材料合成與制備

前言

　　材料是人類(lèi)歷史和社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志，其研發(fā)和應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家科技進(jìn)步和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。20世紀(jì)70年代人們把材料、信息和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，并列入我國(guó)“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃。新材料技術(shù)是當(dāng)代高新技術(shù)的重要組成部分，同時(shí)也是高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)?！　∪祟?lèi)對(duì)材料的使用始于遠(yuǎn)古的石器時(shí)代，而對(duì)材料進(jìn)行系統(tǒng)的研究則始于19世紀(jì)中葉。隨著物理、化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科理論體系的形成，以及X射線(xiàn)衍射、電子衍射和電子顯微術(shù)等技術(shù)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展：在種類(lèi)上，由傳統(tǒng)的金屬和陶瓷材料派生出高分子、混凝土以及復(fù)合材料；在性能方面，由結(jié)構(gòu)向功能、智能以及結(jié)構(gòu)、功能和智能復(fù)合的方向發(fā)展；在結(jié)構(gòu)層次方面，也從宏觀進(jìn)入微觀的納米尺度?！　≡诳茖W(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，材料科學(xué)與工程學(xué)科有以下幾個(gè)突出的特點(diǎn)：第一，廣義上更多的學(xué)科交融。涉及物理、化學(xué)、冶金、化工、機(jī)械、電子、生物和環(huán)境等眾多學(xué)科領(lǐng)域；第二，發(fā)展速度快。電子、航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)Σ牧先找婵量痰男枨?，以及工藝手段的逐步改進(jìn)有力地推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展；第三，材料的種類(lèi)向多元化，性能向復(fù)合化、集成化方向發(fā)展?！　　安牧峡茖W(xué)與工程”系列叢書(shū)具有“新、齊、強(qiáng)”的特點(diǎn)：“新”，就是反映了最新的科技發(fā)展成果和態(tài)勢(shì)；“齊”，就是涵蓋了材料科學(xué)與工程學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，便于讀者選擇使用；“強(qiáng)”，就是整合了各院校相關(guān)學(xué)科及師資力量的資源優(yōu)勢(shì)，保證了整套叢書(shū)的質(zhì)量和水平。在編寫(xiě)過(guò)程中，充分考慮了不同教育階段內(nèi)容的有機(jī)銜接，并根據(jù)研究生的教學(xué)要求進(jìn)行相應(yīng)的拓展和提升，在保持知識(shí)系統(tǒng)性的前提下，力求理論敘述深入淺出，保證叢書(shū)的科學(xué)性、原創(chuàng)性、先進(jìn)性和實(shí)用性。對(duì)高等學(xué)校材料學(xué)、材料加工工程、材料物理與化學(xué)等專(zhuān)業(yè)的研究生，以及從事新材料研究和開(kāi)發(fā)的科技工作者具有重要的應(yīng)用和參考價(jià)值。

內(nèi)容概要

　　“材料科學(xué)與工程”系列叢書(shū)具有“新、齊、強(qiáng)”的特點(diǎn)：“新”，就是反映了最新的科技發(fā)展成果和態(tài)勢(shì)；“齊”，就是涵蓋了材料科學(xué)與工程學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，便于讀者選擇使用；“強(qiáng)”，就是整合了各院校相關(guān)學(xué)科及師資力量的資源優(yōu)勢(shì)，保證了整套叢書(shū)的質(zhì)量和水平。在編寫(xiě)過(guò)程中，充分考慮了不同教育階段內(nèi)容的有機(jī)銜接，并根據(jù)研究生的教學(xué)要求進(jìn)行相應(yīng)的拓展和提升，在保持知識(shí)系統(tǒng)性的前提下，力求理論敘述深入淺出，保證叢書(shū)的科學(xué)性、原創(chuàng)性、先進(jìn)性和實(shí)用性。對(duì)高等學(xué)校材料學(xué)、材料加工工程、材料物理與化學(xué)等專(zhuān)業(yè)的研究生，以及從事新材料研究和開(kāi)發(fā)的科技工作者具有重要的應(yīng)用和參考價(jià)值。

