材料制備新技術(shù)--概述2012

1、王 為 民()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1 1、概述、概述2 2、粉末材料的加工和制備新技術(shù)、粉末材料的加工和制備新技術(shù)3 3、先進(jìn)的成型技術(shù)、先進(jìn)的成型技術(shù)4 4、先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)、先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)5 5、燃燒合成技術(shù)及其應(yīng)用、燃燒合成技術(shù)及其應(yīng)用6 6、薄膜材料及制備技術(shù)進(jìn)展、薄膜材料及制備技術(shù)進(jìn)展l 陶瓷材料：陶瓷材料： ZrOZrO2 2、AlAl2 2O O3 3、TiCTiC、Si3N4Si3N4、SiCSiC、BN BN l 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料: : AlSiCAlSiC、Cu-AlCu-Al2 2O O3 3、 Fe-TiCFe-TiC、WC-CoWC-Co

2、l 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料：磁性復(fù)合材料、導(dǎo)電復(fù)合材料、摩擦材料。：磁性復(fù)合材料、導(dǎo)電復(fù)合材料、摩擦材料。l 高分子復(fù)合材料高分子復(fù)合材料: :各類工程塑料各類工程塑料 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：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。粉末材料的特性很大地影響最終材料的性能。 純度、粒度、形狀純度、粒度、形狀制備技術(shù)制備技術(shù): : 機(jī)械粉碎法機(jī)械粉碎法 蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法 溶膠溶膠凝膠法（凝膠法（Sol-GelSol-Gel法）法） 氣相反應(yīng)法氣相反應(yīng)法粉末特性：粉末特性：材料要獲得最終的使用性能必須進(jìn)行成型。材料要獲得最終的

3、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：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： 原料的制備與處理原料的制備與處理 是獲得優(yōu)良陶瓷制品的前提是獲得優(yōu)良陶瓷制品的前提 微細(xì)化、高純化微細(xì)化、高純化 材料成型成型 是獲得精密結(jié)構(gòu)和形狀的關(guān)鍵是獲得精密結(jié)構(gòu)和形狀的關(guān)鍵 精密成型、近凈成型精密成型、近凈成型 高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié) 是保證材料最終性能的關(guān)鍵是保證材料最終性能的關(guān)鍵 低溫高效燒結(jié)（低成本制造）低溫高效燒結(jié)（低成本制造） 后期加工后期加工 是保證零件最終精度的關(guān)鍵是保證零件最終精度的關(guān)鍵 特種加工技術(shù)（激光、水加工、電加工）特種加工技術(shù)（激光、水加工、電加工）成型技術(shù)

4、：成型技術(shù)：模壓、擠出、等靜壓成型、注漿成型等模壓、擠出、等靜壓成型、注漿成型等燒結(jié)技術(shù)：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)程理化學(xué)性能的工藝過(guò)程 主要的燒結(jié)方法：主要的燒結(jié)方法： 常壓燒結(jié)：常壓燒結(jié)： 真空燒結(jié)真空燒結(jié) 氣壓燒結(jié)：氣壓燒結(jié)： 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 熱等靜壓熱等靜壓 特殊燒結(jié)技術(shù)：特殊燒結(jié)技術(shù)： 微波燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)（微波燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)（SPSSPS） 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié): :高溫高壓條件下完成材料的制備過(guò)程。高溫高壓條件下完成材料的制備過(guò)程。材料結(jié)構(gòu)均勻想、精細(xì)，材料性能優(yōu)良材料結(jié)構(gòu)均

5、勻想、精細(xì)，材料性能優(yōu)良IgnitorCombustion ZoneProductPre-heated ZoneReactants Quick Process High Temp. Low Energy Consumption19671967提出基本理論提出基本理論 A . G . Merzhanov A . G . Merzhanov I . P . Borovinskaya I . P . Borovinskaya特種材料制備技術(shù)特種材料制備技術(shù)燃燒合成燃燒合成 : :也稱為自蔓延高溫合成（也稱為自蔓延高溫合成（Self-Propagating High-Self-Propagating

6、High-temperature Synthesis temperature Synthesis 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SHSSHS），是利用化學(xué)反應(yīng)放出的熱量），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)。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)。具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備：具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備：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：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)材料結(jié)構(gòu)材料：耐磨部件（水輪機(jī)葉片、數(shù)控刀片）耐磨部件（水輪機(jī)葉片、數(shù)控刀片）功能材料功能材料：光電子器件（：光電子器件（多層膜結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)） 薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能

