材料化學第五章

材料化學第五章1第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一本章主要內(nèi)容

5.1高溫結構材料

超耐熱合金；高溫結構陶瓷

5.2輕質結構材料

鋁鋰合金；纖維材料

2第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一、超耐熱合金1定義：700-1200℃高溫下工作的金屬通稱耐熱合金，又稱高溫合金。（一般金屬材料只在500～600℃下長期工作）

2應用火力發(fā)電：提高熱效率→提高蒸汽溫度→材料耐熱噴氣發(fā)動機：工作溫度高達1380℃

高溫加熱爐3第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一4第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3性能要求

1）高溫抗腐蝕性

因為T↑，金屬的氧化、腐蝕速度顯著加快2）高溫強度和韌性高溫下金屬易疲勞斷裂、蠕變“耐熱”：高溫下具有良好的抗氧化性，能保持足夠強度

5第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一提高抗氧化性：1）表面合金化處理加入合金元素（Cr、Si、A1）→氧化氣氛

→致密氧化膜→阻止氧化2）高溫涂層形成高熔點涂層（氧化物、碳化物、氮化物等）6第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一提高高溫強度：

1）加入Cr、Mo、W→增加高溫結合力（金屬鍵強）2）加入W、Mo、V→形成碳化物（WC、MoC）

→增加高溫強度。7第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一4耐熱合金的組成：

Ⅴ~Ⅶ副族元素：熔點高、硬度大8第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一5耐熱合金的常見種類1、鐵基：使用溫度＜1000℃

加入Cr、Al、Si→形成保護膜→高溫抗腐蝕性↑加入1%W、Mo→提高結晶溫度→高溫蠕變性↑

2、鎳基：使用溫度1000～1100℃

組織中基體：Ni-Cr-Co的固溶體和Ni3A1金屬化合物；

是：最優(yōu)的超耐熱金屬材料9第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一6、耐熱合金的研究現(xiàn)狀工作溫度偏低

鐵、鎳、鈷—熔點1539℃

，1453℃

，1495℃

工作溫度不超過1100℃（熔點的60%）難熔金屬鎢—3399℃，延展性、化學穩(wěn)定性好；但夾雜物影響強度和韌性，脆性大其他材料無法替代，需進一步研究

新的金屬陶瓷、高溫結構陶瓷材料出現(xiàn)

10第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一鎳基超耐熱合金的應用

我國目前消費量：12萬噸/年，應用領域航空：2萬噸，工業(yè)汽輪機：1.25萬噸，發(fā)動機及零部件汽車工業(yè)：7500噸，柴油發(fā)動機

2010年：需求將增長250%

11第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二、高溫結構陶瓷1發(fā)展背景

金屬材料（易腐蝕，高溫時不耐氧化）

→高溫結構陶瓷（耐高溫、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損）2性能特點耐高溫（比耐熱合金）；耐腐蝕（比普通陶瓷）。12第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3制備特點

原料

成型

燒成性能比較傳統(tǒng)陶瓷粘土、石粉普通成型1250℃左右燒成使用溫度低、易碎結構陶瓷合成（細磨）助燒劑，高壓成型1500~2000℃燒成

耐高溫（1500℃）耐腐蝕13第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一4應用舉例1）氧化鋁陶瓷（人造剛玉）熔點高：高級耐火材料（如坩堝、高溫爐管等）硬度大：制造剛玉磨球機透明：制作高壓鈉燈的燈管。

∴是一種極有前途的高溫結構材料。14第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2）氮化硅（Si3N4）陶瓷

優(yōu)點：

高硬、耐磨、高強、耐高溫→強共價鍵（電負相近）；耐高溫→安全使用溫度1650~1750℃，應用于火箭發(fā)動機；耐熱沖擊、抗高溫蠕變→助燒劑抗氧化→除氫氟酸外，不與其他無機酸反應；膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)大、電絕緣性好等。缺點：脆性斷裂，難燒結。ZrO2增韌：基質微裂紋，誘發(fā)相變，吸收能量，抑制裂紋擴展。15第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一上節(jié)內(nèi)容：新型結構材料

5.1高溫結構材料超耐熱合金(﹥700℃）

高溫抗腐蝕性、強度、韌性；（鐵基、鎳基）高溫結構陶瓷

耐高溫，耐腐蝕；（氧化鋁、氮化硅）

5.2輕質結構材料鋁鋰合金；纖維材料16第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一5.2輕質結構材料一、鋁鋰合金演變過程：金屬鋁→鋁合金→鋁鋰合金

1、金屬鋁密度2.69，用量之多，范圍之廣，僅次于鋼鐵

17第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

2、鋁合金1）合金化機理加Cu，Mg→固溶體強化相；加Mn→細化晶粒，提高強度和抗腐蝕性能。2）鋁合金系列Al-Mg合金（2195）：美國航天局1998年用于空間站儲存?zhèn)}（47m×8.4m)，重量減少約3.4tAl-Cu-Mg合金（2524）：提高斷裂韌性，美國用于B777機身Al-Zn-Mg-(Cu)合金（7000）：既高強度，又抗應力腐蝕

