條件下，退火軟化起主要作用，而在較高退火溫度和較長退火時間條件下擴散相變和合金化起主要作用。

09：00---09：30am *N17 其尺寸在10nm-96nm之間，二次析出相占總析出相質量分數29.7%。析出相中除C、V元素外，還存在Mo、Cr、Fe三種元素，相比一次析出相，二次析出相中Cr、Fe的含量較高。

單元N3：5月20日上午 主持人：曲選輝，劉雪峰 08：30---09：00am *N16 退火對銀包鋁絲材界面與力學性能的影響

劉新華，劉雪峰，謝建新；北京科技大學新材料技術研究院

銀包鋁復合絲材在航空航天、儀器儀表領域應用廣泛。本文采用冷靜液擠壓和拉拔的方法制備了銀包鋁絲材，研究了退火對所制備的絲材界面與力學性能的影響。結果表明，在150℃30分鐘以下退火時，界面無明顯新相生成，而200℃以上退火時則有明顯的新相生成；界面中新生成的相主要為Ag3Al電子化合物（μ相）。退火溫度和退火時間對界面的影響規律不同：隨退火溫度增加，無論在哪一退火時間下，界面層厚度均增加比較顯著；而同一退火溫度下，尤其是在退火溫度較低時，增加退火時間時，界面厚度增加并不明顯，但退火溫度提高時，界面層厚度隨退火時間增加的趨勢加快，退火溫度是界面層厚度的敏感因素；經150℃、200℃和300℃退火30分鐘后的厚度分別為5~7μm、7~9μm和10~12μm。銀包覆層和鋁芯在界面附近的成分受退火影響，溫度低于200℃時，成分變化不明顯，退火溫度高于200℃時，成分明顯隨距離變化；低于300℃時擴散過程以銀向鋁中擴散為主，但當溫度升高到300℃時，鋁也開始明顯向銀一側擴散。退火對銀包鋁絲材的力學性能有明顯的影響，在150℃和200℃退火時，隨著退火時間增加，絲材強度先增大后減小，而在300℃退火時，隨著退火時間增加，絲材強度一直增大；退火對絲材延伸率影集成計算材料工程及其在鑄件開發過程中的應用 張瑞杰，曲選輝；北京科技大學

集成計算材料工程被定義為將計算手段所得的材料信息，與產品性能分析和制造工藝模擬相結合。其中包含了產品開發所需的多種信息：材料微觀組織模型、微觀結構—性能模型、材料數據庫、成本分析模型等等，目標是在產品真正投產之前，通過集成計算過程使材料選擇、加工制造和產品設計優化成為一個整體系統。預期可以實現更有效的探尋新材料、盡可能發掘新材料的潛力、優化制造工藝系統的各個環節、減少產品研發時間和成本。本文將重點結合鋁合金鑄件的生產工藝，介紹集成計算材料工程在鑄件開發過程中的應用。鑄件生產過程中主要有熔煉、澆鑄、凝固、固溶、時效等主要的工序，這些工序中發生的主要物理現象在尺度上跨度很大，因此需要在不同尺度范圍內對鑄件生產過程中的物理現象進行建模，比如：充型、凝固微觀組織形成、次生相溶解、強化相析出等等。建立不同尺度微觀組織模型對產品性能的影響模型，并且建立不同尺度模型之間的連接關系，定量研究不同工序對后續工序及最終產品性能的影響。并且根據對鑄件生產全工藝過程的分析，反饋在材料選擇、鑄造、時效等環節中對產品性能影響的負面因素，實現對整個鑄造工藝各個工序的優化。

最后，本文簡要介紹目前集成計算材料工程在其他產品開發過程中的應用情況，并且討論集成計算材料工程的廣泛應用所面臨機遇與挑戰。

09：30---09：50am

N18

攪拌摩擦加工細晶AZ91鎂合金的組織和力學性能研究

王賽香，張大童；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心

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攪拌摩擦加工技術（FSP）是在攪拌摩擦焊（FSW）基礎上發展起來的一種新型劇塑性變形技術，在細晶金屬材料制備方面具有較大的應用潛力。本文研究了鑄態AZ91鎂合金經攪拌摩擦加工后的顯微組織和力學性能。顯微組織觀察表明，合金經FSP加工后粗大的鑄態樹枝晶變成細小的等軸晶粒，在旋轉速度400r/min、行走速度60mm/min加工條件下?（Mg）晶粒尺寸約為3μm；位于晶界處的粗大?相（Mg17Al12）轉變為細小顆粒相。顯微硬度及拉伸力學性能測試結果表明，經攪拌摩擦加工后材料的硬度、抗拉強度和斷后伸長率均顯著提高；在旋轉速度600r/min、行走速度60mm/min時攪拌區的平均硬度、抗拉強度和斷后伸長率分別為83HV、317.6MPa和21.6%（母材的分別為63.8HV、112.4Mpa和16.6%）。拉伸斷口分析表明，鑄態合金屬脆性斷裂，而攪拌摩擦加工合金由于晶粒明顯細化，斷裂表面存在較多的韌窩，屬韌性斷裂。

09：50---10：10am

休息

10：10---10：30am

N19 納米水基板帶鋼軋制液摩擦特征與潤滑性能研究 孫建林，王冰，武元元；北京科技大學材料科學與工程學院

全新概念的水基納米潤滑是當前板帶鋼冷軋生產應對節能減排的重要措施之一，為此論文以幾種典型的納米粒子為例，通過修飾與分散，制備了板帶鋼水基軋制液。借助SEM、XRD、四球摩擦試驗機和四輥軋機，分析測試了納米粒子的形貌特征、摩擦學性能、軋制潤滑性能及軋后板帶鋼表面質量。實驗結果表明：粒徑在10-50nm的納米Cu、納米Fe3O4、納米MoS2等金屬納米粒子表現出優異的摩擦學性能，由此制備的水基軋制液具有無毒環保、軋制潤滑性能好、軋后表面質量優等特點。另外還初步分析了納米潤滑機理，為納米潤滑在材料加工中的應用提供理論指導。

10：30---10：50am

N20 不銹鋼表面陰極微弧電沉積氧化鋁涂層的制備及組織性能研究

薛文斌，金乾，杜建成；北京師范大學核科學與技術學院射線束技術與材料改性教育部重點實驗室

以Al(NO3)3乙醇溶液為電解液，利用陰極微弧電沉積技術在304不銹鋼表面制備了80 μm厚的氧化鋁涂層。采用掃描電鏡和X射線衍射分析了涂層的形貌、成分和相組成，測試了涂層的抗高溫氧化及電化學腐蝕性能，并探討了陰極微弧沉積氧化鋁涂層的機理。涂層由γ-Al2O3和的α-Al2O3組成。涂層中含有少量的Fe、Cr、Ni元素，表明膜/基界面附近的不銹鋼基體在微弧放電作用下也參與氧化鋁涂層的沉積和燒結過程。具有氧化鋁涂層的不銹鋼在800 ℃恒溫氧化速率降低將近1倍，同時它的腐蝕電位有所提高，腐蝕電流密度降低1個數量級，其耐腐蝕性能得到提高。

10：50---11：10am

N21

高分子鏈的冷流和去擁擠（unjamming）轉變 薛奇；南京大學化學化工學院高分子科學與工程系

高分子材料的加工通常需要在遠高于其玻璃化轉變溫度時才可進行，這一過程將消耗大量能源、導致聚合物降解污染環境并且使材料難以再回收利用。我們發現當增大高分子鏈間鄰近度時，單獨通過施加壓力就可以使高分子鏈在遠低于比量熱法測得的玻璃化轉變溫度時發生流動。此時相比于自由體積的理論,體系的玻璃化轉變溫度不但沒有升高, 反而降到了測試的溫度。而這一現象與近年來凝聚態物理中的一個重要課題即擁擠（Jamming）理論密切相關，通過擁擠相圖我們發現，在玻璃體系中，堆積密度、施加的負載與體系的溫度這三個因素共同決定了體系所處的狀態。這為我們研究高分子的玻璃化轉變以及高分子材料加工提供了新的思路。

11：10---11：30am

N22 脈沖強磁場下的電磁成形技術

邱立，李亮，呂以亮；華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心（籌）

電磁成形技術是利用脈沖電磁力驅動工件成形的高速率加工技術，其具有改善成形性能、減少起皺、提高成形范圍等優點，是輕合金等難成形材料成形技術的研究熱點。但現有電磁成形技術因驅動線圈強度不夠，只能提供10T左右的磁場，加工工件的厚度一般小于2mm，這嚴重限制了電磁成形技術的www.tmdps.cn

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發展。

本文借鑒脈沖磁體的設計理論及優化技術，結合電磁成形驅動線圈自身的特性，成功研制出可提供40T磁場的高強度驅動線圈，并建立了一套脈沖強磁場電磁成形設備系統。選用2a12鋁合金板，利用該系統已完成：

1、2mm厚80mm*160mm方形盒拉延。實驗表明，電磁板材成形以流動形式變形，拉延高度為20mm，變形后的板材最薄處為1.88mm。

2、5mm厚內孔翻邊。預孔直徑為30mm，用于Cu-Zr-Ni系統的分子動力學模擬，預測了Cu-Zr-Ni系統的成分三角形可以劃分成三類區域，即晶態區、非晶態區以及晶態-非晶態共存區。同時采用分子靜力學計算出Cu-Zr-Ni系統晶態區的非晶和固溶體能量差，從能量角度預測了最優的非晶成分區域。

02：00---02：30pm

*N24

Origin of lathy ferrite in AISI 304 stainless steel 翻邊高度為18mm，一次翻邊系數為0.55。

3、8mm厚沖孔。沖孔直徑為50mm，一次放電完成，斷面光滑無毛刺。選用0.1mm厚銅箔，利用該系統已完成：

1、一次完成多孔沖裁。在直徑為100mm的銅箔上完成直徑從2mm到16mm的一系列沖孔。

2、完成微結構成形。在銅箔面上切割出一條0.19mm寬的線槽。實驗證明，脈沖強磁場技術能有效提高電磁成形的加工能力，拓展了其實現工業應用的前景。

單元N4：5月20日下午 主持人：楊院生，李家好 01：30---02：00pm

*N23 熱力學和原子相互作用勢計算Cu-Zr-Ni系統的非晶形成范圍

崔苑苑，李家好，柳百新；清華大學材料科學與工程系

Cu-Zr-Ni塊體金屬玻璃系統由于其良好的非晶形成能力和優異的機械性能，成為了理論和實驗研究的典型系統。在Cu-Zr-Ni塊體金屬玻璃的研究中，存在一個基礎性的問題，即非晶形成范圍。由于金屬玻璃制備過程中動力學因素的限制，結構復雜的金屬間化合物難以形核和長大，與非晶相競爭的主要是結構簡單的固溶體。因此，研究Cu-Zr-Ni系統非晶形成范圍的問題，就可以轉化為比較非晶和過飽和固溶體的相對穩定性，從而確定Cu-Zr-Ni系統的最大過飽和固溶度，進而確定Cu-Zr-Ni系統的非晶形成范圍。本研究采用基于原子相互作用勢的分子動力學模擬，模擬過程的關鍵是如何描述原子之間的相互作用，即構建合適的Cu-Zr-Ni系統的原子相互作用勢。為此，本研究使用實際存在的金屬間化合物的物理性能進行擬合，同時采用改進的TB-SMA勢形式，從而保證在整個計算范圍內能量及其導數都連續光滑。將構建的原子相互作用勢應during directional solidification

