材料制备新技术(许春香) 第一章 快速凝固技术..
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材料合成与制备新技术PPT课件
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11
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
• 水解反应：M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xR-OH • 缩聚反应：(OR)n-1M-OH + HO-M(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O
金属无机盐
价格低廉、易产业化 受金属离子大小、电位性及配位数等多种因素影响
31
4. 溶胶-凝胶工艺参数
水解度的影响
物质量比
水 解 度 R≥2 ， TEOS 水 解 反 应 使大部分的-OR基团脱离，产 生-OH基团，形成了部分水解 的带有-OH的硅烷，在这些部 分水解的硅烷之间容易反应 形成二聚体，这些二聚体不 再进行水解，而是发生交联 反应形成三维网络结构，从 而缩短了凝胶化时间.
9
胶体稳定原理-DLVO理论 颗粒间的范德华力 双电层静电排斥能
粒子间总作用能
VT VAVR
➢ 溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面 存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结 从而降低表面能的趋势。
➢ 增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增 加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2) 利用空 间位阻效应；(3)利用溶剂化效应。
匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等优点 。
可以用于制备各种光学透镜、功能陶瓷块、梯度折射率玻璃等 。
成本较高，生产周期长，故不适宜材料大规模的生产 。
17
2.多孔材料
多孔材料是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
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2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
• 水解反应：M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xR-OH • 缩聚反应：(OR)n-1M-OH + HO-M(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O
金属无机盐
价格低廉、易产业化 受金属离子大小、电位性及配位数等多种因素影响
31
4. 溶胶-凝胶工艺参数
水解度的影响
物质量比
水 解 度 R≥2 ， TEOS 水 解 反 应 使大部分的-OR基团脱离，产 生-OH基团，形成了部分水解 的带有-OH的硅烷，在这些部 分水解的硅烷之间容易反应 形成二聚体，这些二聚体不 再进行水解，而是发生交联 反应形成三维网络结构，从 而缩短了凝胶化时间.
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胶体稳定原理-DLVO理论 颗粒间的范德华力 双电层静电排斥能
粒子间总作用能
VT VAVR
➢ 溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面 存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结 从而降低表面能的趋势。
➢ 增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增 加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2) 利用空 间位阻效应；(3)利用溶剂化效应。
匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等优点 。
可以用于制备各种光学透镜、功能陶瓷块、梯度折射率玻璃等 。
成本较高，生产周期长，故不适宜材料大规模的生产 。
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2.多孔材料
