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1、第一章第一章 先进材料的发展概况先进材料的发展概况材料科学与工程学院朱 平 当当代代新新技技术术革革命命的的主主要要标标志志：新新型型材材料料；信信息息技技术术；生生物物技技术术。其其中中，新新型型材材料料在在高高新新技技术术发发展展过过程程的的基基础础性性和和先先导导性性作作用用，它它标标志志着着国国家家的的综综合合国国力力及及其其科科学学技技术术的的水平。水平。 新型材料的主要特点与高新技术密切相关：新型材料的主要特点与高新技术密切相关： 新新型型材材料料的的合合成成和和制制造造，大大都都利利用用高高技技术术获获得得的的极极端端条条件件作作为为手手段段，如如超超高高压压、超超高高真真空空、
2、超超高高温温、极极低低温温、超超高高速速冷冷却却、超超高高纯纯度度甚甚至至太太空空失失重重条条件件下下制制造造出出特特殊殊的的新材料。新材料。1.1 1.1 先进材料的特点先进材料的特点 新新型型材材料料的的研研发发与与计计算算机机和和先先进进自自控控技技术术的的发发展展和和应应用用密密切切相相关关，如如获获得得高高质质量量的的新新材材料料需需要要实实现现精精确确控控制制和和检测，如超微量的杂质以及原子尺度的缺陷等。检测，如超微量的杂质以及原子尺度的缺陷等。 新新型型材材料料本本身身就就是是高高技技术术，属属于于技技术术密密集集程程度度高高和和保保密性强的产业。密性强的产业。 新型材料根据其使
3、用性能分类：新型材料根据其使用性能分类： 新型功能材料新型功能材料 包括：半导体材料；包括：半导体材料； 信息记录材料（如磁记录、光储蓄等）；信息记录材料（如磁记录、光储蓄等）； 信信息息检检测测和和传传感感材材料料（如如压压电电材材料料、光光电电转转换换材材料料等）；等）； 信息传输材料（如光导纤维）；信息传输材料（如光导纤维）； 超导材料；超导材料； 形状记忆合金；形状记忆合金； 特殊储能材料（如储氢材料）；特殊储能材料（如储氢材料）； 新型结构材料新型结构材料： 具具有有高高强强度度、高高韧韧性性、质质量量轻轻、耐耐高高温温、耐耐低低温温、耐耐腐腐蚀、抗辐照等优异性能的新材料。蚀、抗辐照
4、等优异性能的新材料。 包包括括：新新型型金金属属结结构构材材料料（双双相相不不锈锈钢钢、铝铝锂锂合合金金、高高温合金等）；温合金等）； 新型无机非金属材料（陶瓷等）；新型无机非金属材料（陶瓷等）； 新型有机高分子材料（高性能工程塑料等）；新型有机高分子材料（高性能工程塑料等）； 先先进进复复合合材材料料（树树脂脂基基复复合合材材料料、金金属属基基复复合合材材料、陶瓷基基复合材料、碳纤维增强的碳料、陶瓷基基复合材料、碳纤维增强的碳- -碳复合材料等）。碳复合材料等）。 1.2.1 1.2.1 新型金属结构材料新型金属结构材料 如如：超超高高强强度度钢钢、超超低低温温钢钢、双双相相不不锈锈钢钢、超
5、超耐耐热热合合金金、钛合金、高弹模轻质铝锂合金等。钛合金、高弹模轻质铝锂合金等。 在在工工程程结结构构中中，金金属属材材料料仍仍处处于于主主导导地地位位。但但通通过过传传统统的的调调整整化化学学成成分分和和热热处处理理方方法法来来实实现现较较大大幅幅度度提提高高材材料料性性能能的的目目的已趋极限，必须依靠先进的生产工艺和技术：的已趋极限，必须依靠先进的生产工艺和技术： 通通过过控控轧轧、控控冷冷、控控制制杂杂质质含含量量以以及及多多元元微微量量合合金金化化等等工艺生产出高强、高韧和抗裂性好的新型高强度钢。工艺生产出高强、高韧和抗裂性好的新型高强度钢。1.1.2 2 先进材料的发展先进材料的发展
