材料制备新技术

hot-pressing
Al2O3/5vol%Ni
Mechanism of Al2O3/MetalNanocomposites
1200 Fracture Strength (MPa) 1000 800 600 400 200 0 0.0 0.2 0.4 0.6
● ■ ○
Vf = 5 vol%
Al 2 O3 monolith
αm < αP & inter-type
(Al2O3/Ni, Co, etc.)
Magnetic Properties
Al2O3/5vol%Ni Nanocomposites
0.8 0.6
ZrO2/5vol%Ni Nanocomposites
80.0 60.0
Magnetization (T)
0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1
TiB2/Fe叠层复合材料制备装备 /Fe叠层复合材料制备装备
3000 a b a 1500 a a 0 20 30 40 50 60 70 80 a b a a a b a TiB2 b Fe
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： 薄膜材料在现代工业和技术中扮演着越来越重要的角色：
0.2 -0.02 0 0.02
I (emu/gof Ni)
40.0 20.0 0.0
6.0 -0.20 -0.10 0.0 0.100 0.20
-20.0 -40.0 -60.0
4.0 2.0 0.0 -2.0
275.67 kOe (Hc = 137.8 Oe)
0
-0.2
-4.0 -6.0
0
0.1
Al 2 O3 /Ni Nanocomposites Al 2 O3 /Co Nanocomposites
Strength Strength variation obeys HallPetch relations. Higher strength compared to the monolithic Al2O3 with same matrix grain size.
是减少成形体中气孔，增强颗粒间结合， 是减少成形体中气孔，增强颗粒间结合，提高材料物 理化学性能的工艺过程
主要的烧结方法： 主要的烧结方法：
常压烧结： 常压烧结： 气压烧结： 气压烧结： 真空烧结 热压烧结 热等静压
特殊烧结技术：微波烧结、等离子放电烧结（SPS） 特殊烧结技术：微波烧结、等离子放电烧结（SPS）
单位成本： 单位成本： 制备技术的发展， 制备技术的发展，成本逐渐降低
世界各国相当重视材料制备新技术的研究开发
日本：材料加工研发投入占总科研投入的18％。 日本：材料加工研发投入占总科研投入的18％。 18
材料加工技术在世界处于领先水平，导致日本的电子技术、汽车、 材料加工技术在世界处于领先水平，导致日本的电子技术、汽车、 钢铁、造船、通讯技术等领域处于世界领先水平。 钢铁、造船、通讯技术等领域处于世界领先水平。
材料制备新技术发展的重要意义
制备新材料的关键技术
新型镁合金、 新型镁合金、ITO(In-Sn Oxide)膜、钛合金 膜 薄板， 薄板，
发现新的物理－－化学现象的源泉 发现新的物理－－化学现象的源泉 －－
材料科学是多学科交叉的前沿, 陶瓷超塑性, 材料科学是多学科交叉的前沿 陶瓷超塑性 纳米材料和纳米效应
Al2O3 grain
metal particle
Mechanism Fine matrix grain size and narrow grain size distribution. Most dispersion located at grain boundaries Localized residual stress formed by TEC mismatch. Thus tangential compressive stress strengthens G.B.