多孔材料是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
材料制备新技术
材料制备新技术
材料制备是现代工业生产中的重要环节，随着科技的不断发展，新的材料制备
技术也不断涌现。
本文将介绍一些新的材料制备技术，以及它们在各个领域的应用。
首先，我们来谈谈纳米材料制备技术。
纳米材料是一种具有纳米级尺寸的材料，具有特殊的物理、化学性质，广泛应用于材料科学、生物医学、能源等领域。
目前，常见的纳米材料制备技术包括溶胶-凝胶法、气相沉积法、机械合金化法等。
这些
技术能够制备出具有特殊形貌和性能的纳米材料，为各个领域的应用提供了新的可能性。
其次，我们介绍一些新型涂层材料的制备技术。
涂层材料是一种能够在材料表
面形成一层保护膜或功能膜的材料，具有防腐、耐磨、导热等特性。
近年来，随着纳米技术和薄膜技术的发展，新型涂层材料的制备技术也在不断创新。
例如，磁控溅射法、离子束溅射法、原子层沉积法等技术能够制备出高质量、高性能的涂层材料，为航空航天、汽车制造、电子器件等领域提供了新的解决方案。
另外，我们还要介绍一些生物材料制备技术。
生物材料是一种能够与生物体相
容并发挥特定功能的材料，具有广泛的应用前景。
目前，生物材料制备技术主要包括生物降解材料制备、生物仿生材料制备、生物活性材料制备等。
这些技术能够制备出具有良好生物相容性和功能性的材料，为医疗器械、组织工程、药物传递等领域带来了新的发展机遇。
综上所述，材料制备新技术的不断涌现为各个领域的发展带来了新的机遇和挑战。
我们相信随着科技的不断进步，新的材料制备技术将会不断涌现，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
材料制备新技术共27页文档
高分子复合材料:工程塑料
制备技术:
机械粉碎法
蒸发凝聚法
溶胶—凝胶法（Sol-Gel法）
气相反应法
材料成型与烧结
材料要获得最终的使用性能必须进行成型。 绝大多数材料要经过的主要加工工艺环节包括：
原料的制备与处理 材料成型 高温烧结
后期加工
是获得优良陶瓷制品的前提 微细化、高纯化
是获得精密结构和形状的关键 精密成型、近净成型
第一讲 概述
材料制备：材料合成 材料加工
材料合成(Synthesis)：
通过物理和化学的方法组合原子或分子以形成 有功能的材料。
金刚石的合成：石墨＋触媒＋高温高压－－金刚石
富勒希笼球 C60: Laser 轰击石墨－－－富勒希笼球 C60 高温高压
h-BN ----- ---- ----- c-BN
薄膜材料及制备技术
薄膜材料在现代工业和技术中扮演着越来越重要的角色：
结构材料：耐磨部件（水轮机叶片、数控刀片）
功能材料：光电子器件 信息存储介质
光全息存储 金属铋、锑等薄膜，
As-Se-Ge系、Te-As-Ge系薄膜
光盘存储材料 基质上涂覆铁系或钴系
磁光薄膜：TbFe DyFe DyCo等。
薄膜材料制备技术发展极快
其主要特点是： • 材料合成过程快 • 工艺设备简单，投资少 • 合成温度高，冷却速度快，温度梯度大 • 能耗少，原材料来源广泛
可制备各种材料，包括: 粉末材料 块体材料 薄膜材料 涂层材料 特殊结构的复合材料
具有特殊结构的复合材料的制备
TiB2/Fe叠层复合材料的制备及结构特点
TiB2/Fe叠层复合材料制备装备
材料加工(processing): 通过控制材料的原子和分子以形成具有一定
制备技术:
机械粉碎法
蒸发凝聚法
溶胶—凝胶法（Sol-Gel法）
气相反应法
材料成型与烧结
材料要获得最终的使用性能必须进行成型。 绝大多数材料要经过的主要加工工艺环节包括：
原料的制备与处理 材料成型 高温烧结
后期加工
是获得优良陶瓷制品的前提 微细化、高纯化
是获得精密结构和形状的关键 精密成型、近净成型
第一讲 概述
材料制备：材料合成 材料加工
材料合成(Synthesis)：
通过物理和化学的方法组合原子或分子以形成 有功能的材料。
金刚石的合成：石墨＋触媒＋高温高压－－金刚石
富勒希笼球 C60: Laser 轰击石墨－－－富勒希笼球 C60 高温高压
h-BN ----- ---- ----- c-BN
薄膜材料及制备技术
薄膜材料在现代工业和技术中扮演着越来越重要的角色：
结构材料：耐磨部件（水轮机叶片、数控刀片）
功能材料：光电子器件 信息存储介质
光全息存储 金属铋、锑等薄膜，
As-Se-Ge系、Te-As-Ge系薄膜
光盘存储材料 基质上涂覆铁系或钴系
磁光薄膜：TbFe DyFe DyCo等。
薄膜材料制备技术发展极快
其主要特点是： • 材料合成过程快 • 工艺设备简单，投资少 • 合成温度高，冷却速度快，温度梯度大 • 能耗少，原材料来源广泛
可制备各种材料，包括: 粉末材料 块体材料 薄膜材料 涂层材料 特殊结构的复合材料
具有特殊结构的复合材料的制备
TiB2/Fe叠层复合材料的制备及结构特点
