材料化學(xué)導(dǎo)論新型結(jié)構(gòu)材料

材料化學(xué)導(dǎo)論新型結(jié)構(gòu)材料1第1頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料1.高溫結(jié)構(gòu)材料2.輕型結(jié)構(gòu)材料3.超低溫材料4.超硬材料5.超塑性合金6.非晶態(tài)材料7.新制備方法開發(fā)的新材料8.工程塑料9.復(fù)合材料2第2頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料高溫結(jié)構(gòu)材料1.1超耐熱合金超耐熱合金：在高溫下能滿意工作的金屬材料。

航天飛機發(fā)動機的高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高Cr-Co-W基耐高溫合金，通過定向凝固精密鑄造制成。3第3頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料高溫材料需滿足的條件（1）高溫下要有優(yōu)良的抗腐蝕性（2）在高溫下要有較高的強度和韌性形成金屬:第ⅤB族（V，Nb，Ta）

第ⅥB族（Cr，Mo，W）高熔點金屬第ⅦB族（Mn，Tc，Re）第Ⅷ族（Fe，Co，Ni）耐熱合金：以ⅤB～ⅦB副族元素和第Ⅷ族元素形成的合金。4第4頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料類型5第5頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料（1）鐵基合金：高溫下，鐵氧化；構(gòu)型轉(zhuǎn)化。鐵基合金中各元素的作用鎳——形成穩(wěn)定奧氏體的主要元素鉻——提高抗氧化性和抗燃?xì)飧g性鉬和鎢——強化固溶體的晶界鋁、鈦、鈮——沉淀硬化作用基體：奧氏體，主要強化相為，以及其他微量碳化物、硼化物。鐵基高溫合金：適用于低于800℃的條件6第6頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料(2)鎳基合金：耐高溫，使用時間長，質(zhì)輕。鎳基超耐熱合金基體：鎳，鎳含量＞50%

使用范圍：700~1000℃

鎳基可溶解較多的合金元素，可保持其較好的組織穩(wěn)定性。含Cr的鎳基合金比鐵基的抗氧化性和抗腐蝕性更好。實例：現(xiàn)代噴氣發(fā)動機中，渦輪葉片幾乎全部采用鎳基合金制造7第7頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料（3）鈷基合金：鈷含量為40~60%的奧氏體，可在730~1100℃條件下使用。耐熱溫度高。一般鈷基合金含10~22%Ni和20~30%Cr，以及Mo，W,Ta,Nb等固溶強化元素和碳化物形成元素，含碳量高，是以碳化物為主要強化相的超耐熱合金。應(yīng)用：制作航空發(fā)動機、工業(yè)燃汽輪機、艦船燃汽輪機的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)向葉片以及柴油機噴嘴。8第8頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料1.2高溫結(jié)構(gòu)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)陶瓷原料粘土，石粉碳化硅，氮化硅工藝用水拌和,成型干燥后燒制磨成均勻細(xì)粉,與燒結(jié)助劑混合或直接高壓成型,燒制耐熱溫度1300℃1500～2000℃特征易碎堅硬,熱致伸縮小,輕,耐高溫,耐腐蝕,耐蠕變,耐機械性,耐熱沖擊性研究領(lǐng)域高溫燃?xì)廨啓C9第9頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料

結(jié)構(gòu)陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及氧化物與非金屬氧化物的復(fù)合系統(tǒng)。1.2.1氧化物陶瓷(1)氧化鋁陶瓷

一種以α-Al2O3為主晶相的陶瓷材料，Al2O3含量一般在75%~99%。(2)ZrO2陶瓷密度大、硬度高、耐火度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，抗彎強度和斷裂韌性等性能更為突出。10第10頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料1.2.2

非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷是由金屬的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷的總稱。（1）氮化物陶瓷

①氮化硅

②Sialon陶瓷

系列化合物的總稱

③氮化硼陶瓷（2）碳化物陶瓷11第11頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料實例1：氮化硅Si3N4

x(N)=3.0，x(Si)=1.8

結(jié)構(gòu)：共價鍵，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能：硬度高，熔點高，絕緣性能好合成方法：

?硅氮結(jié)合法

3Si+2N2→Si3N4

?還原氮化法

3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO12第12頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料?化學(xué)氣相法

