材料合成與制備

前言

　　材料是人類歷史和社會發(fā)展的標志，其研發(fā)和應用水平是一個國家科技進步和綜合國力的重要體現。20世紀70年代人們把材料、信息和能源譽為當代文明的三大支柱。80年代又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志，并列入我國“863”高技術研究發(fā)展計劃。新材料技術是當代高新技術的重要組成部分，同時也是高新技術發(fā)展的基礎?！　∪祟悓Σ牧系氖褂檬加谶h古的石器時代，而對材料進行系統(tǒng)的研究則始于19世紀中葉。隨著物理、化學及其相關學科理論體系的形成，以及X射線衍射、電子衍射和電子顯微術等技術的出現極大地促進了材料科學的發(fā)展：在種類上，由傳統(tǒng)的金屬和陶瓷材料派生出高分子、混凝土以及復合材料；在性能方面，由結構向功能、智能以及結構、功能和智能復合的方向發(fā)展；在結構層次方面，也從宏觀進入微觀的納米尺度。　　在科學技術高速發(fā)展的今天，材料科學與工程學科有以下幾個突出的特點：第一，廣義上更多的學科交融。涉及物理、化學、冶金、化工、機械、電子、生物和環(huán)境等眾多學科領域；第二，發(fā)展速度快。電子、航空航天等高科技領域對材料日益苛刻的需求，以及工藝手段的逐步改進有力地推動了材料科學的發(fā)展；第三，材料的種類向多元化，性能向復合化、集成化方向發(fā)展?！　　安牧峡茖W與工程”系列叢書具有“新、齊、強”的特點：“新”，就是反映了最新的科技發(fā)展成果和態(tài)勢；“齊”，就是涵蓋了材料科學與工程學科的各個領域，便于讀者選擇使用；“強”，就是整合了各院校相關學科及師資力量的資源優(yōu)勢，保證了整套叢書的質量和水平。在編寫過程中，充分考慮了不同教育階段內容的有機銜接，并根據研究生的教學要求進行相應的拓展和提升，在保持知識系統(tǒng)性的前提下，力求理論敘述深入淺出，保證叢書的科學性、原創(chuàng)性、先進性和實用性。對高等學校材料學、材料加工工程、材料物理與化學等專業(yè)的研究生，以及從事新材料研究和開發(fā)的科技工作者具有重要的應用和參考價值。

內容概要

　　“材料科學與工程”系列叢書具有“新、齊、強”的特點：“新”，就是反映了最新的科技發(fā)展成果和態(tài)勢；“齊”，就是涵蓋了材料科學與工程學科的各個領域，便于讀者選擇使用；“強”，就是整合了各院校相關學科及師資力量的資源優(yōu)勢，保證了整套叢書的質量和水平。在編寫過程中，充分考慮了不同教育階段內容的有機銜接，并根據研究生的教學要求進行相應的拓展和提升，在保持知識系統(tǒng)性的前提下，力求理論敘述深入淺出，保證叢書的科學性、原創(chuàng)性、先進性和實用性。對高等學校材料學、材料加工工程、材料物理與化學等專業(yè)的研究生，以及從事新材料研究和開發(fā)的科技工作者具有重要的應用和參考價值。

書籍目錄

第1章　新型金屬材料的快速凝固制備原理與技術1.1　概述1.2　金屬材料快速凝固技術的產生與發(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1.4.1　金屬材料急冷凝固技術的分類1.4.2　氣體霧化法制備快速凝固金屬材料粉末技術1.4.3　金屬線材、帶材的快速凝固制備技術1.4.4　金屬體材料的快速凝固技術1.4.5　激光表面重熔快速凝固技術1.5　金屬熔體動力學急冷快速凝固的傳熱特點參考文獻思考題第2章　材料合成與制備過程的界面問題2.1　材料的表面性質2.1.1　表界面概述2.1.2　清潔表面2.1.3　金屬的真實表面2.1.4　表面熱力學2.1.5　表面統(tǒng)計熱力學2.1.6　統(tǒng)計熱力學方法應用到二維系統(tǒng)2.1.7　三維體系的表面性質2.2　金屬晶界與相界的結構和性質2.2.1　晶界結構理論與模型2.2.2　晶粒間界的組成類型與特征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　關于相界面研究中存在的幾個問題2.2.6　晶界結構的原子模擬研究2.2.7　晶界能2.2.8　晶界擴散2.3　納米固體材料及金屬間化合物的界面結構2.3.1　利用凝聚加壓法制備的試樣界面微結構2.3.2　非晶晶化法制備試樣的界面結構2.3.3　其他方法制備納米固體的界面結構2.3.4　金屬間化合物的界面結構參考文獻思考題第3章　非晶態(tài)合金的形成機制和制備方法3.1　概述3.2　非晶態(tài)轉變的定義與物理化學原理3.2.1　定義3.2.2　非晶態(tài)轉變的物理化學原理3.3　非晶態(tài)合金形成熱力學3.3.1　合金化效應3.3.2　原子的相互作用3.3.3　原子尺度效應3.3.4　位形熵3.3.5　化學鍵能3.3.6　微觀機制3.4　非晶態(tài)形成的判據3.4.1　戴維斯判據3.4.2　尼爾森判據3.4.3　戴維斯判據的改進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　工藝參數的影響參考文獻思考題第4章　金屬基復合材料的合成與制備技術4.1　概述4.2　金屬基復合材料制造方法的分類4.3　金屬基復合材料制造方法4.3.1　固態(tài)法4.3.2　液態(tài)復合法4.3.3　半固態(tài)復合鑄造法4.3.4　自生成法及其他制備法參考文獻思考題第5章　原位金屬基復合材料的合成與制備5.1　概述5.2　原位復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　共晶自生結構復合材料5.3　原位金屬基復合材料的拉伸性能5.3.1　原位金屬基復合材料的彈性模量5.3.2　原位金屬基復合材料的屈服強度和極限拉伸強度5.3.3　溫度對原位金屬基復合材料力學性能的影響5.4　原位復合材料的斷裂韌性及晶須的增強機制5.4.1　裂紋偏轉增韌機理5.4.2　橋聯(lián)增韌機理5.5　研究意義和展望參考文獻思考題第6章　單晶材料的制備6.1　固-固平衡的晶體生長6.1.1　形變再結晶理論6.1.2　應變退火及工藝設備6.1.3　利用燒結體生長晶體6.1.4　退玻璃化的結晶作用6.2　液-固平衡的晶體生長6.2.1　從液相中生長晶體的一般理論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6.2.5　其他無坩堝技術6.2.6　其他液-固方法參考文獻思考題第7章　金屬納米結構材料合成與制備7.1　概述7.2　金屬納米結構材料的制備7.2.1　熔體凝固法制備塊體納米材料7.2.2　強烈塑性變形法制備塊體納米材料7.2.3　機械合金化粉末強制軋制法制備塊體納米晶材料7.2.4　機械合金化-放電等離子燒結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　金屬納米結構材料的性能參考文獻思考題第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　化學方法制備納米微粒8.2.1　化學氣相沉積8.2.2　液相反應法參考文獻思考題第9章　功能陶瓷材料9.1　絕緣陶瓷材料9.1.1　電瓷類9.1.2　氮化物絕緣陶瓷9.2　導電陶瓷材料9.2.1　電子導電陶瓷9.2.2　離子導電陶瓷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9.4.2　透明陶瓷的變化特性及應用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、類型與應用范圍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思考題