6、 通通过过定定向向结结晶晶、单单晶晶化化、微微晶晶化化等等控控制制凝凝固固技技术术生生产产出出可可控晶体结构的高级合金材料，如定向凝固的柱状晶和单晶高温合金。控晶体结构的高级合金材料，如定向凝固的柱状晶和单晶高温合金。 通通过过非非平平衡衡快快速速冷冷却却显显著著细细化化晶晶粒粒，并并获获得得微微晶晶和和纳纳米米晶晶，大大大大降降低低合合金金元元素素的的偏偏析析，因因此此即即可可提提高高合合金金化化程程度度，又又不不产产生生脆脆性性相相，生生产产出出合合金金成成分分高高于于平平衡衡状状态态的的固固溶溶体体材材料料，显显著著提提高高合合金金强度、韧性等。强度、韧性等。 普通冶炼时的冷速：普通冶炼
7、时的冷速：1010-3-3-10K/s-10K/s 雾化制粉技术的冷速：雾化制粉技术的冷速：10107 7-10-109 9K/sK/s 冷冷速速达达到到10104 4-10-106 6K/sK/s时时，可可获获得得非非晶晶态态金金属属合合金金。由由于于冷冷却却极极快快，高高温温下下液液态态时时原原子子的的无无序序状状态态，被被迅迅速速“冻冻结结”而而形形成成无无定定形形的的固固体体，因因其其内内部部结结构构与与玻玻璃璃相相似似，故故又又称称金金属属玻玻璃璃。从从结结构构上上讲讲非非晶晶态金属与普通玻璃相近。态金属与普通玻璃相近。 非非晶晶态态金金属属没没有有结结晶晶学学意意义义上上的的缺缺陷
8、陷，具具有有显显著著的的抗抗蚀蚀性性、高高强强度度、高高韧韧性性。一一般般比比相相应应的的晶晶体体材材料料强强度度高高1010倍倍，电电、磁磁性性能能优优良良。如如有有些些非非晶晶态态铁铁基基合合金金具具有有良良好好的的磁磁性性能能，用用作作磁磁头头材材料料和和变变压压器器材材料料，用用作作变变压压器器时时比比硅硅钢钢片片的的铁铁损损减少减少2/32/3。优点优点 一一 是强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属这两是强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。其耐磨者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。其耐磨性也明显地高于钢铁材料
9、。性也明显地高于钢铁材料。 二是其优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为二是其优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。学腐蚀的阴、阳两极。 三是非晶态金属优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体三是非晶态金属优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新型高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为
10、引人注目的新型材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80%，被誉为节，被誉为节能的能的“绿色材料绿色材料”。 四非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。四非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。缺点缺点 但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在500度以上时就会发生结度以上时就会发生结晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。制造成本较高也是限制晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。制造成本较高也是限制非晶态金属广泛应用的一个重要问题。非晶态金属广泛应用的一个重要问题。 通通过过机机械械合合金金
