第一篇：金屬材料的先進(jìn)制備技術(shù)

金屬材料的先進(jìn)制備技術(shù)

金屬材料熱處理表面強化技術(shù)研究 l引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，對各種機械設(shè)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(zhì)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(qū)組織的改性處理技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，通過機械、物理、化學(xué)等方法來改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，即采用各類表面改性技術(shù)，使材料表面具有較本體更高的強度，和更加優(yōu)良的耐蝕、耐磨、耐高溫和抗疲勞等性能，從而充分發(fā)揮金屬材料的潛力，提高其表面耐磨性，達(dá)到延長使用壽命、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的目的13，4]。金屬表面改性技術(shù)在冶金、機械、電子、建筑、輕工、儀表等各個工業(yè)部門乃至農(nóng)業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪卸加兄鴱V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(tǒng)技術(shù)外，激光、電子和離子等高能束表面處理技術(shù)也取得了快速的發(fā)展[5]，大量的研究成果己經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，對環(huán)境無污染的“綠色”表面強化技術(shù)越來越受到人們的青睞。近年來，俄國文獻(xiàn)le.姆及道了一種新的表面強化技術(shù)，鑒于這種技術(shù)的文獻(xiàn)報道較少，其作用機制還未見相關(guān)報道，而且該項技術(shù)尚未有規(guī)范的稱謂，為此，我們暫且稱其為熱一聲處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比，它高效、低耗、無污染，并且工藝上易于實現(xiàn)，具有較好的應(yīng)用前景。

1.2表面改性技術(shù)概述

磨損、腐蝕和斷裂是機械零部件、工程構(gòu)件的三大主要破壞形式，它們所引起的經(jīng)濟損失十分巨大。其中由于磨損、腐蝕導(dǎo)致的機件失效而造成經(jīng)濟損失的，占有相當(dāng)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(jīng)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(lián)邦德國的一次調(diào)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(jīng)濟損失每年至少為51500萬英鎊以上，相當(dāng)于當(dāng)時1965年國民生產(chǎn)總值的1.1%。許多國家政府對腐蝕造成的損失也進(jìn)行了調(diào)查分析，美國Battelle實驗室和國家

圖1 表面強化技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)局1978年共同進(jìn)行調(diào)查表明:1975年美國由于腐蝕造成的經(jīng)濟損失達(dá)820億美元，占國民生產(chǎn)總值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA發(fā)表報告指出:現(xiàn)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(diào)查，當(dāng)時的結(jié)論為我國因腐蝕造成的經(jīng)濟損失至少在400億元人民幣以上。據(jù)不完全統(tǒng)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(chǎn)總值的1%一4%。

眾所周知，磨損和腐蝕均發(fā)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(shù)主要是利用各種表面涂層即面改性技術(shù)賦予基體材料本身所不具備的特殊的力學(xué)、物理或化學(xué)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(xiàn)代表面工程技術(shù)，不但可以大幅度的提高工件的質(zhì)量和性能，成倍的延長使用壽命，而且技術(shù)上成熟，工藝上簡便，經(jīng)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(shù)發(fā)展迅速，不斷完善，逐步形成一門獨立的學(xué)科。

金屬材料表面改性技術(shù)，也就是運用現(xiàn)代技術(shù)，改變材料表面、亞表面的成分、結(jié)構(gòu)和性能的處理技術(shù)，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(xué)轉(zhuǎn)化等，如圖1.1所示。表面改性技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域，充分發(fā)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(zhì)量;2.可以把兩種或兩種以上的材料復(fù)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(xiàn)有機件的壽命，修復(fù)磨損、腐蝕的零件;5.賦予材料特殊的物理、化學(xué)性能，有助于某些尖端技術(shù)開發(fā)。

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(jié)晶溫度下進(jìn)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(zhì)合金丸等)噴射到工件表面上，猶如無數(shù)的小錘反復(fù)錘擊金屬表面，使零件表層和次表層金屬發(fā)生一定的塑件變形、從而在塑性變形層中產(chǎn)生金屬特有的冷作硬化，還產(chǎn)生一層殘余壓應(yīng)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(xiàn)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(yīng)面廣、消耗低等多種優(yōu)勢，在飛機、坦克、汽車和各種機械設(shè)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(fā)揮了重要的作用。

近年來在噴丸強化領(lǐng)域出現(xiàn)的微粒沖擊、微粒鑲嵌鍍膜技術(shù)以及中科院金屬研究所盧柯、劉剛等人開發(fā)的超聲噴丸(高頻)和高能噴丸(低頻)新技術(shù)，在降摩擦系數(shù)、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(xiàn)出優(yōu)異的性。

然而噴丸參數(shù)與工件性能的提高之間未建立量化聯(lián)系，缺乏噴丸過程的定量化析以及與此相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化，噴丸參數(shù)的選擇只能依靠性能試驗或經(jīng)驗，造成的結(jié)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(shù)的發(fā)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(nèi)激光的能量被處理表面吸收而產(chǎn)生高溫，當(dāng)激光束移開后，被處理面迅速冷卻，從而達(dá)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(jìn)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(tài)下經(jīng)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(nèi)部的熱傳導(dǎo)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(diào)節(jié)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(xù)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(chǎn)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(dāng)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(zhì)的基礎(chǔ)上構(gòu)成所需合金層的一種技術(shù)。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(nèi)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(chǎn)生預(yù)定化學(xué)組分、化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的合金，微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)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(dāng)?shù)姆勰┗旌衔?，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(jié)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(jìn)行氣反應(yīng)。

(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(gòu)成冶金結(jié)合的表面處理技術(shù)。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(jié)構(gòu)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(cè)面等特殊部位均可以使用光進(jìn)行表面強化處理: 2.可以處理形狀復(fù)雜的工件表面，并能夠準(zhǔn)確的控制處理區(qū)域的深度以及形狀