TiB2/Fe叠层复合材料制备装备
材料加工(processing): 通过控制材料的原子和分子以形成具有一定
材料制备新技术PPT课件
材料制备新技术
（4）机械合金化（Mechanical Alloying, MA） 高能球磨，颗粒与颗粒之间、颗粒与球之间强烈、频
繁的碰撞，产生颗粒间反复的冷焊和断裂。
（5）高温自蔓延合成技术（Self-Propagation HighTemperature Synthesis, SHS）
利用原料间的化学反应热来进行化合物粉的合成，也 可以用于烧结、焊接、涂层。
激光束一层一层烧结粉末。 快速原型制作技术。
材料制备新技术
（3）热振荡活化烧结（Heat Shock Activated Sintering） （4）微波烧结（Micro Wave Sintering）
材料制备新技术
（5）等离子体烧结（Plasma Sintering） 放电等离子体烧结、等离子体活化烧结、脉冲电流
制得粉末：球形，粒 度分布窄，粒度小（小于 50微米）
材料制备新技术
（ 3 ） 真 空 雾 化 （ Vacuum Atomization） 一定气压下，含有过饱和气 体的金属熔体突然暴露于真空 中由于气体的迅速膨胀使液体 金属雾化成粉。 也称为熔体气体雾化 （Soluble Gas Atomization）； 熔体爆炸雾化（Melt Explosion Technique）
材料制备新技术
2.1.3 烧结新技术 （1）电场活化烧结（Field Activated Sintering Technique）
电场活化烧结技术(FAST)是指在烧结时施加电场。 施加电场可以固结难以烧结的粉末，比传统烧结温度 低、时间短、制品密度高、质量好。 （2）选择激光烧结（Selective Laser Sintering）
材料制备新技术
(8)树脂传递模塑
材料制备新技术
（4）机械合金化（Mechanical Alloying, MA） 高能球磨，颗粒与颗粒之间、颗粒与球之间强烈、频
繁的碰撞，产生颗粒间反复的冷焊和断裂。
（5）高温自蔓延合成技术（Self-Propagation HighTemperature Synthesis, SHS）
利用原料间的化学反应热来进行化合物粉的合成，也 可以用于烧结、焊接、涂层。
激光束一层一层烧结粉末。 快速原型制作技术。
材料制备新技术
（3）热振荡活化烧结（Heat Shock Activated Sintering） （4）微波烧结（Micro Wave Sintering）
材料制备新技术
（5）等离子体烧结（Plasma Sintering） 放电等离子体烧结、等离子体活化烧结、脉冲电流
制得粉末：球形，粒 度分布窄，粒度小（小于 50微米）
材料制备新技术
（ 3 ） 真 空 雾 化 （ Vacuum Atomization） 一定气压下，含有过饱和气 体的金属熔体突然暴露于真空 中由于气体的迅速膨胀使液体 金属雾化成粉。 也称为熔体气体雾化 （Soluble Gas Atomization）； 熔体爆炸雾化（Melt Explosion Technique）
材料制备新技术
2.1.3 烧结新技术 （1）电场活化烧结（Field Activated Sintering Technique）
电场活化烧结技术(FAST)是指在烧结时施加电场。 施加电场可以固结难以烧结的粉末，比传统烧结温度 低、时间短、制品密度高、质量好。 （2）选择激光烧结（Selective Laser Sintering）
材料制备新技术
(8)树脂传递模塑
材料制备新技术
1材料制备新技术-快速凝固技术20180904
注：雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线 法等非晶、微晶材料制备过程中，试件尺寸很小， 故凝固层内部热阻可以忽略（即温度均匀），界面 散热称为主要控制环节。
通过增大散热强度，使液态金属以极快的速率降温，可实现 快速凝固。
最常见的急冷法是极冷模法
1 2 3 4
5 6 7 8 9
10
此法是用真空吸注、真空 压力浇注、压力浇注等方 法将熔融金属压入急冷模 穴，达到快凝。 难点：熔体有可能在急冷 模入口处凝固 优点：可得到给定直径或 厚度的线材。 急冷法只能在薄膜、细线 及小尺寸颗粒中实现。
4）快速凝固可导致非平衡的相结构产生；（包括新相和扩大已
有的亚稳相范围。）
5）形成非晶态；（适当选择合金成分，以降低熔点和提高玻璃化温度Tg，
而成为玻璃态或称非晶态）
6）高的点缺陷密度；（快速凝固中，由于温度的聚然下降而使点缺
陷密度无法恢复到正常的平衡状态，则会较多地保留在固体金属中，造成~）
1.1 快速凝固概述
q2 S GTS
（1-2） （1-3）
而 q3 hsvs
（1-4）
