新一代金属材料—Next+Generation+Metal+Ma王自东分析

金属功能材料制备与成形研究室
北京科技大学
University of Science and Technology Beijing
金属功能材料制备与成形研究室
提
纲
1、 定义 2、候选材料 3、纳米复合材料 4、纳米弥散相获得的理论基础 5、铜基纳米复合材料的微观组织 6、铜基纳米复合材料的力学性能 7、结论
新一代金属结构材料—Next Generation Metal Materials
王自东
北京科技大学材料学院
北京科技大学
University of Science and Technology Beijing
汇报提纲
研究室名称和人员组成 研究室定位发展目标和主要任务 研究方向对学科发展的作用 研究室成员工作业绩和成果水平 拟任首席教授的综合能力和贡献
2、候选材料
细晶、微晶材料
纳米晶金属材料 金属基复合材料
非晶材料
金属纳米复合材料
2.1 细晶、微晶材料
材料的抗拉强度提高20~30%，延伸率 有下降，但下降的幅度较小
从制备工艺来看， 快速凝固方法 大变形的方法
机械合金化的方法
wk.baidu.com 与大工业生产的接轨，难度较大
2.2 纳米材料
2.纳米弥散相增强金属材料制备技术
金属材料的增强、 增韧是一对矛盾 增强——强度提 高塑性下降 增韧——塑性提 高强度下降 如何做到增强同时增 韧或增强时塑性不下 降？ 纳米增强技术
20nm
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bandgap
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Frequency/Hz
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4.连续定向凝固制备技术
制备具有连续柱状晶或单晶组织的 铜管材 铜及铜合金杆线材
光学性能： 纳米晶粒吸光能力强； 光吸收率大
电学性能：电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属 向绝缘体转变 ，磁场中材料电阻的减小非常明显 磁学性能： 纳米晶粒的磁各向异性与粗晶粒材料有显著的区别
热学性能：纳米微粒的熔点、烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多
纳米材料的制备方法
气相合成与制备纳米材料 将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或者在衬底上沉积和生长出低维纳米材料的方法。 主要包括物理气象沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。 用来制备纳米粉体、纳米丝和生长出超晶格薄膜和量子点。
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二、定位发展目标和主要任务
主要从事金属凝固、加工成形过程中的理论与工艺控制 研究工作，包括：胞、球晶生长理论；高性能纳米弥散相增 强合金；连续定向凝固技术，制备高性能铜及铜合金管线材、 铝及铝合金丝材，陀螺仪上用银包铝丝，特种功能用银包铜 丝等特种丝材和超细丝材；特种铸造技术，如制备高强高导
性阶段的胞、枝晶生长和球晶生长中的动力学过程
以及界面稳定性等进行深入细致的研究。该项研究 是应用数学、材料科学与凝聚态物理学交叉领域的 前沿课题。其解决对材料制备加工工艺的改进与终 端产品质量的提高等均具有重大而深远的意义。
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3.声子晶体制备及其振动带隙特性研究
机械振动广泛存在于 航空航天、机械动力、交 通运输等各个领域中，抑 制有害振动一直是工程技 术中迫切需要解决的问题, 其中小尺寸、低频减振降 噪仍然是难以解决的问题 之一,而声子晶体有望解 决这一难题。
60 40
amplitud/dB
20 0 -20 -40 -60 0
机械合金化法(Mechanical Alloying,MA)
又可以称为机械研磨(Mechanical Milling,MA)，指的是利用机械球磨方法 制备纳米材料的方法。 MA常用的设备为高能研磨机，有搅拌式、振动式、振摆式等。
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专利
王自东等.一种在钢液中形成纳米颗粒的制备技术. 200910089679.5 林国标, 王自东, 张鸿等.一种提高Cu-Cr系铜合金强度和导电率的热处理方法. 200910085266.X 林国标, 王自东等.一种铜合金反重力铸造升液管. 20091009685.0 王强松，王自东，谢建新，张鸿等.一种耐高压铸造铜合金. 专利 号:200710176461. 申请日：2007年10月29日. 公开号: CN 101148714 王强松,王自东,谢建新, 张鸿等. 一种高强耐压铸造铜合金. 申请号： 200810114812. 申请日：2008.6.12. 公开号: CN 101289715
量子效应
纳米晶粒尺寸降到一定程度，其声、电、光、磁、热及 超导性与宏观特性有着显著地不同。
表面效应
纳米微粒具有尺寸小、比表面积大、表面能高等特点，其活性极高， 遇到其他原子很快结合，使其稳定化。
纳米材料的力学性能
弹性模量比常规晶粒材料的弹性模量降低了30%～50% 硬度或强度是同成分传统晶体(晶粒＞1μm)金属硬度或强度的2 ～7倍