書(shū)籍目錄

第1章　新型金屬材料的快速凝固制備原理與技術(shù)1.1　概述1.2　金屬材料快速凝固技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1.3　金屬材料熔體急冷快速凝固原理1.4　金屬材料熔體急冷快速凝固技術(shù)1.4.1　金屬材料急冷凝固技術(shù)的分類(lèi)1.4.2　氣體霧化法制備快速凝固金屬材料粉末技術(shù)1.4.3　金屬線(xiàn)材、帶材的快速凝固制備技術(shù)1.4.4　金屬體材料的快速凝固技術(shù)1.4.5　激光表面重熔快速凝固技術(shù)1.5　金屬熔體動(dòng)力學(xué)急冷快速凝固的傳熱特點(diǎn)參考文獻(xiàn)思考題第2章　材料合成與制備過(guò)程的界面問(wèn)題2.1　材料的表面性質(zhì)2.1.1　表界面概述2.1.2　清潔表面2.1.3　金屬的真實(shí)表面2.1.4　表面熱力學(xué)2.1.5　表面統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)2.1.6　統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法應(yīng)用到二維系統(tǒng)2.1.7　三維體系的表面性質(zhì)2.2　金屬晶界與相界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2.2.1　晶界結(jié)構(gòu)理論與模型2.2.2　晶粒間界的組成類(lèi)型與特征2.2.3　相界2.2.4　多晶體中的晶粒的形態(tài)與分布2.2.5　關(guān)于相界面研究中存在的幾個(gè)問(wèn)題2.2.6　晶界結(jié)構(gòu)的原子模擬研究2.2.7　晶界能2.2.8　晶界擴(kuò)散2.3　納米固體材料及金屬間化合物的界面結(jié)構(gòu)2.3.1　利用凝聚加壓法制備的試樣界面微結(jié)構(gòu)2.3.2　非晶晶化法制備試樣的界面結(jié)構(gòu)2.3.3　其他方法制備納米固體的界面結(jié)構(gòu)2.3.4　金屬間化合物的界面結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)思考題第3章　非晶態(tài)合金的形成機(jī)制和制備方法3.1　概述3.2　非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的定義與物理化學(xué)原理3.2.1　定義3.2.2　非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的物理化學(xué)原理3.3　非晶態(tài)合金形成熱力學(xué)3.3.1　合金化效應(yīng)3.3.2　原子的相互作用3.3.3　原子尺度效應(yīng)3.3.4　位形熵3.3.5　化學(xué)鍵能3.3.6　微觀機(jī)制3.4　非晶態(tài)形成的判據(jù)3.4.1　戴維斯判據(jù)3.4.2　尼爾森判據(jù)3.4.3　戴維斯判據(jù)的改進(jìn)3.5　非晶態(tài)合金的制備方法3.5.1　非晶態(tài)合金的主要制備方法3.5.2　單片非晶態(tài)合金箔的制備方法3.5.3　非晶態(tài)合金粉末和纖維的制備方法3.5.4　非晶態(tài)絲材的制備方法3.5.5　非晶合金薄帶的外圓式連續(xù)制備方法3.5.6　大塊非晶合金及其復(fù)合材料的合成與制備3.6　影響非晶態(tài)合金帶材制備的因素3.6.1　合金成分的影響3.6.2　加熱方式的影響3.6.3　坩堝材料和噴嘴形狀與尺寸的影響3.6.4　冷卻輥材料的影響3.6.5　工藝參數(shù)的影響參考文獻(xiàn)思考題第4章　