3.可以得到優(yōu)質(zhì)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(zhì)，熱源潔凈，無環(huán)境污染;6.可以實現(xiàn)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(yīng)用:激光器受功率限制，導(dǎo)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(xiàn)象，再者就是設(shè)備價格較貴，只能取代部分熱處理方式，應(yīng)選擇產(chǎn)生經(jīng)濟效益較大的零部件予以應(yīng)用。

1.33離子注入表面強化

離子注入技術(shù)是在真空中將注入的原子電離成離子，由引出系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(tǒng)平衡相圖中固溶度的限制。使得一些在液態(tài)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(tài)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(shù)，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(shù)量和深度。

離子注入的濃度可以很大，與擴散系數(shù)無關(guān)。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(nèi)，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(wǎng)絡(luò)，使表面獲得化，增加耐磨性和力學(xué)性能，而且在表面上產(chǎn)生壓應(yīng)力。

離子注入技術(shù)也存在一定局限性。如離子注入的直線性難于處理復(fù)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(shè)備價格昂貴，維護技術(shù)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(zhì)。實施這種技術(shù)的主要方法有:CVD法、PVD法等幾種方法。

l，3.4.1化學(xué)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?xì)浠衔锖蜌溥M(jìn)行反應(yīng)，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(yù)涂的物質(zhì)涂覆在工件表面的熱處理技術(shù)。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(yīng)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(shè)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(tài)，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(shù)。熱噴涂是20世紀(jì)初發(fā)明的，開始主要是噴涂鋅、鋁等低熔點金屬，第二次世界大戰(zhàn)期間，線材火焰噴涂開始用于零件修復(fù)。因為不引起熱變形及氧化的優(yōu)點而受到重視，進(jìn)而出現(xiàn)火焰粉末噴涂。50年代研制出自熔性合金粉末和放熱型復(fù)合粉末，改善了涂層的多孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了涂層與基體間的冶金結(jié)合，極大地擴大了噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著航空航天等尖端技術(shù)的發(fā)展，熱噴涂方法得到了不斷的改進(jìn)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(tài)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(fù)合材料;(3)噴涂零件不受尺寸和形狀限制，可以進(jìn)行整體噴涂，也可以進(jìn)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(fù)，既經(jīng)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(yīng)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(xué)熱處理強化、熱噴涂等各種表面強化技術(shù)均可顯著提高產(chǎn)品的硬度、耐磨等性能，延長產(chǎn)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(dá)到一些零件的強化要求。

熱處理技術(shù)是一種深表層強化技術(shù)，并且它高效、低耗、無污染，工藝上易于實現(xiàn)，對各種工程金屬材料均具有適應(yīng)性，為傳統(tǒng)工程金屬及合金能賦予更高的性能和更多的功能，符合現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢，具有較好學(xué)術(shù)價值的應(yīng)用前景。

第二篇：先進(jìn)材料制備技術(shù)

鋁基復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用

材料是人類賴以生存的必需品，是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代文明的重要支柱。而先進(jìn)材料對人類生活質(zhì)量的提高，對社會的發(fā)展，對其他技術(shù)的發(fā)展都起著重要的促進(jìn)作用。

先進(jìn)材料是新材料和具有高性能的傳統(tǒng)材料的總稱，既包括具有優(yōu)良性能的新材料，又包括具有高性能的傳統(tǒng)材料。

汽車工業(yè)是一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車工業(yè)是大型的、綜合性的加工產(chǎn)業(yè)，它可以帶動和促進(jìn)系列相關(guān)工業(yè)和相關(guān)社會服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。相關(guān)的工業(yè)有冶金、石油化工、機械、電子電器、輕工、紡織等。相關(guān)的服務(wù)行業(yè)有交通運輸、保險、維修、商業(yè)等。這些工業(yè)和服務(wù)行業(yè)所涉及的經(jīng)濟效益和社會效益十分巨大。在材料方面，汽車工業(yè)需用11大類材料，分別為鋼板、特種鋼、結(jié)構(gòu)用塑料和復(fù)合材料、非結(jié)構(gòu)用塑料和復(fù)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(fù)合材料。汽車工業(yè)對材料的需求很大，僅美國每年需用6000萬噸以上。隨著現(xiàn)代汽車向輕量化、節(jié)能、環(huán)保、安全舒適方向發(fā)展，需用傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)量；采用新型的鋁基復(fù)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(zhì)量。自20世紀(jì)60年代以后，塑料件在汽車中的應(yīng)用逐漸增多，以工程塑料和復(fù)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(jìn)材料的發(fā)展，汽車上使用的原材料結(jié)構(gòu)組成比逐年發(fā)生變化。

先進(jìn)復(fù)合材料的興起，克服了均一材質(zhì)材料的不具有多種性能的弱點，在汽車上應(yīng)用，既有利于減輕汽車自身質(zhì)量，又有利于提高性能。

一． 鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)

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

當(dāng)前鋁基復(fù)合材料的研究幾種在兩個方面：1.采用連續(xù)纖維增強的具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍幾種在很特殊的領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域；2.采用不連續(xù)增強體增強的具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍相當(dāng)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(yōu)點，實現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)的潛力更大，因此成為當(dāng)前鋁基復(fù)合材料的研究重點。

1.纖維增強鋁基復(fù)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(fù)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(yīng)性大小、增強纖維的分布狀態(tài)和高溫下的損傷老化程度及界面穩(wěn)定性等。纖維增強鋁基復(fù)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(tài)鋁及鋁合金浸潤纖維束，或?qū)⒗w維束通過液態(tài)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(fù)合絲，再經(jīng)擠壓而制得復(fù)合材料。其缺點是當(dāng)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(shù)，可有效地改善纖維與金屬間的浸潤性和控制界面反應(yīng)。目前熔融浸(Al—Mg)等纖維增強鋁基復(fù)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(nèi)置纖維預(yù)制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結(jié)束。加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所制得復(fù)合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應(yīng)最小，沒有孔隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷。鑄造壓力和增強纖維含量對鋁基復(fù)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(fù)合材料。1.3 擴散粘接法

