第一篇：金屬材料的先進制備技術

金屬材料的先進制備技術

金屬材料熱處理表面強化技術研究 l引言

隨著工業現代化工業的快速發展，對各種機械設備零件的表面性能要求越來越高。一些在特殊條件下工作的零部件，往往因其表面局部磨損而使整個零件報廢。因此如何提高和改善零件的表面質量和性能，以延長工件的使用壽命是一個十分重要的問題l’，2]。世界各國對金屬材料表面和近表面區組織的改性處理技術進行了深入的研究，通過機械、物理、化學等方法來改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結構、缺陷狀態或應力狀態，即采用各類表面改性技術，使材料表面具有較本體更高的強度，和更加優良的耐蝕、耐磨、耐高溫和抗疲勞等性能，從而充分發揮金屬材料的潛力，提高其表面耐磨性，達到延長使用壽命、拓寬其應用領域的目的13，4]。金屬表面改性技術在冶金、機械、電子、建筑、輕工、儀表等各個工業部門乃至農業和人們日常生活中都有著廣泛的用途，其種類繁多，除常用的噴丸強化、表面熱處理等傳統技術外，激光、電子和離子等高能束表面處理技術也取得了快速的發展[5]，大量的研究成果己經在工業生產中得到廣泛的應用。進入21世紀后，隨著人們環保意識的不斷提高，對環境無污染的“綠色”表面強化技術越來越受到人們的青睞。近年來，俄國文獻le.姆及道了一種新的表面強化技術，鑒于這種技術的文獻報道較少，其作用機制還未見相關報道，而且該項技術尚未有規范的稱謂，為此，我們暫且稱其為熱一聲處理技術，與傳統的表面改性技術相比，它高效、低耗、無污染，并且工藝上易于實現，具有較好的應用前景。

1.2表面改性技術概述

磨損、腐蝕和斷裂是機械零部件、工程構件的三大主要破壞形式，它們所引起的經濟損失十分巨大。其中由于磨損、腐蝕導致的機件失效而造成經濟損失的，占有相當大的比重。在美國國家材料政策委員會向美國國會提出一份報告指出:由于摩擦磨損引起的損失，使美國經濟每年支付1000億美元的巨額資金，這項損失中的材料部分約為200億美元;在1983年前聯邦德國的一次調查中指出:由于摩擦磨損造成的損失估計為387億馬克:而在英國，由于摩擦磨損造成的經濟損失每年至少為51500萬英鎊以上，相當于當時1965年國民生產總值的1.1%。許多國家政府對腐蝕造成的損失也進行了調查分析，美國Battelle實驗室和國家

圖1 表面強化技術

標準局1978年共同進行調查表明:1975年美國由于腐蝕造成的經濟損失達820億美元，占國民生產總值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA發表報告指出:現在美國每年因為腐蝕損失3000億美元;1983年我國也曾對腐蝕作過調查，當時的結論為我國因腐蝕造成的經濟損失至少在400億元人民幣以上。據不完全統計，世界能源的1/3一1/2由于摩擦磨損而消耗掉，機械零件80%的失效的原因是摩擦磨損，而每年出于腐蝕造成的直接損失大約占整個

國民生產總值的1%一4%。

眾所周知，磨損和腐蝕均發生于機件表面的材料流失過程，而且其他形式的機件失效也多是從表面開始。盡管磨損與腐蝕是不可避免的，但是若采取有力措施，還是可以提高機件的耐磨性、耐蝕性的。金屬表面工程技術主要是利用各種表面涂層即面改性技術賦予基體材料本身所不具備的特殊的力學、物理或化學性能，如高硬度、高耐磨性、減摩性、抗高溫氧化性、抗輻射性等，而基體本身所具有的特性不會受到很大影響。另外，采用現代表面工程技術，不但可以大幅度的提高工件的質量和性能，成倍的延長使用壽命，而且技術上成熟，工藝上簡便，經濟上可行，獲得了事半功倍的效果。因此，近二十年來表面工程技術發展迅速，不斷完善，逐步形成一門獨立的學科。