式中,λ L,λ S分别为液相和固相的热导率﹔ GTL,GTS分别为凝固界面附近液相和固相中的温度梯度； △h为结晶潜热，也称为凝固潜热；
VS为凝固速率； ρ S为固相密度。
将式（1-2）至式（1-4）带入式（1-1）
则可求得凝固速率为：
表1-1 不同雾化工艺的凝固速率和粉末质量比较；
工艺
粉末粒度 /μm
亚音速雾化
1~500
超音速雾化
1~250
旋转电机雾化 100~600
离心雾化
1~500
气体溶解雾化 1~500
平均粒 度 /μm
《快速凝固与新材料》课件
的使用效果和安全性。
02
新材料的种类与特性
新材料的分类
按功能分类
01
如导电材料、磁性材料、Байду номын сангаас学材料等。
按应用领域分类
02
如建筑用材料、航空航天材料、生物医用材料等。
按制备方法分类
03
如金属材料、复合材料、陶瓷材料等。
新材料的特性
高强度
具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受 较大的压力和负荷。
耐高温
04
快速凝固制备新材料的 应用实例
快速凝固制备新材料在航空航天领域的应用
总结词
提高材料性能，降低成本
详细描述
快速凝固技术制备的新材料在航空航天领域具有广泛的应用，如钛合金、铝合金等。这些新材料具有 优异的力学性能、耐腐蚀性和高温性能，能够提高航空航天器的结构强度和寿命，同时降低制造成本 。
快速凝固制备新材料在汽车工业领域的应用
挑战
快速凝固技术需要高效率的冷却系统和精确的控制技术，设 备成本较高。此外，快速凝固材料的加工和连接技术也是一 大挑战。
解决方案
加强科研投入，提高快速凝固技术的成熟度和稳定性。同时 ，研究新型的快速凝固设备和方法，降低设备成本。针对加 工和连接问题，开展相关研究，开发适用于快速凝固材料的 加工和连接技术。
具有较好的耐热性能，能够在高温环境下保 持稳定的性能。
轻质化
具有较低的密度，能够减轻产品的重量，提 高产品的便携性和机动性。
良好的加工性能
易于加工和制造，能够满足各种复杂形状和 尺寸的要求。
新材料的开发与应用
新材料的开发
通过实验和理论研究，不断探索和发 现新的材料，并对其性能进行优化和 改进。
新材料的应用
02
新材料的种类与特性
新材料的分类
按功能分类
01
如导电材料、磁性材料、Байду номын сангаас学材料等。
按应用领域分类
02
如建筑用材料、航空航天材料、生物医用材料等。
按制备方法分类
03
如金属材料、复合材料、陶瓷材料等。
新材料的特性
高强度
具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受 较大的压力和负荷。
耐高温
04
快速凝固制备新材料的 应用实例
快速凝固制备新材料在航空航天领域的应用
总结词
提高材料性能，降低成本
详细描述
快速凝固技术制备的新材料在航空航天领域具有广泛的应用，如钛合金、铝合金等。这些新材料具有 优异的力学性能、耐腐蚀性和高温性能，能够提高航空航天器的结构强度和寿命，同时降低制造成本 。
快速凝固制备新材料在汽车工业领域的应用
挑战
快速凝固技术需要高效率的冷却系统和精确的控制技术，设 备成本较高。此外，快速凝固材料的加工和连接技术也是一 大挑战。
解决方案
加强科研投入，提高快速凝固技术的成熟度和稳定性。同时 ，研究新型的快速凝固设备和方法，降低设备成本。针对加 工和连接问题，开展相关研究，开发适用于快速凝固材料的 加工和连接技术。
具有较好的耐热性能，能够在高温环境下保 持稳定的性能。
轻质化
具有较低的密度，能够减轻产品的重量，提 高产品的便携性和机动性。
良好的加工性能
易于加工和制造，能够满足各种复杂形状和 尺寸的要求。
新材料的开发与应用
新材料的开发
通过实验和理论研究，不断探索和发 现新的材料，并对其性能进行优化和 改进。
新材料的应用
厦门大学专业研究生培养方案
主要内容为数理统计的发展历史，概率论的基本概念，抽样和抽样 分布，数据挖掘（参数估计，假设检验，方差分析，回归分析）和实验 设计。课程重点为基本原理的阐明与软件的使用，具有较强的实用性。
通过本课程的学习，使学生数理统计的基本概念，了解数据挖掘和 实验设计的基本理论和方法，培养学生运用统计方法分析和解决实际问 题的能力，基本掌握利用 SPSS 软件进行各种统计分析和数据处理。
注：每门课程都须填写此表。本表不够可加页。
3
课程内容纲要
课程名称 课程英文名称
课程类型 课程级别 总学时
材料现代分析测试技术
Modern Analysis and Testing Technology of Materials
专业学位
开课时间
秋季
工程硕士
学分
3
54
中文内容简介
