材料制備新技術(shù)

王為民(wangwm@)武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料先進(jìn)制備技術(shù)1、概述2、粉末材料的加工和制備新技術(shù)3、先進(jìn)的成型4、先進(jìn)的燒結(jié)5、燃燒合成技術(shù)6、薄膜材料及制備技術(shù)

課程的主要內(nèi)容粉末材料及其加工和制備粉末材料：絕大多數(shù)材料都以粉末狀材料為原料。粉末材料的特性很大地影響最終材料的性能。純度、粒度、形狀陶瓷材料：

ZrO2,Al2O3,TiC,Si3N4,SiC,BN

金屬基復(fù)合材料:Al—SiC,Cu-Al2O3,Fe-TiC

功能復(fù)合材料：磁性復(fù)合材料,導(dǎo)電復(fù)合材料，摩擦材料。高分子復(fù)合材料:工程塑料

制備技術(shù):

機(jī)械粉碎法蒸發(fā)凝聚法溶膠—凝膠法（Sol-Gel法）氣相反應(yīng)法材料成型與燒結(jié)材料要獲得最終的使用性能必須進(jìn)行成型。絕大多數(shù)材料要經(jīng)過(guò)的主要加工工藝環(huán)節(jié)包括：

原料的制備與處理

是獲得優(yōu)良陶瓷制品的前提

微細(xì)化、高純化

材料成型

是獲得精密結(jié)構(gòu)和形狀的關(guān)鍵

精密成型、近凈成型

高溫?zé)Y(jié)

是保證材料最終性能的關(guān)鍵

低溫高效燒結(jié)

后期加工

是保證零件最終精度的關(guān)鍵

特種加工技術(shù)成型技術(shù)：模壓、擠出、等靜壓成型、注漿成型等燒結(jié)技術(shù)：

是減少成形體中氣孔，增強(qiáng)顆粒間結(jié)合，提高材料物理化學(xué)性能的工藝過(guò)程

主要的燒結(jié)方法：

常壓燒結(jié)：真空燒結(jié)氣壓燒結(jié)：熱壓燒結(jié)熱等靜壓特殊燒結(jié)技術(shù)：微波燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)（SPS）

熱壓燒結(jié)燃燒合成與材料制備技術(shù)

Self-propagatingHigh-temperatureSynthesisIgnitorCombustionZoneProductPre-heatedZoneReactantsQuickProcessHighTemp.LowEnergyConsumption1967提出基本理論A.G.Merzhanov

I.P.Borovinskaya特種材料制備技術(shù)燃燒合成

:也稱(chēng)為自蔓延高溫合成（Self-PropagatingHigh-temperatureSynthesis簡(jiǎn)稱(chēng)SHS），是利用化學(xué)反應(yīng)放出的熱量來(lái)完成材料合成與加工的一種先進(jìn)的材料制備技術(shù)。

其主要特點(diǎn)是：材料合成過(guò)程快

工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少

合成溫度高，冷卻速度快，溫度梯度大

能耗少，原材料來(lái)源廣泛

可制備各種材料，包括:

粉末材料塊體材料薄膜材料涂層材料特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料TiB2/Fe疊層復(fù)合材料的制備及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)TiB2/Fe疊層復(fù)合材料制備裝備具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備薄膜材料及制備技術(shù)薄膜材料在現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)中扮演著越來(lái)越重要的角色：結(jié)構(gòu)材料：耐磨部件（水輪機(jī)葉片、數(shù)控刀片）功能材料：光電子器件信息存儲(chǔ)介質(zhì)

光全息存儲(chǔ)

金屬鉍、銻等薄膜，

As-Se-Ge系、Te-As-Ge系薄膜

光盤(pán)存儲(chǔ)材料基質(zhì)上涂覆鐵系或鈷系磁光薄膜：TbFe

DyFe

DyCo等。薄膜材料制備技術(shù)發(fā)展極快電化學(xué)沉積薄制備技術(shù)

離子注入和離子束沉積制備技術(shù)

激光表面處理物理氣相沉積

化學(xué)氣相沉積

外延生長(zhǎng)法薄膜制備技術(shù)現(xiàn)代高技術(shù)和材料合成技術(shù)的集成技術(shù)微波技術(shù)在材料中的應(yīng)用利用材料分子或基團(tuán)在微波場(chǎng)中快速震動(dòng)產(chǎn)生熱量的原理，進(jìn)行材料加工和制備。特點(diǎn)：快速、溫度場(chǎng)均勻、無(wú)接觸污染、應(yīng)用范圍大應(yīng)用：燒結(jié)、材料合成、薄膜制備等本課程的學(xué)習(xí)要求特點(diǎn)：信息量大，涉及面廣。要求：自主學(xué)習(xí)、查閱資料、消化吸收主要參考資料：學(xué)術(shù)期刊（可上網(wǎng)查閱）