材料制备主要发展方向之一是： 材料制备主要发展方向之一是：
材料合成加工一体化、材料结构材料合成加工一体化、材料结构-功能一体化
Al2O3-Ni的制备 的制备， 纳米复合材料 Al2O3-Ni的制备，
Synthesis of Al2O3/Ni Nano-Composites NanoAl2O3/Ni-nitrate calcining Al2O3/NiO reduction Al2O3/Ni
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
热压烧结
特种材料制备技术
燃烧合成与材料制备技术
SelfSelf-propagating High-temperature Synthesis High• Quick Process
Ignitor
• High Temp. • Low Energy Consumption
Product Combustion Zone Pre-heated Zone Reactants
原料的制备与处理 是获得优良陶瓷制品的前提 微细化、 微细化、高纯化 材料成型 成型 是获得精密结构和形状的关键 精密成型、 精密成型、近净成型 高温烧结 是保证材料最终性能的关键 低温高效烧结 后期加工 是保证零件最终精度的关键 特种加工技术
成型技术：模压、挤出、等静压成型、注浆成型等 成型技术：模压、挤出、等静压成型、 烧结技术： 烧结技术：
薄膜材料制备技术发展极快
电化学沉积薄制备技术 离子注入和离子束沉积制备技术 激光表面处理 物理气相沉积 化学气相沉积
现代高技术和 材料合成技术 的集成技术
外延生长法薄膜制备技术
微波技术在材料中的应用
利用材料分子或基团在微波场中快速震动产生热量的 原理，进行材料加工和制备。 原理，进行材料加工和制备。
吴建生，上海交通大学出版社） 材料制备新技术 （吴建生，上海交通大学出版社） 杨惠智，机械工业出版社） 工程材料及成型工艺基础 （杨惠智，机械工业出版社） 微波等离子化学气相沉积膜金刚石 （周健 王零森，中南工业大学出版社） 特种陶瓷 （王零森，中南工业大学出版社） 吴人杰，天津大学出版社） 复合材料 （ 吴人杰，天津大学出版社） 材料加工新技术于新工艺 (谢建新,冶金工业出版社) 谢建新,冶金工业出版社) 中国建材工业出版
New Functions : Superplasticity
现代高技术集成的典范
材料的微波技术、半导体加工、燃烧合成 材料的微波技术、半导体加工、燃烧合成, 快 速凝固、 速凝固、超塑性加工等
现代社会和经济发展的支撑
燃料电池、航天飞机、信息技术、 燃料电池、航天飞机、信息技术、太阳能技术
例如：太阳能技术：多晶Si----单晶 例如：太阳能技术：多晶 单晶Si----Si薄膜 薄膜-----非Si薄膜 非 薄膜 单晶 薄膜
0.2
0.3
0.4
-80.0 -10.0
-5.00
0.00
5.00
10.0
Applied magnetic field (MA/m)
H (kOe)
• Ferromagnetism of TM(Ni, Co) remained in the nanocomposites • Coercive force is larger than pure metal
材料加工(processing): 材料加工(processing): 通过控制材料的原子和分子以形成具有一定 形状的材料、 形状的材料、功能和结构部件
材料加工的概念和范畴拓展，内容更广泛： 材料加工的概念和范畴拓展，内容更广泛：
金属冶炼、钢材轧制、陶瓷成型与烧结、 金属冶炼、钢材轧制、陶瓷成型与烧结、 高聚物的纺丝、 高聚物的纺丝、薄膜材料的成膜等
材 料 先 进 制 备 技 术
王 为 民
(wangwm@hotmail.com)
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
第一讲 概述
材料制备： 材料制备：材料合成 材料加工
材料合成(Synthesis)： 材料合成(Synthesis)： (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。 有功能的材料。
金刚石的合成：石墨＋触媒＋高温高压－－金刚石 金刚石的合成：石墨＋触媒＋高温高压－－金刚石 －－ 轰击石墨－－－ －－－富勒希笼球 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
材料合成过程快
• 工艺设备简单，投资少 工艺设备简单， • 合成温度高，冷却速度快，温度梯度大 合成温度高，冷却速度快， • 能耗少，原材料来源广泛 能耗少， 可制备各种材料，包括: 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 /Fe叠层复合材料的制备及结构特点
特点：快速、温度场均匀、无接触污染、 特点：快速、温度场均匀、无接触污染、应用范围大 应用：烧结、材料合成、 应用：烧结、材料合成、薄膜制备等
本课程的学习要求
特点：信息量大，涉及面广。 特点：信息量大，涉及面广。 要求：自主学习、查阅资料、消化吸收 要求：自主学习、查阅资料、 主要参考资料：学术期刊（可上网查阅） 主要参考资料：学术期刊（可上网查阅）
1.6
0.8
1.0
-1/2
1Hale Waihona Puke Baidu2
-1/2
1.4 )
(Al 2 O 3 grain size)
(µm
Fracture strength vs. matrix grain size for Al2O3/metal (Ni and Co) nanocomposites and Al2O3-monolith. compressive stress
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：
Key Words：in-situ Structure Control Words：inSimilar feature Al2O3/Co, Al2O3/Cu, Al2O3/Ni-Co, MgO/Ni, MgO/Co, MgO/Fe, ZrO2/Ni NiO used as a starting powder
1967提出基本理论 1967提出基本理论 A . G . Merzhanov I . P . Borovinskaya
也称为自蔓延高温合成（Self燃烧合成 :也称为自蔓延高温合成（Self-Propagating
HighHigh-
简称SHS），是利用化学反应放出的热量 SHS）， temperature Synthesis 简称SHS），是利用化学反应放出的热量 来完成材料合成与加工的一种先进的材料制备技术。 来完成材料合成与加工的一种先进的材料制备技术。 其主要特点是： 其主要特点是： •