本课程以分析测试技术的能力培养为目标，以应用实例为主线，重 点介绍了材料的 X 射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微镜 分析和电子探针微区分析，同时介绍了光谱分析、热分析、扫描探针显 微镜和 X 射线光电子能谱等常用分析测试手段。
to be confirmed
to be confirmed
3
54
C
to be confirmed
3
54
C
to be confirmed
3
54
C
to be confirmed
1
18
C
to be confirmed
1
18
C
to be confirmed
2
36
C
to be confirmed
2
36
C
to be confirmed
通过本课程的学习，使学生数理统计的基本概念，了解数据挖掘和 实验设计的基本理论和方法，培养学生运用统计方法分析和解决实际问 题的能力，基本掌握利用 SPSS 软件进行各种统计分析和数据处理。
注：每门课程都须填写此表。本表不够可加页。
3
课程内容纲要
课程名称 课程英文名称
课程类型 课程级别 总学时
材料现代分析测试技术
Modern Analysis and Testing Technology of Materials
专业学位
开课时间
秋季
工程硕士
学分
3
54
中文内容简介
本课程以分析测试技术的能力培养为目标，以应用实例为主线，重 点介绍了材料的 X 射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微镜 分析和电子探针微区分析，同时介绍了光谱分析、热分析、扫描探针显 微镜和 X 射线光电子能谱等常用分析测试手段。
to be confirmed
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3
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C
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3
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材料制备与加工新技术-快速凝固
• 长大中熔体内存在两类微观原子运动：
某些因涨落面有较高能量的原子跳跃到固液界面上的 运动，宏观表现是固液界面局部瞬时向前推进； 固液界面上某些原子在做无规运动时又跳回熔体中， 宏观表现是已凝固晶体局域瞬时熔化；
20
• 当T=Tm时，这两类原子运动处于动态平衡状态，既 不进一步长大也不进一步熔化。
26
• 1950年，特思布尔成功采用大过冷技术中的熔滴弥 散法，使熔体弥散成小熔滴消除形核媒质以形成近 似均匀形核的条件，研究了某些纯金属的固液界面 能、过冷度等凝固参数和形核等凝固过程。 • 近年来发展的无容器电磁悬浮熔化凝固技术，进一 步提高了熔体凝固前可以达到的过冷度。
磁悬浮熔炼
27
快速凝固的产生和发展 • 1952年，福尔肯哈根和豪夫曼首先把固态淬火和铸 造两种工艺的优点结合起来，使熔体通过传导的方 式散热，提高传热速度。 • 他们把熔化的铝合金滴到浸在液氮中的铜模上使之 迅速凝固，得到很高的凝固冷速，使过渡族金属元 素在铝中的固溶度有明显提高。
15
• 满足形核的热力学条件只为形核进行提供了必要条 件，这种可能性要变成现实还必须同时满足形核的 动力学条件。 • 假定在凝固时晶核的形状是球形，半径为r，由于在 晶核形成的同时晶核与熔体之间会形成新的固液界 面，这将使系统增加固液界面能，因此系统中总能 量变化实际为：
4 3 G r G v 4r 2 SL 3
22
• 单位体积中的晶粒数与形核率I、长大速度R之 间一般有以下关系：
I 3/ 4 N 0.9 （ ） R
• 对一定成分的合金熔体，提高冷速从而增大凝 固过冷度可以明显细化晶粒； • 在熔体中加入形核剂，促进非均匀形核进行， 也可显著提高形核率，达到细化晶粒目的。
材料制备新技术
结构材料：耐磨部件（水轮机叶片、数控刀片） 结构材料：耐磨部件（水轮机叶片、数控刀片） 功能材料：光电子器件 功能材料： 信息存储介质 金属铋、锑等薄膜， 光全息存储 金属铋、锑等薄膜，
As-Se-Ge系、Te-As-Ge系薄膜 系 系薄膜
光盘存储材料
基质上涂覆铁系或钴系 磁光薄膜： 磁光薄膜：TbFe DyFe DyCo等。 等
制备技术: 制备技术:
机械粉碎法 蒸发凝聚法 溶胶—凝胶法 Sol-Gel法 凝胶法（ 溶胶 凝胶法（Sol-Gel法） 气相反应法
材料成型与烧结
材料要获得最终的使用性能必须进行成型。 材料要获得最终的使用性能必须进行成型。 绝大多数材料要经过的主要加工工艺环节包括： 绝大多数材料要经过的主要加工工艺环节包括：
材 料 先 进 制 备 技 术
王 为 民
(wangwm@)
武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室