擴散粘接法主要是指鋁箔與經(jīng)表面處理后浸潤鋁液的纖維絲或復(fù)合絲或單層板按規(guī)定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經(jīng)高溫加壓擴散粘接成型以得到鋁基復(fù)合材料的制造方法。此外，擴散粘接法還包括常壓燒結(jié)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(fù)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(tǒng)的粉末冶金工藝在新的工程材料制備上的發(fā)展。隨著制粉工藝的發(fā)展和分散工藝方法的完善，人們已經(jīng)利用粉末冶金法成功制備了大量性能優(yōu)異的鋁基復(fù)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(diào)整工藝路線。這種方法制備的鋁基復(fù)合材料中增強相分布均勻，界面反應(yīng)易于控制，在性能和穩(wěn)定性上大大優(yōu)于其它工藝方法制備的材料。

2、顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法： 2.1 液態(tài)金屬浸滲 1)擠壓鑄造

’ 擠壓鑄造是目前制造金屬基復(fù)合材料較成熟的一種方法。首次在工業(yè)上應(yīng)用的鋁基復(fù)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(tài)金屬滲入增強相預(yù)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(yù)制塊進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)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(fù)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(jīng)出現(xiàn)了多種氣壓浸滲工藝技術(shù)。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(shù)，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(fā)浸滲到 顆粒層或預(yù)制塊中。利用該方法可制造出近終形態(tài)的復(fù)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(jié)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(huán)境氣體種類。無壓浸滲工藝本質(zhì)是實現(xiàn)自潤濕作用。目前該工藝只能在一定條件下才能實現(xiàn)，合金含鎂和氮氣環(huán)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(fù)合材料制件。該工藝研究開始于6 0 年代。由于大多數(shù)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(jié)合，必須施加外力作用以克服熱力學(xué)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(fù)合工藝

原位復(fù)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(yīng)生成一定的增強相而制得復(fù)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(yīng)工藝。這些工藝的主要優(yōu)點為： 陶瓷顆粒表面無污染，與基體界面相容性好，顆粒細(xì)小，因而材料增強效果好，是研究和開發(fā)復(fù)合材料很有效的方法” M a r i e t t a 公司開發(fā)的專利復(fù)合材料制造X D T M 技術(shù)。該技術(shù)是向有溶解能力的金屬(如A 1)中加入某幾種物質(zhì)使其發(fā)生化合反應(yīng)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(zhì)，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?jǐn)?shù)(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?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。該技術(shù)可產(chǎn)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(tǒng)工藝。它是將快速凝固金屬粉末和增強陶瓷顆粒等經(jīng)篩分、混合、冷壓固結(jié)、除氣、熱壓燒結(jié)，以及壓力加工制得復(fù)合材料的一種工藝。研究結(jié)果表明，用粉末冶金工藝生產(chǎn)的顆粒增強金屬基復(fù)合材料的綜合強度水平比用熔融金屬工藝生產(chǎn)的同種材料高，伸長率也較高，材料微觀組織結(jié)構(gòu)有所改善。但是這種工藝及設(shè)備復(fù)雜，金屬粉末與陶瓷顆?；旌蠒r會因顆粒分布不均，除氣不完全而導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)氣孔，溫度選擇不當(dāng)易造成汗析。另外，制得的復(fù)合材料坯件一般還需要二次成型。這種設(shè)備不適用于生產(chǎn)較大型件，所以對鋁基復(fù)合材料的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)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(chuàng)并干1 9 7 0 年正式公布。這一工藝早期應(yīng)用于一些金屬半成品的生產(chǎn)和制備，后來加利福尼亞大學(xué)L a v e r n i a E J 等人開始利用這一技術(shù)制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)武高輝等人對石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料在空間遙感器鏡筒結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。為了設(shè)計和制造出性能更加優(yōu)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(fù)合材料進(jìn)行了研究。突破了石墨纖維與鋁合金的界面反應(yīng)控制、纖維鋪層和纏繞設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，成功制備了石墨纖維增強鋁基復(fù)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(shù)為5．0×10 K。針對這種復(fù)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(fù)合材料應(yīng)用在空間紅外遙感器鏡簡結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)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(jié)果表明，鏡筒組件的一階諧振頻率為284 Hz，高于100 Hz的設(shè)計要求，振動試驗后光機系統(tǒng)沒有發(fā)生變化。上述工作表明，石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料在航天遙感領(lǐng)域具有較高的應(yīng)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(jié)構(gòu)部分不僅要滿足高剛度、高強度和尺寸穩(wěn)定性的要求，而且應(yīng)該盡量減輕質(zhì)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(fù)合材料（以下簡稱鋁基復(fù)合材料)，這種材料屬于長纖維增強(連續(xù)強化)金屬基復(fù)合材料，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬基復(fù)合材料研究所自 主研制。

與金屬材料相比，鋁基復(fù)合材料具有如下優(yōu)點：耐高溫、高比強、高比模、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、對缺口不敏感且抗磨損。與聚合物基復(fù)合材料相比鋁基復(fù)合材料具有如下優(yōu)點：耐高低溫、防燃、尺寸穩(wěn)定、抗氧化、抗輻照、抗電磁脈沖、無氣化和導(dǎo)熱、導(dǎo)電、剪切強度高、熱膨脹系數(shù)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(shù)，從中可以看出，鋁基復(fù)合材料(Gr／A1)的密度比鋁小，但是彈性模量比鈦大。鋁基復(fù)合材料的比剛度很大，僅次于鈹，但它的生產(chǎn)過程不會像鈹一樣產(chǎn)生劇毒和污染。它的線膨脹系數(shù)為5．0×10 K，在±5O。C多次循環(huán)下，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，可以很好地滿足光學(xué)系統(tǒng)對溫度和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性的要求。