章節(jié)摘錄

　　用這種方法已成功地生產出了各種材料的絲或纖維產品。這些材料有：鋼、鋁、銅合金、高溫合金等。上述金屬液流進入冷卻空間后，適當的氣氛在其周圍形成一層保護膜，并防止其在疑固以前斷開。開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程是最簡便的方法，同時氣體壓力若高于合金元素分壓時，還能防止易揮發(fā)元素的損失。在做黃銅絲時，鋅的損失可因此明顯減少?？諝庖凰魵饫鋮s技術用得也很成功。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?！　〗z的直徑設定后，從實驗和理論兩個方面都可指出為要保持金屬流連續(xù)性所需的最低流速，對于給定的金屬液和注口直徑，金屬流的穩(wěn)定長度隨速率的增加而增加。通常金屬流出口速率為2～10m／s時，相應的成品速率是1～10m／s。為了提高生產率，當然.可以采用多流注EI。鋁合金制品的生產數據表明，當注口直徑從50g/m增加到300p.m時，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程相似于其他凝固過程。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，冷卻速率一般是10s～106K／s。龐德曾作過詳細的計算。從本方法所得到的冷卻速率就可看出，而且實際中也得到了證實，細晶和非晶組織的出現是該法的特點，細晶金屬絲的組織中常常是一個晶粒就占據整個斷面，絲的表面微觀粗糙，為枝狀晶型組織。本方法明顯的優(yōu)點是工藝簡單，并能生產圓斷面的連續(xù)產品，有直接成型的優(yōu)勢。　　2.單輥法　　單輥（CBMS）的基本制備原理在生產實踐中使用得很廣泛，具有斷面直徑實用意義的發(fā)明源白美國專利方法，其工藝原理的實質是將金屬液流導向冷卻輥上，并因此而成型和凝固。在金屬液流和輥面接觸時形成一層金屬熔堆，其厚度和流徑相當，且其長度約為流徑的兩倍。圖1.1.1（b）是該法的原理圖。由于注口離冷卻輥面很近，沒有必要擔心金屬流會在到達輥面前斷開。這是和快淬造絲法明顯不同的地方。　　主要用于實驗研究的原始單輥技術要數龐德所制備的具有垂直轉軸的冷卻輥方案，用這種方案可制取厚為1~100μm的長絲，其速率為15~300m／s?！　×硗膺€有一種方案是通過細小的注口將金屬流導向快速旋轉的坩堝內壁上，注口沿旋轉軸線方向迅速移動，這樣在內表面形成金屬螺線。離心力使得金屬流和坩堝內表面有很好的接觸、金屬流能充分攤開，而且對金屬流和冷卻輥之間的傳熱效果也有促進。日本有人用此法制帶，當坩堝直徑為100mm、輥速為5000r／min時，帶厚為20~40μm，而要得到更薄的帶，輥速應為10000r／min。這里所說的均為超薄帶，生產時周圍氣體的流動都有可能影響產品質量，在真空室內進行單輥法生產可能是有益的。　　水平旋轉的單輥法更具有實際意義。將金屬流導向旋轉輥面，成功地生產了Fe-Ni-B非晶薄帶，其厚度為10~40μm，而相應的輥速為20~40m／s。如果將金屬流導向水平輥的內表面，自然會因離心力而改善金屬流和該內表面的接觸質量。不過因其接觸時間很短，所以制出的薄帶因輥內表面彎曲和金屬流入射角的不同帶有一定的扭曲度?！　屋伔ǖ睦鋮s速率一般可達10K／s，可用此法生產很多合金系統(tǒng)的非晶材料。單輥法中另一常見的方案是將金屬流導向轉盤圓邊的外沿上，離心力將凝固好的薄帶甩離冷卻表面，過程可連續(xù)進行。

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