金屬材料表面改性技術，也就是運用現代技術，改變材料表面、亞表面的成分、結構和性能的處理技術，主要包括表面形變強化，表面相變強化、離子注入表面強化、表面擴散滲入強化以及化學轉化等，如圖1.1所示。表面改性技術的應用使基體材料表面具有原來沒有的性能，這就大幅度的拓寬了材料的應用領域，充分發揮了材料的潛力。例如: 1.可用一般的材料代替稀有的、昂貴的材料制造機器零件，而不降低甚至超過原機件的質量;2.可以把兩種或兩種以上的材料復合，各取其長，解決單一材料解決不了的問題;3.延長在苛刻條件下服役機件的壽命: 4.大幅提高現有機件的壽命，修復磨損、腐蝕的零件;5.賦予材料特殊的物理、化學性能，有助于某些尖端技術開發。

1.3常用的表面強化方法 1.3.1噴丸強化

噴丸強化是在受噴材料的再結晶溫度下進行的一種冷加工方法，將大量高速運動的彈丸(鑄鐵丸、鋼丸、玻璃丸、硬質合金丸等)噴射到工件表面上，猶如無數的小錘反復錘擊金屬表面，使零件表層和次表層金屬發生一定的塑件變形、從而在塑性變形層中產生金屬特有的冷作硬化，還產生一層殘余壓應力。使材料的抗腐蝕和抗疲勞斷裂的能力大幅提高，零件的可靠性、耐久性得到提高或改善，還可以實現表面清理、光潔度加工、成形、校正和機械強化等多種功能。該方法具有實施方便、效果顯著、適應面廣、消耗低等多種優勢，在飛機、坦克、汽車和各種機械設備的齒輪、軸承、焊接件、彈簧、渦輪盤、葉片及模具、切削工具等的表面清理和提高使用壽命與防腐能力方面發揮了重要的作用。

近年來在噴丸強化領域出現的微粒沖擊、微粒鑲嵌鍍膜技術以及中科院金屬研究所盧柯、劉剛等人開發的超聲噴丸(高頻)和高能噴丸(低頻)新技術，在降摩擦系數、提高材料耐磨能力、延長使用壽命、簡化氮化過程等方面表現出優異的性。

然而噴丸參數與工件性能的提高之間未建立量化聯系，缺乏噴丸過程的定量化析以及與此相關的參數優化，噴丸參數的選擇只能依靠性能試驗或經驗，造成的結是大量消耗人力、物力，浪費時間，并且不一定具有最佳的效果，極大地制約了噴技術的發展。

1.3.2激光表面強化

激光表面強化是用一定掃描速度的激光束照射被處理的金屬表面，在很短的時間內激光的能量被處理表面吸收而產生高溫，當激光束移開后，被處理面迅速冷卻，從而達到表面強化的目的。激光表面強化具有工件氧化小、幾乎無變形和加熱、冷卻速度快等特點，可以行局部的選擇性淬火和局部合金化處理，能夠很快的賦予金屬表面很高的硬度和耐勝。因激光功率密度和作用時間不同，可以對金屬表面進行相變硬化、沖擊硬化、屬表面合金化、表面涂覆等多種方法的處理[川。激光表面強化方式有:(l)激光表面相變強化

激光相變強化是被處理材料在固態下經受激光輻照，其表面被迅速加熱到奧氏化溫度以上，并在激光停止輻射后快速自淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法，所又稱激光淬火。激光輻照材料內部的熱傳導與時間的平方根成正比，金屬表面溫度激光輻照停留時間的平方根成正比。因此，通過控制光束直徑和掃描速度，可以調節溫度和加熱的深度。