金屬基復(fù)合材料的合成與制備技術(shù)4.1　概述4.2　金屬基復(fù)合材料制造方法的分類(lèi)4.3　金屬基復(fù)合材料制造方法4.3.1　固態(tài)法4.3.2　液態(tài)復(fù)合法4.3.3　半固態(tài)復(fù)合鑄造法4.3.4　自生成法及其他制備法參考文獻(xiàn)思考題第5章　原位金屬基復(fù)合材料的合成與制備5.1　概述5.2　原位復(fù)合材料的制備工藝及原理5.2.1　DIMOXTM法5.2.2　PRIMEXTM法5.2.3　XDTM法5.2.4　共晶自生結(jié)構(gòu)復(fù)合材料5.3　原位金屬基復(fù)合材料的拉伸性能5.3.1　原位金屬基復(fù)合材料的彈性模量5.3.2　原位金屬基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度5.3.3　溫度對(duì)原位金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響5.4　原位復(fù)合材料的斷裂韌性及晶須的增強(qiáng)機(jī)制5.4.1　裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)理5.4.2　橋聯(lián)增韌機(jī)理5.5　研究意義和展望參考文獻(xiàn)思考題第6章　單晶材料的制備6.1　固-固平衡的晶體生長(zhǎng)6.1.1　形變?cè)俳Y(jié)晶理論6.1.2　應(yīng)變退火及工藝設(shè)備6.1.3　利用燒結(jié)體生長(zhǎng)晶體6.1.4　退玻璃化的結(jié)晶作用6.2　液-固平衡的晶體生長(zhǎng)6.2.1　從液相中生長(zhǎng)晶體的一般理論6.2.2　布里奇曼-斯托克巴格方法（B-S法）6.2.3　丘克拉斯基法6.2.4　區(qū)域熔化技術(shù)6.2.5　其他無(wú)坩堝技術(shù)6.2.6　其他液-固方法參考文獻(xiàn)思考題第7章　金屬納米結(jié)構(gòu)材料合成與制備7.1　概述7.2　金屬納米結(jié)構(gòu)材料的制備7.2.1　熔體凝固法制備塊體納米材料7.2.2　強(qiáng)烈塑性變形法制備塊體納米材料7.2.3　機(jī)械合金化粉末強(qiáng)制軋制法制備塊體納米晶材料7.2.4　機(jī)械合金化-放電等離子燒結(jié)工藝制備塊體納米晶材料7.2.5　高能超聲-鑄造工藝制備塊體納米晶材料7.2.6　非晶晶化法制備納米晶體材料7.2.7　金屬納米結(jié)構(gòu)材料的性能參考文獻(xiàn)思考題第8章　納米顆粒的合成與制備8.1　物理方法制備納米微粒8.1.1　物理粉碎法8.1.2　物理氣相沉積法（PVD）8.1.3　濺射法8.2　化學(xué)方法制備納米微粒8.2.1　化學(xué)氣相沉積8.2.2　液相反應(yīng)法參考文獻(xiàn)思考題第9章　功能陶瓷材料9.1　絕緣陶瓷材料9.1.1　電瓷類(lèi)9.1.2　氮化物絕緣陶瓷9.2　導(dǎo)電陶瓷材料9.2.1　電子導(dǎo)電陶瓷9.2.2　離子導(dǎo)電陶瓷9.3　介電鐵電陶瓷9.3.1　介電鐵電陶瓷的特性9.3.2　陶瓷的介電鐵電特性及極化9.3.3　介電陶瓷材料9.4　透明電光陶瓷9.4.1　透明陶瓷的制備及電光效應(yīng)9.4.2　透明陶瓷的變化特性及應(yīng)用9.5　氣敏陶瓷和濕敏陶瓷9.5.1　氣敏陶瓷9.5.2　濕敏陶瓷9.6　生物陶瓷9.6.1　生物陶瓷材料的必要條件9.6.2　生物陶瓷的特點(diǎn)、類(lèi)型與應(yīng)用范圍9.6.3　惰性生物陶瓷材料9.6.4　可吸收生物陶瓷9.6.5　生物活性陶瓷9.6.6　可治療癌癥的生物陶瓷參考文獻(xiàn)思考題