付俊偉，楊院生；中國科學院金屬研究所

Formation and evolution details of the skeletal ferrite in AISI 304 stainless steel were investigated by liquid quenching and directional solidification techniques.The origin of lathy ferrite in AISI 304 stainless steel was confirmed.Experimental results showed that a coupled microstructure, consisting of thin lathy ferrite and austenite, solidified directly from the melt without dendrite ferrite with the withdraw velocity of 150 ?m/s.During the formation of the coupled microstructure, solutes Cr and Ni are rejected into liquid.As solidification proceeds, retained liquid transforms into austenite and lathy ferrite becomes coarse gradually.When solidification is completed, solid-state transformation from ferrite to austenite takes place.The thinner ferrite in the coupled microstructure is consumed by the solid state transformation.The microstructure at room temperature is composed of thin ferrite and austenite.The ferrite is parallel arrangement in the austenite matrix.Formation of the two-phase coupled microstructure is analyzed.02：30---02：50pm

N25

基于FVM的分流模非穩態擠壓過程數值模擬研究 程磊，謝水生，黃國杰；北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室

由于空心鋁型材分流模擠壓過程中金屬流動及變形的復雜性，采用基于拉格朗日網格描述的有限元法進行數值模擬時，研究對象僅局限于形狀簡單、截面尺寸和擠壓比小的空心型材，對于大斷面復雜截面鋁型材分流模擠壓過程的數值模擬尚未見報

www.tmdps.cn

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道。針對上述問題，采用基于歐拉網格描述的有限體積法，實現對大型材分流模非穩態擠壓過程的數值模擬，不僅可以完整的模擬分流模擠壓焊合過程，而且具有計算時間短、模擬精度高的優點，是進行大型復雜截面鋁型材擠壓焊合過程研究的一種十分有效方法。

02：50---03：10pm

N26 噴射軋制工藝參數對鋁帶材固相分數和孔隙率影響規律的模擬研究

劉允中，李鳳仙，謝金樂；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術中心

噴射軋制是一種金屬半固態近凈成形新技術，將熔體霧化、噴射沉積、雙輥熱軋有機結合，可在一步工序內從液態金屬直接制備高性能金屬板帶材，對噴射軋制過程中鋁合金材料的固相分數和孔隙率進行模擬研究有助于揭示致密化機理和指導工藝優化。初步建立了噴射軋制過程中熔滴霧化和沉積階段的凝固和動力學模型，對噴射軋制中沉積階段孔隙的形成規律進行了分析，結果表明可通過減小沉積時的孔隙率和在軋制階段提供必要的厚度減薄率以獲得致密材料。研究了噴射軋制主要工藝參數（如：熔滴飛行距離、氣體初始速度、過熱度和熔體質量流率）對7050鋁合金帶材沉積與成形過程中平均固相分數、孔隙率和厚度減薄率的影響規律，對致密化過程進行了理論分析。在此基礎上對噴射軋制的主要工藝參數進行了優化，可使沉積材料有最低的孔隙率，且能穩定連續制備致密帶材。

03：10---03：30pm

N27 軋輥噴淬熱處理過程溫度的測量與計算機控制 李莎，劉增輝，趙永龍；北京科技大學

針對噴淬過程中水霧、水膜、氧化鐵皮及其他干擾對輥身表面溫度測量的影響，本文采用紅外測溫儀配用自行設計的空氣吹掃裝置實現了噴淬過程輥面溫度的測量，并選用峰值保持+復合濾波的數字濾波方法對所測溫度進行抗干擾處理。以紅外測溫儀實測輥面溫度為控制參數，根據實際溫度與目標溫度的差值情況，通過調節噴淬機的冷速，實現噴淬過程中按照軋輥的目標溫度曲線進行控制，提高了軋輥的噴淬質量。

03：30---03：50pm

N28 稀土納米材料的應用進展

張文毓，侯世忠；洛陽船舶材料研究所

本文概述了稀土納米材料的研究現狀，重點介紹了稀土納米材料在發光材料、永磁材料、陶瓷、催化劑、貯氫材料、環保材料等領域的應用,對其發展前景進行了展望。希望對稀土納米材料有所了解。

稀土納米材料的研究與應用將有助于發現新性質，開拓新材料，已成為當前的研究熱點。稀土元素特殊的電子構型使其具有特殊的光、電、磁性質。而被譽為新材料的寶庫。納米技術與稀土相結合形成的新型材料包括稀土納米陶瓷、催化劑、永磁材料、發光材料、防曬材料、生物醫藥材料等。這些新型材料在信息、生命科學等領域必將發揮重要的作用。因此開展稀土納米材料的研究、應用與開發將是一次新的機遇，對于我們稀土大國具有重要的意義。

稀土納米材料研究現狀包括：稀土納米粉體、稀土化合物納米薄膜、稀土納米結構的陶瓷、稀土納米復合與組裝、稀土納米磁性材料、稀土納米催化劑、稀土納米發光材料、稀土納米光學材料。目前開發研究和應用的領域包括:.稀土發光材料、.納米超導材料、.稀土納米磁性材料、.稀土高性能陶瓷、.稀土納米催化劑、稀土紫外線吸收劑、稀土精密拋光、稀土納米貯氫材料、稀土納米環保材料、稀土納米薄膜材料、稀土納米合金等。

近年來，隨著納米技術的問世，納米技術與稀土相結合形成的新材料使稀土的應用增加了不少新的內涵，發揮出其更大的潛能。在新的前沿技術方面,又發現了稀土不少新的應用。稀土納米材料在 21世紀必將發揮越來越重要的作用。更重要的是發揮稀土納米材料的優異特性，開發其新的應用。

墻展 NP1

Mn對Mg-6Al合金擠壓棒材組織與性能的影響 張志強，樂啟熾，崔建忠；東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室

本文對不同Mn含量的Mg-6Al進行反向擠壓，考察Mn對Mg-6Al鎂合金擠壓棒材組織與性能的影響。研究結果表明，在試驗范圍內隨著Mn含量的增加Mg-6Al-xMn合金擠壓棒材晶粒逐漸變小，硬

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度有增大的趨勢；擠壓棒材的抗拉強度、屈服強度和延伸率均隨著Mn含量的增加現增加后降低。Mn含量為0.5%的擠壓棒材抗拉強度和屈服強度最高，責任公司

航空發動機渦輪導向空心葉片是航空發動機重要零件，其無余量葉片精密鑄造技術含量高，目前生分別為293 MPa、173 MPa； Mn含量為0.7%的擠壓棒材延伸率最大，達20%。

NP2

釬焊工藝對鋁合金真空釬焊焊縫組織的影響

高飛，陳召松，趙飛；貴州永紅航空機械有限責任公司

鋁合金真空釬焊時釬焊工藝對焊縫組織性能有重要影響，其中焊縫中大量存在的Si偏聚組織是影響焊縫強度不高的主要原因。本文采用15min-90min六種不同釬焊保溫時間和595℃-620℃六種不同保溫溫度對鋁合金散熱器進行真空釬焊試驗，通過光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線能譜儀、硬度試驗等研究確定保溫時間和保溫溫度對焊縫組織的影響關系。結果表明，隨著釬焊保溫時間的延長和適量的提高保溫溫度，焊縫間的元素擴散越來越充分，Si偏聚形狀由原來的樹枝狀向點狀轉變，當釬焊工藝為615℃保溫75min時，焊縫組織中只有少量點狀Si偏聚組織，絕大部分為固溶體，釬料對母材有少量溶蝕，結合更為牢固，工藝較佳。

NP3

減少承壓鑄件的鑄造缺陷，提高鑄件檢漏合格率 白素春；中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司

我們所生產的鋁合金筒體鑄件技術條件要求鑄件表面不能有夾渣、針孔、縮孔、縮松等缺陷，并且需要承受 FS6 氣密性檢驗，水壓試驗 1.22 Mpa，筒體鑄件結構復雜，尺寸大，壁厚不均，鑄造熱節偏多，容易產生鑄造缺陷。在實際生產過程中，筒體鑄件鑄造缺陷多，打壓合格率 50% 左右，通過對大型鋁合金鑄件鑄造特點的分析，根據生產實踐經驗，利用樹脂砂造型，采用底注式澆注系統，總結出一套有效的提高大型鋁合金鑄件承壓件檢漏合格率的有效方法。

NP4

一種渦輪導向葉片無余量精鑄工藝研究

韓宏；中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限產工藝尚不成熟不能滿足批產需求。本文總結了對該類葉片精鑄的工藝研究，包括了對該類葉片生產工藝的陶瓷型芯制造工藝、澆注系統設計、制殼工藝、澆注工藝、振動光飾工藝等方面進行的試驗工作。通過研究，摸索出了一套適合航空發動機渦輪導向空心葉片的無余量精鑄工藝路線，獲得了合理的工藝參數，成功研制出首批合格葉片并參加了試車考核，為該類葉片實現批產應用奠定了技術基礎。

NP5

異型截面鋁材穿孔針擠壓成形規律的數字化研究 李峰，徐永超，初冠南；哈爾濱理工大學材料科學與工程學院

為了揭示異型截面鋁型材穿孔針擠壓成形規律，以導彈尾翼構件為例，本文采用非線性有限元對其過程進行了三維熱力耦合模擬，系統地分析了工藝條件對溫升變化、附加拉應力及成形載荷的影響規律，研究結果表明：在低速擠壓范圍內，坯料上最高溫度峰值均呈減小趨勢變化，且隨著擠速的增加，最高溫度峰值的降幅隨之減小，而模口處軸向附加拉應力的數值則相應地增大；成形過程中模口處的軸心部位為高溫區，隨著軸心距的增加，溫度值呈梯度減小的趨勢變化；且隨著壓下量的增加，溫度減小的梯度趨勢逐漸變緩，藉此為異型截面材穿孔針擠壓成形的工藝設計及變形流動控制提供理論依據。

NP6

Mechanism of Stainless Steel Machinability Improvement by Adding Copper

張孟儀，Zhimin Zhong；國核電站運行服務技術有限公司

本文主要研究在4Cr13鋼中添加銅和硫以改善其切削性能。在4Cr13鋼中添加銅所起到的效果和添加硫相似。應用掃描電鏡（SEM）和高分辨透射電鏡（HRTEM）對4Cr13Cu中易切削相的分布和尺寸進行觀察研究，研究結果發現易切削相的組成為銅-石墨復合相，該相彌散分布在鋼的基體中，大小約

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為10nm。經切削試驗發現，銅-石墨復合相起到潤滑顆粒的作用，潤滑了切削刀具，減少了刀具磨損量，從而提高了不銹鋼的切削性能。

NP7

釕金屬濺射靶材燒結工藝研究

羅俊鋒，丁照崇，王欣平；北京有色金屬研究總院 下，燒結體密度隨燒結溫度的增高而遞增。在1350℃保溫2小時真空燒結條件下，凝膠注模成形出的不銹鋼力學性能優良，晶粒尺寸適中，燒結體的相對密度達98.7％，抗拉強度可達1058.9MPa，并可成形出形狀復雜的較大尺寸的不銹鋼坯體。

NP10

采用熱壓、放電等離子燒結及直接熱壓等燒結工藝制備了釕金屬靶材，通過微觀結構與氧含量分析對比了三種工藝方法對釕金屬靶材制備的影響。結果表明，隨著制備溫度的升高釕靶晶粒尺寸增大，氧含量降低；通過工藝優化，三種方法均能得到密度達到99%以上的釕靶；放電等離子燒結與直接熱壓工藝都具有快速成型的特點；放電等離子燒結制備的釕靶組織均勻性最好。

NP8

低碳鋼變形奧氏體相變后鐵素體晶粒尺寸的數值計算

贠冰，孫建林，高雅；北京科技大學材料科學與工程學院

摘要：根據熱力學理論和形核生長理論，對低碳鋼在奧氏體非再結晶區變形后，連續冷卻過程中的組織演變進行了數值分析。鐵素體相變動力學模型是根據“形核長大”和“位置飽和”機制，采用Cahn的相變動力學理論和Scheil疊加原理建立的；同時計算了鐵素體的晶粒尺寸。模型的預測結果與實驗數據基本相符。