(2)激光熔凝

激光熔凝又稱激光上釉，是利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續掃描，使之形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的散熱作用使熔池中的金屬能夠快速冷卻、凝固，使金屬表面產生特殊的微觀組織的一種表面強化方法激光熔凝比激光相變強化要求更高的功率密度，激光熔凝所需的功率密度相當于激光固體相變強化的三倍。激光熔凝可以硬化激光淬火不能硬化的合金。激光熔凝的工藝條件一般為:能量密度10-3000Mw/m2，作用時間0.01-1s，惰性氣體保護用于防表面氧化。

(3)激光合金化

激光合金化是用激光將基體表面熔化，同時加入合金元素，在以基體為溶劑、合金元素為溶質的基礎上構成所需合金層的一種技術。在激光合金化過程中，合金元素快速向熔池擴散，在短時間內可以獲得所希望的合金化深度。借助這種方法可以在樣品表面產生預定化學組分、化學性質和微觀結構的合金，微觀結構的精細程度將取決于凝固的速度。合金化的一種方法是在工件表面涂覆適當的粉末混合物，其中涂覆方法有兩種:一是噴涂懸浮在醇中的粉末混合物以形成松散堆積的涂層;另一種是覆懸浮在有機粘結劑中的料漿。合金化的另一種方法是選擇合適的保護氣體進行氣反應。

(4)激光熔覆

激光熔覆是用激光將按需要配制的合金粉末熔化，成為熔覆層的主體合金，同基體金屬有一薄層熔化，與之構成冶金結合的表面處理技術。它與激光合金化不同是基體對表層合金的稀釋度為最小，熔覆層具有與基體完全不同的微觀結構特征，光能夠把高熔點合金熔化在低熔點的工件上。

激光表面強化的特點: 1.處理部位可以任意選擇，如深孔壁及深溝底、側面等特殊部位均可以使用光進行表面強化處理: 2.可以處理形狀復雜的工件表面，并能夠準確的控制處理區域的深度以及形狀

3.可以得到優質的強化層，輸入熱量少且熱處理變形小;4.能量密度高，表面強化時間短: 5.能夠自冷，不需要介質，熱源潔凈，無環境污染;6.可以實現表面薄膜和局部淬火，只加工必要部分，不影響基體的機械性能;7.使用激光表面強化處理后，只需少量的表面加工。

激光表面強化也存在一些缺點而制約其廣泛的應用:激光器受功率限制，導致其強化面積小，而且相鄰兩個強化帶之間存在回火軟化現象，再者就是設備價格較貴，只能取代部分熱處理方式，應選擇產生經濟效益較大的零部件予以應用。

1.33離子注入表面強化

離子注入技術是在真空中將注入的原子電離成離子，由引出系統引出離子束流使帶電離子在強電場下加速，直接注入到置于靶室的固體材料表面，從而形成一定深度離子注入層，同時改變表層的結構和成分，以獲得新的性能的表面處理工藝。注入深度約為0.1-1mm，其優點主要有: 離子注入可以向金屬或合金材料注入任何所需元素，被注入的元素不受合金系統平衡相圖中固溶度的限制。使得一些在液態都難以互溶的元素，形成固溶體，如W注入Cu可以得到1%的固溶體，得到一般方法難以獲得的新相。離子注入可以獲得過飽和固溶體、化合物和非晶態合金。通過離子注入能形成化合物，如Ti和C離子分別注入鋼，可以在鋼表面形成TiC。通過檢測注入電參數，自由支配注入離子的能量和劑量，能夠精確的控制注入元素的數量和深度。

離子注入的濃度可以很大，與擴散系數無關。處理過程是依賴于離子的高能量，而不是靠熱能滲浸到工件表面內，不存在變形問題。離子以高速注入工件表面，引起點陣損傷，形成密集的位錯網絡，使表面獲得化，增加耐磨性和力學性能，而且在表面上產生壓應力。