课程的主要内容
1、概述 2、粉末材料的加工和制备新技术 3、先进的成型 4、先进的烧结 5、燃烧合成技术 6、薄膜材料及制备技术
粉末材料及其加工和制备
粉末材料：绝大多数材料都以粉末状材料为原料。 粉末材料：绝大多数材料都以粉末状材料为原料。 粉末材料的特性很大地影响最终材料的性能。 粉末材料的特性很大地影响最终材料的性能。 纯度、粒度、形状 纯度、粒度、 陶瓷材料： 陶瓷材料： ZrO2, Al2O3, TiC, Si3N4, SiC, BN 金属基复合材料: Al—SiC, CuFe金属基复合材料: Al SiC, Cu-Al2O3, Fe-TiC 功能复合材料：磁性复合材料, 导电复合材料，摩擦材料。 功能复合材料：磁性复合材料, 导电复合材料，摩擦材料。 高分子复合材料: 高分子复合材料:工程塑料
材料工程基础讲稿-2011-新技术
(6)可形成稳态相，也可制备出一系 列的纳米晶材料和过饱和固溶体等亚稳 态材料。 (7)能实现弥散、固溶和细晶三位一 体的强化机制。 (8)可诱发在常温或低温下难以进行 的固-固(S-S)，固-液(S-L)和固-气(S-G)多 相化学反应。
15
2.2 机械合金化原理
1.基本原理
在磨球的碰撞冲击和摩搓的作用下，粉末发生强 烈的塑性变形并破碎，形成洁净的原子化表面，在压 力作用下相互冷焊在一起，形成复合颗粒。（复合颗 粒的产生） 复合颗粒变形、破碎，反复的焊合与破碎就形成 了具有多层结构的复合颗粒，且平均尺寸不断细化， 形成了无数的扩散-反应偶。（层细化、扩散-反应偶） 应力应变和大量点阵缺陷（空位、位错、晶界等） 的产生，使系统储能很高，每摩尔达十几千焦，粉末 活性被大幅度提高；同时，磨球及颗粒相互之间的碰 撞瞬间会造成界面温升，这些变化不仅可以促进界面 处的扩散，而且可以诱发某些系统的多相化反应，最 终导致均匀合金的形成。 （能量升高促进扩散和化学 反应） 16
4
2.1 机械合金化工艺过程及特点
机械合金化是利用机械作用(如球磨及冷轧) 使原料发生强烈的变形及粉碎。并在不断的变 形、粉碎及焊合的循环中发生合金化，形成均 匀成分的合金。 在普通球磨条件下，原料会产生变形及破 碎，并在较大尺度上实现均匀化，要发生机械 合金化，必须在高能球磨条件下才能实现。由 于是在机械作用下实现合金化，因而其产物与 普通熔配的合金不同，其工艺过程也与粉末冶 金方法有所差异。
23
纳米晶材料的形成机制： 在高应变速率下，由位错密集网络组成的 切变带的形成是主要的形变机制。这些变形集 中的切变带宽约0.1～1µ m，球磨初期位错密度 增大，原子级应变亦随之增大。当达到某一位 错密度时，晶粒解体为由小角度晶界分隔的亚 晶粒并导致原子级水平应变下降。继续球磨， 切变带中的亚晶粒进一步细化到最终晶粒尺寸， 晶粒间的相对取向演变为大角度晶界的无规则 取向。由于纳米晶粒本身位错密度极低，当粉 末达到完全纳米晶结构时，开动纳米晶粒内的 位错需要克服极大的阻力，因此以后的变形主 要通过晶界的滑动来实现，最终形成无规则取 向的纳米晶材料。
快速凝固理论及材料制备方法
热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避免或消除金 属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功，抑制均 质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规凝固条件下难以 达到的过冷度。
对于深过冷熔体，其凝固过程不受外部散热条件所控制，生 长速度可以达到甚至超过激冷凝固过程中的晶体生长速度。熔 体深过冷却获得，理论上不受液态金属体积限制。因此，深过冷 是实现三维大体积液态金属快速凝固最为有效的途径。
- 29 -
应用技术
周书和，刘 明，孙占红，迟志艳：金属快速凝固理论及材料制备方法
（3）扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元
素的固溶极限。因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固
溶强化作用，也可以使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化作
用。
（4）快速凝固可导致非平衡相结构产生。包括新相和扩大已
坠T（x，t） 坠x
其中 τ 为弛豫时间，λ 为热导率，q 为热流密度。
1.1.2 激光加热过程中金属的非 Fourier 传热与相变的数学
考虑一有限厚度的金属平板被脉冲激光加热熔凝，采用非
Fourier 传热模型时控制方程为：
1 c2
坠2T 坠t2
+
1 α
坠T 坠t
=
坠2T 坠x2
+
1 λ
g（x，t）+
3 结论