比剛度和比強度高、線膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好是鋁基復(fù)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(fù)合材料是一種設(shè)計性很強的材料，可以按照設(shè)計者的要求進(jìn)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(jié)約昂貴的石墨纖維，降低成本。設(shè)計人員也可以根據(jù)材料纖維鋪層和纏繞的特性，在結(jié)構(gòu)上設(shè)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(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。這種材料還可以直接加工圓孔和螺紋，不需要安裝預(yù)埋件，較之樹脂基復(fù)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(fù)合材料零件的加工工藝流程。需要特別注意的是在鋁基復(fù)合材料的切削加工過程中，一般應(yīng)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(wěn)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(fù)合材料的毛坯料，圖4展示的是精加工后的鋁基復(fù)合材料，從圖中可以看出鋁基復(fù)合材料的表面 加工質(zhì)量完全可以達(dá)到鈦合金的水平。這種鋁基復(fù)合材料發(fā)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(jìn)行黑色鈍化處理，這樣就可以獲得耐蝕性能及光學(xué)性質(zhì)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(nèi)部是否存在缺陷。

．4 應(yīng)用實例

應(yīng)用鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了空間紅外遙感器鏡筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計。已經(jīng)公開的相關(guān)文獻(xiàn)表明，本文所研究的鋁基復(fù)合材料是首次應(yīng)用于空間光學(xué)鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計。鏡筒是保證紅外遙感器成像質(zhì)量的重要部件。鏡筒的結(jié)構(gòu)形式、鏡筒材料的選擇、鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足光學(xué)系統(tǒng)的要求，而且要滿足力學(xué)性能和真空高低溫環(huán)境的要求，同時盡可能降低質(zhì)量。特別是對光學(xué)透鏡組件來說，其加工與裝配都有嚴(yán)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(fù)合材料。材料的具體參數(shù)為：密度2．12 x 10。kg／m。，彈性模量l29 GPa，線膨脹系數(shù)5．0×10 K_。，經(jīng)過±5O℃多次循環(huán)下，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定。經(jīng)過加工后，零件安裝透鏡的端面位置平行度公差可以達(dá)到10 m，表面粗糙度達(dá)到1．6，說明了這種復(fù)合材料的加工精度可以達(dá)到金屬材料的精度。零件表面發(fā)黑后測量紅外發(fā)射率為0．856(5O℃)。由于衛(wèi)星所提供的安裝空間有限，本文采用了轉(zhuǎn)折光路設(shè)計，如圖5所示。鏡筒組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。設(shè)計要點如下：

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

(2)遮光罩由鋁蜂窩內(nèi)膽和碳纖維復(fù)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(fù)合材料制造。轉(zhuǎn)折鏡筒由于形狀不規(guī)則，采用鈦合金精密鑄造而成；

(3)鋁基復(fù)合材料鏡筒的設(shè)計過程中特別注意了結(jié)構(gòu)過渡處理，考慮具體的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計相應(yīng)的圓角和連接方式，可以更好地適應(yīng)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(jié)構(gòu)，便于透鏡的安裝和調(diào)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(diào)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(zhuǎn)折鏡筒連接，反射鏡壓板在結(jié)構(gòu)上能實現(xiàn)反射鏡角度調(diào)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(xué)院徐峰等人A12 03顆粒增強鋁基復(fù)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(fù)合材料薄板進(jìn)行了儲能點焊連接研究試驗。發(fā)現(xiàn)其微型點焊接頭由熔核區(qū)、熱影響區(qū)和熔核向熱影響區(qū)過渡的熔合區(qū)(線)組成。由于儲能焊極短的焊接時間，大的冷卻速率達(dá)到106 K／s，使得熔核組織顯著細(xì)化，具有快速凝固特征。熔核中增強相A1 O 顆粒發(fā)生偏聚現(xiàn)象，在熔核邊緣區(qū)域出現(xiàn)了氣孔缺陷。當(dāng)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(xué)性能的焊接接頭。

試驗選用A1 O。／2024A1復(fù)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?jǐn)?shù)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(jīng)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(jìn)行點焊連接。焊接主要參數(shù)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(shù)關(guān)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(fù)合材料儲能點焊接頭整體形貌如圖2所示。接頭由3個區(qū)域組成：形狀較規(guī)則的扁平熔核區(qū)、熔核周圍的熱影響區(qū)及熔核向母材過渡的熔合區(qū)(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(qū)域出現(xiàn)了氣孔，對應(yīng)著圖中的黑色區(qū)域。熔合區(qū)較窄，勾勒出熔核和母材之間的分界線，其組織細(xì)小未發(fā)現(xiàn)缺陷；熱影響區(qū)組織未發(fā)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(xiàn)A1：0，顆粒增強鋁基復(fù)合材料薄板的點焊連接，能獲得高質(zhì)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(fù)合材料儲能點焊接頭熔核組織。從圖中可以看出，母材經(jīng)過儲能焊接過程后，熔核組織相對于基體組織發(fā)生明顯細(xì)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(xì)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(chǎn)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(xì)化的原因。熔核中的A1：0 顆粒增強相在熔合區(qū)(線)周圍發(fā)生了偏聚，原因是由于增強相A1：0，顆粒與鋁合金基體的導(dǎo)熱率和熔點相差很大，導(dǎo)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(jié)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(qū)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(chǎn)生的電流經(jīng)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(chǎn)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(jié)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(tài)，熔核的冷卻速率很大(達(dá)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(xì)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(tài)再結(jié)晶形成較為均勻細(xì)小的柱狀晶，晶粒非常細(xì)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(zhì)量。