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Chen Mingwen, Wang Zidong, Xu Jian-Jun, The evolution and morphological stability of a spherical crystal, Science in China E, 2008, 51(3): 225~ 243. ISSN: 1006-9321; SCI收录, EI收录 陈明文, 王自东, 孙仁济, 远场来流对过冷熔体中球晶生长的影响, 物理学报, 2007, 56(3): 1819~1823. ISSN: 1000-3290. SCI收录 EI收录 Zhang Hong, Wang Zidong, Xie Jianxin, Chen Yajun, Wang Yingwei. Crystal Preferential Orientation Analysis of Al-1.0wt%Si Alloy in Continuous Unidirectional Solidification Process. Transactions of Nonferrous Metals Society of china. 2006, 16(S3): s1518-s1522; SCI收录 陈明文，王自东，徐鉴君. 球晶的演化和形态稳定性. 中国科学E辑：技术科 学. 2007, 36(5): 644-660
在拉应力状态下，纳米晶金属塑性很低，但在压应力状态下， 纳米晶金属表现出很高的塑性和韧性
名称
粗晶铜 纳米晶体铜 (36nm)
屈服强度 (MPa)
抗拉强度 (MPa)
断后延伸率 (%)
弹性模量 (GPa)
84
130
40
127
118
237~450
2~6
84
纳米材料的性能
力学性能： 纳米晶强化效应； 强度大； 纳米陶瓷材料具有超塑性
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成果应用
短流程高效制备铜管技术的项目已完成 中试阶段、工程化技术与设备研究开发工作，
已在中铝洛铜公司设计、制造并安装了工程
化装备及相应的工装。完成了六流、拉坯速 度2.5～4m/h制备铜管坯的有负荷试车工作。
铜合金铸件等；结构与功能一体化高性能阻尼钢——结构用
高阻尼减振钢板，框架用高阻尼减振工字钢，减振降噪用声 子晶体材料等。 金属功能材料制备与成形研究室
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三、研究方向对学科发展的作用 主要研究方向
金属凝固理论
纳米弥散相增强金属材料制备技术 声子晶体材料 连续定向凝固制备技术（铜管材等）
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1. 金属凝固理论
用解析的方法对材料制备加工中常见的生长过 程（如定向凝固与自由凝固系统内）发生的强非线
铝及铝合金线材等
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代表性论文

ZidongWang, XuewenWang, Qiangsong Wang, I Shih and J J Xu. Fabrication of a nanocomposite from in situ iron nanoparticle
纳 米 材 料 基 本 特 征
A 纳米材料的定义
B C D
纳米材料的基本效应
纳米材料的性能与应用
纳米材料的制备方法
纳米材料定义和分类
• • • 纳米材料定义 组成相或晶粒结构长度尺寸控制在100nm以下的材料。 纳米材料组成的基本（组成）单元可以是原子团簇、纳米微粒、纳米线、 或纳米膜。它既包括金属材料，也可以包括无机非金属材料和高分子材料。 纳米材料的四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。
液相法合成与制备纳米材料 特点：将材料所需组分溶解在液体中形成均相溶液，然后通过反应沉淀得到所需要 的组分的前驱物，再经过热分解得到所需物质。 主要包括沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法、电解沉积法、水解法、溶剂蒸发法。 多用来制备纳米粉体。
固相法合成与制备纳米材料： 机械合金化(Mechanical Alloying,MA)、固相反应(Solid Reaction,SR)、大塑性变形 (Severe Plastic Deformation,SPD)SPD法可以采用压力扭转和等通道挤压两种方式实 现。 非晶晶化(Crystallization of Amorphous Materials,CAM) 表面纳米化 由卢柯等人提出。特点：固体材料在不发生熔化、气化的情况下使原 始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程
从结构角度看，纳米材料可分为： ①零维纳米材料：纳米颗粒、原子团簇 ②一维纳米材料：纳米丝、纳米棒、纳米管等 ③二维纳米材料：超薄膜、多层膜等 ④三维纳米材料：纳米相材料
纳米材料的基本效应
小尺寸效应
当纳米材料组成相的尺寸较小时，材料的性能会发生变化，当 组成相的尺寸小到某一临界尺寸时，材料性能将发生明显的变化。
reinforced copper alloy，Nanotechnology ，2009, 20 : 075605; SCI
收录, EI收录 Chen Mingwen, Wang Zidong, Xu Jian-Jun, Xie Jianxin, The effect of far field flow on a spherical crystal growth in the undercooled melt, Acta Mechanica Sinica, 2008, 24: 681~689. (DOI: 10.1007/s10409-008-0169-7) ISSN: 0567-7718; SCI收录, EI收录
一、定义
新一代金属结构材料：
从应用最广泛的铝、钢和铜材料来看，需 要材料的抗拉强度提高50~100%，延伸率 和其他的力学性能、物理性能、化学性能 保持在原有材料的水平。
制备方法简单、可靠，要与现在的大工业 生产结合起来
环境友好、节约资源和能源
研究新一代金属结构材料的意义
据计算，材料的强度提高0.5~1倍，制造同 样件，可节约10~20% 的材料，这就相当 5~10年，可以节约一座炼铜厂、炼铝厂和 炼钢厂 对提高武器装备的档次，对提高武器装备 的可靠性、安全性有着重要的实际意义 减小环境污染、节能、减排、节约资源等 都有重要的意义