7、電池 OLED發(fā)光顯示技術(shù)發(fā)光顯示技術(shù) 信息存儲(chǔ)介質(zhì)信息存儲(chǔ)介質(zhì) 光全息存儲(chǔ)光全息存儲(chǔ) 金屬鉍、銻等薄膜，金屬鉍、銻等薄膜， As-Se-Ge系、系、Te-As-Ge系薄膜系薄膜 光盤(pán)存儲(chǔ)材料光盤(pán)存儲(chǔ)材料 基質(zhì)上涂覆鐵系或鈷系基質(zhì)上涂覆鐵系或鈷系 磁光薄膜：磁光薄膜：TbFe DyFe DyCo等。等。光電效率高（16-18%），成本低。適宜發(fā)展光伏建筑結(jié)構(gòu)。進(jìn)入市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的公司： 德國(guó)的Wuerth（伍爾特）、Surlfulcell， 美國(guó)的Global Solar Energy， 日本的Honda（本田）、Showa Solar Shell等。電極層：電極層：Al膜膜窗口層窗口層吸收層：吸收

8、層：CIGS襯底：玻璃襯底：玻璃 或高分子基材或高分子基材背電極：背電極：Mo電化學(xué)沉積薄制備技術(shù)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)離子注入和離子束沉積制備技術(shù) 激光表面處理激光表面處理 物理氣相沉積物理氣相沉積 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 外延生長(zhǎng)法薄膜制備技術(shù)外延生長(zhǎng)法薄膜制備技術(shù)現(xiàn)代高技術(shù)和材料現(xiàn)代高技術(shù)和材料合成技術(shù)的集成技合成技術(shù)的集成技術(shù)術(shù)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。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)用范圍大特點(diǎn)：快速、溫度場(chǎng)均勻、無(wú)接觸污染、應(yīng)用范

9、圍大應(yīng)用：燒結(jié)、材料合成、薄膜制備等應(yīng)用：燒結(jié)、材料合成、薄膜制備等特點(diǎn)：信息量大，涉及面廣。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）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)材料制備新技術(shù) （吳建生，上海交通大學(xué)出版社）（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)工程材料及成型工藝基礎(chǔ) （楊惠智，機(jī)械工業(yè)出版社）（楊惠智，機(jī)械工業(yè)出版社） 微波等離子化學(xué)氣相沉積膜金剛石微波等離子化學(xué)氣相沉積膜金剛石 （周?。ㄖ芙?中國(guó)建材工業(yè)出版中國(guó)建材工業(yè)出版 特種陶瓷特種陶瓷 （王零森，中南工業(yè)

10、大學(xué)出版社）（王零森，中南工業(yè)大學(xué)出版社） 復(fù)合材料復(fù)合材料 （ 吳人杰，天津大學(xué)出版社）吳人杰，天津大學(xué)出版社） 材料加工新技術(shù)于新工藝材料加工新技術(shù)于新工藝 ( (謝建新謝建新, ,冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社) )材料制備：材料制備：材料合成材料合成 材料加工材料加工材料合成材料合成(Synthesis)(Synthesis)： 通過(guò)物理和化學(xué)的方法組合原子或分子以形成通過(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。有功能的材料。 金剛石的合成金剛石的合成：石墨觸媒高溫高壓：石墨觸媒高溫高壓金剛石金剛石 富勒希籠球富勒?；\球 C C6060: Laser : Laser 轟擊石墨轟

11、擊石墨富勒?；\球富勒?；\球 C C6060 h-BN - - - c-BN高溫高壓高溫高壓材料加工的概念和范疇拓展，內(nèi)容更廣泛：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)、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)材料合成加工一體化、材料結(jié)構(gòu)- -功能一體化功能一體化 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料 Al2O3-NiAl2O3-Ni的制備，的制備， Al2O3/Ni-nitrateAl2O3/NiAl2O3/NiOcalcini

