材料化学导论新型结构材料.pptx

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1、材料化学导论新型结构材料2材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料1.高温结构材料高温结构材料1、1 超耐热合金超耐热合金 超耐热合金超耐热合金:在高温下能满意工作得金属材料。在高温下能满意工作得金属材料。航天飞机发动机得高航天飞机发动机得高压氧涡轮泵和高压氢涡轮压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上得叶片泵上得叶片,都就是都就是高高Cr-Co-W基基耐高温合金耐高温合金,通过通过定向凝固精密铸造制成。定向凝固精密铸造制成。3材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料高温材料需满足得条件高温材料需满足得条件 (1)高温下要有优良得抗腐蚀性高温下要有优良得抗腐蚀性 (2)在高温下要有较

2、高得强度和韧性在高温下要有较高得强度和韧性形成金属形成金属:第第BB族族(V,Nb,Ta)第第B族族(Cr,Mo,W)高熔点金属高熔点金属 第第B族族(Mn,Tc,Re)第第 族族(Fe,Co,Ni)耐热合金耐热合金:以以BB副族元素和第副族元素和第族元素形族元素形 成得合金。成得合金。4材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料类型类型5材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料(1)铁基合金铁基合金:高温下高温下,铁氧化铁氧化;构型转化。构型转化。铁基合金中各元素得作用铁基合金中各元素得作用 镍镍形成稳定奥氏体得主要元素形成稳定奥氏体得主要元素 铬铬提高抗氧化性和抗燃气

3、腐蚀性提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性 钼和钨钼和钨强化固溶体得晶界强化固溶体得晶界 铝、钛、铌铝、钛、铌沉淀硬化作用沉淀硬化作用基体基体:奥氏体奥氏体,主要强化相为主要强化相为 ,以及其她微量碳化物、硼化物。以及其她微量碳化物、硼化物。铁基高温合金铁基高温合金:适用于低于适用于低于800得条件得条件6材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料(2)镍基合金镍基合金:耐高温耐高温,使用时间长使用时间长,质轻。质轻。镍基超耐热合金基体镍基超耐热合金基体:镍镍,镍含量镍含量50%使用范围使用范围:7001000 镍基可溶解较多得合金元素镍基可溶解较多得合金元素,可保持其较可保持其较 好得组织稳

4、定性。含好得组织稳定性。含Cr得镍基合金比铁基得抗得镍基合金比铁基得抗 氧化性和抗腐蚀性更好。氧化性和抗腐蚀性更好。实例实例:现代喷气发动机中现代喷气发动机中,涡轮叶片几乎全部涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造采用镍基合金制造7材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料(3)钴基合金钴基合金:钴含量为钴含量为4060%得奥氏体得奥氏体,可可 在在7301100 条件下使用。条件下使用。耐热温度高。耐热温度高。一般钴基合金含一般钴基合金含1022%Ni和和2030%Cr,以及以及Mo,W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素等固溶强化元素和碳化物形成元素,含碳量高含碳量高,就是以碳

5、化物为主要强化相得超耐热合金。就是以碳化物为主要强化相得超耐热合金。应用应用:制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽 轮机得导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机轮机得导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。喷嘴。8材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料1、2 高温结构陶瓷传统陶瓷工业陶瓷原料粘土,石粉碳化硅,氮化硅工艺用水拌和,成型干燥后烧制磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或直接高压成型,烧制耐热温度130015002000特征易碎坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性研究领域高温燃气轮机9材料化学材料化学 新新 型型 结

6、结 构构 材材 料料 结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及氧化物与非金属氧化物得复合系统。1、2、1氧化物陶瓷(1)氧化铝陶瓷 一种以-Al2O3为主晶相得陶瓷材料,Al2O3含量 一般在75%99%。(2)ZrO2陶瓷 密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好,抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。10材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料1、2、2 非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷就是由金属得碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等制造得陶瓷得总称。(1)氮化物陶瓷 氮化硅 Sialon陶瓷 系列化合物得总称 氮化硼陶瓷(2)碳化物陶瓷11材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料实

7、例1:氮化硅Si3N4 x(N)=3、0,x(Si)=1、8 结构:共价键,结构稳定 性能:硬度高,熔点高,绝缘性能好合成方法:硅氮结合法 3Si+2N2 Si3N4 还原氮化法 3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO12材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料 化学气相法 3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl 或 3SiH4+4NH3 Si3N4 3SiH4+2N2H4 Si3N4+10H2 3SiH4+2N2+6Cl2 Si3N4+12HCl 热分解法 3Si(NH)2 Si3N4+4NH3 3Si(NH2)4 Si3N4+8NH3 14材料化学材料化学 新新

8、型型 结结 构构 材材 料料氮化硅(Si3N4)陶瓷,多晶材料晶体结构:六方晶系,有和 两相 相动力学上易生成,在1400 1800,高温下转化为相 相结构对称性高,摩尔体积小,就是热力学稳定相15材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料性能 高硬度,弹性模量大,高强度,耐高温,热膨胀系数小,导热系数大耐热冲击性能好,密度低,耐腐蚀,抗氧化,机械自润滑,表面摩擦系数小,电绝缘性好16材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料实例2:氧化锆ZrO2结构:室温稳定态 高温亚稳态 单斜晶型 四方晶型 作用:韧化氮化硅陶瓷材料用途:制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机