2．4 焊接接頭力學(xué)性能

2．4．1 接頭的顯微硬度

A1 0。顆粒增強鋁基復(fù)合材料儲能點焊接頭顯微硬度分布測試結(jié)果如圖4所示。焊核區(qū)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(qū)域的硬度；熱影響區(qū)處于很短暫的過熱狀態(tài)，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(qū)(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(qū)出現(xiàn)較明顯的加工硬化現(xiàn)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(dá)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(shù)。在電極壓力作用下熔核周圍金屬會發(fā)生塑性變形和強烈的再結(jié)晶而形成先于熔核生長的塑性環(huán)，對消除焊點缺陷、改善金屬組織和提高力學(xué)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(tài)；而焊接能量過大很容易產(chǎn)生飛濺和擊穿，都很難得到力學(xué)性能好的接頭。通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(dāng)電極力達(dá)到l8 N時，剪切強度達(dá)到最大值132．5 MPa，進(jìn)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(shù)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)對于0．3 mm厚的A1：0，顆粒增強鋁基復(fù)合材料薄板儲能焊，焊接參數(shù)：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(yōu)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(fù)合材料儲能焊接頭斷口形貌。斷口主要為韌性斷裂韌窩、準(zhǔn)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(jié)合緊密，故可以保證焊接接頭強度。經(jīng)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(jié)論

(1)采用儲能焊方法可實現(xiàn)0．3 mm厚的A1 0，顆粒增強鋁基復(fù)合材料薄板的點焊連接，微型接頭由熔核、熱影響區(qū)及熔合區(qū)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(jié)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(fù)合材料薄板的儲能焊，當(dāng)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(dá)到132．5 MPa，獲得綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

第三篇：金屬納米材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展

金屬納米材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展

摘要：本文從金屬納米材料這一金屬材料重要分支進(jìn)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(xiàn)狀及對今后的展望。

關(guān)鍵字：晶粒細(xì)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(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)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(fā)展和社會的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切。繼石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應(yīng)用為其時代的顯著標(biāo)志。

現(xiàn)代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，人類文明的發(fā)展和社會的進(jìn)步對金屬材料的服役性能提出了更高的要求，各國科學(xué)家積極投身于金屬材料領(lǐng)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(wù)。

一種嶄新的技術(shù)的實現(xiàn)，往往需要新材料的支持。例如，人們早就知道噴氣式航空發(fā)動機比螺旋槳航空發(fā)動機有很多優(yōu)點，但由于沒有合適的材料能承受噴射出燃?xì)獾母邷兀沁@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(fā)動機的制造得以實現(xiàn)。

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(jié)構(gòu)的極端狀態(tài)發(fā)展:一方面認(rèn)為金屬晶界是薄弱環(huán)節(jié),力求減少甚至消除晶界,因此發(fā)展出了單晶與非晶態(tài)合金;另一方面使多晶體的晶粒細(xì)化到納米級(一般<100 nm,典型為10 nm左右)[1]。細(xì)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(xué)性能,尤其是當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸減小到納米尺度時,金屬表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能[2]。因此,金屬材料晶粒超細(xì)化/納米化技術(shù)的發(fā)展備受人們關(guān)注,一系列金屬納米材料的制備技術(shù)相繼提出并進(jìn)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(gòu)成的金屬材料。若按維數(shù)，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?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料[4]。金屬納米顆粒表現(xiàn)出許多塊體材料所不具備的優(yōu)越性質(zhì),可用于催化、光催化、燃料電池、化學(xué)傳感、非線性光學(xué)和信息存儲等領(lǐng)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(dǎo)帶是分開的。當(dāng)金粒子尺寸足夠小時，會產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，引起金納米粒子向絕緣體轉(zhuǎn)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(fā)生單電子躍遷時，將表現(xiàn)出特殊的光學(xué)和電子學(xué)特性，這些性質(zhì)在晶體管、光控開關(guān)、傳感器方面都有其潛在的應(yīng)用前景。是因為金納米粒子的特殊性質(zhì)，使其在生物傳感器、光化學(xué)與電化學(xué)催化、光電子器件等領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景。近幾年來，基于金納米粒子在發(fā)生吸附后其表面等離子共振峰會發(fā)生紅移這一性質(zhì)，對擔(dān)載金納米粒子的DNA及糖類分子進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在免疫、標(biāo)定、示蹤領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)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(yīng)中有著很高的催化活性，而擔(dān)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(shù)

如今，金屬納米材料的制備技術(shù)已趨于多樣化發(fā)展，按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)具有不同的分類方法。其中基本的可分為物理法，化學(xué)法及其他方法，物理法大致包括粉碎法和構(gòu)筑法，化學(xué)法由氣相反應(yīng)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(xué)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(gòu)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(yīng)法、濺射法、流動液面上真空蒸鍍法、通電加熱蒸發(fā)法、混合等離子法、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法、爆炸絲法、化學(xué)氣相凝聚法和燃燒火焰—化學(xué)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(fā)分解法、溶膠—凝膠法、輻射化學(xué)合成法。此外還包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學(xué)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(shù):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(xù)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(chǎn)生相或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(yán)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(shù)獲得大塊金屬納米材料。

大塊金屬納米材料制備技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是工藝簡單，產(chǎn)量大及適應(yīng)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(shù)。其發(fā)展方向是直接晶化法。實際上今后相當(dāng)一段時間內(nèi)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]?，F(xiàn)在需要克服的是機械合金化中微孔隙的大量產(chǎn)生，亦應(yīng)注意其帶來的雜質(zhì)和應(yīng)力的影響。今后納米材料制備技術(shù)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(guān)的復(fù)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(shù)）