NP9

17-4PH不銹鋼粉凝膠注模成形工藝的研究

劉小婷，邵慧萍，郭志猛；北京科技大學新材料技術研究院

本文對17-4PH不銹鋼粉末進行了凝膠注模成形的研究，比較研究了水基和非水基凝膠體系的工藝參數對其性能的影響。結果表明：非水基凝膠體系的漿料具有較好的流變學性能，且燒結制品具有更高的致密度和力學性能。在非水基凝膠體系中，單體的濃度直接影響其成形坯體強度，在最佳工藝條件下，其生坯的抗彎強度可達38MPa；燒結體密度隨著單體濃度的增大呈先增后減的趨勢；在一定溫度

板料V形彎曲中凸模深度對彎曲影響規律的研究 董文正，林啟權，李彥濤；湘潭大學機械工程學院

板料V形件彎曲變形過程一般分為正向自由彎曲，正、反向彎曲和校正彎曲三個階段，由于在彎曲成形過程中工件的內外層從拉應力過渡到壓應力有彈性變形存在，工件在卸載后內、外層纖維因彈性恢復而分別伸長和縮短，結果使得工件彎曲的曲率和角度發生顯著變化，產生彈性回跳或彈性回復現象，從而降低了影響工件的成形精度。本文首次提出了彎曲凸模深度（即彎曲凸模斜壁直邊的長度）這個概念，推倒彎曲凸模深度與模具結構參數之間的計算公式及基于凸模深度的回彈公式。并利用有限元軟件Deform對彎曲成形過程進行了數值模擬，分析了凸模深度對成形過程的影響規律，發現彎曲結束階段板料出現明顯的“分流面”，并通過理論分析計算出分流面的精確位置，對實際生產過程具有重要的指導意義。

NP11

激光直接沉積TB6鈦合金的成形性研究

于承雪，李懷學，景財年；北京航空制造工程研究所

通過激光熔化同軸輸送的TB6鈦合金粉末，分析了激光直接沉積TB6鈦合金的成形缺陷、顯微組織和力學性能。結果表明：氣孔和未熔合是激光直接沉積TB6鈦合金典型的兩種缺陷，氣孔形貌呈圓球形，隨機分布于成形件內部；未熔合缺陷呈現不規則形狀，主要分布在沉積層的層間和道間。激光直接沉積TB6鈦合金的顯微組織主要以等軸晶為主，其沉積態的拉伸斷口為沿晶/穿晶混合斷裂方式。激光直接沉積TB6鈦合金沉積態的拉伸強度與其鍛件相當，其沿沉積、掃描、搭接等三個方向的拉伸強度相差不大，約為各向同性。熱等靜壓導致激光直接沉積TB6

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鈦合金的拉伸強度降低約200MPa，而塑性提高2倍。該結果對調控激光直接沉積鈦合金的組織與性能具有重要意義。

NP12

放電等離子燒結制備高性能WC/(Fe-Cu-Ni-Mo-C)合金材料

賴燕根，李小強，陳健；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心

采用高能球磨方法制備了WC/(Fe-Cu-Ni-Mo-C)合金粉末，通過放電等離子燒結技術將其快速固結成形，研究了該合金粉末的燒結行為，并對不同WC含量的燒結樣品進行了密度、硬度及橫向斷裂強度的測試，同時分析了試樣的顯微組織和斷口形貌。結果表明：試樣的密度接近全致密，硬度及橫向斷裂強度隨WC含量的增加呈先增后減的變化趨勢，當WC質量百分比含量為10%，燒結溫度為850 ℃及燒結壓力為50 MPa時，所得試樣的密度達到8.09 g/cm3，硬度值為HRC 57及橫向斷裂強度為2780 MPa；該燒結材料的顯微組織以珠光體為主，另外還包含塊狀鐵素體、奧氏體及彌散分布的WC硬質顆粒相，斷口形貌呈現出典型的韌窩特征。NP13

噴射軋制過程中沉積物形貌的數值模擬

李鳳仙，劉允中，羅霞；華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術中心

對噴射軋制過程中軋輥表面的沉積層厚度和形貌進行深入研究，可使噴射軋制具有最大的沉積效率，且能穩定連續生產致密帶材。在噴射軋制中霧化后的熔滴沉積到軋輥表面形成沉積層，沉積層增長到一定厚度達到穩態后，其形貌將保持不變。采用坐標追蹤方法，建立了霧化后熔滴沉積到軋輥表面的質量流率分布、厚度和形貌模型，可較好地預測不同工藝參數下沉積層的幾何尺寸和形貌，并對咬入角進行了定性的分析。研究了工藝參數（如軋輥半徑、軋輥轉速、參考位置處最大質量流率、軋輥間距、噴射距離等）對沉積物幾何特征的影響，結果表明：最大質量流率、軋輥半徑、軋輥轉速對沉積物厚度和形貌有顯著影響，在此基礎上采用正交實驗法對主要工藝參數進行了優化。

NP14

1350鋁合金與純銅異種材料的攪拌摩擦焊接頭組織與性能的分析

李夏威，張大童；華南理工大學

采用攪拌摩擦焊對3mm厚的1350鋁合金和純銅板材進行了對接，并對接頭的組織和性能進行了分析.試驗結果表明在攪拌頭旋轉速度為1200rpm，焊接速度為80mm/min且鋁合金位于后退側，純銅位于前進側時能得到內部組織致密、無缺陷的接頭.在鋁合金和純銅側均發現了熱影響區、機械熱影響區和攪拌區，熱影響區的晶粒略有長大，機械熱影響區的晶粒發生了較大的彎曲和變形，攪拌區的組織為明顯的動態再結晶的組織.接頭處沒有金屬間化合物生成，結合界面處鋁、銅元素僅發生少量的擴散.攪拌區的垂直于焊接方向的橫截面上的顯微硬度基本介于鋁合金和純銅之間.接頭抗拉強度為73Mpa，斷后伸長率為1.7%，拉伸試樣斷裂區位于攪拌區鋁-銅結合面，斷口掃描照片顯示鋁合金側有少量的韌窩及撕裂棱存在，其余斷裂表面形貌較為平坦，為脆性斷裂.NP15

ZrO2/Al90Mn9Ce1 核殼結構復合材料的SPS制備及其性能研究

張迪，王明罡，趙占奎；長春工業大學先進結構材料教育部重點實驗室

用放電等離子(Spark Plasma Sintering)法燒結表面包覆 10wt%ZrO2 納米粉末的微米 Al90Mn9Ce1 合金復合粉末, 得到高致密的陶瓷結構, 內充金屬合金的塊體復合材料, 燒結溫度僅為 520℃.該材料由蜂窩狀封閉 ZrO2 陶瓷殼壁和 Al90Mn9Ce1 合金核體組成, 核殼單元尺寸約為 10~40 μm, 殼壁厚 2~3 μm.燒結后材料的抗壓強度達到 525 MPa, 顯微硬度達到 316 Hv.這種ZrO2/Al90Mn9Ce1 復合材料的成功制備, 為新型陶瓷/金屬復合材料的設計提供了新思路.NP16

AZ91D鎂合金等離子噴涂NiCoCrAlY/AZ50的工藝研究

蘆笙，翁志平，陳靜；江蘇科技大學

本文利用大氣等離子噴涂技術（APS）在AZ91D鎂合金表面成功地制備了NiCoCrAlY/(Al2O3+50wt%ZrO2，簡稱AZ50）復合www.tmdps.cn

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陶瓷涂層。采用正交試驗設計，以結合強度為指標，優化了AZ50復合陶瓷涂層的工藝參數并通過OM、SEM、XRD等分析方法對涂層的微觀組織結構進行了研究。研究表明：噴涂功率、送粉量、噴涂距離、主氣流量和噴涂次數對噴涂的性能有重大的影響；AZ50復合涂層由α-Al2O3，γ-Al2O3，t’-ZrO2，1.5倍。

NP19

高球形度超低氧含量鋁青銅粉末研制 于軍，章徳銘，楊永琪，任先京； 北京礦冶研究總院 t-ZrO2和c-ZrO2組成，呈典型的層片狀結構并含有少量的氣孔和微裂紋，涂層和基體的結合處是涂層最薄弱的環節。

NP17 AZ91D鎂合金等離子噴涂NiCoCrAlY/陶瓷涂層的工藝和性能

蘆笙，陳燕，陳靜；江蘇科技大學材料科學與工程學院

本文利用正交試驗對AZ91D鎂合金等離子噴涂NiCoCrAlY/Al2O3-13%TiO2陶瓷涂層的工藝參數進行優化，研究噴涂次數對涂層結合性能的影響規律，確定優化的工藝參數及最佳噴涂次數。借助OM、SEM、EDX等手段，對涂層顯微組織進行觀察分析，并對涂層的硬度進行了測量。結果表明，工藝參數對涂層結合強度有重要影響，其主次關系的順序為：電源功率>送粉量>噴涂距離>主氣流量。隨著噴涂次數的增加，即涂層厚度的增加，結合強度減小。斷裂均發生在過渡涂層處，且各元素含量在界面處均發生突變，沒有明顯的擴散現象。鎂合金表面噴涂陶瓷層后硬度明顯提高。

NP18 P對鐵素體區熱軋Ti-IF鋼組織和性能的影響研究 景財年，劉敬廣，王作成；山東建筑大學

對兩種不同磷含量的普通Ti-IF鋼和高強Ti+P-IF鋼，在800℃鐵素體區經4道次熱軋、模擬罩式退火后，測量了退火鋼板的力學性能、顯微組織和二相粒子。結果顯示普通IF鋼的延伸率和r值大于高強IF鋼，在高強Ti+P-IF鋼中有FeTiP二相粒子的析出，兩種鋼板的顯微組織都是再結晶鐵素體，但鋼板中心部組織比邊部組織要粗大，兩種鋼板在鐵素體區軋制都獲得了很好的深沖性能，r值都大于1，Ti-IF鋼深沖性能更好，其原因是添加P后形成FeTiP粒子不利于深沖織構的形成，Ti-IF鋼{111}<112>和{554}<225>織構是Ti+P-IF鋼的新型發動機要求鋁青銅軟支撐耐磨涂層具有較低的氧化物雜質含量以及較高的結合強度，因此，對高性能鋁青銅粉末的研究迫在眉睫。本文采用自主開發的真空霧化設備，通過加入添加劑的方式引入合金元素、鋁脫氧熔煉、大角度和低壓力的惰氣霧化工藝實現了細粒徑、球形鋁青銅合金粉末的高產率制備。所研制的粉末具有球形度高、低氧含量和低成本等特點。采用XRD、SEM等測試手段對該粉末及其組成的銅鋁/鎳石墨涂層進行了國內外材料及其涂層的理化性能的對比分析，結果表明國產鋁青銅合金粉末具有與Metco 51NS相同的物理性能、化學性能及工藝性能，涂層達到了相應技術指標要求，滿足了新型航空發動機用銅鋁/鎳石墨封嚴涂層材料研制對原材料的需求。

NP20

雙掃描噴射成形工模具鋼工藝及性能研究

張勇，張國慶，李周，袁華，許文勇，劉娜，高正江，王孝平；

北京航空材料研究院先進高溫結構材料國防科技重點實驗室

本文主要研究了雙掃描噴射成形的工藝及制備的工模具鋼SFT15的力學性能和微觀組織。結果表明，雙掃描噴射成形工模具鋼SFT15沉積坯平均體密度為8.2g/cm3，達到理論密度的99％。采用噴射成形制備的SFT15高速鋼晶粒細小，無宏觀偏析，組織致密。經過熱變形加工可大幅提高噴射成形工模具鋼的力學性能。采用SEM、TEM研究了SFT15的微觀組織，絕大部分為小于20μm的等軸晶，晶界和晶內分布一些M6C型碳化物，熱處理后SFT15工模具鋼組織主要為回火馬氏體和碳化物。