快速凝固过程中，冷却速度大大超过一般的凝固过程，传统 的传热学模型已经不适合，需要考虑导热系数和弛豫时间等因 素的作用。快速凝固技术的主要分为是动力学急冷、热力学急冷 以及快速定向凝固法，根据相应的基本理论，发展出了许多能制 备出性能优良非平衡凝固材料的快速凝固技术。
Metal Rapid Solidification Theory and Manufacturing Technique
对于深过冷熔体，其凝固过程不受外部散热条件所控制，生 长速度可以达到甚至超过激冷凝固过程中的晶体生长速度。熔 体深过冷却获得，理论上不受液态金属体积限制。因此，深过冷 是实现三维大体积液态金属快速凝固最为有效的途径。
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应用技术
周书和，刘 明，孙占红，迟志艳：金属快速凝固理论及材料制备方法
（3）扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元
素的固溶极限。因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固
溶强化作用，也可以使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化作
用。
（4）快速凝固可导致非平衡相结构产生。包括新相和扩大已
坠T（x，t） 坠x
其中 τ 为弛豫时间，λ 为热导率，q 为热流密度。
1.1.2 激光加热过程中金属的非 Fourier 传热与相变的数学
考虑一有限厚度的金属平板被脉冲激光加热熔凝，采用非
Fourier 传热模型时控制方程为：
1 c2
坠2T 坠t2
+
1 α
坠T 坠t
=
坠2T 坠x2
+
1 λ
g（x，t）+
3 结论
快速凝固过程中，冷却速度大大超过一般的凝固过程，传统 的传热学模型已经不适合，需要考虑导热系数和弛豫时间等因 素的作用。快速凝固技术的主要分为是动力学急冷、热力学急冷 以及快速定向凝固法，根据相应的基本理论，发展出了许多能制 备出性能优良非平衡凝固材料的快速凝固技术。
Metal Rapid Solidification Theory and Manufacturing Technique
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2）晶体生长前方的溶液中没有稳定的结晶核心。
1.4 快速凝固制备工艺
1.4.1 气体雾化法 气体雾化法制备粉末，是利用气体的冲击力作用于熔融液
流，使气体的动能转化为熔体的表面能，从而形成细小的
液滴并凝固成粉末颗粒。 粉末质量不高的主要原因： 1）有较高的气孔率，所以密度较低； 2）粉末颗粒有卫星组织，粉末颗粒间的组织不一致；
轮上；
2）平面流铸造法。
Hale Waihona Puke 1.4 快速凝固制备工艺1.4.2 液态急冷法
1
氩气
3
氩气 2 3 4 5 6
4
8 7 6
7
(ａ) 自由喷射熔液自旋工艺 (ｂ) 平面流铸工艺 图1-3 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺原理示意图 1-压力计； 2-排气阀； 3-坩埚； 4-感应加热线圈； 5-合金液； 6-金属薄带； 7-淬冷辊轮； 8-喷嘴
主要应用：液相微粒的雾化法，经过净化处理的大体积液 态金属的快速凝固。
1.3 实现快速凝固途径
1.3.3 定向凝固法 定向凝固是使熔融合金沿着与热流相反的方向，按照要求 的结晶取向凝固的一种铸造工艺。 定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。 铸件定向凝固需要两个条件： 1）热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；
3）粉末颗粒度不均匀，合格粉末收得率低。
粉末颗粒度较宽，有小于1m的， 也有0.5mm的。收得率< 1/4
1.4 快速凝固制备工艺
1.4.2 液态急冷法 液态急冷法是将液流喷到辊轮的内表面或辊轮的外表面或
板带的外表面来获得条带材料的方法。 最常见的是单辊法：
1）自由喷射溶液自选发，即液流自由的喷射到转动的辊
1.5.2 金属线材的快速凝固 玻璃包覆熔融纺线法
图1-5 玻璃包覆纺线法快速凝固原理图
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5.2 金属线材的快速凝固
合金溶液注入快冷法
回转水纺线法
图1-6 Kavesh法线材快速凝固原理图 1，7-导流管；2-喷嘴；3-合金液；4-感应加热器； 5-稳流罩；6-分散器；8-泵
5）形成非晶态； 6）高的点缺陷密度；
1.1 快速凝固概述
快速凝固主要性能特点：