3SiCl4+4NH3→Si3N4+12HCl

或3SiH4+4NH3→Si3N43SiH4+2N2H4→Si3N4+10H23SiH4+2N2+6Cl2→Si3N4+12HCl?熱分解法

3Si(NH)2→Si3N4+4NH33Si(NH2)4→Si3N4+8NH3

13第13頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料氮化硅(Si3N4)陶瓷，多晶材料晶體結(jié)構(gòu)：六方晶系，

有α和β

兩相

α相——動力學(xué)上易生成，在1400~1800℃，高溫下轉(zhuǎn)化為β相

β相——結(jié)構(gòu)對稱性高，摩爾體積小，是熱力學(xué)穩(wěn)定相14第14頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料性能高硬度，彈性模量大，高強度，耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大耐熱沖擊性能好，密度低，耐腐蝕，抗氧化，機械自潤滑，表面摩擦系數(shù)小，電絕緣性好15第15頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料實例2：氧化鋯ZrO2結(jié)構(gòu)：室溫穩(wěn)定態(tài)高溫亞穩(wěn)態(tài)單斜晶型四方晶型作用：韌化氮化硅陶瓷材料用途：制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構(gòu)件。用于制造柴油機中發(fā)動機部件的受熱面等類型：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化硅陶瓷等。1170℃有體積收縮16第16頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料2.輕型結(jié)構(gòu)材料2.1鋁鋰合金定義：以鋁為基添加鋰（一般為3wt％左右）及其它元素組成的合金稱作鋁鋰合金。特點：密度低、高強度、高模量以及高比強度和比剛度等。原因：鋰的密度為0.534gcm-3，是鋁的1／5，鋼的1／15。在鋁合金中增加少量鋰可使密度顯著降低。

17第17頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、

Al-Mg-Li系。

用途：輕合金中用途最廣泛。民航機上改用鋁鋰合金，飛機重量可以減輕8％～16％。如：B737將可減重2178kgB747SP可減重4200kgB747—200可減重5200kgA310可減重2600kgA340可減重3900kg18第18頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁鋰合金的生產(chǎn)工藝鑄造法(IM)，應(yīng)用最早。各國生產(chǎn)的幾種比較成熟的鑄造鋁鋰合金：美國的2090、2091和8090、8091,

英國的8090和8091,

法國的CP271(8090)和CP274(2091)，前蘇聯(lián)的BAД23、01420、1421等。

材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料19第19頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月粉末冶金法(PM)優(yōu)點：合金成分選擇范圍大，可獲得微細(xì)的組織和更好的性能，現(xiàn)處于研究開發(fā)階段。目前，美國聯(lián)合信號公司采用這種方法研制的644B合金的力學(xué)性能與現(xiàn)用航空航天鋁合金相當(dāng)，但密度更低、比剛度更高，特別是具有優(yōu)異的低溫性能。預(yù)計粉末鋁鋰合金可能成為航空、航天器的重要結(jié)構(gòu)材料。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料20第20頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月機械合金化法(MA)原理：將機械混合粉末進行高能球磨以獲得復(fù)合粉末再經(jīng)壓實成材。

90年代美國Incoa公司采用該方法研制的IncoMAPAl-905XL合金(Al-Mg-Li)具有極好的抗應(yīng)力腐蝕性能和熱穩(wěn)定性,并生產(chǎn)出136kg和544kg的真空熱壓坯料,已用于美國F-18大黃蜂戰(zhàn)斗機艙罩,機械合金化法鋁鋰合金因其熱強度優(yōu)于其它鋁鋰合金,可能在航天材料中占有特殊地位。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料21第21頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁鋰合金的一個發(fā)展方向：超塑成型。目前超塑成型的主要方法是板材吹脹法，90年代采用的超塑成型/擴散連接技術(shù)，能夠使形狀復(fù)雜的鋁鋰合金構(gòu)件一次成型,并可大幅度提高結(jié)構(gòu)強度,降低結(jié)構(gòu)重量。英國Alcon公司報導(dǎo)的鋁鋰合金擴散連接工藝采用鋅做夾層。目前鋁鋰合金應(yīng)用存在的主要問題是成本高、韌性和塑性較差、缺少足夠的設(shè)計和使用經(jīng)驗。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料22第22頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料2.2纖維材料（1）玻璃纖維性能：質(zhì)輕、高強、絕緣、防腐、耐高溫

用途：制造纖維增強材料，可紡織、縫編，易于與各類材料復(fù)合。因為玻纖增強材料的比強度、比模量、耐疲勞性、阻尼減震性和破損安全性都超過高強金屬性能，是跨越傳統(tǒng)的新型材料。23第23頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料