11、化化生生产产出出用用熔熔炼炼方方法法无无法法获获得得并并具具有有特特别别优优异异性性能能的的新新型型合合金金。如如高高熔熔点点氧氧化化物物弥弥散散强强化化的的超超级级合合金金，具具有有优优异异的的高高温温蠕蠕变变强强度度，与与同同类类高高温温合合金金相相比比，其其寿寿命命可可延长延长1010倍以上。倍以上。 机机械械合合金金化化实实现现了了在在固固态态下下的的合合金金化化，没没有有熔熔化化过过程程，因因而而物物理理、化化学学性性能能相相差差很很大大、互互不不相相溶溶的的材材料料也也可可形形成成合合金。金。 通通过过合合金金成成分分的的合合理理设设计计及及微微量量元元素素的的控控制制获获得得性性
12、能能优优异异的的新新型型合合金金。如如通通过过添添加加多多种种合合金金元元素素以以及及微微合合金金化化等等解解决决了了铝铝锂锂合合金金和和一一些些有有序序金金属属间间化化合合物物的的严严重重脆脆性性问问题题，研研制制出出高高比比强强度度的的铝铝锂锂合合金金和和具具有有高高熔熔点点、抗抗氧氧化化和和低低密密度度等优异性能的金属间化合物高温合金。等优异性能的金属间化合物高温合金。 通通过过爆爆炸炸焊焊、轧轧制制、堆堆焊焊或或钎钎焊焊等等工工艺艺方方法法制制成成的的新新型型双双金金属属复复合合板板材材，如如以以新新型型的的不不锈锈钢钢、镍镍基基合合金金、铜铜基基合合金金、钛钛合合金金板板为为复复层层
13、，以以低低碳碳钢钢或或低低合合金金钢钢为为基基层层制制成成的的双双金属板材。金属板材。 1.2.2 1.2.2 高性能工程塑料高性能工程塑料 性性能能特特点点：韧韧性性好好，强强度度高高（b b达达70MPa70MPa以以上上），弹弹性性模模量量高高（至至少少2GPa2GPa），抗抗蠕蠕变变、尺尺寸寸稳稳定定，热热变变形形温温度度在在170170以以上上，使使用用温温度度范范围围宽宽，在在液液氮氮甚甚至至液液氢氢中中仍仍能能保保持持韧韧性性，并并能能经经受受高高低低温温交交变变，连连续续使使用用温温度度在在150150以以上上，耐耐磨磨、耐耐燃燃、耐耐辐辐照照、低低放放气气，介介电电性性能能优
14、优异异，耐耐老老化化，在在115115下下至至少少可可使使用用11.511.5年年，在在8080或更高温度下能耐很多化学介质腐蚀，加工成型性能良好。或更高温度下能耐很多化学介质腐蚀，加工成型性能良好。如如：强强度度最最高高的的聚聚酰酰胺胺酰酰亚亚胺胺（PAIPAI），柔柔韧韧性性、耐耐磨磨性性、耐耐碱碱性性、加加工工性性及及黏黏结结性性均均较较好好。抗抗拉拉强强度度高高达达185MPa185MPa，热热变变形形温温度度达达274 274 ，连连续续使使用用温温度度为为240 240 ，比比强强度度很很高高，可可代代替替金金属属用用作作飞机中结构件。飞机中结构件。 1.2.3 1.2.3 先进陶
15、瓷材料先进陶瓷材料 成成分分组组成成：由由原原来来的的AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、MgOMgO等等发发展展到到SiSi3 3N4N4、SiCSiC、ZrOZrO2 2等；等； 粉粉体体制制备备工工艺艺：由由简简单单的的机机械械粉粉碎碎发发展展到到用用物物理理、化化学学方方法制取超细粉体；法制取超细粉体； 烧烧结结方方法法：由由普普通通的的大大气气中中烧烧结结发发展展到到在在控控制制气气氛氛（N N2 2）中的热压烧结、热等静压烧结、微波烧结等先进烧结方法。中的热压烧结、热等静压烧结、微波烧结等先进烧结方法。 因因此此，这这类类陶陶瓷瓷具具有有特特定定的的精精细细显显微微结结
