第十一章材料的制备、强化与韧化_材料科学基础

第十一章材料的制备、强化与韧化

第一节材料制备的基本原理及方法

材料的制备重要性

●传统材料固然需要不断改进生产工艺和流程以提高产品质量、提高劳动生产率以降低成本，新材料的发展与材料加工合成技术的进步就更为密切。

●材料合成与加工中没有解决的问题就会影响新技术的使用。

●研究某一特定材料也必须对这一材料的合成与加工有所了解。

●材料的合成与加工的涵义有很大不同。

1．1金属材料的制备

1.1.1金属冶炼慨述

●火法冶炼

●湿法冶炼

●电冶金

1.1.2钢铁的冶炼

●炼铁：炼铁的过程就是从铁矿石中还原铁的过程。

●炼钢：炼钢的实质就是一个氧化有害杂质的过程。

1.1.3有色金属的冶炼

●有色金属由于化学性质相差较大，在矿物中的分布储况也各不相同，因此冶炼方法种类较多。

●轻金属常用熔盐电解成真空治金方法来提炼。

●重金属大多数可以用火法冶金或湿法冶金方法来提炼。

●稀有金属提炼方法比较复杂和困难，按照金属各自的化学性质不同，分别用火法冶金，湿法冶金或熔盐电解等方法来提炼。

●贵金属的化学性质最稳定，这些金属除用一般冶金方法来提取外，有相当部分

是从其他有色金属冶炼过程中的副产品中提取出来。

1.1.4粉末冶金概述

●粉末冶金是一种主要以金属粉未或金属粉末与非金属粉末的混合物为基本原

料，加入其他添加剂，混合后经成型和烧结以及其他后续处理工艺，制成各种材料和制品的工艺方法，故其主要工艺过程包括制粉成型和烧结。

●粉末冶金容易控制材料的组成。

●粉末冶金可直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的零件。

●粉末冶金作为一种先进的生产技术也存在一些缺陷和不足。

粉末冶金基本工艺

粉末制备方法

雾化法制取粉末

粉末冶金与其它工艺方法效益的比较

1.2 无机非金属材料的制备

传统上无机非金属材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，其习惯上又把无机非金属材料称为硅酸盐材料或陶瓷材料。

通常陶瓷是一种多晶多相的聚集体，按其致密程度可分为瓷器、炻器和陶器。

自20世纪40年代以来,涌现出一系列应用于新技术的高性能先进无机非金属材料包括结构陶瓷、复合材料、功能陶瓷(包括电子陶瓷、生物陶瓷等)、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等。

陶瓷的分类

1.2.1 陶瓷的制备原理及方法

传统的陶瓷(即普通陶瓷制品)主要是指日用陶瓷、建筑陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘（高压陶瓷）、化工陶瓷和多孔陶瓷等。

特种陶瓷又称为先进陶瓷,是一些具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。另外常把用粉末冶金生产的金属材料统称为金属陶瓷。

陶瓷的生产工艺流程

1.2.2玻璃的制备

●玻璃成分及玻璃原料

●配合料的制备、玻璃的熔制和成型

●玻璃的退火及深加工

1.2.3 水泥的制备原理及方法

硅酸盐水泥生产工艺：硅酸盐水泥的生产工艺过程大体上可以概括为“两磨一烧”。主要包括配料、混合、研磨、煅烧、磨细等基本工序。

1.2.3 水泥的制备原理及方法

水泥生产工艺比较

●按照水泥生产中生料制备方法的不同，有干法生产和湿法生产两种。

●锻烧设备是水泥生产的关键。主要有传统的间歇式立窑和大中型水泥厂普遍采用的可连续化生产的回转窑。

●与湿法长窑相比，近代干法窑(悬浮预热器窑和窑外分解窑)具有生产规模大、节约能耗及经济合理的特点。

●悬浮预热是将生料粉与从回转窑尾排出烟气混合，并使生料悬浮在热烟气中进行热交换。

●窑外分解也称为预分解。它是在悬浮预热气和回转窑之间增设一个分解炉，把大量吸热的碳酸钙分解反应从窑内传热效率较低的区域移到单独燃烧的分解炉进行。

1.2.3 水泥的制备原理及方法

窑外分解窑的流程

1.2.4耐火材料的制备原理及方法

耐火材料的生产工艺

1.3 高分子材料的制备合成

高分子材料的原料主要是来自于石油、煤、天然气以及农林业的副产物等。

目前石油和天然气已成为生产高分子材料的主要原料。

这些天然资源经过一系列化工过程，由低分子有机物（单体）聚合在一起形成高分子聚合物(这就是高分子材料或聚合物称谓的来源) 。

1.3.1高分子材料制备特点

●高分子材料成型加工绝大多数是把高分子材料加热到粘流态进行的，工艺简单、周期短、省料节能。

●高分子材料的制备包含三个层次:第一层次为聚合物合成:第二层次为聚合物粒料、粉料或块状料的制备;第三层次则是聚合物成型加工。

1.3.2高分子材料加成聚合与缩合聚合

(1).加成聚合反应：简称加聚反应，指单体通过双链的加成反应使自身聚合起来形成高分子的过程。

(2).缩合聚合反应：简称缩聚反应，它是指一种或多种单体相互作用形成聚合物，同时析出低分子化台物(如水、醇、卤化氢等)的过程。醇与酸之间的反应是典型的缩聚反应。

1.4复合材料的制备

复合材料的制造工艺首先取决于基体材料的特性。

除纤维等一些增强材料要预制外，许多复合材料的制备与制品的成型是同时完成的，复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。

1.4 1纤维的制备

（1）玻璃纤维：由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经融解后以极快的速度抽丝而成。

（2）碳纤维：以有机物为原料，采用高温烧制的方法制造。

1.4.2树脂基复合材料的制备

●手糊成型

●喷射成型

●模压成型

●缠绕成型

1.4.3金属基复合材料的制备

(1)固态法：指基体处于固体状态下制造金属基复合材料的方法，主要包括固态扩散和粉末冶金两种方法。 .

(2)液态法：指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法，有时也称为熔铸法。主要的工艺方法有压铸法、半固态复合铸造法、液态渗透法等。另外，还有挤压铸造法和喷徐与喷射沉积法等。

1.4.4陶瓷基复合材料的制备

●陶瓷基复合材料的粉末冶金法

●浆料浸渍法

●熔体浸透法

1.4.5共晶复合材料的制备

共晶复合材料是指基体材料成分为共晶或接近共晶成分，增强相以共晶形式从基体中凝固析出而形成的复合材料。