NP21

Tungsten doped ZrB2 powder synthesized synergistically by co-precipitation and solid-state reaction methods

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Yanshan Jiang, Ruixing Li, Yun Zhang, Bin Zhao, Junping Li, Zhihai Feng；

Key Laboratory of Aerospace Materials and Performance(Ministry of Education), School of Materials Science and Engineering, Beihang University

Firstly, an amorphous precursor of hydrous nano-ZrO2-WO3 powder was precipitated by a co-precipitation method in alcohol-water mixed solvent using ammonia as a precipitator.Then, tungsten doped ZrB2 powder was successfully synthesized via a solid-state reaction by borothermal and carbothermal reduction using as-synthesized amorphous nano-ZrO2-WO3.The mass and heat flow of the samples were monitored by thermal analysis.The crystallographic structure was identified by X-ray diffractometry.The specific surface area of the powder was determined using a NOVA-2200e analyzer.The size and morphology of the particles were characterized by SEM and TEM microscopies.The combined effects of uniformly distributed tungsten and the complex physicochemical changes effectively improved the solid state reaction.NP22 水熱合成氧化釔彌散鐵基復合材料的制備 劉青，郭志猛，羅驥； 北京科技大學

結合共沉淀法與水熱合成法，以氯化鋁、氯化釔和氨水所得的氫氧化物沉淀為前驅物，在水熱溫度100-200°、保溫3-7h的條件下可以制備出彌散相在納米級的彌散強化鐵基材料。研究了反應條件，如加入分散劑的種類及含量、水熱溫度、水熱時間等對水熱合成的影響，從而得到了最佳的工藝參數。用SEM分析了彌散相的大小及分布確定了最佳的分散劑的種類及含量，通過力學性能的比較，進一步確定了最佳的水熱溫度及時間。

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第二篇：先進材料制備技術

鋁基復合材料的制備及其應用

材料是人類賴以生存的必需品，是社會發展的基礎，是現代文明的重要支柱。而先進材料對人類生活質量的提高，對社會的發展，對其他技術的發展都起著重要的促進作用。

先進材料是新材料和具有高性能的傳統材料的總稱，既包括具有優良性能的新材料，又包括具有高性能的傳統材料。

汽車工業是一個國家的支柱產業，汽車工業是大型的、綜合性的加工產業，它可以帶動和促進系列相關工業和相關社會服務行業的發展。相關的工業有冶金、石油化工、機械、電子電器、輕工、紡織等。相關的服務行業有交通運輸、保險、維修、商業等。這些工業和服務行業所涉及的經濟效益和社會效益十分巨大。在材料方面，汽車工業需用11大類材料，分別為鋼板、特種鋼、結構用塑料和復合材料、非結構用塑料和復合材料、橡膠、涂料、有色金屬合金（主要為鋁合金材料）、鑄件、陶瓷和玻璃、金屬基復合材料。汽車工業對材料的需求很大，僅美國每年需用6000萬噸以上。隨著現代汽車向輕量化、節能、環保、安全舒適方向發展，需用傳統材料提高性能，同時需要具有高性能的新型材料代替部分傳統材料。例如，采用IF鋼板和抗拉強度超過400MPa的超級鋼做汽車鋼板，可以減薄，減輕汽車車體質量；采用新型的鋁基復合材料代替鑄鐵件，用深沖鋁合金板代替鋼板，都顯著減輕汽車質量。自20世紀60年代以后，塑料件在汽車中的應用逐漸增多，以工程塑料和復合材料為主，目前，在單臺轎車上的塑料件用量已接近120Kg。由于先進材料的發展，汽車上使用的原材料結構組成比逐年發生變化。

先進復合材料的興起，克服了均一材質材料的不具有多種性能的弱點，在汽車上應用，既有利于減輕汽車自身質量，又有利于提高性能。

一． 鋁基復合材料制備技術

先進鋁合金材料包括高強高韌性鋁合金材料、半固態鑄造成型鋁合金材料和耐腐蝕鋁合金材料等。

當前鋁基復合材料的研究幾種在兩個方面：1.采用連續纖維增強的具有優異性能的復合材料，其應用范圍幾種在很特殊的領域，如航空航天領域；2.采用不連續增強體增強的具有優良性能的復合材料，其應用范圍相當廣泛。

相對來說，后者具有制備工藝簡單、增強體成本低廉等優點，實現工業化大批量生產的潛力更大，因此成為當前鋁基復合材料的研究重點。

1.纖維增強鋁基復合材料的制造方法

為獲得無纖維損傷、無空隙、高性能的致密復合材料，必須考慮增強纖維與鋁及鋁合金間的潤濕性好壞和反應性大小、增強纖維的分布狀態和高溫下的損傷老化程度及界面穩定性等。纖維增強鋁基復合材料的制造方法主要有熔融浸潤法、加壓鑄造法擴散粘接法和粉末冶金法等。1.1 熔融浸潤法

熔融浸潤法是用液態鋁及鋁合金浸潤纖維束，或將纖維束通過液態鋁及鋁合金熔池，使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬面得到復合絲，再經擠壓而制得復合材料。其缺點是當纖維很容易被浸潤時，熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷利用增強纖維表面涂層處理技術，可有效地改善纖維與金屬間的浸潤性和控制界面反應。目前熔融浸(Al—Mg)等纖維增強鋁基復合材料的制造。1.2 加壓鑄造法

加壓鑄造法是使熔融鋁及鋁合金強制壓入內置纖維預制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結束。加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所制得復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有孔隙和縮孔等常規鑄造缺陷。鑄造壓力和增強纖維含量對鋁基復合材料的性能有較大影響。加壓鑄造法成功地用于制造B／AI，SiC／A1，A1 Od(Al—Li)，A1 OJ(A1一Mg)等鋁基復合材料。1.3 擴散粘接法

擴散粘接法主要是指鋁箔與經表面處理后浸潤鋁液的纖維絲或復合絲或單層板按規定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經高溫加壓擴散粘接成型以得到鋁基復合材料的制造方法。此外，擴散粘接法還包括常壓燒結法、熱壓法、高溫擠拉法。目前采用擴散粘接法制造的纖維增強鋁基復合材料有C／A1，B／A1，SiC／A1等。

1.4 粉末冶金法

粉末冶金法是傳統的粉末冶金工藝在新的工程材料制備上的發展。隨著制粉工藝的發展和分散工藝方法的完善，人們已經利用粉末冶金法成功制備了大量性能優異的鋁基復合材料。它們不僅具有高比強、高比模、低膨脹、高抗磨的特點，而且可以隨意調整工藝路線。這種方法制備的鋁基復合材料中增強相分布均勻，界面反應易于控制，在性能和穩定性上大大優于其它工藝方法制備的材料。

2、顆粒增強鋁基復合材料的制備方法： 2.1 液態金屬浸滲 1)擠壓鑄造

’ 擠壓鑄造是目前制造金屬基復合材料較成熟的一種方法。首次在工業上應用的鋁基復合材料制件即13 本豐田公司制造的鋁基A 1，O，晶須增強汽車活塞就是用擠壓鑄造方法獲得的。擠壓鑄造是在液體壓力作用下將液態金屬滲入增強相預制塊中。在制造過程中，為了防止熔體過早冷卻，需要對壓模和預制塊進行預熱處理，預熱溫度一般低于基體合金的液相線溫度。2)氣壓鑄造

用氣體壓力取代擠壓鑄造的液體壓力。就形成了氣壓浸滲制造復合材料工藝。氣壓浸滲工藝一般都施加真空作用，所需要的浸滲壓力較低，大都在十幾M P a 以下。目前，已經出現了多種氣壓浸滲工藝技術。3)無壓浸滲

無壓浸滲工藝是1 9 8 9 年L a n x i d e 公司：提出的專利技術，也稱為L a n x i d e 5 2 藝。在該工藝中，基體合金放在可控制氣氛的加熱爐中加熱到基體合金液相線以上溫度，在不加壓力的情況下合金熔體自發浸滲到 顆粒層或預制塊中。利用該方法可制造出近終形態的復合材料制品。因為沒有壓力作用，浸滲模具材料選擇很容易，如可選用；透氣性好的耐火材料和燒結陶瓷材料。影響該工藝的主要因素為： 浸滲溫度、顆粒大小和環境氣體種類。無壓浸滲工藝本質是實現自潤濕作用。目前該工藝只能在一定條件下才能實現，合金含鎂和氮氣環境是兩個前提條件，因此無壓浸滲工藝具有局限性。2.2 彌散混合工藝

彌散混合工藝是用機械力作用使顆粒和熔體混合，然后澆注成鑄錠或復合材料制件。該工藝研究開始于6 0 年代。由于大多數類型的顆粒和鋁合金熔體之間具有不潤濕特點，因此為了使得顆粒和熔體之間完全結合，必須施加外力作用以克服熱力學表面障礙和黏滯阻力。該工藝主要包括： 攪拌鑄造、流變鑄造、螺旋擠壓、噴射分散、團塊分散等方法。2.3 原位復合工藝

原位復合工藝是由加入到基體金屬熔體中的粉末或其它材料與基體反應生成一定的增強相而制得復合材料的一種工藝。主要包括自蔓延合成工藝、X D 52 藝和氣液反應工藝。這些工藝的主要優點為： 陶瓷顆粒表面無污染，與基體界面相容性好，顆粒細小，因而材料增強效果好，是研究和開發復合材料很有效的方法” M a r i e t t a 公司開發的專利復合材料制造X D T M 技術。該技術是向有溶解能力的金屬(如A 1)中加入某幾種物質使其發生化合反應放熱生成需要的增強體。以T i B，顆粒在A l 基體中的形成為例，T i、B 和A l 以元素粉末的形成或以A l — T i、A l — B 合金的形式混合并加熱至足夠高的溫度形成熔融的A l 介質，T i 或B 在其中擴散析出T i B。典型的做法是先制備含高體積分數(5 0 v 0 1％ 以上)的母合金，再加入到金屬基體中制得含所需體積分數的復合材料。該技術可產生的陶瓷顆粒包括硼化物、碳化 物、氮化物和硅化物等。2.4 粉末冶金

粉末冶金是制備高熔點難成型金屬材料的傳統工藝。它是將快速凝固金屬粉末和增強陶瓷顆粒等經篩分、混合、冷壓固結、除氣、熱壓燒結，以及壓力加工制得復合材料的一種工藝。研究結果表明，用粉末冶金工藝生產的顆粒增強金屬基復合材料的綜合強度水平比用熔融金屬工藝生產的同種材料高，伸長率也較高，材料微觀組織結構有所改善。但是這種工藝及設備復雜，金屬粉末與陶瓷顆粒混合時會因顆粒分布不均，除氣不完全而導致材料內部出現氣孔，溫度選擇不當易造成汗析。另外，制得的復合材料坯件一般還需要二次成型。這種設備不適用于生產較大型件，所以對鋁基復合材料的工業規模生產有所限制。2.5 噴射沉積工藝

噴射沉積工藝是由英國S i n g e r 教授首創并干1 9 7 0 年正式公布。這一工藝早期應用于一些金屬半成品的生產和制備，后來加利福尼亞大學L a v e r n i a E J 等人開始利用這一技術制備顆粒增強金屬基復合材料。