12、ngreductionhot-pressingNiO used as a starting powderSimilar featureAl2O3/Co, Al2O3/Cu, Al2O3/Ni-Co, MgO/Ni, MgO/Co, MgO/Fe, ZrO2/Ni Al2O3/5vol%NiFracture strength vs. matrix grain size for Al2O3/metal (Ni and Co) nanocomposites and Al2O3-monolith.Vf = 5 vol%Strength Strength variation obeys Hall-Pet

13、ch relations. Higher strength compared to the monolithic Al2O3 with same matrix grain size.Mechanism Fine matrix grain size and narrow grain size distribution. Most dispersion located at grain boundaries Localized residual stress formed by TEC mismatch. Thus tangential compressive stress strengthens

14、 G.B. m P & inter-type(Al2O3/Ni, Co, etc.)compressive stressmetal particleAl2O3 grain0200400600800100012000.00.20.40.60.81.01.21.41.6Fracture Strength (MPa)(Al2O3 grain size)-1/2 (m-1/2) Al2O3 monolithAl2O3/Ni NanocompositesAl2O3/Co NanocompositesMagnetic Properties -0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60

15、.8-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4Magnetization (T)Applied magnetic field (MA/m)-0.200.2-0.0200.02Al2O3/5vol%Ni Nanocomposites Ferromagnetism of TM(Ni, Co) remained in the nanocomposites Coercive force is larger than pure metal-80.0-60.0-40.0-20.00.020.040.060.080.0-10.0-5.000.005.0010.0I (emu/gof Ni)H

16、 (kOe)-6.0-4.0-2.00.02.04.06.0-0.20-0.100.00.1000.20275.67 kOe(Hc = 137.8 Oe)ZrO2/5vol%Ni Nanocomposites制備新材料的關(guān)鍵技術(shù)制備新材料的關(guān)鍵技術(shù) 新型鎂合金、新型鎂合金、ITO(In-Sn Oxide)膜、鈦合金膜、鈦合金薄板，薄板，發(fā)現(xiàn)新的物理化學(xué)現(xiàn)象的源泉發(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)科交叉的前沿材料科學(xué)是多學(xué)科交叉的前沿, 陶瓷超塑性陶瓷超塑性, 納米材料和納米效應(yīng)納米材料和納米效應(yīng)l單層碳原子層，厚度：?jiǎn)螌犹荚訉?，厚度?.33nm0.33nml超高硬度，優(yōu)良的韌性：結(jié)

17、構(gòu)材料超高硬度，優(yōu)良的韌性：結(jié)構(gòu)材料l優(yōu)良的導(dǎo)電性：集成電路線材優(yōu)良的導(dǎo)電性：集成電路線材l極好的光電性能：顯示技術(shù)極好的光電性能：顯示技術(shù)l快速的充電特性：快充鋰離子電池快速的充電特性：快充鋰離子電池物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。 現(xiàn)代高技術(shù)集成的典范現(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、燃燒合成材料的微波技術(shù)、半導(dǎo)體加工、燃燒合成, 快快速凝固、超塑性加工等速凝固、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)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)：多晶例如：太陽(yáng)能技術(shù)：多晶

18、Si-單晶單晶Si-Si薄膜薄膜-非非Si薄膜薄膜單位成本：?jiǎn)挝怀杀荆?制備技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低制備技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低l鋁液對(duì)二硼化鈦惰性陰極有很好的濕潤(rùn)性鋁液對(duì)二硼化鈦惰性陰極有很好的濕潤(rùn)性l在霍爾電解槽中采用二硼化鈦陰極，能減小陰極與陽(yáng)極之間的電壓在霍爾電解槽中采用二硼化鈦陰極，能減小陰極與陽(yáng)極之間的電壓差，從而較大地降低生產(chǎn)原鋁的能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本差，從而較大地降低生產(chǎn)原鋁的能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本,減少碳排放。減少碳排放。二硼化鈦二硼化鈦+ +樹(shù)脂樹(shù)脂復(fù)合材料涂層復(fù)合材料涂層l特點(diǎn)：高速度、高機(jī)動(dòng)性、大功率、隱蔽性l關(guān)鍵問(wèn)題問(wèn)題： 耐高溫防熱材料：翼緣部件、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)材料 保溫材料：機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)日本：日本：材料加工研發(fā)投入占總科研投入的材料加工研發(fā)投入占總科研投入的1818。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、材料加工技術(shù)在世界處于領(lǐng)先水平