由碳基物質(zhì)或纖維在惰性氣體氣氛中經(jīng)高溫碳化即可制成碳纖維和石墨纖維。在800~1600℃燒成碳纖維，在2500~3000℃燒成為石墨纖維。碳纖維的含碳量為95%，石墨纖維的含碳量99%，均可制成短纖維，也可制成連續(xù)不斷的長纖維，還可以織成布、帶及氈等制品。（2）碳纖維

24第24頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料

特性：與一般碳素材料相比?相同點：耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕?不同點：外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向強度很，力學(xué)性能突出。碳纖維比重小，比強度很高。用途：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合做結(jié)構(gòu)材料。25第25頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維方法，按原料路線分類聚丙烯腈(PAN)基碳纖維瀝青基碳纖維：由瀝青制取碳纖維，原料來源豐富，碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；粘膠基碳纖維：從粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大、設(shè)備復(fù)雜，成本較高，產(chǎn)品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用。26第26頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料聚丙烯腈(PAN)基碳纖維27第27頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料28第28頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維的結(jié)構(gòu)模型PolymerMatrixComposites，PMC普通型高強度型高彈性模量型按力學(xué)性能分類高強度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料29第29頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

碳纖維的特點：?強度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值具有很好的耐高溫蠕變性能，一般碳纖維在1900℃

以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導(dǎo)電性高。碳纖維的缺點：價格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上抗氧化能力較差，高溫有氧存在時會生成二氧化碳。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料30第30頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料（3）其它無機纖維碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）生產(chǎn)方法：有機合成法和CVD法。特點：高強度高模量，良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。31第31頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料32第32頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）

1958年C.P.Talley首先用CVD方法研制成功高模量的硼纖維。制備方法：在加熱的鎢絲表面通過化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。規(guī)格：硼纖維直徑有100μm、140μm、200μm幾種。特點：具有很高的彈性模量和強度，性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強度為3.2~5.2GPa，彈性模量為

350~400GPa。耐高溫，耐中子輻射。33第33頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月缺點：工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，價格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降5%，但成本降低25%。常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。用途：主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料34第34頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料氧化鋁纖維（AluminiaFibre,AF或（Al2O3）f）氧化鋁纖維是多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。優(yōu)點：具有優(yōu)良的耐熱性（1200～1300℃

）和抗氧化性，直到370℃強度仍下降不大。缺點：在所有纖維中密度最大。用途：主要用于金屬基復(fù)合材料。35第35頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）Kevlar有機纖維（芳綸、聚芳酰胺纖維）特點：比強度、比模量高；其強度可達(dá)2800～

3700MPa；密度小，只有1.45g/㎝3；耐熱性比玻璃纖維好。它還具有優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料36第36頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料Kevlar纖維樹脂復(fù)合材料由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。性能特點:抗拉強度大于玻璃鋼，而與碳纖維―

環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相似；延性好，與金屬相當(dāng)；其耐沖擊性超過碳纖維增強塑料；其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金；減振能力為鋼的8倍。37第37頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料（5）金屬和鋼纖維類型：鎢、鉬、不銹鋼、鋁等 特點：導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性和抗沖擊性好。制備方法：拉絲加工。熔融紡絲法、擠壓法、析出法、冷卻法等制造金屬纖維的新途徑也在積極探索著。用途：常用于混凝土基復(fù)合材料。38第38頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）晶須（Wisker）晶須：具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2的單晶纖維材料。具有實用價值的晶須直徑約為1～10μm，長度與直徑比在5～1000之間。特點：含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。相對密度小，彈性模量高、高溫強度好。外形：白色、灰白色棒狀、螺旋狀或針狀、發(fā)狀材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料39第39頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

用途：作復(fù)合材料的強化劑分類：金屬晶須（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）氧化物晶須（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、

Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶須（如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）氮化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）無機鹽類晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料40第40頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月晶須的制備方法： 化學(xué)氣相沉積（CVD）法溶膠—凝膠法氣液固（VLS）法液相生長法固相生長法原位生長法材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料41第41頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料3.超低溫材料——超低溫合金把常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍稱為低溫。特殊要求：防止低溫脆性

低溫下的熱性能

非磁性合金42第42頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

超低溫合金的研究液化天然氣中使用含鎳的鋼；不銹鋼；鎳基合金；高錳奧氏體鋼；鐵錳鋁新合金鋼。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料43第43頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料44第44頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料4.超硬材料4.1硬質(zhì)合金（由Sehroter于1926年首先發(fā)明）由ⅣB,ⅤB,ⅥB族金屬和C,N,B形成的化合物，硬度和熔點特別高(>1000℃)。制備：粉末冶金方法，由WC、TiC、TaC、NbC、