哈爾濱工業大學武高輝等人對石墨纖維增強鋁基復合材料在空間遙感器鏡筒結構中的應用進行了研究。為了設計和制造出性能更加優越的空間遙感器，對一種新型航天材料石墨纖維增強鋁基復合材料進行了研究。突破了石墨纖維與鋁合金的界面反應控制、纖維鋪層和纏繞設計等關鍵技術，成功制備了石墨纖維增強鋁基復合材料，材料的密度為2．12×10 kg／m。，彈性模量為129 GPa，線膨脹系數為5．0×10 K。針對這種復合材料，摸索出一套完整的加工和后處理工藝，并首次把這種復合材料應用在空間紅外遙感器鏡簡結構設計中，設計的鏡筒較之鈦合金鏡筒減重31．8。最后，完成了鏡筒組件的加工裝配、透鏡的裝校和隨機振動試驗。實驗結果表明，鏡筒組件的一階諧振頻率為284 Hz，高于100 Hz的設計要求，振動試驗后光機系統沒有發生變化。上述工作表明，石墨纖維增強鋁基復合材料在航天遙感領域具有較高的應用價值。

2．1 材料的特點分析

對于小型空間紅外遙感器來說，結構部分不僅要滿足高剛度、高強度和尺寸穩定性的要求，而且應該盡量減輕質量。本文研究的空間紅外遙感器鏡筒材料采用了石墨纖維增強鋁基復合材料（以下簡稱鋁基復合材料)，這種材料屬于長纖維增強(連續強化)金屬基復合材料，由哈爾濱工業大學金屬基復合材料研究所自 主研制。

與金屬材料相比，鋁基復合材料具有如下優點：耐高溫、高比強、高比模、熱膨脹系數小、尺寸穩定性好、對缺口不敏感且抗磨損。與聚合物基復合材料相比鋁基復合材料具有如下優點：耐高低溫、防燃、尺寸穩定、抗氧化、抗輻照、抗電磁脈沖、無氣化和導熱、導電、剪切強度高、熱膨脹系數低、可直接加工螺紋和圓孔。

表1比較了常用航天材料的主要性能參數，從中可以看出，鋁基復合材料(Gr／A1)的密度比鋁小，但是彈性模量比鈦大。鋁基復合材料的比剛度很大，僅次于鈹，但它的生產過程不會像鈹一樣產生劇毒和污染。它的線膨脹系數為5．0×10 K，在±5O。C多次循環下，結構尺寸穩定，可以很好地滿足光學系統對溫度和結構尺寸穩定性的要求。

比剛度和比強度高、線膨脹系數小、尺寸穩定性好是鋁基復合材料的突出特點，這些特點決定了它是一種制造空問相機鏡筒的理想材料。

2．3 材料的加工和處理工藝

鋁基復合材料是一種設計性很強的材料，可以按照設計者的要求進行石墨纖維的鋪層、纏繞、毛坯件的精密成型，這樣既可以提高材料性能，又可以節約昂貴的石墨纖維，降低成本。設計人員也可以根據材料纖維鋪層和纏繞的特性，在結構上設計合理的過渡與連接，充分利用材料特點，使零部件獲得更好的力學性能和尺寸穩定性。這種材料還可以直接加工圓孔和螺紋，不需要安裝預埋件，較之樹脂基復合材料使用起來更加方便。

圖2列舉了一種典型石墨纖維增強鋁基復合材料零件的加工工藝流程。需要特別注意的是在鋁基復合材料的切削加工過程中，一般應使用金剛石刀具，而且不能使用冷卻液。由于石墨纖維的存在，普通刀具很容易磨損，切削力的穩定性很差，易引起機床的振動，切削速度也不宜過高。圖3展示的是鋁基復合材料的毛坯料，圖4展示的是精加工后的鋁基復合材料，從圖中可以看出鋁基復合材料的表面 加工質量完全可以達到鈦合金的水平。這種鋁基復合材料發黑過程實際就是在材料表面鍍覆雙層金屬(Ni P合金和Zn)，再進行黑色鈍化處理，這樣就可以獲得耐蝕性能及光學性質良好的膜層，膜層總厚度約為30／xm。最后通過超聲無損檢 測來檢驗零件內部是否存在缺陷。

．4 應用實例

應用鋁基復合材料進行了空間紅外遙感器鏡筒結構的設計。已經公開的相關文獻表明，本文所研究的鋁基復合材料是首次應用于空間光學鏡筒結構設計。鏡筒是保證紅外遙感器成像質量的重要部件。鏡筒的結構形式、鏡筒材料的選擇、鏡筒的結構設計不僅要滿足光學系統的要求，而且要滿足力學性能和真空高低溫環境的要求，同時盡可能降低質量。特別是對光學透鏡組件來說，其加工與裝配都有嚴格的公差要求，也只有保證各個鏡片及其相對位置在空間使用過程中仍然保持地面上的裝校精度，才能獲得高清晰度和滿意的遙感圖像。鏡筒主要零件使用了上述體積百分比為50 的M40／A1復合材料。材料的具體參數為：密度2．12 x 10。kg／m。，彈性模量l29 GPa，線膨脹系數5．0×10 K_。，經過±5O℃多次循環下，結構尺寸穩定。經過加工后，零件安裝透鏡的端面位置平行度公差可以達到10 m，表面粗糙度達到1．6，說明了這種復合材料的加工精度可以達到金屬材料的精度。零件表面發黑后測量紅外發射率為0．856(5O℃)。由于衛星所提供的安裝空間有限，本文采用了轉折光路設計，如圖5所示。鏡筒組件結構如圖6所示。設計要點如下：

(1)鏡筒由遮光罩、窗口鏡筒、大鏡筒、中鏡 簡、轉折鏡筒、反射鏡壓板幾部分組成；

(2)遮光罩由鋁蜂窩內膽和碳纖維復合材料外殼組成，具有去除雜散光的功能。窗口鏡筒、大鏡筒、中鏡筒使用鋁基復合材料制造。轉折鏡筒由于形狀不規則，采用鈦合金精密鑄造而成；

(3)鋁基復合材料鏡筒的設計過程中特別注意了結構過渡處理，考慮具體的結構尺寸，設計相應的圓角和連接方式，可以更好地適應纖維鋪層、纏繞的要求。其加工工藝符合圖2中的工藝流程；

(4)考慮到鏡筒的直徑比較小，主鏡筒采用分體結構，便于透鏡的安裝和調試，透鏡各個安裝端面要求有高的形位公差，以保證各個透鏡的相互平行；

(5)通過紅外定心儀來調整各片透鏡的同軸度。透鏡邊緣注入XM-23膠，可以固定透鏡，同時保證了透鏡和鏡筒之間的柔性連接，有一定的減振效果；

(6)平面反射鏡通過反射鏡壓板與轉折鏡筒連接，反射鏡壓板在結構上能實現反射鏡角度調整；

(7)鏡筒組件通過螺釘緊固，本身自成一體，這樣可以減輕外部干擾對鏡筒組件的影響。外部通過兩個鋁合金支撐座安裝固定，如圖7所示。

陜西理工學院徐峰等人A12 03顆粒增強鋁基復合材料儲能焊接頭微觀組織及性能。對0．3 mm厚Al：O，顆粒增強鋁基復合材料薄板進行了儲能點焊連接研究試驗。發現其微型點焊接頭由熔核區、熱影響區和熔核向熱影響區過渡的熔合區(線)組成。由于儲能焊極短的焊接時間，大的冷卻速率達到106 K／s，使得熔核組織顯著細化，具有快速凝固特征。熔核中增強相A1 O 顆粒發生偏聚現象，在熔核邊緣區域出現了氣孔缺陷。當焊接電容C=6 600、電壓U=80 V、電極壓力F=18 N時，獲得較高力學性能的焊接接頭。

試驗選用A1 O。／2024A1復合材料作為母材，由粉末冶金法制備而成。A1：O，顆粒平均直徑15 m、體積分數10％，基體金屬為2024A1。焊接試樣的尺寸為10 mm×5 ITlm X0．3 mm的薄板材，系線切割加工而成。

1．2 儲能焊焊接

試樣經金剛砂紙打磨、丙酮清洗和烘干，裝配如圖I所示的搭接接頭。在微型電容儲能焊機上進行點焊連接。焊接主要參數為：電容6 600 ixF、電壓70～110 V、電極力15—20 N。焊接熱輸入(E)、焊接電壓(U)和電容(C)之問的函數關系為E=C ／2。因此，焊接熱輸人為】6．17—39．9 J

2．1 接頭整體相貌

顆粒增強鋁基復合材料儲能點焊接頭整體形貌如圖2所示。接頭由3個區域組成：形狀較規則的扁平熔核區、熔核周圍的熱影響區及熔核向母材過渡的熔合區(線)。熔核直徑約為780 Ixm，最大厚度約320 txm，約占總厚度的1／2，焊點熔核直徑符合要求，熔核邊緣鄰近接合面的區域出現了氣孔，對應著圖中的黑色區域。熔合區較窄，勾勒出熔核和母材之間的分界線，其組織細小未發現缺陷；熱影響區組織未發生明顯的粗化，與母材原始組織保持良好的一致性。可見，儲能焊可實現A1：0，顆粒增強鋁基復合材料薄板的點焊連接，能獲得高質量的焊接接頭。

圖1 搭接接頭示意圖

2．2 熔核組織

圖3為A1 0 顆粒增強鋁基復合材料儲能點焊接頭熔核組織。從圖中可以看出，母材經過儲能焊接過程后，熔核組織相對于基體組織發生明顯細化，是由于焊接接頭的形成過程是在電極力的作用下快速凝固，抑制了組織的長大從而細化了熔核組織；另一方面，熔核金屬的熔化及其凝固過程是在電容瞬間放電所產生的強磁場氛圍中完成的，強力的磁場攪拌作用也是接頭組織細化的原因。熔核中的A1：0 顆粒增強相在熔合區(線)周圍發生了偏聚，原因是由于增強相A1：0，顆粒與鋁合金基體的導熱率和熔點相差很大，導致熔池粘度增大，熔池金屬的流動性降低，液相與固相互相并存使得增強相分布不均；在凝固過程中A1 0，顆粒增強相不能成為結晶核心，凝固界面前沿對增強相的推移造成了增強相的偏析；另外，由于較小的電極力使得未能擠出熔核的A1：0，顆粒聚集在熔合區的邊緣。

圖2 儲能焊熔核整體形貌 圖3 熔核組織

2．3 熔核的快速凝固

電容儲能點焊利用電容瞬時放電產生的電流經電極加載在被焊板材上，形成放電回路。板材接觸電阻瞬時產生的熱量使接觸界面板材局部熔化，在電極力的作用下形成熔核。電容放電結束后，由于cu電極和周圍基體的快速吸熱，熔核處于較大的過冷狀態，熔核的冷卻速率很大(達到106 K／s)，高的冷卻速率使熔核的形核率顯著增大，熔核組織均勻細小。由于焊接接頭尺寸很小，焊接過程中形成的微小熔核中具有較小的溫度梯度，凝固速度快，同時也避免了基體組織的迅速長大而形成粗大的柱狀晶，接頭組織因動態再結晶形成較為均勻細小的柱狀晶，晶粒非常細小與母材組織相比晶粒度明顯提高，形成了具有快速凝固特征的微觀組織焊接接頭，提高了焊接質量。

2．4 焊接接頭力學性能

2．4．1 接頭的顯微硬度

A1 0。顆粒增強鋁基復合材料儲能點焊接頭顯微硬度分布測試結果如圖4所示。焊核區中心組織與母材相近，但由于部分A1：0 顆粒的偏析增加該區域的硬度；熱影響區處于很短暫的過熱狀態，與母材相比組織粗大變化不明顯，所以熱影響硬度略有提高，但硬度變化不大；熔合區(線)由于又處于固液兩相之間。成分和組織不均勻，大的冷卻速率，使得熔合區出現較明顯的加工硬化現象，同時大量增強相A1 0，顆粒的偏析增大了接頭硬度，顯微硬度達到113．5 HV，焊接熱過程不會造成硬度的顯著提高。2．4．2 接頭的剪切強度