強烈塑性變形法（SPD技術(shù)）是在不改變金屬材料結(jié)構(gòu)相變與成分的前提下,通過對金屬材料施加很大的剪切應(yīng)力而引入高密度位錯,并經(jīng)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(xì)化到1μm以下,獲得由均勻等軸晶組成、大角度晶界占多數(shù)的超細(xì)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(guī)金屬材料粗晶整體細(xì)化為大角晶界納米晶,無結(jié)構(gòu)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(nèi)部組織和性能的一種技術(shù),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(xì)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(yīng)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(fù)合材料等的納米結(jié)構(gòu),而且投入了實際應(yīng)用并獲得了認(rèn)可[3]。譬如,通過SPD法制備的納米Ti合金活塞,已用于小型內(nèi)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(yīng)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(jīng)過近年的快速發(fā)展,人們對采用SPD技術(shù)制備金屬納米/超細(xì)晶材料已經(jīng)有了一定的認(rèn)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(xiàn)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(xì)晶金屬材料的成形機理沒有統(tǒng)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(zhì)或親水物質(zhì)形式存在。如果表面活性劑的濃度進(jìn)一步增大,增溶程度會相應(yīng)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(nèi)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(jìn)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(xué)法等。其中,高溫分解法是在高溫下分解前驅(qū)體;水熱法是一種在高溫高壓下從過飽和水溶液中進(jìn)行結(jié)晶的方法;氣相沉積法是將前驅(qū)體用氣體帶入反應(yīng)器中,在高溫襯底上反應(yīng)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(fù)雜,設(shè)備比較昂貴。電化學(xué)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(xué)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(yōu)點是反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡單,但目前還沒有大規(guī)模合成方面的應(yīng)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(xué)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(guān)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(xiàn)狀分析

納米技術(shù)在生產(chǎn)方式和工作方式的變革中正在發(fā)揮重要作用，它對社會發(fā)展、經(jīng)濟繁榮、國家安定和人類生活質(zhì)量的提高所產(chǎn)生的影響無法估量。鑒于納米技術(shù)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(chǎn)業(yè)化的前景一片光明，目前世界上各國特別是發(fā)達(dá)國家非常重視金屬納米材料，從戰(zhàn)略高度部署納米技術(shù)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(jì)70年代重視微米研究的國家如今都成為發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)今重視納米技術(shù)和納米材料的國家極可能成為下世紀(jì)的先進(jìn)國家。最近美國在國家科學(xué)技術(shù)理事會的主持下，提出“國家納米技術(shù)倡議”：納米技術(shù)將對21世紀(jì)的經(jīng)濟、國防和社會產(chǎn)生重大影響，可能與信息及生物技術(shù)一樣，引導(dǎo)下一個工業(yè)革命，應(yīng)該置其于科技的最優(yōu)先位置。世界各國制定納米技術(shù)和納米材料的戰(zhàn)略是：以未來的經(jīng)濟振興和國家的實際需求為目標(biāo)，牽引納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)研究；組織多學(xué)科的科技人員交叉創(chuàng)舉，重視基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的銜接，重視技術(shù)集成；重視納米材料和技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品，提高高技術(shù)含量，同時部署納米技術(shù)和納米材料在環(huán)境、能源和信息等重要領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。我國納米技術(shù)和納米材料始于20世紀(jì)80年代末。“八五”期間，納米材料科學(xué)列入國家攀登項目。納米材料的應(yīng)用研究自1996年以后在準(zhǔn)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(fā)展，擁有20多條生產(chǎn)能力在噸級以上的納米材料粉體生產(chǎn)線。生產(chǎn)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(jié)束語及展望

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

今后金屬納米的發(fā)展趨勢： 1在制備方面，大量的新方法、新工藝不斷出現(xiàn)，希望找到產(chǎn)量大、成本低、無污染、尺寸可控的制備方法，為產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。

2實用化研究提到日程上，出現(xiàn)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用并行發(fā)展的問題，對傳統(tǒng)金屬材料進(jìn)行納米改性，以期獲得優(yōu)良性能。

3日益體現(xiàn)出多學(xué)科交叉的特點。納米結(jié)構(gòu)材料的研究不僅依賴于物理、化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，而且同電子學(xué)、生物學(xué)、測量學(xué)等產(chǎn)生越來越緊密的聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]GleiterH.Nanocrystalline materials [J].Progress in Materials Science, 1989, 33(4): 223-315.[2]王軍麗,史慶南.納米超細(xì)晶材料的制備方法[J].材料導(dǎo)報, 2005, 19(5): 15-19.[3]楊保健,夏琴香,張 鵬.SPD制備納米/超細(xì)晶金屬材料的成形方法[J].鍛壓技術(shù)，2011,36（2）:48-51.[4]張代東,王欽清.金屬納米材料的發(fā)展動態(tài)研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2002,12（5）:89-91.[5] 姚素薇，鄒毅，張衛(wèi)國.金納米粒子的特性、制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2007,26（3）:310-313.[6] 田春霞.金屬納米塊體材料制備加工技術(shù)及應(yīng)用[J].材料科學(xué)與

工程，2001,19（4）:127-131.[7] 李景新，黃因慧，沈以赴.納米材料的加工技術(shù)[J].材料科學(xué)與工

程，2001,19（4）:117-121.[8] 劉建軍，王愛民，張海峰.高壓原位合成塊體納米鎂-鋅合金[J].材料研究學(xué)報，2001,15（3）:299-302.[9] Valiev R Z, Islamgaliev R K, Alexandrov I V.Bulk nano-structured materials from severe plastic deformation [J].Prog.Mater.Sci., 2000, 45(2): 103-189 [10] 劉惠玉,陳 東,高繼寧.貴金屬納米材料的液相合成及其表面等離子體共振性質(zhì)應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展，2006,18（7/8）:890-894.[11] 曹立新，屠振密，李寧.電沉積法制備單金屬納米晶材料的研究進(jìn)展[J].材料保護，2009，42（6）:47-52.