VC等難熔金屬碳化物以及作為粘結(jié)劑的鐵族金屬用而成。類型：鎢鈷類，主要成分是WC和粘結(jié)劑Co

鈦鎢鈷類，主要成分是WC，TiC和Co45第45頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料碳與ⅣB,ⅤB,ⅥB族金屬所形成的碳化物金屬型碳化物：間隙固溶體特點：具有金屬光澤，導(dǎo)電，傳熱性好，硬度高，熔點高，脆性大結(jié)論：第4周期中的金屬，從第ⅣB族開始，自左及右，其碳化物穩(wěn)定性依次降低。

Ti，V的碳化物穩(wěn)定。

Cr、Mn、Fe的碳化物穩(wěn)定性較差。

Co、Ni的碳化物不大穩(wěn)定。

Cu不能形成碳化物。46第46頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料氮、硼與金屬所形成的氮化物、硼化物金屬型碳化物：間隙固溶體特點：導(dǎo)電，傳熱性好，硬度高，熔點高形成元素：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Mo，

V及Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，47第47頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月目前的研究熱點(1)細(xì)化晶粒

通過細(xì)化硬質(zhì)相晶粒度、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、強度、耐磨性等均可提高，達(dá)到完全致密化所需溫度也可降低。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料48第48頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5μm，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5μm以下

(亞微米、納米級)。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強度可提高600～800MPa。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料49第49頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的晶粒細(xì)化工藝方法：物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體沉積法、機械合金化法等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細(xì)化工藝方法。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料50第50頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)涂層硬質(zhì)合金

在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(HighVelocityOxy-FuelThermalSpraying)(高速火焰噴涂)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金的綜合性能。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料51第51頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)表面、整體熱處理和循環(huán)熱處理

對強韌性較好的硬質(zhì)合金表面進行滲氮、滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質(zhì)合金進行整體熱處理，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度，從而提高硬質(zhì)合金的強度和韌性。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料52第52頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)添加稀有金屬碳化物

在硬質(zhì)合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物，可使添加物與原有硬質(zhì)相WC、TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)，從而進一步強化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大、增強組織均勻性等作用，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P、K、M類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號中較多)。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料53第53頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)添加稀土元素

在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有所改善。稀土元素可強化硬質(zhì)相和粘結(jié)相，凈化晶界，并改善碳化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性。這類硬質(zhì)合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料54第54頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料4.2超硬陶瓷

?人造金剛石金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高溫半導(dǎo)體特性等多種優(yōu)良性能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密加工，特別適合加工非金屬硬脆材料。55第55頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月制備原理：依據(jù)在5-7萬大氣壓，1200℃-1800℃

溫度的條件下,碳元素就會結(jié)晶成為金剛石這個原理用合金片作觸媒使外加的壓力和溫度降低,達(dá)到將碳轉(zhuǎn)為金剛石的目的。用途：金剛石的用途十分廣泛，用量較大的是礦山、地質(zhì)、煤田勘探，公路建設(shè)、建材、國防等行業(yè)及高精尖科研領(lǐng)域。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料56第56頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料?立方晶體氮化硼(白石墨)：與石墨相似立方氮化硼(CBN)硬度僅次于金剛石。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達(dá)1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。目前CBN還是以燒結(jié)體形式進行制備，但仍是適合鋼類材料切削、具有高耐磨性的優(yōu)良刀具材料。

CBN具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。57第57頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料

?碳化硅（金剛砂）晶體結(jié)構(gòu)：與金剛石相似性能：熔點2827℃

，硬度接近金剛石；藍(lán)黑色、發(fā)珠光晶體，化學(xué)性能穩(wěn)定制備：SiO2+3C→SiC+2CO類型：綠碳化硅，含SiC97％以上，主要用于磨硬質(zhì)合金的工具黑碳化硅，有金屬光澤，強度比綠碳化硅大而硬度較低，含SiC95％以上，主要用于磨鑄鐵和非金屬材料58第58頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料?人造寶石紅寶石和藍(lán)寶石的主要成分都是Al2O3(剛玉)。紅寶石呈紅色，其中混有少量含鉻化合物；藍(lán)寶石呈藍(lán)色，其中混有少量含鈦、鐵化合物。