點焊接頭的剪切強度主要取決于電極力、焊接電壓和焊接能量等工藝參數。在電極壓力作用下熔核周圍金屬會發生塑性變形和強烈的再結晶而形成先于熔核生長的塑性環，對消除焊點缺陷、改善金屬組織和提高力學性能具有較大作用。而電壓對焊接能量有直接的影響，焊接能量過小被焊材料不能被加熱到熱塑性狀態；而焊接能量過大很容易產生飛濺和擊穿，都很難得到力學性能好的接頭。通過實驗發現當焊接電壓一定時，隨著電極力的增加，接頭剪切強度也隨之增加。當電極力達到l8 N時，剪切強度達到最大值132．5 MPa，進一步增強電極力接頭強度開始逐漸降低，如圖5所示。通過綜合分析顯微硬度和剪切強度與焊接參數之間的相關性，發現對于0．3 mm厚的A1：0，顆粒增強鋁基復合材料薄板儲能焊，焊接參數：電容C=6 600 IxF、電壓U=150—170 V和焊接電極力F=17—19 N時，可獲得綜合性能優良的焊接接頭。

圖4 接頭顯微硬度 圖5 接頭剪切強度

2．5 斷口形貌分析

圖6是Al O，顆粒增強鋁基復合材料儲能焊接頭斷口形貌。斷口主要為韌性斷裂韌窩、準解理面、Al：O，顆粒以及拉拔掉A1：0，顆粒的殘留凹坑，增強相AI 0，顆粒與基體結合緊密，故可以保證焊接接頭強度。經x衍射射線分析，其組織由OL(A1)+A1 0，+少量的其它相(CuA1：和CuA1 Mg)組成。

接頭斷口形貌 結論

(1)采用儲能焊方法可實現0．3 mm厚的A1 0，顆粒增強鋁基復合材料薄板的點焊連接，微型接頭由熔核、熱影響區及熔合區組成。熔核厚度約占接頭厚度 的1／2，熔核向基體金屬過渡良好。

(2)由于儲能焊瞬間放電的特點，接頭冷卻速率大使得接頭組織具有快速凝固的特征。

(3)斷口主要為韌性斷裂韌窩，增強相A1：O，顆粒與基體結合緊密，其相組織由O／(A1)+AI：O，少量的其它相(CuA1 和CuA1：Mg)組成。(4)對于0．3 mm厚的A1：O，顆粒增強鋁基復合材料薄板的儲能焊，當電容C=6 600 IxF、電壓 U=150—170 V和焊接電極力F=17—19 N時，剪切強度可達到132．5 MPa，獲得綜合性能優良的焊接接頭。

第三篇：先進加工技術

工程訓練報告

先進加工技術----3D打印

學院：機械與汽車工程學院

班級：機械13--4 姓名：姜暉

學號：201301011215

先進加工技術--------3D打印

眾所周知，傳統的打印技術及其所配套的打印設備只能進行簡單或者稍微復雜的二維平面打印。然而，隨著時代的發展，特別是對于加工效率，加工精度的要求日益增長的情況下，傳統的二維打印越來越力不從心，在一次次高科技革命的推動下，3D打印應運而生。

3D打印，也稱為3D立體打印技術，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印技術最早出現于20世紀90年代，是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。原理方面與傳統的二維打印機相同，打印盒內裝有粉末等打印材料與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物的一種快速成型技術。

相對于傳統打印機，3D打印機所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，傳統打印機所用的材料是墨粉和各種紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，當打印機與電腦連接后，在電腦進行控制下，按照設計人員設定的三維立體模型，將原材料一層一層疊加起來，將計算機的立體模型變為一個實實在在的立體產品。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

介紹了3D打印技術，就不得不介紹3D打印的工作過程.3D打印最重要的一個過程就是設計過程，3D打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

其次便是相切面包一樣，對模型進行切片處理：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。

傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發小組制造模型的需要。

完成以上步驟后，便只剩下完成打印了：三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

現行的3D打印有多種成型方法，每項各有利弊：

電子束是3D金屬打印成型最快方法電子束快速成型技術目前還有一些技術難點尚待進一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構件中金相結構控制較為困難，特別是成型時間長，先凝固的部分經受的高溫時間長，對金屬晶態成長控制困難，進而引起大尺度構件應力復雜等等。

電子束成型對復雜腔體，扭轉體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點陣精度在毫米級，所以成型以后仍然需要傳統的精密機械加工，也需要傳統的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達15KG／小時，設備工業化成熟度高，基本可由貨架產品組合，生產線構建成本低，具有很強的工業普及基礎，同時，電子束快速成型設備同時還能具有一定的焊接能力和金屬構件表面修復能力，應用前景廣泛。在發動機領域，目前美國和中國在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統的單晶渦輪葉片生產困難和生產成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發動機的性能，并對發動機研制改進等提供了極大的助力。

由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質引起高度重視，激光成形技術幾乎是和電子束成形技術同步起步發展，但是，由于穩定的10KW以上級的大功率激光器到2008年才開始逐步工業化，所以激光成形技術在最近才出現噴涌的盛況。

激光數字成型技術主要有兩個類別，一是激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD），這個類別的技術和電子束快速成型類似，也是利用控制掃描區域形成控制的熔融區，用金屬絲或金屬粉同步掃描點添加，金屬熔融沉積，這項技術算電子束快速成型的高精度的進化成果，激光的掃描點陣精度可以比電子束高一個數量級，可以得到更高精度的零件，從而進一步減少材料的耗量和機械加工的需求，同時它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優勢。

這類區域熔融的技術需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區的大小和功率直接相關，越大形的構件加工能力要求越高，由于電子束對金屬的熱效應深度比較大，而激光熱效應深度較小，激光成形時胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區和更細密均勻的沉積構造，凝固過程中的金相結構更容易控制，熱應力復雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美DRAPA，洛克希德先進制造技術中心，和飛利浦、賓州大學等于2013年演示的先進制造

DM概念，就是基于這類技術基礎。

激光3D打印幾乎可直接加工出工業零件

目前主流的激光打印機是利用硒鼓靜電吸附墨粉，激光掃描熔融墨粉形成圖像的，這種打印方式精度可達300PPI，利用激光打印和粉末冶金技術結合，新一代的最有希望的最精密成型的技術是以直接金屬激光燒結（Direct metal laser sintering，DMLS）和選區激光（selective laser sintering，SLS）為代表的激光精密數字成形。這兩者都是在基底鋪設金屬粉末，由激光掃瞄燒結，所不同的是，直接燒結是邊鋪粉邊燒，而選區燒結是先鋪整層粉末，然后激光掃描燒結，這種燒結每次沉積厚度約20－100微米，通過反復多次的沉積最終獲得三維立體的零件。

激光精密成形的優點是精度高，成形點陣可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能夠處理空腔，薄壁等復雜空間扭轉體，和相互交叉穿透的復雜空腔和管路，幾乎可以加工出直接應用的工業零件。

激光3D打印零件強度略小于鍛造機加件

高精度激光燒結對激光的功率要求中等，燒結點溫度雖然高，但是點陣小，每點陣金屬熔融凝固量很少，全過程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區，較少形成復雜的熱應力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細密，大多為細小的晶格態，類似于經過鍛造的金屬構件，獲得金屬零件強度略小于鍛造機加件。

美國德州大學奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專利，由DTM公司提供商用設備，美國麻省理工1988年提出DMLS的概念和專利，但目前商用化設備主要的供應商都來源于歐洲，德國EOS略占優勢，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很強的競爭力。中國于1998年以后開始開展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國內在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術應用化的專利，在航空領域因材料強度方面的問題，早期的應用主要在快速建立冶金應用模具方面。

作為一種主流的高新技術，3D打印有著非常廣闊的應用領域：軍工，航天，醫學，甚至于建筑行業，均存在著3D打印技術的影子.3D打印技術目前在全球也是前沿技術和前沿應用，最尖端的航空工業對這種技術最為關注也最嚴謹，美國90年代中期就獲得這類技術的工業嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術，F－22,F－35都有應用，不過因為一些加工工藝等原因，美國也沒有能大規模應用，但美國將這一技術一直作為先進制造技術而由美國國防高級研究計劃局（DRAPA）牽頭，組織美國30多家企業對這一技術長期研究。

美國如此重視，我國自然也不甘落后。最近幾年，中國航空工業捷報頻傳，先進戰斗機殲-20，殲-31，艦載機殲-15，運輸機運-20一大批高新機不斷誕生，接踵而出，最為引人關注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個科研主體帶動，沈飛、成飛、西飛等數家航空制造企業為主體，成為全球第二個能夠在實際應用中利用3D打印技術制造飛機零件的國家。

與其他的高新技術一樣，3D打印技術也有著自身的缺點和不足之處。

3D打印零件強度還難以作為飛機受力構件

3D打印概念的出現是一種制造工業領域革命性的新技術，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優點和缺陷，在航空領域，選擇燒結SLS技術看起來潛力最大，應用前景最廣泛，它的材料適應范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術中因熔融——凝固過程過快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線狀晶格排列，這些都會嚴重影響了成形件的強度。

目前激光選區成形的構件大多都只能達到同牌號金屬鑄造的強度水平，雖然這已經能讓構件進入正常的應用領域，但顯然要承擔象飛機這樣的主要結構受力構件還是有很大限制的。

3D金屬打印零件表面還需進一步機械加工直接金屬激光燒結DMLS技術因為直接用激光熔融金屬絲沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產生粉末冶金那樣的成形時的空穴，這個技術生產的構件致密度可達99％以上，接近鍛造的材料胚體，目前國際國內都主要利用這種技術制造高受力構件，它能達到同牌號金屬最 高強度的90～95％左右的水平，接近一般鍛造構件。

目前的金屬3D打印構件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經過表面的機械加工，去除表面多余的，不連續的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復雜的空間結構和一些復雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機械加工很有可能無法進行，其零件的重量效率，管路流動效率等方面不一定能夠滿足實際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統機械加工的能力。

3D打印對飛機大型構件制造還存在問題

直接成形的金屬零件在生產過程中因為反復經受局部接近熔點溫度受熱，內部熱應力狀態復雜，在成形某些大型細長體，薄壁體金屬構件時，應力處理和控制還不能滿足要求，實際上到目前為止一直影響3D打印在航空業的應用也正是因為這個原因。

美國從1992年開始就不斷利用這類技術希望能夠直接生產飛機用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因為應力復雜，大型構件成形過程中或成形后會產生嚴重變形，嚴重到無法使用。所以3D打印技術盡管很早就出現了，但國外航空工業界還持有相當的保守態度也是有原因的。激光3D打印工業化面臨精細度難題目前激光成形技術面臨工業化的兩個方向相互間有矛盾，一是打印精細度，目前的打印精細度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技術加工生成的零件表面精度則在0.8～5毫米之間，目前市場銷售的2D激光打印機點陣精度在1200DPI左右即0.02毫米，這個精度可以獲得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒徑粗細和激光熔融金屬液態滴狀表面張力影響，要把精度提高到0.1毫米以下還有很大困難，不過鋪粉預處理、激光超快速融化——凝固等技術的出現會為提高激光成形的精度有很大幫助。

激光3D打印工業化面臨打印速度難題另一個發展方向則是提高打印速度，目前激光打印的速度還是較慢的，每小時印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小時左右，要實現工業化生產，特別是大規模化生產，這個速度是不夠的，現在的激光成形基本還是單光頭單層鋪粉作業，未來為了提高打印速度和應對超大型構件打印，已經有多光頭多層鋪粉同步打印的設計出現。

激光成形目前尚屬于單一技術應用，但是在工業界，激光沖擊強化在冶金方面應用已經有10幾年的歷史了，激光打印成形實際上很有希望能夠直接集成激光沖擊強化，激光淬火等技術，它能讓激光成形的構件更加致密，且具有高級別的強度，實際上激光3D打印機都能簡單的通過軟件控制來實現激光沖擊強化的功能。