離子注入技術也存在一定局限性。如離子注入的直線性難于處理復雜件，特別對于小截面的深孔無法處理，注入層較薄，離子注入設備價格昂貴，維護技術比較雜等。

1.3.4超硬化合物表面涂覆處理

它是在工件表面涂覆一層或多層超硬化合物，如TiC，VC，NbC，氧化鋁等，獲高硬度、高熔點的覆膜，從而來改善工件的性質。實施這種技術的主要方法有:CVD法、PVD法等幾種方法。

l，3.4.1化學氣相沉積法(CVD)CvD法是將低溫下氣化的金屬鹽(通常為金屬鹵素化合物)與加熱到高溫的基接觸，通過與碳氫化合物和氫進行反應，在基體表面上沉積所要求的金屬或金屬間合物。

1.3.4.2物理氣相沉積法(PVD)物理氣相沉積法(PVD)處理是用物理方法把預涂的物質涂覆在工件表面的熱處理技術。PVD處理有真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍等幾大類。其中，真空蒸鍍效果較差，目前主要投入應用的是后兩種方法。

1.3.6熱噴涂

熱噴涂是一種采用專用設備利用熱源將金屬和非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態，用高速氣流將其沖成微小顆粒并噴射到工件表面，形成覆蓋層，以提高機件耐磨、耐熱等性能的表面工程技術。熱噴涂是20世紀初發明的，開始主要是噴涂鋅、鋁等低熔點金屬，第二次世界大戰期間，線材火焰噴涂開始用于零件修復。因為不引起熱變形及氧化的優點而受到重視，進而出現火焰粉末噴涂。50年代研制出自熔性合金粉末和放熱型復合粉末，改善了涂層的多孔結構，實現了涂層與基體間的冶金結合，極大地擴大了噴涂的應用領域。隨著航空航天等尖端技術的發展，熱噴涂方法得到了不斷的改進和完善。

熱噴涂方法的特點:(1)基材幾乎不受限制，其中包括金屬材料、陶瓷材料、非晶態材料、木材、布、紙等;(2)涂層材料種類廣泛，包括金屬及其合金、塑料、陶瓷以及它們的復合材料;(3)噴涂零件不受尺寸和形狀限制，可以進行整體噴涂，也可以進行局部表面噴涂，特別是大型件的局部表面噴涂強化或修復，既經濟又方便;(4)除火焰噴涂外，其他噴涂方法基體受熱溫度低，組織性能變化很小，工件變形小。

熱噴涂是一種適用性很廣的表面改性方法，它可以噴涂可以很多材料，可以用于各種基體表面噴涂，而且涂層厚度可以控制。但是，涂層強度低，空隙率較高涂層均勻性較差等不足限制了其應用。

上述噴丸強化、激光表面強化、離子注入強化、超硬化合物表面涂覆表而強化、化學熱處理強化、熱噴涂等各種表面強化技術均可顯著提高產品的硬度、耐磨等性能，延長產品的壽命。但是上述各種表而強化方法都具有各自的缺點，單獨使用，有時難以達到一些零件的強化要求。

熱處理技術是一種深表層強化技術，并且它高效、低耗、無污染，工藝上易于實現，對各種工程金屬材料均具有適應性，為傳統工程金屬及合金能賦予更高的性能和更多的功能，符合現代材料科學技術發展的趨勢，具有較好學術價值的應用前景。

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：金屬納米材料制備技術的研究進展

金屬納米材料制備技術的研究進展

摘要：本文從金屬納米材料這一金屬材料重要分支進行了簡要的闡述，其中重點講述了強行塑性變形及膠束法制備納米材料，并分析了金屬納米材料的現狀及對今后的展望。

關鍵字：晶粒細化；強烈塑性變形；膠束法；塊狀納米材料

引言：

金屬材料是指金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱。包括金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。人類文明的發展和社會的進步同金屬材料關系十分密切。繼石器時代之后出現的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標志。

現代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。同時，人類文明的發展和社會的進步對金屬材料的服役性能提出了更高的要求，各國科學家積極投身于金屬材料領域，向金屬材料的性能極限不斷逼近，充分利用其為人類服務。