1900年，科學(xué)家曾用氧化鋁熔融后加入少量氧化鉻的方法，制出了質(zhì)量為2g-4g的紅寶石（人造剛玉）?，F(xiàn)在，已經(jīng)能制造出大到10g的紅寶石和藍(lán)寶石。。

59第59頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料5.超塑性合金超塑性現(xiàn)象：金屬在某一小的應(yīng)力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。合金的超塑性現(xiàn)象：用適當(dāng)?shù)臏囟群洼^小的應(yīng)變速率，使金屬產(chǎn)生300％以上的平均延伸率的現(xiàn)象。

機理：超細(xì)晶粒存在晶界60第60頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料類型（1）微細(xì)晶粒超塑性（恒溫超塑性）特征：?發(fā)生超塑性的溫度高

?對變形速度的依賴性大

?能實現(xiàn)在低壓力下的固相結(jié)合

?減振能力強（2）相變超塑性61第61頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用（1）高變形能力的應(yīng)用（2）固相結(jié)合能力的利用（3）減振能力的利用材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料62第62頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料實用超塑性合金（1）鋅基超塑合金63第63頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料實用超塑性合金（2）鋁基超塑性合金64第64頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料實用超塑性合金（3）鎳基超塑性合金65第65頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料6.非晶態(tài)金屬材料6.1基本特征（1）非晶態(tài)形成能力對合金組成的依賴性（2）結(jié)構(gòu)的長程無序和短程有序性（3）熱力學(xué)的亞穩(wěn)性66第66頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料6.2性能與用途

（1）高強度高韌性的力學(xué)性能（2）高導(dǎo)磁、低鐵損的軟磁特性（3）耐強酸、強堿腐蝕的化學(xué)特性（4）非晶態(tài)催化劑（5）其他——超導(dǎo)性、高磁致伸縮、低居里溫度、高磁能積、垂直各向異性等67第67頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料68第68頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料7.納米材料

類型:?納米超微粒子：粒子在1～100nm間的超微顆粒?納米固體材料：由納米超微粒子制成的固體材料。特點：具有表面效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)

宏觀量子隧道效應(yīng)69第69頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月特性：特殊的力學(xué)性質(zhì)特殊的熱學(xué)性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì)特殊的磁性引人注目的化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料70第70頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.工程塑料8.1ABS塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料）ABS（AcrylonitrileButadieneStyrene）樹脂：是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三種成分組成的一群耐沖擊性熱塑性樹脂的總稱。71第71頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月ABS的成分：樹脂相（AS）、橡膠相（PS）的

兩相不均勻聚合物。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料AS組分：提高表面光澤度、耐熱性、耐化學(xué)性和加工性能，但抗沖擊韌性下降。PB組分：提高彈性和抗沖擊性，但耐熱性、剛性不足。ABS樹脂：集合了三種單體的優(yōu)良性質(zhì)。苯乙烯：有光澤、電性能、成型性；丙烯腈：耐熱性、剛性、耐油性；丁二烯：耐沖擊性。72第72頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月ABS樹脂的優(yōu)點（1）有優(yōu)越的耐沖擊強度，特別是在低溫有無與倫比的沖擊強度，熱變形溫度高（2）電性能、耐化學(xué)藥品性、耐油性好，易電鍍（3）加工適應(yīng)性好，注射成型、擠出成型、模壓成型等所有的加工方法都可以，尺寸穩(wěn)定性好，耐堿性，耐應(yīng)力開裂性也好材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料73第73頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月ABS樹脂的用途（1）殼體材料：廣泛用于制造電話機、移動電話、復(fù)印機、傳真機、玩具及廚房用品等的殼體。（2）汽車配件：方向盤、儀表盤、風(fēng)扇葉片、擋泥板、手柄及扶手等。（3）機械配件：ABS可用于制造齒輪、泵葉輪、軸承、把手、管材、管件、蓄電池槽及電動工具殼材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料74第74頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月ABS樹脂的主要缺點（1）透明性不好

ABS樹脂的構(gòu)成是AS樹脂的連續(xù)相中分布橡膠粒子，這種二相不均勻體系結(jié)構(gòu)中的樹脂與橡膠的折射率不一樣，在界面上折射、散射結(jié)果使其不透明。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料75第75頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月改善透明性的方法A、用混煉的方法使聚合物透明?；炀毧墒箻渲拖鹉z的折射率在一定范圍內(nèi)相近。B、或者使橡膠粒子必須小到不引起可見光散射的程度。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料透明ABS