第四篇：材料先進(jìn)制備技術(shù)課程論文

材料先進(jìn)制備技術(shù)課程論文

微膠囊相變儲能材料及其制備技術(shù)研究進(jìn)展評述

摘要：相變材料是利用物質(zhì)發(fā)生相變時需要吸收或放出大量熱量的性質(zhì)來儲熱。微膠囊相變材料(Microencapsulated Phase Change Material，MCPCM)是應(yīng)用微膠囊技術(shù)在固—液相變材料微粒表面包覆一層性能穩(wěn)定的高分子膜而構(gòu)成的具有核殼結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合材料。在固液相變材料表面包覆一層性能穩(wěn)定的高分子膜而構(gòu)成的具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。本文介紹了微膠囊相變材料及其結(jié)構(gòu)組成、性能；綜述了微膠囊相變材料的制備工藝、研究進(jìn)展和應(yīng)用領(lǐng)域；分析了各種制備方法的優(yōu)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(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：相變材料；微膠囊；復(fù)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(huán)境進(jìn)行能量交換(從外界環(huán)境吸收熱量或向外界環(huán)境放出熱量)，從而達(dá)到能量利用和控制環(huán)境溫度的目的。物質(zhì)的存在狀態(tài)通常有三相:固相、液相和氣相。當(dāng)物質(zhì)從一種相態(tài)變化到另一種相態(tài)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(dāng)一種物質(zhì)能夠發(fā)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(fā)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(huán)境溫度調(diào)節(jié)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(xué)反應(yīng)熱只種。相變材料是利用自身在發(fā)生相變過程中吸收或釋放一定的熱量來進(jìn)行潛熱儲能的物質(zhì)，該材料是通過材料自身的相態(tài)變

材料先進(jìn)制備技術(shù)課程論文

透。MariaTelkes博士從1950年就著手對相變材料進(jìn)行研究，他發(fā)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)硼砂可以把十水硫酸鈉過冷度降低將近3℃，并預(yù)計測出了該材料的相變次數(shù)可以達(dá)到2000次。在工程建筑應(yīng)用方面，美國科學(xué)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(jìn)行了試驗性應(yīng)用，取得了較好的效果。美國的Dayton大學(xué)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(jìn)行比較，試驗顯示出相變墻板房內(nèi)的溫度相對來說比較平穩(wěn)，如果將相變墻應(yīng)用在實際建筑物中，可以適當(dāng)?shù)奶岣呔幼〉氖孢m性、削減電力的高峰負(fù)荷。

目前在研究的發(fā)展趨勢中，相變材料的研究主要表現(xiàn)為：開發(fā)復(fù)合儲熱材料；研發(fā)復(fù)合相變材料的多種工藝技術(shù)；納米技術(shù)在復(fù)合相變材料領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

1.2相變材料的微膠囊化

如何將相變材料進(jìn)行有效的包裝，一直是相變材料研究領(lǐng)域的研究熱點。較為先進(jìn)的納米復(fù)合法是將納米材料的界面效應(yīng)和較大的比表而積與相變材料的優(yōu)點結(jié)合在一起，可制得高傳熱效率的復(fù)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(xiàn)：強度較高、耐熱性能好。

1.2.1微膠囊技術(shù)

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(shù)，稱之為微膠囊封裝技術(shù)。球形微粒芯材在升溫時，由固態(tài)時轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，但外層包封的高分子薄膜層仍保持其固態(tài)，因此材料的外貌形態(tài)仍為固態(tài)顆粒。微膠囊包覆芯材，外層的殼物質(zhì)稱壁材；被外層殼材包覆的囊心物質(zhì)稱芯材。芯材可以是由單一物質(zhì)組成，也可以是由混合物質(zhì)組成；它的形態(tài)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(nèi)，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(shù)是一種新工藝，它在化下、民藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域己經(jīng)有了較大的發(fā)展，并且在科研領(lǐng)域中得到了越來越多科研人員的重視。微膠囊技術(shù)的應(yīng)用前豪非常廣闊，主要表現(xiàn)為以下

材料先進(jìn)制備技術(shù)課程論文

潛熱型功能熱流體的基礎(chǔ)研究工作，包括其制備、性能及傳熱機理目前受到關(guān)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(jìn)行了探索，為潛熱型功能流體的應(yīng)用提供了材料的制備方法、基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1.3.2紡織服裝領(lǐng)域

自20世紀(jì)80年代，美國國家航空航天局(NASA)研究開發(fā)了微膠囊相變材料在熱調(diào)節(jié)防護服裝上的應(yīng)用技術(shù)，微膠囊相變材料越來越廣泛地應(yīng)用于服裝領(lǐng)域中，可以制成含有微納米膠囊相變材料的調(diào)溫纖維以調(diào)節(jié)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(wǎng)印刷技術(shù)，結(jié)合熱固性聚氨醋網(wǎng)印粘合劑，將微膠囊涂布于棉布表面，以MCPCM在服裝領(lǐng)域中的適用性為出發(fā)點考察其性能，同時考察人工汗液對MCPCM性能的影響和經(jīng)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(diào)溫海藻纖維，把海藻纖維制成透氣且隨外界溫度變化的調(diào)溫醫(yī)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(jìn)行研究，將自行研制的MicroPCMS用于現(xiàn)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(fù)合紡絲工藝將直徑為3μm左右的MicroPCMS添加到纖維內(nèi)部，研制出含12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(nèi)具有溫度調(diào)節(jié)功能。1.3.3建筑領(lǐng)域

將微膠囊相變材料混人磚瓦、墻板及天花板等建筑結(jié)構(gòu)材料中，可以進(jìn)行太陽能儲存，因此適合在溫差較大的地區(qū)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(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(fù)荷更平緩，輻射域更舒適，用電量下降，有削減尖峰負(fù)荷的可能的結(jié)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(xué)院建筑系實驗樓進(jìn)行了試驗性應(yīng)用。同濟大學(xué)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(yán)。但是生產(chǎn)條件比較苛刻，難以實現(xiàn)工業(yè)化，且制備的納米膠囊不可避免地夾雜有少量未反應(yīng)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(yán)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(xì)粒，并在形成的分散體系中以分散相狀態(tài)存在。此時，發(fā)生原位聚合反應(yīng)的單體與引發(fā)劑在分散體系中的位置可能有兩種情況，即在連續(xù)相介質(zhì)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(jìn)行，聚合物沉積到芯材上，形成核殼結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(dá)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(xué)饒宇及東華大學(xué)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(yù)聚體通過縮聚反應(yīng)，尺寸逐漸增大后，沉積在芯材液滴表面，由于交聯(lián)及聚合的不斷進(jìn)行，最終形成固態(tài)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(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點。北京航空航天大學(xué)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(yù)聚體的生成和脈醛預(yù)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(jié)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(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǖ挠H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(chǔ)。