一種嶄新的技術的實現，往往需要新材料的支持。例如，人們早就知道噴氣式航空發動機比螺旋槳航空發動機有很多優點，但由于沒有合適的材料能承受噴射出燃氣的高溫，是這種理想只能是空中樓閣，直到1942年制成了耐熱合金，才使噴氣式發動機的制造得以實現。

1金屬納米材料的提出

從目前看，提高金屬材料性能的有效途徑之一是向著金屬結構的極端狀態發展:一方面認為金屬晶界是薄弱環節,力求減少甚至消除晶界,因此發展出了單晶與非晶態合金;另一方面使多晶體的晶粒細化到納米級(一般<100 nm,典型為10 nm左右)[1]。細化晶粒是金屬材料強韌化的重要手段之一,它可以有效地提高金屬材料的綜合力學性能,尤其是當金屬材料的晶粒尺寸減小到納米尺度時,金屬表現出更加優異的力學性能[2]。因此,金屬材料晶粒超細化/納米化技術的發展備受人們關注,一系列金屬納米材料的制備技術相繼提出并進行了探索,包括電沉積法、濺射法、非晶晶化法、強烈塑性變形法(Severe Plastic Deformation, SPD)、[3]粉末冶金法以及熱噴涂法等。

金屬納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度或由它們作為基本單元構成的金屬材料。若按維數，納米材料的基本單元可分為(類：一是零維。指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米粉體、原子團簇等；二是一維。指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；三是二維。指在三維空間中有一維處于納米尺度，如超薄膜、多層膜及超晶格等。超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料[4]。金屬納米顆粒表現出許多塊體材料所不具備的優越性質,可用于催化、光催化、燃料電池、化學傳感、非線性光學和信息存儲等領域。

以金金屬具體來說，與塊狀金不同，金納米粒子的價帶和導帶是分開的。當金粒子尺寸足夠小時，會產生量子尺寸效應，引起金納米粒子向絕緣體轉化，并形成不同能級間的駐電子波。若其能級間隔超出一定的范圍并發生單電子躍遷時，將表現出特殊的光學和電子學特性，這些性質在晶體管、光控開關、傳感器方面都有其潛在的應用前景。是因為金納米粒子的特殊性質，使其在生物傳感器、光化學與電化學催化、光電子器件等領域有著極其廣闊的應用前景。近幾年來，基于金納米粒子在發生吸附后其表面等離子共振峰會發生紅移這一性質，對擔載金納米粒子的DNA及糖類分子進行研究，發現其在免疫、標定、示蹤領域中有著廣闊的應用前景。此外，金納米粒子作為一種新型催化劑在催化氧化反應中有著很高的催化活性，而擔載金納米粒子后，TiO2薄膜的光催化活性極大提高[5]。

2金屬納米材料的制備技術

如今，金屬納米材料的制備技術已趨于多樣化發展，按不同的分類標準具有不同的分類方法。其中基本的可分為物理法，化學法及其他方法，物理法大致包括粉碎法和構筑法，化學法由氣相反應法和液相法。物料的基本粉碎方式是壓碎、剪碎、沖擊粉碎和磨碎。常借助的外力有機械力、流能力、化學能、聲能、熱能等。一般的粉碎作用力都是幾種力的組合，如球磨機和振動磨是磨碎和沖擊粉碎的組合；雷蒙磨是壓碎、剪碎和磨碎的組合；氣流磨是沖擊、磨碎與剪碎的組合。構筑法是由小極限原子或分子的集合體人工合成超微粒子。

氣相法制備金屬納米微粒，主要有氣相冷凝法、活性氫—熔融金屬反應法、濺射法、流動液面上真空蒸鍍法、通電加熱蒸發法、混合等離子法、激光誘導化學氣相沉積法、爆炸絲法、化學氣相凝聚法和燃燒火焰—化學氣相凝聚法。

液相法制備金屬納米微粒，主要有沉淀法、噴霧法、水熱法、溶劑揮 發分解法、溶膠—凝膠法、輻射化學合成法。此外還包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學沉積、溶液的熱分解和沉淀等。

