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1、1,材料化学 新 型 结 构 材 料,1. 高温结构材料 2. 轻型结构材料 3. 超低温材料 4. 超硬材料 5. 超塑性合金 6. 非晶态材料 7. 新制备方法开发的新材料 8. 工程塑料 9. 复合材料,2,材料化学 新 型 结 构 材 料,高温结构材料 1.1 超耐热合金 超耐热合金：在高温下能满意工作的金属材料。,航天飞机发动机的 高压氧涡轮泵和高压氢 涡轮泵上的叶片，都是 高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成。,3,材料化学 新 型 结 构 材 料,高温材料需满足的条件 （1）高温下要有优良的抗腐蚀性 （2）在高温下要有较高的强度和韧性 形成金属: 第B族（V，N
2、b，Ta） 第B族（Cr，Mo，W） 高熔点金属 第B族（Mn，Tc，Re） 第 族（Fe，Co，Ni）,耐热合金：以BB副族元素和第族元素形 成的合金。,4,材料化学 新 型 结 构 材 料,类型,5,材料化学 新 型 结 构 材 料,（1）铁基合金：高温下，铁氧化；构型转化。 铁基合金中各元素的作用 镍形成稳定奥氏体的主要元素 铬提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性 钼和钨强化固溶体的晶界 铝、钛、铌沉淀硬化作用 基体：奥氏体，主要强化相为 ， 以及其他微量碳化物、硼化物。 铁基高温合金：适用于低于800的条件,6,材料化学 新 型 结 构 材 料,(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超
3、耐热合金基体：镍，镍含量50% 使用范围：7001000 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造,7,材料化学 新 型 结 构 材 料,（3）钴基合金：钴含量为4060% 的奥氏体，可 在7301100 条件下使用。 耐热温度高。 一般钴基合金含1022%Ni和2030%Cr，以及 Mo，W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素， 含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。 应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽 轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷
4、嘴。,8,材料化学 新 型 结 构 材 料,1.2 高温结构陶瓷,9,材料化学 新 型 结 构 材 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的复合系统。 1.2.1氧化物陶瓷 (1)氧化铝陶瓷 一种以-Al2O3为主晶相的陶瓷材料， 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 新 型 结 构 材 料,1.2.2 非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷是由金属的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷的总称。 （1）氮化物陶瓷 氮化硅 Sialon陶瓷 系列化合物的总称 氮化硼陶
5、瓷 （2）碳化物陶瓷,11,材料化学 新 型 结 构 材 料,实例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+6CO,12,材料化学 新 型 结 构 材 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(
6、NH2)4 Si3N4+8NH3,13,材料化学 新 型 结 构 材 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， 是热力学稳定相,14,材料化学 新 型 结 构 材 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,15,材料化学 新 型 结 构 材 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
7、轮机叶片、机械密封环、 永久性模具等机械构件。用于制造柴油 机中发动机部件的受热面等 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,16,材料化学 新 型 结 构 材 料,2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt左右） 及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的15， 钢的115。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。,17,材料化学 新 型 结 构 材 料,主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg
8、-Li系。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3900kg,18,铝锂合金的生产工艺 铸造法(IM)，应用最早。 各国生产的几种比较成熟的铸造铝锂合金： 美国的2090、2091和8090、8091, 英国的8090和8091, 法国的CP271(8090)和CP274(2091)， 前苏联的BA23、01420、1421等。,材料化学 新 型 结 构 材 料,19,粉末冶金法(PM) 优点：合金成分选择范围大，可
9、获得微细的组织 和更好的性能，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的644B合金的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，特别是具有优异的低温性能。 预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器的重要结构材料。,材料化学 新 型 结 构 材 料,20,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的IncoMAPAl -905XL合金(Al-Mg-Li)具有极好的抗应力腐蚀性能和热稳 定性,并生产出136kg和544kg的真空热压坯料,已用于美国 F-18大黄蜂战斗机舱罩,机械合金
10、化法铝锂合金因其热强 度优于其它铝锂合金,可能在航天材料中占有特殊地位。,材料化学 新 型 结 构 材 料,21,铝锂合金的一个发展方向：超塑成型。 目前超塑成型的主要方法是板材吹胀法，90 年代采用的超塑成型/扩散连接技术，能够使形状 复杂的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公司报导的铝 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的主要问题是成本高、韧性和塑性较差、缺少足够的设计和使用经验。,材料化学 新 型 结 构 材 料,22,材料化学 新 型 结 构 材 料,2.2 纤维材料,（1）玻璃纤维 性能：质轻、高强、绝缘、防腐、耐高温用途
11、：制造纤维增强材料，可纺织、缝编，易 于与各类材料复合。 因为玻纤增强材料的比强度、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，是跨越传统的新型材料。,23,材料化学 新 型 结 构 材 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 800 1600烧成碳纤维，在 25003000烧成为石 墨纤维。 碳纤维的含碳量为95%，石墨纤维的含碳 量99%，均可制成短纤维，也可制成连续不断 的长纤维，还可以织成布、带及毡等制品。,（2）碳纤维,24,材料化学 新 型 结 构 材 料,特性：与一般碳素材料相比 相同点：耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀
12、 不同点：外形有显著的各向异性、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：与树脂、金属、陶瓷等基体复 合做结构材料。,25,材料化学 新 型 结 构 材 料,工业化生产碳纤维方法，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的 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。,26,材料化学 新 型 结 构 材 料,聚丙烯腈
13、(PAN)基碳纤维,27,材料化学 新 型 结 构 材 料,28,碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites，PMC,普通型 高强度型 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 新 型 结 构 材 料,29,碳纤维的特点： 强度和模量高、密度小； 具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值 具有很好的耐高温蠕变性能，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。 碳纤维的缺点： 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 新 型 结 构 材 料,
14、30,材料化学 新 型 结 构 材 料,（3）其它无机纤维 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：高强度高模量，良好的耐化学腐蚀性、耐 高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具 有更好的高温稳定性。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。,31,材料化学 新 型 结 构 材 料,32,材料化学 新 型 结 构 材 料,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 量的硼纤维。 制备方法：在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。 规格：硼纤维
15、直径有100m、140m、200m几种。 特点：具有很高的弹性模量和强度，性能受沉积条件 和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.42.65 g/cm3，拉伸强度为3.25.2GPa，弹性模量为 350400GPa。耐高温，耐中子辐射。,33,缺点 ：工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵。 由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。 目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本 和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强 度下降5%，但成本降低25%。 常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反 应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。 用途：主要用于聚合物基和金属基复合材料。,材料化学 新 型 结 构 材 料,34,材料化学 新 型 结 构 材 料,氧化铝纤维（Aluminia Fibre,AF或（Al2O3）f） 氧化铝纤维是多晶连续纤维，除Al2O3外常 含有约15%的SiO2。 优点：具有优良的耐热性（12001300 ）和 抗氧化性，直到370强度仍下降不大。 缺点：在所有纤维中密度最大。 用