2.3復(fù)凝聚法

復(fù)凝聚法是以兩種或多種帶有相反電荷的線性無規(guī)聚合物作為壁材，然后將芯材分散與其水溶液中，在適當(dāng)?shù)膒H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(fā)生靜電作用而相互吸引，導(dǎo)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?qū)е庐a(chǎn)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(zhuǎn)的電解槽中進(jìn)行電鍍，根據(jù)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(dǎo)熱率低，且與其它建筑材料相容性較差，給實際應(yīng)用造成了一定困難。武漢理工大學(xué)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(jié)構(gòu)的相變膠囊，再加人堿性硅酸鹽溶液進(jìn)行第2次包裹。結(jié)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(jīng)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(jié)果表明其中相變材料有效含量為37.4%，而DSI實驗結(jié)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(yīng)所致。

材料先進(jìn)制備技術(shù)課程論文

參考文獻(xiàn)

[1]Wang L X, Su J F,Ren L.Preparation of thermal energy.storage microcapsule by phase change[J].Polymeric Materials Science and Engineering,2011.21(1);276-279.[2]周建偉，黃艷芹，黃建新，等.納米膠囊相變材料的制備及性能研究[J].化學(xué)工程師,2010,21(8):3-6.[3]鄢瑛，張會平，劉劍.微膠囊相變材料的制備與特性研究[J].材料導(dǎo)報，2011,23(2):49-52.[4]樊耀峰，張興祥，王學(xué)晨，等.相變材料納米膠囊的制備與性能[J].高分子材料科學(xué)與工程，2010,21(1);288-292.[5]Eltouney H M.Alatiqi I,Sahali M.etal.Heat Transfer enhancement by metal screens and metal spheres in phase change energy storage systems[J].Renewable Energy.2012,29(6):841-86.[6]Lan X Z,Yang C C,Tan Z C,etal.Microencapsulation of n--eicosane as Energy Storage Material Synthesized by Interfacial Polymerization[J].Aeta PhYs.-Chim.Sin，2012, 23(4): 581-584.[7]饒宇，林貴平，羅燕，等.應(yīng)用于強化傳熱的相變材料微膠囊的制備及特性[J].航空動力學(xué)報.,2009,20(4):651-655.[8]章文，鄭天亮,東棟，等.石蠟相變微膠囊的制備及其隔熱性的研究[J].新技術(shù)新工藝2010,16(12):82-83.[9]劉太奇.操彬彬，張成，等.物理法制備微膠囊無機芯相變材料及其表征[J].新技術(shù)新工藝，2010,19(3):81-84.[10]Maria I T.Leonardo R A, Farina M,etal.Mater Sci and Engin[J],2011,24:653-658.[11]馬保國，金磊，等.有機一無機相變儲能微膠囊的制備與表征[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報2010,31(11):5-7.1-

第五篇：金屬材料的先進(jìn)制備技術(shù)

金屬材料的先進(jìn)制備技術(shù)

本課程為材料系碩士研究生學(xué)位課，共計32學(xué)時，2學(xué)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(xiàn)（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(jìn)行口頭報告（報告15分鐘，回答問題5分鐘）。

研究生在學(xué)期結(jié)束前提交報告，教師批閱報告后，并結(jié)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(shù)，包括原理、方法及其應(yīng)用簡介。

第一講：緒論（康飛宇，2學(xué)時）

1、現(xiàn)代工業(yè)對材料的要求及其材料開發(fā)的方法

2、材料性能的不斷提高對制備技術(shù)的要求

3、用途不斷擴大對制備技術(shù)的要求

4、金屬材料的改性趨勢：極限化，復(fù)合化，數(shù)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(shù)（康飛宇，2學(xué)時，含討論）

1、納米材料概念

2、納米材料制備技術(shù)

第三講：極限材料和極端條件下材料的制備技術(shù)（康飛宇，學(xué)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(shù)（2學(xué)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(fù)合材料的制備技術(shù)（4學(xué)時，鄧海金）

1、固態(tài)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(shù)及其應(yīng)用（楊志剛，4學(xué)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(xué)氣相沉積

第七講：凝固技術(shù)及其應(yīng)用（4學(xué)時，楊志剛）

1、快速凝固技術(shù)： 非晶態(tài)合金和準(zhǔn)晶制備

2、定向凝固技術(shù)：定向凝固共晶合金制備

3、單晶材料制備技術(shù)

4、新型大塊非晶及納米晶材料制備技術(shù)

第八講：其它材料特殊制備技術(shù)（4學(xué)時，楊志剛）

1、自蔓延高溫合成技術(shù)

2、金屬霧化噴射沉積技術(shù)

3、半導(dǎo)體芯片的制造技術(shù)

4、光纖的制造技術(shù)

5、超導(dǎo)材料加工工藝

第九講：期末專題報告（8學(xué)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(shù)

? 先進(jìn)焊接技術(shù)

? 鑄造新技術(shù)

? 壓力加工新技術(shù)

? 定向凝固技術(shù)

? 霧化成型技術(shù)

? 金屬的半固態(tài)加工技術(shù)

? 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(xì)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(shù)

? 自蔓延高溫合成技術(shù)

? 納米復(fù)合材料的制備

? 計算機技術(shù)在材料中的應(yīng)用

? “三束”在金屬材料制備和改性中的應(yīng)用

? 極限材料及其制備技術(shù)

? 自選題目，必須事先征得老師同意。