2.1塊體材料制備

金屬納米塊體材料制備加工技術:兩種大塊金屬納米材料的制備方法[6]-[8]。第一種是由小至大，即兩步過程，先由機械球磨法、射頻濺射、溶膠—凝膠法、惰性氣體冷凝法等工藝制成納米顆粒，再由激光壓縮、原位加壓、熱等靜壓或熱壓制成大塊金屬納米材料。凡能獲得納米粉末的方法一般都會通過后續加工得到大塊金屬納米材料。第二種方法為由大變小，是將外部能量引入或作用于母體材料，使其產生相或結構轉變，直接制備出塊體納米材料。諸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能機械球磨、嚴重塑性形變、滑動磨損、高能粒子輻照和火花蝕刻等。使大塊非晶變成大塊納米晶材料或利用各種沉積技術獲得大塊金屬納米材料。

大塊金屬納米材料制備技術發展的目標是工藝簡單，產量大及適應范圍寬，能獲得樣品界面清潔且無微孔的大尺寸納米材料制備技術。其發展方向是直接晶化法。實際上今后相當一段時間內塊狀納米晶樣品制備仍以非晶晶化法和機械合金化法為主[4]。現在需要克服的是機械合金化中微孔隙的大量產生，亦應注意其帶來的雜質和應力的影響。今后納米材料制備技術的研究重點將是高壓高溫固相淬火，脈沖電流及深過冷直接晶化法和與之相關的復合塊狀納米材料制備及研究工作。

2.2 強烈塑性變形法（SPD技術）

強烈塑性變形法（SPD技術）是在不改變金屬材料結構相變與成分的前提下,通過對金屬材料施加很大的剪切應力而引入高密度位錯,并經過位錯增殖、運動、重排和湮滅等一系列過程,將平均晶粒尺寸細化到1μm以下,獲得由均勻等軸晶組成、大角度晶界占多數的超細晶粒金屬材料的一種工藝方法[9]。SPD是一種致力材料納米化的方法,其特點是利用劇烈塑性變形的方式,在較低溫度下(一般<0.4Tm, Tm為金屬熔點)使常規金屬材料粗晶整體細化為大角晶界納米晶,無結構相變與成分改變,其主要的變形方式是剪切變形。它不僅是一種材料形狀加工的手段,而且可以成為獨立改變材料內部組織和性能的一種技術,在某些方面,甚至超過熱處理的功效。它能充分破碎粗大增強相,尤其是在促使細小顆粒相均勻分布時比普通軋制、擠壓效果更好,顯著提高金屬材料的延展性和可成形性。在應用方面,到目前為止,通過SPD法取得了純金屬、合金鋼、金屬間化合物、陶瓷基復合材料等的納米結構,而且投入了實際應用并獲得了認可[3]。譬如,通過SPD法制備的納米Ti合金活塞,已用于小型內燃機上;通過SPD法制備的納米Ti合金高強度螺栓,也已廣泛應用于飛機和宇宙飛船上。這些零件可以滿足高強度、高韌性、較高的疲勞性能的要求,從而大大提高了使用壽。

經過近年的快速發展,人們對采用SPD技術制備金屬納米/超細晶材料已經有了一定的認識。但是,不管是何種SPD法制備納米材料,目前,還處在工藝可行性分析及材料局部納米化的實驗探索階段,存在諸如成形效率低、變形過程中出現疲勞裂紋、工件尺寸小、顯微組織不均勻、材料納米化不徹底等問題,對SPD制備納米/超細晶金屬材料的成形機理沒有統一的定論。