現在3D打印技術還只是露出第一縷曙光

新的制造方法需要新的一系列處理工藝配合，3D打印目前只能算一絲曙光，真正達到大規模應用產生效益，還需要很長的時間發展和積累。

3D打印技術的出現是信息革命在攻克傳統工業的最后堡壘的終結的沖鋒號，因而引發了一系列的科學技術領域研究的新課題，激光粉末冶金，微沉積金相學，微觀淬火、鍛造，激光沖擊強化等一系列機械制造，冶金等領域的課題將會讓已經暮氣沉沉的傳統冶金科學，和制造科學領域重新充滿發展的動力，在未來的數十年間，誰在這些技術領域獲得應用化的實際成果，可能會影響和顛覆現有的制造工業的基本面貌,未來可謂潛力無限。

第四篇：材料先進加工技術

1.快速凝固

快速凝固技術的發展，把液態成型加工推進到遠離平衡的狀態，極大地推動了非晶、細晶、微晶等非平衡新材料的發展。傳統的快速凝固追求高的冷卻速度而限于低維材料的制備，非晶絲材、箔材的制備。近年來快速凝固技術主要在兩個方面得到發展：①利用噴射成型、超高壓、深過冷，結合適當的成分設計，發展體材料直接成型的快速凝固技術；②在近快速凝固條件下，制備具有特殊取向和組織結構的新材料。目前快速凝固技術被廣泛地用于非晶或超細組織的線材、帶材和體材料的制備與成型。2.半固態成型

半固態成型是利用凝固組織控制的技術.20世紀70年代初期，美國麻省理工學院的Flemings教授等首先提出了半固態加工技術，打破了傳統的枝晶凝固式，開辟了強制均勻凝固的先河。半固態成型包括半固態流變成型和半固態觸變成形兩類：前者是將制備的半固態漿料直接成型，如壓鑄成型（稱為半固態流變壓鑄）；后者是對制備好的半固態坯料進行重新加熱，使其達到半熔融狀態，然后進行成型，如擠壓成型（稱為半固態觸變擠壓）3.無模成型

為了解決復雜形狀或深殼件產品沖壓、拉深成型設備規模大、模具成本高、生產工藝復雜、靈活度低等缺點，滿足社會發展對產品多樣性（多品種、小規模）的需求，20世紀80年代以來，柔性加工技術的開發受到工業發達國家的重視。典型的無模成型技術有增量成型、無摸拉拔、無模多點成型、激光沖擊成型等。4.超塑性成型技術

超塑性成型加工技術具有成型壓力低、產品尺寸與形狀精度高等特點，近年來發展方向主要包括兩個方面：一是大型結構件、復雜結構件、精密薄壁件的超塑性成型，如鋁合金汽車覆蓋件、大型球罐結構、飛機艙門，與盥洗盆等；二是難加工材料的精確成形加工，如鈦合金、鎂合金、高溫合金結構件的成形加工等。5.金屬粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一種典型的近終形、短流程制備加工技術，可以實現材料設計、制備預成型一體化；可自由組裝材料結構從而精確調控材料性能；既可用于制備陶瓷、金屬材料，也可制備各種復合材料。它是近20年來材料先進制備與成型加工技術的熱點與主要發展方向之一。自1990年以來，世界粉末冶金年銷售量增加了近2倍。2003年北美鐵基粉末。相關的模具、工藝設備和最終零件產品的銷售額已達到91億美元，其中粉末冶金零件的銷售為64億美元。美國企業生產的粉末冶金產品占全球市場的一半以上。可以預見，在較長一段時間內，粉末冶金工業仍將保持較高的增長速率。粉末材料成型加工技術的研究重點包括粉末注射成型膠態成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強化燒結等。6.陶瓷膠態成型

20世紀80年代中期，為了避免在注射成型工藝中使用大量的有機體所造成的脫脂排膠困難以及引發環境問題，傳統的注漿成型因其幾乎不需要添加有機物、工藝成本低、易于操作制等特點而再度受到重視，但由于其胚體密度低、強度差等原因，他并不適合制備高性能的陶瓷材料。進入90年代之后，圍繞著提高陶瓷胚體均勻性和解決陶瓷材料可靠性的問題，開發了多種原位凝固成型工藝，凝膠注模成型工藝、溫度誘導絮凝成形、膠態振動注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現，受到嚴重重視。原位凝固成形工藝被認為是提高胚體的均勻性，進而提高陶瓷材料可靠性的唯一途徑，得到了迅速的發展，已逐步獲得實際應用。

7.激光快速成型

激光快速成形技術，是20實際90年代中期由現代材料技術、激光技術和快速原型制造術相結合的近終形快速制備新技術。采用該技術的成形件完全致密且具有細小均勻的內部組織，從而具有優越的力學性能和物理化學性能，同時零件的復雜程度基本不受限制，并且可以縮短加工周期，降低成本。目前發達國家已進入實際應用階段，主要應用于國防高科技領域。國內激光快速成形起步稍晚于發達國家，在應用基礎研究和相關設備建設方面已有較好的前期工作，具備了通過進一步研究形成自身特色的激光快速成形技術的條件。8.電磁場附加制備與成型技術

在材料的制備與成形加工過程中，通過施加附加外場（如溫度場、磁場、電場、力場等），可以顯著改善材料的組織，提高材料的性能，提高生產效率。典型的溫度場附加制備與形加工技術有熔體過熱處理、定向凝固技術等；典型的力場附加制備與成形技術有半固態加工等；典型的電磁場附加制備與成形加工技術有電磁鑄軋技術、電磁連鑄技術、磁場附加熱處理技術、電磁振動注射成形技術等。近年來，有關電磁場附加制備與成形加工技術的研究在國際上已形成一門新的材料科學分支——材料電磁處理，并且得到迅速發展。9.先進連接技術

①鋁合金激光焊接 ②鎂合金激光焊接

③機器人智能焊接 10.表面改質改性

在材料的使用過程中，材料的表面性質和功能非常重要，許多體材料的失效也往往是從表面開始的。通過涂覆（或沉積、外延生長）表面薄層材料或特殊能量手段改變原材料表面的結構（即對處理進行表面改性），賦予較廉價的體材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用價值和產品的附加值，是數十年來材料表面加工處理研究領域的主要努力方向。

材料加工技術的總體發展趨勢，可以概括為三個綜合，即過程綜合、技術綜合、學科綜合。由于上述材料加工技術的總體發展趨勢，可以預見，在今后較長一段時間內，材料制備、成型與加工技術的發展將具有以下兩個主要特征：（1）性能設計與工藝設計的一體化。（2）在材料設計、制備、成型與加工處理的全過程中對材料的組織性能和形狀尺寸進行精確控制。

實際上，第一個特征實現材料技術的第五次革命、進入新材料設計與制備加工工藝時代的標志。實現第二個特征則要求具備兩個基本條件：一是計算機模擬仿真技術的高度發展；二是材料數據庫的高度完備化。基于上述材料加工技術的總體發展趨勢和特征，金屬材料加工技術的主要發展方向包括以下幾個方面。1）常規材料加工工藝的短流程化和高效化。

打破傳統材料成形與加工模式，工藝環節，實現近終形、短流程的連續化生產提高生產效率。例如，半固態流變成形、連續鑄軋、連續鑄擠等是將凝固與成形兩個過程合二為一，實行精確控制，形成以節能、降耗、提高生產效率為主要特征的新技術和新工藝。

目前國外鋁合金和鎂合金半固態加工技術已經進入較大規模工業應用階段。鋁合金半固態成型方法主要有流變壓鑄

2）發展先進的成形加工技術，實現組織與性能的精確控制

例如，非平衡凝固技術、電磁鑄軋技術、電磁連鑄技術、等溫成形技術、低溫強加工技術、先進層狀復合材料成形、先進超塑性成形、激光焊接、電子束焊接、復合熱源焊接、擴散焊接、摩擦焊接等先進技術，實現組織與性能的精確控制，不僅可以提高傳統材料的使用性能，還有利于改善難加工材料的加工性能，開發高附加值材料。

3）材料設計（包括成分設計、性能設計與工藝設計）、制備與成形加工一體化

發展材料設計、制備與成型加工一體化技術，可以實現先進材料和零部件的高效，近終形，短流程成型。典型的技術有噴射技術、粉末注射成形、激光快速成型等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷材料、復合材料、梯度功能材料零部件制備成型加工的研究熱點。材料設計、制備與成形加工的一體化，是實現真正意義上的全過程的組織性能精確控制的前提和基礎。

4）開發新型制備與成形加工技術，發展新材料和新產品

塊體非晶合金制備和應用技術、連續定向凝固成形技術、電磁約束成型技術、雙結晶器連鑄與充芯連鑄復合技術、多坯料擠壓技術、微成形加工技術等，是近年來開發的新型制備與成形加工技術。這些技術在特種高性能材料或制品的制備與成形技術加工方面具有各自的特色，受到國內外的廣泛關注。

5）發展計算機數值模擬與過程仿真技術，構建完善的材料數據庫 隨著計算機技術的發展，計算材料科學已成為一門新興的交學科，是除實驗和理論外解決材料科學中實際問題的第3個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。因此，基于知識的材料成形工藝模擬仿真是材料科學與制造科學的前沿領域和研究熱點。根據美國科學研究院工程技術委員會的測算, 模擬仿真可提高產品質量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技術成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設備利用率30%～60%，縮短產品設計和試制周期30% ～60%等。目前，模擬仿真技術已能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而焊 接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進展。高性能、高保真、高效率、多學科及多尺度是模擬仿真技術的努力目標，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來研究的新熱點課題。通過計算機模擬，可深入研究材料的結構、組成及其各物理化學過程中宏觀、微觀變化機制，并由材料成分、結構及制備參數的最佳組合進行材料設計。計算材料科學的研究范圍包括從埃量級的量子力學計算到連續介質層次的有限元或有限差分模型分析，此范圍可分為4個層次：納米級、微觀、介觀及宏觀層次。在國外，多尺度模擬已在汽車及航天工業中得到應用。鑄件凝固過程的微觀組織模擬以晶粒尺度從凝固熱力學與結晶動力學兩方 面研究材料的組織和性能。20世紀90年代鑄造微觀模擬開始由試驗研究向實際應用發展，國內的研究雖處于起步階段，但在用相場法研究鋁合金枝晶生長、用Cellular Automaton 法研究鋁合金組織演變和汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預測等方面均已取得重要進展。鍛造過程的三維晶粒度預測也有進展。6）材料的智能化制備與成形加工技術

材料的智能化制備與成形加工技術是1986年由美國材料科學界提出的“第三代”材料成形加工技術，20世紀90年代以來受到日本等先進工業國家的重視它通過綜合利用計算機技術、人工智能技術、數據庫技術和先進控制技術等，以成分、性能、工藝一體化設計與工藝控制方法，實現材料組織性能與成形加工質量，同時達到縮短研制周期、降低生產成本、減少環境負荷的目的。

材料的智能化制備與成形加工技術的研究尚處于概念形成與探索階段，被認為是21世紀前期材料成形加工新技術中最富潛力的前沿研究方向之一。其他的材料先進制備與成形加工前沿技術

電磁軟接觸連鑄、鈦合金連鑄連軋技術、高性能金屬材料噴射成形技術、輕合金半固態加工技術、泡沫鋁材料制備、鋼質蜂窩夾芯板擴散-軋制復合、金屬超細絲材制備技術、超細陶瓷粉末燃燒合成、模具表面滲注鍍復合強化、金屬管件內壁等離子體強化技術、鈦合金激光熔覆技術、非納米晶復合涂層制備技術等。