1）力学性能；
2）物理性能；
1.2 快速凝固的物理冶金基础
定向凝固和体积凝固
（a）定向凝固 (b)体积凝固 图1-1 两种典型的凝固方式 q1-自液相导人凝固界面的热流密度；q2-自凝固界面导人固相的热流密；
Q-铸件向铸型散热热量
凝。 1）只改变组织结构，不改变成分；
如：表面上釉、表面非晶化等。 2）即改变成分，有改变组织结构 如：表面合金化、表面喷涂后激光快速溶凝、离子注入后
激光快速溶凝等。
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5.1 金属粉体的快速凝固 水雾化法 气雾化法 喷雾沉积法
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5.3 金属带材的快速凝固
单辊法
（又称为甩出法）
图1-9 单辊法制备快速凝固薄带原理图 1-激冷辊；2-感应加热器；3-排气阀；4-压力表；5-带材
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5.3 金属带材的快速凝固
单辊法
（又称为甩出法）
图1-10 单辊法制备复合带材 1-单辊；2、5-合金液；3、4-坩埚；6-感应加热器；7-复合薄带
特点：一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相（非晶、
准晶、微晶和纳米晶）。
过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差ΔT.
ΔT = T0 – Tn (T0理论结晶温度，Tn实际结晶温度）
1.1 快速凝固概述
快速凝固材料的主要组织特征：
1）细化凝固组织，使晶粒细化；
2）减小偏析； 3）扩大固溶极限； 4）快速凝固可导致非平衡的相结构产生；
1.3 实现快速凝固途径
1.3.1 急冷法 动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术： 原理： 通过(1)减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比 (2)减小熔体与热传导性很好的冷却的界面热阻以及加快热 传导散热。
注：雾化法、单辊法、双辊法、旋转圆盘法及纺线法等非晶、
微晶材料制备过程中，试件尺寸很小，故凝固层内部热阻可 以忽略（即温度均匀），界面散热称为主要控制环节。
1.3 实现快速凝固途径
1.3.1 急冷法 最常见的急冷法是极冷模法
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
图1-2急冷模法示意图 1-真空出口；2-绝热冷却剂容器；3-冷却池；4-铜模； 5-模穴；6-垫圈；7-基板；8-压紧螺帽；9-射入管；10-铝箔
1.3 实现快速凝固途径
1.3.2 深过冷法 深过冷法是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或 合金液中的异质晶核的形成作用，增加临界形核功，抑制 均质形核作用，是的液态金属或合金获得在常规凝固条件 下难以达到的过冷度。
材料制备新技术
- 许春香
- 材料物理专业
第1章 快速凝固技术
1.1 快速凝固概述 1.2 快速凝固的物理冶金基础 1.3 实现快速凝固过程的传热 1.4 快速凝固制备工艺 1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.6 快速凝固其他新型合金材料
1.1 快速凝固概述
快速凝固：液相-固相， 冷却速率> 105 ~ 106 K/s
1.4 快速凝固制备工艺
1.4.2 液态急冷法 合金溶液与棍面接触时形成熔潭（如图）：
3 A 1 4 5 6
3 4 1 5 6
H
φu 2
φd
Ic
2
(ａ) 自由喷射熔液自旋工艺
(ｂ) 平面流铸工艺
图1-4 自由喷射熔液自旋工艺和平面流铸工艺形成的熔潭示意图
1.4 快速凝固制备工艺
1.4.3 束流表层急冷法 用激光束、电子束和离子束等方法可以进行表面层快速熔
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5.2 金属线材的快速凝固
回转水纺线法
图1-7 回转水纺线法线材快速凝固原理图 1-旋转鼓；2-冷却水；3-喷嘴；4-喷射液柱；5-加热器
1.5 快速凝固技术在金属材料中的应用
1.5.2 金属线材的快速凝固
传送带法
图1-8 传送带法线材快速凝固原理图 1-冷却水喷嘴；2-带沟槽传送带；3-导引带；4-加热器；5-导引鼓；6-坩埚； 7-合金液；8-喷嘴；9-驱动滑轮；10-液流稳定器；11-线材；12-绕线机； 13-集水箱；14-喷射合金熔液柱；15-输送泵；16-流量计；17-压缩机