2.3膠束法

膠束法是控制金屬納米顆粒形狀的另一個重要方法[10]。膠束以一小部分增溶的疏水物質或親水物質形式存在。如果表面活性劑的濃度進一步增大,增溶程度會相應提高。膠束尺寸可增大到一定的范圍,此時膠束尺寸比表面活性劑的單分子層厚度要大很多,這是因為內池中的水或者油的量增大的緣故。如果表面活性劑的濃度進一步增大,膠束則會被破壞而形成各種形狀,這也為合成不同形狀的納米粒子提供了可能。合成各種形貌的金屬納米顆粒的方法還包括高溫分解法、水熱法、氣相沉積法、電化學法等。其中,高溫分解法是在高溫下分解前驅體;水熱法是一種在高溫高壓下從過飽和水溶液中進行結晶的方法;氣相沉積法是將前驅體用氣體帶入反應器中,在高溫襯底上反應分解形成晶體。這3種方法均可以得到純度高、粒徑可控的納米粒子,但是制備工藝相對復雜,設備比較昂貴。電化學方法中可采用石墨、硅等作陰極材料,在水相中還原制備不同金屬納米顆粒,也可采用模板電化學法制備金屬納米管、納米線等不同形貌的納米材料。這種方法的優點是反應條件溫和、設備簡單,但目前還沒有大規模合成方面的應用。

2.4雙模板法制納米點陣[11]

采用先后自組裝、沉積和溶解的方法，制成2種模板，然后在其中空球模板中電化學沉積得到納米粒子點陣，溶去另外一種模板后得到納米粒子點陣。這是目前獲得粒子均勻排列有序納米粒子點陣的最有效的方法，關鍵是如何控制粒子的大小和獲得較窄且均勻的粒度分布。

3金屬納米材料的現狀分析

納米技術在生產方式和工作方式的變革中正在發揮重要作用，它對社會發展、經濟繁榮、國家安定和人類生活質量的提高所產生的影響無法估量。鑒于納米技術及納米材料特別是金屬納米材料在未來科技中的重要地位及產業化的前景一片光明，目前世界上各國特別是發達國家非常重視金屬納米材料，從戰略高度部署納米技術研究，以提高未來10年至20年在國際上的競爭能力。

諾貝爾獎獲得者羅雷爾說過：20世紀70年代重視微米研究的國家如今都成為發達國家，現今重視納米技術和納米材料的國家極可能成為下世紀的先進國家。最近美國在國家科學技術理事會的主持下，提出“國家納米技術倡議”：納米技術將對21世紀的經濟、國防和社會產生重大影響，可能與信息及生物技術一樣，引導下一個工業革命，應該置其于科技的最優先位置。世界各國制定納米技術和納米材料的戰略是：以未來的經濟振興和國家的實際需求為目標，牽引納米材料的基礎研究和應用開發研究；組織多學科的科技人員交叉創舉，重視基礎和應用研究的銜接，重視技術集成；重視納米材料和技術改造傳統產品，提高高技術含量，同時部署納米技術和納米材料在環境、能源和信息等重要領域的應用，實現跨越式發展。我國納米技術和納米材料始于20世紀80年代末。“八五”期間，納米材料科學列入國家攀登項目。納米材料的應用研究自1996年以后在準一維納米絲納米電纜的制備等幾個方面取得了重大成果。我國約有1萬人從事納米研究與發展，擁有20多條生產能力在噸級以上的納米材料粉體生產線。生產的納米金屬與合金的種類有：銀、鈀、銅、鐵、鈷、鎳、鋁、鉭、銀-銅合金、銀-錫合金、銦-錫合金、銅-鎳合金、鎳-鋁合金、鎳-鐵合金、鎳-鈷合金[4]。

4結束語及展望

隨著金屬納米科技的發展,金屬納米材料的制備已日漸成熟,并廣泛應用于我們生活的各個方面，金屬納米科學也將成為受人矚目的學科。但目前還存在一些不足，如在對復雜化學反應過程與機理的探索、金屬納米材料的規模化生產與應用等方面還需要我們進行更加深入和系統的研究。不過，我們有理由相信隨著科學技術的不斷發展進步，上述金屬納米材料化學制備的新技術和新方法將會得到不斷創新與發展完善并將產生新的突破，它們將極大地推動金屬納米材料的規模制備與廣泛實際應用，并最終在不久的將來產生較大的社會和經濟效益。