第五篇：材料先進制備技術課程論文

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微膠囊相變儲能材料及其制備技術研究進展評述

摘要：相變材料是利用物質發生相變時需要吸收或放出大量熱量的性質來儲熱。微膠囊相變材料(Microencapsulated Phase Change Material，MCPCM)是應用微膠囊技術在固—液相變材料微粒表面包覆一層性能穩定的高分子膜而構成的具有核殼結構的新型復合材料。在固液相變材料表面包覆一層性能穩定的高分子膜而構成的具有核殼結構的復合材料。本文介紹了微膠囊相變材料及其結構組成、性能；綜述了微膠囊相變材料的制備工藝、研究進展和應用領域；分析了各種制備方法的優缺點，并指出了制備微膠囊相變材料中存在的問題及今后的發展方向。

關鍵詞：相變材料；微膠囊；復合材料；制備工藝 概述

1.1相變儲能材料簡介

1.1.1相變材料的含義

相變材料主要利用其在相變過程中吸收或放出的熱能，在物相變化過程中與外界環境進行能量交換(從外界環境吸收熱量或向外界環境放出熱量)，從而達到能量利用和控制環境溫度的目的。物質的存在狀態通常有三相:固相、液相和氣相。當物質從一種相態變化到另一種相態叫相變。相變的形式主要有四種：固一固相變；固一液相變；液一氣相變；固一氣相變。當一種物質能夠發生四種相變中的任意一種相變時，都可稱為相變材料。如果從發生相變的過程來看，這種相變材料在吸熱和放熱的過程中，能夠把熱能儲存起來，并對其周圍環境溫度調節控制[1]。1.1.2相變材料的特點

熱能儲存的方式一般有顯熱、潛熱和化學反應熱只種。相變材料是利用自身在發生相變過程中吸收或釋放一定的熱量來進行潛熱儲能的物質，該材料是通過材料自身的相態變

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透。MariaTelkes博士從1950年就著手對相變材料進行研究，他發現化學物質硼砂可以把十水硫酸鈉過冷度降低將近3℃，并預計測出了該材料的相變次數可以達到2000次。在工程建筑應用方面，美國科學實驗室已成功研制一種利用十水硫酸鈉共熔混合物做相變芯材的太陽能建筑板，并進行了試驗性應用，取得了較好的效果。美國的Dayton大學的J.K.Kssock等人將十八烷做為自己的實驗相變材料，采用了浸泡法制成相變墻板，然后建筑一廣一個相變墻實驗房和一個普通墻實驗房進行比較，試驗顯示出相變墻板房內的溫度相對來說比較平穩，如果將相變墻應用在實際建筑物中，可以適當的提高居住的舒適性、削減電力的高峰負荷。

目前在研究的發展趨勢中，相變材料的研究主要表現為：開發復合儲熱材料；研發復合相變材料的多種工藝技術；納米技術在復合相變材料領域的深入應用。

1.2相變材料的微膠囊化

如何將相變材料進行有效的包裝，一直是相變材料研究領域的研究熱點。較為先進的納米復合法是將納米材料的界面效應和較大的比表而積與相變材料的優點結合在一起，可制得高傳熱效率的復合相變材料。目前，微膠囊可以較好解決相變材料在流出和外滲方面的問題。目前，在微膠囊相變材料的制備過程中，很多人選用了三聚氰胺甲醛樹脂(MF)、脲醛樹脂(UF)作為壁材，所制備的微膠囊在某些性能方有較好的表現：強度較高、耐熱性能好。

1.2.1微膠囊技術

把固體或液體用某種膜材料包覆起來，然后形成微小粒子的技術，稱之為微膠囊封裝技術。球形微粒芯材在升溫時，由固態時轉變為液態，但外層包封的高分子薄膜層仍保持其固態，因此材料的外貌形態仍為固態顆粒。微膠囊包覆芯材，外層的殼物質稱壁材；被外層殼材包覆的囊心物質稱芯材。芯材可以是由單一物質組成，也可以是由混合物質組成；它的形態可以是固體、溶液、水分散液或油劑，也可以是一些特定的氣體。微膠囊的粒徑大小在l~1000微米范圍內，它的微觀形貌通常需要借助電子顯微鏡才能觀察到。相變微膠囊技術是一種新工藝，它在化下、民藥、農業等領域己經有了較大的發展，并且在科研領域中得到了越來越多科研人員的重視。微膠囊技術的應用前豪非常廣闊，主要表現為以下

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潛熱型功能熱流體的基礎研究工作，包括其制備、性能及傳熱機理目前受到關注。周建偉、黃建新等[2]在相變微膠囊的制備以及潛熱型功能流體流動與傳熱的實驗研究和理論模型等進行了探索，為潛熱型功能流體的應用提供了材料的制備方法、基礎實驗數據和理論指導。

1.3.2紡織服裝領域

自20世紀80年代，美國國家航空航天局(NASA)研究開發了微膠囊相變材料在熱調節防護服裝上的應用技術，微膠囊相變材料越來越廣泛地應用于服裝領域中，可以制成含有微納米膠囊相變材料的調溫纖維以調節服裝及周邊的溫度，減少皮膚溫度的變化，延長穿著的舒適感。鄢瑛[3]制備的以石蠟為芯材、脈醛樹脂為殼材的微膠囊相變材料，通過絲網印刷技術，結合熱固性聚氨醋網印粘合劑，將微膠囊涂布于棉布表面，以MCPCM在服裝領域中的適用性為出發點考察其性能，同時考察人工汗液對MCPCM性能的影響和經涂布的棉布的熱性能。將制得的聚脈型相變微膠囊和海藻酸鈉共混紡絲，制備出相變調溫海藻纖維，把海藻纖維制成透氣且隨外界溫度變化的調溫醫用敷料等，對傷口的愈合速度與效果都有很好的輔助作用。張興祥等[4]自1997年開始對相變材料微膠囊進行研究，將自行研制的MicroPCMS用于現有織物的涂層整理，得到在室溫上下具有熱能吸收和釋放功能的織物，使用融熔復合紡絲工藝將直徑為3μm左右的MicroPCMS添加到纖維內部，研制出含12%(質量分數)以上微膠囊的丙綸纖維，該纖維在人體感到舒適的溫度范圍內具有溫度調節功能。1.3.3建筑領域

將微膠囊相變材料混人磚瓦、墻板及天花板等建筑結構材料中，可以進行太陽能儲存，因此適合在溫差較大的地區使用[5]。同時通過電力“移峰填谷”，也可以有效的緩解用電緊張。通過對相變墻板的儲熱性能進行研究，發現用95%的十八烷和5%的十六烷作相變材料，通過把裝有PCM的聚乙烯小球加到石膏板中制備相變墻板，并對其傳熱性能進行了測試，在有該種相變墻板的實驗房和普通石膏板實驗房上作對比試驗，得出了相變墻板的使用使得熱負荷更平緩，輻射域更舒適，用電量下降，有削減尖峰負荷的可能的結論。美國研制成功一種利用十水硫酸鈉低共熔混合物作儲熱芯料的太陽能天花板磚塊，它不用普通的水泥而用聚脂粘接劑和甲基丙烯酸甲脂添加劑組成的高分子混凝土組成，并在麻省理工學院建筑系實驗樓進行了試驗性應用。同濟大學建筑材料研究所采用正十二醇吸附有機

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體的原料配比要求不嚴。但是生產條件比較苛刻，難以實現工業化，且制備的納米膠囊不可避免地夾雜有少量未反應的單體。界面聚合形成的壁膜一般可透性較高，不適于包覆要求嚴格密封的芯材。

2.2原位聚合法

原位聚合法制備微膠囊時，囊芯必須被分散成細粒，并在形成的分散體系中以分散相狀態存在。此時，發生原位聚合反應的單體與引發劑在分散體系中的位置可能有兩種情況，即在連續相介質中或在分散相囊芯中。雖然單體在體系中可溶，但生成的聚合物不可溶，故隨著聚合的進行，聚合物沉積到芯材上，形成核殼結構。在原位聚合法制備膠囊的過程中，由于單體只由一相提供，反應速率不是很大。原位聚合法是合成MCPCM的較好方法。采用這種方法制備的MCPCM在形貌、熱性能和膠囊致密性等方面都能達到使用要求，能合成得到1μm以下的相變膠囊。

北京航空航天大學饒宇及東華大學羅燕等人[7]采用原位聚合法工藝22烷微膠囊相變儲能材料，通過該方法可以制備出密封性以及機械強度均較好的微膠囊。在芯材液滴表面上，相對低分子量的預聚體通過縮聚反應，尺寸逐漸增大后，沉積在芯材液滴表面，由于交聯及聚合的不斷進行，最終形成固態的微膠囊壁。

石蠟是一種常用的相變材料，熔點為45~75.9℃，熔化熱為150~250kJ/kg，具有儲熱能力,強、相變溫度能通過分子量控制、相變行為穩定、價格低廉等優點。北京航空航天大學章文等人[8]以石蠟為囊芯，眼醛樹脂為囊殼，通過原位聚合法制得了微膠囊。研究了腮醛預聚體的生成和脈醛預聚體的固化2個階段的工藝條件對微膠囊形成的影響。顯微觀察微膠囊形貌完整。涂膜隔熱性能測試結果表明，該種微膠囊具有明顯吸熱性能，可作為隔熱添加劑使用。通過原位聚合法制備了石蠟相變微膠囊，可以有效地防止石蠟的泄漏，同時可以將石蠟的完全親油性轉變為具有一定的親水性，改善了石蠟的使用性能，為石蠟作為相變材料的使用提供了試驗基礎。

2.3復凝聚法

復凝聚法是以兩種或多種帶有相反電荷的線性無規聚合物作為壁材，然后將芯材分散與其水溶液中，在適當的pH值、溫度和稀濃度條件下，使帶相反電荷的高分子材料之間發生靜電作用而相互吸引，導致芯材的溶解度降低并分成兩組，即貧相和富相，其中富相

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Maria等人[10]短鏈脂肪酸為芯材，阿拉伯膠和麥芽糖糊精為囊壁，用噴霧干燥法制備了MCPCM，由于乳化不均勻導致產物粒徑分布較寬，在0.05~550微米之間，部分微膠囊表面有明顯的下陷。

2.6溶膠—凝膠法

溶膠一凝膠法主要用于制備以金屬氧化物或非金屬氧化物為囊壁的MCPCM。可采用溶膠一凝膠法制備MCPCM，在相變材料表面包覆金屬氧化物或非金屬氧化物的凝膠，從而提高了該類相變材料的機械強度和阻燃性。

2.7電鍍法

電鍍法主要用于制備以金屬薄膜作為囊壁的MCPCM。以粒徑為0.5~4.0 mm的金屬鉛粒為相變材料，用電鍍法在其表面鍍上厚度約為10~100μm的鎳膜，具體是將鉛粒置于旋轉的電解槽中進行電鍍，根據法拉第定律，囊壁即鍍層的厚度可以通過電鍍的時間來控制。

2.8新型制備方法

由于普遍采川有機高分子為膠囊壁材，其導熱率低，且與其它建筑材料相容性較差，給實際應用造成了一定困難。武漢理工大學馬保國，金磊等人[11]介紹了一種新型有機一無機相變儲能微膠囊的制備方法，即采用無機層狀硅酸鹽材料和堿性硅酸鹽溶液為壁材、有機相變材料十八烷酸為基材，先制備半包覆結構的相變膠囊，再加人堿性硅酸鹽溶液進行第2次包裹。結果表明:采用無機層狀硅酸鹽材料、相變材料、堿性硅酸鹽溶液比例為1：2：4時，其包裹效果較好，經無水乙:醇溶解實驗后，其有效相變材料損失量為4.37%熱失重實驗結果表明其中相變材料有效含量為37.4%，而DSI實驗結果表明微膠囊中有效相變材料35.04%，存在差異的原因可能在于堿性溶液與相變材料的酸堿反應所致。

材料先進制備技術課程論文

參考文獻

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