9、械构件。用于制造柴油 机中发动机部件得受热面等类型:氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷等。1170 有体积收缩17材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料2、轻型结构材料轻型结构材料2、1 铝锂合金铝锂合金定义:以铝为基添加锂(一般为3wt左右)及其她元素组成得合金称作铝锂合金。特点:密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。原因:锂得密度为0、534gcm-3,就是铝得15,钢得115。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。18材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料主要系列主要系列:Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、Al-Mg-

10、Li系。用途用途:轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金,飞机重量可以减轻816。如:B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg19铝锂合金得生产工艺铝锂合金得生产工艺铸造法铸造法(IM),应用最早。各国生产得几种比较成熟得铸造铝锂合金:美国得2090、2091和8090、8091,英国得8090和8091,法国得CP271(8090)和CP274(2091),前苏联得BA23、01420、1421等。材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料20粉末冶金法粉末冶金法(PM

11、)优点:合金成分选择范围大,可获得微细得组织 和更好得性能,现处于研究开发阶段。目前,美国联合信号公司采用这种方法研制得644B合金得力学性能与现用航空航天铝合金相当,但密度更低、比刚度更高,特别就是具有优异得低温性能。预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器得重要结构材料。材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料21机械合金化法机械合金化法(MA)原理:将机械混合粉末进行高能球磨以获得复合 粉末再经压实成材。90年代美国Incoa公司采用该方法研制得InAPAl-905XL合金(Al-Mg-Li)具有极好得抗应力腐蚀性能和热稳定性,并生产出136kg和544kg得真空热压坯料,已用于

12、美国F-18大黄蜂战斗机舱罩,机械合金化法铝锂合金因其热强度优于其她铝锂合金,可能在航天材料中占有特殊地位。材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料22铝锂合金得一个发展方向:超塑成型。目前超塑成型得主要方法就是板材吹胀法,90年代采用得超塑成型/扩散连接技术,能够使形状复杂得铝锂合金构件一次成型,并可大幅度提高结构强度,降低结构重量。英国Alcon公司报导得铝锂合金扩散连接工艺采用锌做夹层。目前铝锂合金应用存在得主要问题就是成本高、韧性和塑性较差、缺少足够得设计和使用经验。材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料23材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料

13、2、2 纤维材纤维材料料(1 1)玻璃纤维玻璃纤维性能:质轻、高强、绝缘、防腐、耐高温用途:制造纤维增强材料,可纺织、缝编,易 于与各类材料复合。因为玻纤增强材料得比强度、比模量、耐疲劳性、阻尼减震性和破损安全性都超过 高强金属性能,就是跨越传统得新型材料。24材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料 由碳基物质或纤维在惰性气体气氛中经高温碳化即可制成碳纤维和石墨纤维。在 8001600烧成碳纤维,在 25003000烧成为石墨纤维。碳纤维得含碳量为95%,石墨纤维得含碳量99%,均可制成短纤维,也可制成连续不断得长纤维,还可以织成布、带及毡等制品。(2)碳纤维碳纤维25材料化学材

14、料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料 特性:与一般碳素材料相比相同点相同点:耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀不同点不同点:外形有显著得各向异性、柔软、可加工 成各种织物,沿纤维轴方向强度很,力 学性能突出。碳纤维比重小,比强度很高。用途用途:与树脂、金属、陶瓷等基体复 合做结构材料。26材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料工业化生产碳纤维方法工业化生产碳纤维方法,按原料路线分类按原料路线分类聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 沥青基碳纤维:由沥青制取碳纤维,原料来源 丰富,碳化收率高,但因原料调制复杂、产品 性能较低,亦未得到大规模发展;粘胶基碳纤维:从粘胶纤维制取高力学性能得

15、 碳纤维必须经高温拉伸石墨化,碳化收率低,技术难度大、设备复杂,成本较高,产品主要 为耐烧蚀材料及隔热材料所用。27材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 28材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料29碳纤维得结构模型碳纤维得结构模型 Polymer Matrix posites,PMC普通型普通型 高强度型高强度型 高弹性模量型高弹性模量型按力学性能分类 高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料30 碳纤维得特点:强度和模量高、密度小;具有很好得耐酸性;热膨胀系数小,甚至为负值 具有很好

16、得耐高温蠕变性能,一般碳纤维在1900 以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维得缺点:价格昂贵,比玻璃纤维贵25倍以上 抗氧化能力较差,高温有氧存在时会生成二氧化碳。材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料31材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料(3)其她无机纤维其她无机纤维碳化硅纤维碳化硅纤维(Silicon Carbide Fibre,SF或SiCf)生产方法:有机合成法和CVD法。特点特点:高强度高模量,良好得耐化学腐蚀性、耐 高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具 有更好得高温稳定性。具有半导体性能。与金属相容性好,常用于金属基和陶瓷基 复合材料。32材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料33材料化学材料化学 新新 型型 结结 构构 材材 料料硼纤维硼纤维(Boron Fibre,BF或Bf)1958年C、P、Talley首先用CVD方法研制成功高模量得硼纤维。制备方法制备方法:在加热得钨丝表面通过化学反应沉积硼层。规格规格:硼纤维直径有100m、140m、200m几种。特点特点:具有很高得弹性模量和强度,性能受