今后金屬納米的發展趨勢： 1在制備方面，大量的新方法、新工藝不斷出現，希望找到產量大、成本低、無污染、尺寸可控的制備方法，為產業化服務。

2實用化研究提到日程上，出現基礎研究和應用并行發展的問題，對傳統金屬材料進行納米改性，以期獲得優良性能。

3日益體現出多學科交叉的特點。納米結構材料的研究不僅依賴于物理、化學等學科的發展，而且同電子學、生物學、測量學等產生越來越緊密的聯系。

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第四篇：材料先進制備技術課程論文

材料先進制備技術課程論文

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

材料先進制備技術課程論文

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。

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參考文獻

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第五篇：金屬材料的先進制備技術

金屬材料的先進制備技術

本課程為材料系碩士研究生學位課，共計32學時，2學分。

考試方式采用專題報告形式，研究生可在教師開列的專題中選擇一個題目，然后收集資料，閱讀中外文獻（不少于10篇），并撰寫報告（綜述性報告，每篇不少于5000字），期末要在班上進行口頭報告（報告15分鐘，回答問題5分鐘）。

研究生在學期結束前提交報告，教師批閱報告后，并結合平時情況給出本課程的成績。成績由三部分組成，平時出勤率占20%，課堂討論20%，期末報告（書面+口頭）占60%。

本課程主要介紹金屬材料（為基體）的一些最新制備技術，包括原理、方法及其應用簡介。

第一講：緒論（康飛宇，2學時）

1、現代工業對材料的要求及其材料開發的方法

2、材料性能的不斷提高對制備技術的要求

3、用途不斷擴大對制備技術的要求

4、金屬材料的改性趨勢：極限化，復合化，數值化等

5、金屬材料制備的新思路

第二講：納米材料及其制備技術（康飛宇，2學時，含討論）

1、納米材料概念

2、納米材料制備技術

第三講：極限材料和極端條件下材料的制備技術（康飛宇，學時，含討論）

1、超純材料、超高強材料、超高溫材料

2、超高壓條件

3、微重力條件

4、真空條件

第四講：金屬材料加工新技術（2學時，康飛宇，含討論）

1、新型壓力加工、焊接和鑄造工藝

第五講：金屬基復合材料的制備技術（4學時，鄧海金）

1、固態制備

2、液相制備

3、原位制備

4、噴射噴涂

第六講：高能束技術及其應用（楊志剛，4學時）

1、激光束與材料的作用

2、離子束與表面改性

3、電子束

4、物理化學氣相沉積

第七講：凝固技術及其應用（4學時，楊志剛）

1、快速凝固技術： 非晶態合金和準晶制備

2、定向凝固技術：定向凝固共晶合金制備

3、單晶材料制備技術

4、新型大塊非晶及納米晶材料制備技術

第八講：其它材料特殊制備技術（4學時，楊志剛）

1、自蔓延高溫合成技術

2、金屬霧化噴射沉積技術

3、半導體芯片的制造技術

4、光纖的制造技術

5、超導材料加工工藝

第九講：期末專題報告（8學時，康飛宇，含討論）

專題報告題目（每人限選一個）

? 金屬的超塑性和超塑性加工

? 快速成型及其制造技術

? 先進焊接技術

? 鑄造新技術

? 壓力加工新技術

? 定向凝固技術

? 霧化成型技術

? 金屬的半固態加工技術

? 高壓條件下材料的制備

? 低溫條件下材料的制備

? 真空條件下材料的制備 ? 微重力條件下材料的制備

? 超細金屬顆粒制備

? 金屬纖維與晶須的制備

? 超純金屬材料的制備

? 粉末冶金新技術

? 自蔓延高溫合成技術

? 納米復合材料的制備

? 計算機技術在材料中的應用

? “三束”在金屬材料制備和改性中的應用

? 極限材料及其制備技術

? 自選題目，必須事先征得老師同意。