材料制備新技術(shù)（吳建生，上海交通大學(xué)出版社）工程材料及成型工藝基礎(chǔ)（楊惠智，機(jī)械工業(yè)出版社）微波等離子化學(xué)氣相沉積膜金剛石（周健中國(guó)建材工業(yè)出版特種陶瓷（王零森，中南工業(yè)大學(xué)出版社）復(fù)合材料（吳人杰，天津大學(xué)出版社）材料加工新技術(shù)于新工藝(謝建新,冶金工業(yè)出版社)第一講概述材料制備：材料合成材料加工材料合成(Synthesis)：

通過(guò)物理和化學(xué)的方法組合原子或分子以形成有功能的材料。

金剛石的合成：石墨＋觸媒＋高溫高壓－－金剛石富勒?；\球C60:Laser轟擊石墨－－－富勒希籠球C60

h-BN---------

-----c-BN高溫高壓材料加工(processing):

通過(guò)控制材料的原子和分子以形成具有一定形狀的材料、功能和結(jié)構(gòu)部件材料加工的概念和范疇拓展，內(nèi)容更廣泛：金屬冶煉、鋼材軋制、陶瓷成型與燒結(jié)、高聚物的紡絲、薄膜材料的成膜等材料制備主要發(fā)展方向之一是：材料合成加工一體化、材料結(jié)構(gòu)-功能一體化納米復(fù)合材料Al2O3-Ni的制備，SynthesisofAl2O3/NiNano-CompositesAl2O3/Ni-nitrateAl2O3/NiAl2O3/NiOcalciningreductionhot-pressingNiOusedasastartingpowderSimilarfeatureAl2O3/Co,Al2O3/Cu,Al2O3/Ni-Co,MgO/Ni,MgO/Co,MgO/Fe,ZrO2/NiAl2O3/5vol%NiKeyWords：in-situStructureControlMechanismofAl2O3/MetalNanocompositesFracturestrengthvs.matrixgrainsizeforAl2O3/metal(NiandCo)nanocompositesandAl2O3-monolith.Vf=5vol%StrengthStrengthvariationobeysHall-Petchrelations.HigherstrengthcomparedtothemonolithicAl2O3withsamematrixgrainsize.MechanismFinematrixgrainsizeandnarrowgrainsizedistribution.MostdispersionlocatedatgrainboundariesLocalizedresidualstressformedbyTECmismatch.ThustangentialcompressivestressstrengthensG.B.m<P&inter-type(Al2O3/Ni,Co,etc.)compressivestressmetalparticleAl2O3grain0200400600800100012000.00.20.40.60.81.01.21.41.6FractureStrength(MPa)(Al2O3

grainsize)-1/2(μm-1/2)○Al2O3

monolithAl2O3/NiNanocompositesAl2O3/CoNanocomposites●■MagneticProperties

Al2O3/5vol%Ni

Nanocomposites

FerromagnetismofTM(Ni,Co)remainedinthenanocompositesCoerciveforceislargerthanpuremetalZrO2/5vol%NiNanocomposites材料制備新技術(shù)發(fā)展的重要意義制備新材料的關(guān)鍵技術(shù)新型鎂合金、ITO(In-SnOxide)膜、鈦合金薄板，發(fā)現(xiàn)新的物理－－化學(xué)現(xiàn)象的源泉材料科學(xué)是多學(xué)科交叉的前沿,陶瓷超塑性,納米材料和納米效應(yīng)NewFunctions:Superplasticity現(xiàn)代高技術(shù)集成的典范材料的微波技術(shù)、半導(dǎo)體加工、燃燒合成,快速凝固、超塑性加工等現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐燃料電池、航天飛機(jī)、信息技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)例如：太陽(yáng)能技術(shù)：多晶Si----單晶Si----Si薄膜-----非Si薄膜單位成本：制備技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低世界各國(guó)相當(dāng)重視材料制備新技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)日本：材料加工研發(fā)投入占總科研投入的18％。材料加工技術(shù)在世界處于領(lǐng)先水平，導(dǎo)致日本的電子技術(shù)、汽車(chē)、鋼鐵、造船、通訊技術(shù)等領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。美國(guó)：90年代前，對(duì)材料加工認(rèn)識(shí)不足。除在軍工、航天、微電子領(lǐng)域領(lǐng)先外，很多領(lǐng)域落后歐洲、日本。國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)：22項(xiàng)關(guān)乎國(guó)家長(zhǎng)期安全的關(guān)鍵技術(shù)第一項(xiàng)：材料合成與加工先進(jìn)材料和加工計(jì)劃（AMPP):大學(xué)－－企業(yè)－－政府合作國(guó)防建設(shè)與軍事工業(yè)的發(fā)展尤為關(guān)鍵在中國(guó)：

在材料先進(jìn)制備技術(shù)領(lǐng)域投入較大，設(shè)立了一系列的相關(guān)研發(fā)計(jì)劃包括基礎(chǔ)研究－－應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究－－產(chǎn)業(yè)化研究等：

國(guó)家自然科學(xué)