18第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、鋁鋰合金1）鋰：是世界上最輕的元素（密度0.53）；在鋁中的溶解度高。2）突出優(yōu)點：密度低,但剛性高（鋰每增加1%,密度下降3%,而剛性卻提高5%）3）應用領域：航空、航天、航海

19第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一4）鋁鋰合金的發(fā)展1924年：德國研制，但沒獲得重要成果1957年（第一代）：英國研制，含鋰1.1％的X-2020鋁合金美國用于超音速攻擊機的機翼1983年（第二代）：巴黎國際航空博覽會，美、英國宣布成功

存在問題：各向異性、不可焊、強度較低1999年（第三代）：高強可焊、低各向異性的合金相繼出現(xiàn)例：高強可焊的Weldalite系列合金低各向異性的AF/C489合金20第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一5）應用前景

鋁鋰合金成本：只是碳纖維增強塑料的1/10制造波音飛機：重量減輕14．6％；燃料節(jié)省5．4％；飛機成本下降2．1％；飛行費用降低2．2％。

21第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二、纖維材料（高強度、高模量）

1玻璃纖維1）簡介

工藝：天然礦石為原料→配料→粉磨均化

→高溫熔制→拉絲→絡紗、織布等

直徑：纖維單絲的直徑從幾~二十幾微米，相當于一根頭發(fā)絲的1/20～1/5，每束纖維有數(shù)百根甚至上千根單絲組成。22第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2）性能特點

P205優(yōu)點：比強度大，彈性模量高，電絕緣、耐腐蝕應用—復合材料的增強；電絕緣、絕熱保溫領域—電子、交通和建筑影響強度的因素：缺陷尺寸越大→缺陷越多→強度越小；夏季（溫度高，濕度大）→強度?。粔A性：影響力學性能23第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3）拉絲工藝

坩堝拉絲法（傳統(tǒng)工藝）：天然礦石→玻璃球→熔化拉絲；（二次熔化，能耗大；產(chǎn)量低，工藝參數(shù)難控）池窯拉絲法（國外引進）：從天然礦石原料到產(chǎn)品一步完成；

（產(chǎn)量高、能耗低；高品質產(chǎn)品）24第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一4）應用舉例（絕緣材料；復合材料，光導纖維）優(yōu)秀的絕緣材料（既絕緣又耐熱）

電機（器）廠：6000千瓦汽輪發(fā)電機,玻璃纖維絕緣部件1800多件；優(yōu)勢：提高電機性能；縮小體積；降低成本。25第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一玻璃纖維復合材料

玻璃鋼：玻璃布浸在熱熔的塑料中,加壓成型比鋼堅韌,不生銹,耐腐蝕,重量輕（鋼的1/4）→船只,汽車,火車外殼，機器零件。玻璃棉：玻璃熔化后,高速氣流（火焰）吹成細、短纖維超細→頭發(fā)粗的1/200

保溫→3厘米厚的玻璃棉=1米厚的磚墻其他→吸音、隔熱、防震、過濾等.26第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

光導纖維應用：電話通信成功（容量大,輸送損耗極微,干擾小,節(jié)省銅）

電視電話：傳輸圖像作材料：1）石英玻璃光纖2）多元氧化物光纖

3）非氧化物光纖4）晶體光纖27第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一光導纖維是一種由折射率較大的纖芯和折射率較小的包層構成的可以自由彎曲的導光材料。28第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一29第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一5）我國玻璃纖維現(xiàn)狀

1958年：土法生產(chǎn)為主，初期125噸/年。八十年代：總產(chǎn)量僅達到3萬噸/年左右。九十年代：引進國外先進的池窯拉絲技術，產(chǎn)量、規(guī)格品種、工藝技術和企業(yè)規(guī)模都上了新臺階。九十年代后期：全國玻璃纖維產(chǎn)量達到16萬噸，成為世界玻璃纖維生產(chǎn)大國。三大龍頭企業(yè)—山東泰山、浙江巨石、重慶，（總產(chǎn)量已達17萬噸，全行業(yè)50%）

30第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一玻璃纖維的發(fā)展產(chǎn)量：2002年我國玻璃纖維總產(chǎn)量超過34萬噸增長速度：每年以30%以上的速度增長，池窯拉絲法生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量增幅達50%以上。出口額：2002年超過12萬噸，10年翻了4番產(chǎn)品結構：中堿玻璃纖維→無堿玻璃纖維。31第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2、晶須晶須：直徑約1um，針狀單晶材料，長經(jīng)比很大（250～

2500∶1），結晶完善，強度很高。（纖維）：幾~幾十um，多晶或非晶材料，長經(jīng)比小。生產(chǎn)工藝：可從過飽氣相、熔體、溶液或固體生長。一般用氣相結晶法（工藝復雜，造價高）主要材料：金屬、氧化物、碳化物、鹵化物、氮化物、石墨和高分子化合物。主要種類：金屬晶須；陶瓷晶須P21132第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一晶須高度：取向結構不僅使其具有高強度、高模量和高伸長率，而且還具有電、光、磁、介電、導電、超導電性質。晶須強度：遠高于其他短切纖維，主要用作復合