16、构构和和性性能能，故故又又称称为精细陶瓷。为精细陶瓷。 根据陶瓷用途分类：根据陶瓷用途分类： 功能陶瓷功能陶瓷 具具有有各各种种特特殊殊电电性性能能和和磁磁性性能能，有有些些陶陶瓷瓷对对声声、光光、热热以及压力敏感，功能陶瓷产量约占精细陶瓷的以及压力敏感，功能陶瓷产量约占精细陶瓷的90%90%。 结构陶瓷结构陶瓷 具具有有高高强强度度、耐耐磨磨、耐耐高高温温和和耐耐腐腐蚀蚀等等优优异异特特性性，是是一一种种很很好好的的高高温温材材料料，但但其其固固有有脆脆性性使使其其应应用用受受到到限限制制，目目前前只只能能用用做做个个别别的的机机械械零零件件和和切切削削刀刀具具，尚尚不不能能作作为为重重要要
17、的的结结构材料。构材料。 1.2.4 1.2.4 先进复合材料先进复合材料 树树脂脂基基复复合合材材料料：由由碳碳纤纤维维、芳芳酰酰胺胺纤纤维维等等高高性性能能纤纤维维增强的耐热性好的热固性和热塑性树脂基复合材料。增强的耐热性好的热固性和热塑性树脂基复合材料。 主主要要特特点点：高高比比强强，高高弹弹性性模模量量、低低膨膨胀胀系系数数、优优良良的的尺尺寸稳定性、优异的减振性和抗疲劳性能。寸稳定性、优异的减振性和抗疲劳性能。 主主要要问问题题：横横向向力力学学性性能能较较差差，层层间间抗抗剪剪强强度度低低，使使用用温温度不够高，存在易吸潮、老化、蠕变和燃烧等缺点。度不够高，存在易吸潮、老化、蠕变
18、和燃烧等缺点。 发展趋势发展趋势：由热固性中温型向热塑性高温型发展。：由热固性中温型向热塑性高温型发展。 金金属属基基复复合合材材料料：以以具具有有高高熔熔点点、高高强强度度、高高模模量量、低低密密度度和和低低线线膨膨胀胀系系数数的的非非金金属属纤纤维维或或颗颗粒粒为为增增强强相相的的塑塑性性、韧性好的金属基复合材料。韧性好的金属基复合材料。 主主要要特特点点：高高强强度度、高高弹弹性性模模量量、低低膨膨胀胀系系数数、优优良良的的韧韧性性、抗抗冲冲击击、抗抗热热振振、耐耐热热性性高高、横横向向力力学学性性能能好好、不不燃燃烧烧、不吸潮、导电导热性好、耐辐射、高真空环境稳定等。不吸潮、导电导热性
19、好、耐辐射、高真空环境稳定等。 主主要要问问题题：增增强强相相与与基基体体之之间间的的界界面面反反应应易易形形成成低低应应力力破破坏坏的的脆脆性性界界面面。纤纤维维表表面面处处理理；基基体体合合金金化化；改改善善制制造造工艺工艺 发发展展趋趋势势：由由铝铝基基复复合合材材料料向向极极限限工工作作温温度度更更高高的的钛钛基基以以及镍基、铌基和金属间化合物基的高温金属基复合材料发展。及镍基、铌基和金属间化合物基的高温金属基复合材料发展。 陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料：以以具具有有高高熔熔点点、高高强强度度、高高模模量量、低低密密度度和和低低线线膨膨胀胀系系数数的的无无机机非非金金属属颗颗粒粒、晶晶
20、须须或或纤纤维维为为增增韧韧相的陶瓷基复合材料。相的陶瓷基复合材料。 主主要要特特点点：高高强强度度、高高模模量量、抗抗氧氧化化、耐耐高高温温、耐耐腐腐蚀蚀、等。等。 主要问题主要问题：固有脆性。：固有脆性。 发展趋势发展趋势：增韧以有效解决脆性问题。：增韧以有效解决脆性问题。 其它基复合材料的中纤维其它基复合材料的中纤维增强作用；增强作用； 陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料中中纤纤维维补补强强增增韧韧作作用用，利利用用纤纤维维来来分分散散裂裂纹纹尖尖端端的的应应力力集集中中，改改变变裂裂纹纹的的走走向向和和终终止止裂裂纹纹的的扩扩展展，起到补强增韧的作用。起到补强增韧的作用。 碳碳- -碳复合材料碳复合材料：碳纤维增强的碳基复合材料。：碳纤维增强的碳基复合材料。 主主要要特特点点：烧烧蚀蚀防防热热、耐耐高高温温、抗抗磨磨损损等等，可可在在20002000以以上长期工作。上长期工作。 主要问题主要问题：强度、抗氧化性不够理想。：强度、抗氧化性不够理想。 发展趋势发展趋势：解决防护层的抗氧化问题。：解决防护层的抗氧化问题。 谢谢 谢谢！Many thanks for your kindly attention!