章節(jié)摘錄

　　用這種方法已成功地生產(chǎn)出了各種材料的絲或纖維產(chǎn)品。這些材料有：鋼、鋁、銅合金、高溫合金等。上述金屬液流進(jìn)入冷卻空間后，適當(dāng)?shù)臍夥赵谄渲車(chē)纬梢粚颖Ｗo(hù)膜，并防止其在疑固以前斷開(kāi)。開(kāi)注前金屬在坩堝或其他裝置中熔化，借助于塞桿或液態(tài)金屬本身的表面張力，使液態(tài)金屬保持于其中。在凝固空間中利用壓縮空氣流加速凝固過(guò)程是最簡(jiǎn)便的方法，同時(shí)氣體壓力若高于合金元素分壓時(shí)，還能防止易揮發(fā)元素的損失。在做黃銅絲時(shí)，鋅的損失可因此明顯減少。空氣一水蒸氣冷卻技術(shù)用得也很成功。此外，液態(tài)冷卻劑，液氮、惰性氣體和鹽水都有助于穩(wěn)定金屬流并加速其凝固。　　絲的直徑設(shè)定后，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面都可指出為要保持金屬流連續(xù)性所需的最低流速，對(duì)于給定的金屬液和注口直徑，金屬流的穩(wěn)定長(zhǎng)度隨速率的增加而增加。通常金屬流出口速率為2～10m／s時(shí)，相應(yīng)的成品速率是1～10m／s。為了提高生產(chǎn)率，當(dāng)然.可以采用多流注EI。鋁合金制品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)注口直徑從50g/m增加到300p.m時(shí)，擠壓的臨界速率從12m／s減小到3m／s。溫度分布斷面的分析表明，凝固斷面直徑小的金屬液流的凝固過(guò)程相似于其他凝固過(guò)程。斷面直徑越小，所能得到的冷卻速率越高。在所述方法中，直徑為50～1250p.m時(shí)，冷卻速率一般是10s～106K／s。龐德曾作過(guò)詳細(xì)的計(jì)算。從本方法所得到的冷卻速率就可看出，而且實(shí)際中也得到了證實(shí)，細(xì)晶和非晶組織的出現(xiàn)是該法的特點(diǎn)，細(xì)晶金屬絲的組織中常常是一個(gè)晶粒就占據(jù)整個(gè)斷面，絲的表面微觀粗糙，為枝狀晶型組織。本方法明顯的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，并能生產(chǎn)圓斷面的連續(xù)產(chǎn)品，有直接成型的優(yōu)勢(shì)?！　?.單輥法　　單輥（CBMS）的基本制備原理在生產(chǎn)實(shí)踐中使用得很廣泛，具有斷面直徑實(shí)用意義的發(fā)明源白美國(guó)專(zhuān)利方法，其工藝原理的實(shí)質(zhì)是將金屬液流導(dǎo)向冷卻輥上，并因此而成型和凝固。在金屬液流和輥面接觸時(shí)形成一層金屬熔堆，其厚度和流徑相當(dāng)，且其長(zhǎng)度約為流徑的兩倍。圖1.1.1（b）是該法的原理圖。由于注口離冷卻輥面很近，沒(méi)有必要擔(dān)心金屬流會(huì)在到達(dá)輥面前斷開(kāi)。這是和快淬造絲法明顯不同的地方?！　≈饕糜趯?shí)驗(yàn)研究的原始單輥技術(shù)要數(shù)龐德所制備的具有垂直轉(zhuǎn)軸的冷卻輥方案，用這種方案可制取厚為1~100μm的長(zhǎng)絲，其速率為15~300m／s。　　另外還有一種方案是通過(guò)細(xì)小的注口將金屬流導(dǎo)向快速旋轉(zhuǎn)的坩堝內(nèi)壁上，注口沿旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)方向迅速移動(dòng)，這樣在內(nèi)表面形成金屬螺線(xiàn)。離心力使得金屬流和坩堝內(nèi)表面有很好的接觸、金屬流能充分?jǐn)傞_(kāi)，而且對(duì)金屬流和冷卻輥之間的傳熱效果也有促進(jìn)。日本有人用此法制帶，當(dāng)坩堝直徑為100mm、輥速為5000r／min時(shí)，帶厚為20~40μm，而要得到更薄的帶，輥速應(yīng)為10000r／min。這里所說(shuō)的均為超薄帶，生產(chǎn)時(shí)周?chē)鷼怏w的流動(dòng)都有可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，在真空室內(nèi)進(jìn)行單輥法生產(chǎn)可能是有益的。　　水平旋轉(zhuǎn)的單輥法更具有實(shí)際意義。將金屬流導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)輥面，成功地生產(chǎn)了Fe-Ni-B非晶薄帶，其厚度為10~40μm，而相應(yīng)的輥速為20~40m／s。如果將金屬流導(dǎo)向水平輥的內(nèi)表面，自然會(huì)因離心力而改善金屬流和該內(nèi)表面的接觸質(zhì)量。不過(guò)因其接觸時(shí)間很短，所以制出的薄帶因輥內(nèi)表面彎曲和金屬流入射角的不同帶有一定的扭曲度。　　單輥法的冷卻速率一般可達(dá)10K／s，可用此法生產(chǎn)很多合金系統(tǒng)的非晶材料。單輥法中另一常見(jiàn)的方案是將金屬流導(dǎo)向轉(zhuǎn)盤(pán)圓邊的外沿上，離心力將凝固好的薄帶甩離冷卻表面，過(guò)程可連續(xù)進(jìn)行。

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