透明ABS是由甲基丙烯酸甲酯（MMA）-苯乙烯-丙烯腈三元共聚物和聚丁二烯兩者混煉而成。76第76頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）耐候性差丁二烯中存在著雙鍵，成為ABS樹脂耐候性不好的根源。內(nèi)雙鍵鄰接的-CH2-上的H，由于光和氧發(fā)生氧化反應(yīng)，使主鏈與主鏈交聯(lián)。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料

改善耐候性的方法A、將丁二烯橡膠用不含雙鍵的其他彈性體代替。B、加入抗老化和抗氧化的光穩(wěn)定劑等，雖然不能從根本上解決問題，但是是通常采用的方法。77第77頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月光穩(wěn)定劑光屏蔽劑：反射吸收紫外線，如碳黑、氧化鋅。紫外線吸收劑：吸收紫外線并通過分子內(nèi)部變化將光能轉(zhuǎn)化為振動能，再以熱能傳遞出去。光淬滅劑：將激發(fā)態(tài)光敏劑分子上的額外能量通過分子內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能。

S*(激發(fā)態(tài)光敏劑)+Q(淬滅劑)S+Q*Q+熱能自由基捕捉劑：使自由基失去活性，可歸入抗氧劑。材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料78第78頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.2聚酰胺PA（俗稱尼龍）聚酰胺：具有許多重復(fù)的酰胺基團（）的一大類聚合物結(jié)構(gòu)：特征：熱塑性塑料，具有較高的強度、沖擊韌度和自潤滑性能，耐磨性最佳。絕緣性也好。

用途：常用于做機器零件和耐磨襯套。79第79頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.3聚碳酸酯PC聚碳酸酯：分子鏈中含有碳酸酯的一類聚合物類型：種類很多，目前大規(guī)模生產(chǎn)的是雙酚A

（4’4-二羥基二苯基丙烷）型聚碳酸酯。合成方法：?光氣法（溶液法）

?酯交換法（熔融縮聚法）80第80頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料特點：可結(jié)晶；具有特別高的韌性、硬度和抗沖、抗張、抗壓、抗彎曲強度；具有金屬的機械強度；玻璃的光學(xué)性質(zhì)；在長期負(fù)荷下工作蠕變性小、疲勞強度高，電絕緣性能優(yōu)良，無毒，81第81頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.4聚甲醛POM聚甲醛：，是繼尼龍之后發(fā)展的優(yōu)良工程塑料。

特點：原料單一，來源豐富，具有良好的物理、機械和化學(xué)性能，尤其是優(yōu)異的耐摩擦性能。用途：可代替各種有色金屬和合金，在汽車、機床、電器制品、容器、精密機械等方面得到廣泛應(yīng)用。82第82頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.5聚砜PSF聚砜：結(jié)構(gòu)中含有砜基的聚合物。結(jié)構(gòu)：特點：穩(wěn)定，耐溫、耐蠕變，柔順，在高溫下也能保持其在常溫下所具有的各種機械性能和硬度。電氣性能良好，有自熄性，對無機酸、堿和鹽等穩(wěn)定。83第83頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.6聚酯聚酯：主鏈上含有許多重復(fù)酯基的一大類聚合物。（1）飽和聚酯

?聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）

結(jié)構(gòu)84第84頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料特點熱塑性飽和聚酯，結(jié)晶度高，分子鏈的剛度大、彈性好、尺寸穩(wěn)定性好、透明性及電性能優(yōu)越。用途汽車、機械設(shè)備的零部件，如閥門、儀表罩、車燈支架、齒輪等；電子電氣零部件，如繼電器、開關(guān)、電容等；產(chǎn)品半數(shù)以上用于膠片片基、磁帶、包裝、絕緣材料和畫報薄膜等。85第85頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料（1）飽和聚酯

?聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）

結(jié)構(gòu)

特點：吸水率低，尺寸穩(wěn)定性好，耐摩擦性，機械性能優(yōu)越。

用途：機械零件，家用電器。86第86頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料（2）不飽和聚酯典型類型：間苯二甲酸型不飽和聚酯

特點：熱固性工程塑料，堅硬，不溶，不熔，耐腐蝕。用途：機械零件，家用電器；玻璃鋼用于電鍍、造紙、石油化工設(shè)備等87第87頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月材料化學(xué)新型結(jié)構(gòu)材料8.7含氟塑料含氟塑料：脂肪烴主鏈上