材料化学第五章.ppt

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1、第五章新型结构材料新型结构材料1本章主要内容 5.1 5.1 高温结构材料高温结构材料 超耐热合金；高温结构陶瓷超耐热合金；高温结构陶瓷 5.2 5.2 轻质结构材料轻质结构材料 铝锂合金；纤维材料铝锂合金；纤维材料 2一、超耐热合金1 定义：定义：700-1200700-1200高温下工作的金属通称耐热高温下工作的金属通称耐热 合金，又称高温合金。合金，又称高温合金。（一般金属材料只在（一般金属材料只在500500600600下长期工作）下长期工作）2 2 应用应用 火力发电：提高热效率火力发电：提高热效率提高蒸汽温度提高蒸汽温度材料耐热材料耐热 喷气发动机：工作温度高达喷气发动机：工作温度

2、高达13801380 高温加热炉高温加热炉343 3 性能要求性能要求 1 1）高温抗腐蚀性）高温抗腐蚀性 因为因为TT，金属的氧化、腐蚀速度显著加快，金属的氧化、腐蚀速度显著加快2 2）高温强度和韧性）高温强度和韧性 高温下金属易疲劳断裂、蠕变高温下金属易疲劳断裂、蠕变 “耐热耐热”：高温高温下具有良好的下具有良好的抗氧化性抗氧化性，能保持足，能保持足 够够强度强度5提高抗氧化性：提高抗氧化性：1）表面表面合金化合金化处理处理 加入合金元素（加入合金元素（CrCr、SiSi、A1 A1）氧化气氛氧化气氛 致密氧化膜致密氧化膜 阻止氧化阻止氧化2 2）高温涂层高温涂层 形成高熔点涂层（氧化物、

3、碳化物、氮化物等）形成高熔点涂层（氧化物、碳化物、氮化物等）6提高高温强度：提高高温强度：1 1）加入）加入CrCr、MoMo、W W 增加高温结合力（金属键强）增加高温结合力（金属键强）2 2）加入）加入W W、MoMo、V V 形成碳化物（形成碳化物（WCWC、MoCMoC）增加高温强度。增加高温强度。74 4 耐热合金的组成：耐热合金的组成：副族元素：熔点高、硬度大85 5 耐热合金的常见种类耐热合金的常见种类 1 1、铁基、铁基：使用温度使用温度10001000 加入加入CrCr、Al Al、SiSi 形成保护膜形成保护膜高温抗腐蚀性高温抗腐蚀性 加入加入1%W1%W、MoMo提高结晶

4、温度提高结晶温度高温蠕变性高温蠕变性 2 2、镍基、镍基：使用温度：使用温度1000100011001100 组织中基体：组织中基体：Ni-Cr-CoNi-Cr-Co的固溶体和的固溶体和NiNi3 3A1A1金属化合物；金属化合物；是是：最优的超耐热金属材料最优的超耐热金属材料96、耐热合金的研究现状、耐热合金的研究现状u工作温度偏低工作温度偏低 铁、镍、钴铁、镍、钴熔点熔点1539 ，1453 ，1495 工作温度不超过工作温度不超过11001100（熔点的（熔点的60%60%）难熔金属钨难熔金属钨3399 3399 ，延展性、化学稳定性好；，延展性、化学稳定性好；但夹杂物影响强度和韧性，脆

5、性大但夹杂物影响强度和韧性，脆性大u其他材料无法替代，需进一步研究其他材料无法替代，需进一步研究 u新的金属陶瓷新的金属陶瓷、高温结构陶瓷材料出现高温结构陶瓷材料出现 10镍基超耐热合金的应用镍基超耐热合金的应用 我国目前消费量我国目前消费量：1212万吨万吨/年，年，应用领域应用领域 航空：航空：2 2万吨，万吨，工业汽轮机：工业汽轮机：1.251.25万吨，发动机及零部件万吨，发动机及零部件 汽车工业：汽车工业：75007500吨，柴油发动机吨，柴油发动机 20102010年年：需求将增长：需求将增长250%250%11二、高温结构陶瓷二、高温结构陶瓷1 1 发展背景发展背景 金属材料（易

6、腐蚀，高温时不耐氧化）金属材料（易腐蚀，高温时不耐氧化）高温结构陶瓷（耐高温、不怕氧化、耐高温结构陶瓷（耐高温、不怕氧化、耐 酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损）酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损）2 2 性能特点性能特点 耐高温（比耐热合金）；耐高温（比耐热合金）；耐腐蚀（比普通陶瓷）。耐腐蚀（比普通陶瓷）。123 3 制备特点制备特点 原料原料 成型成型 烧成烧成性能比较性能比较传统陶瓷传统陶瓷粘土、石粘土、石粉粉普通成型普通成型12501250左左右烧成右烧成使用温度使用温度低、易碎低、易碎结构陶瓷结构陶瓷合成（细合成（细磨）助烧磨）助烧剂，剂，高压成型高压成型1500200015002000烧成烧成 耐高

7、温耐高温（15001500）耐腐蚀）耐腐蚀134 4 应用举例应用举例1 1）氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷（人造刚玉）熔点高熔点高：高级耐火材料（如坩埚、高温炉管等）：高级耐火材料（如坩埚、高温炉管等）硬度大硬度大：制造刚玉磨球机：制造刚玉磨球机 透明透明：制作高压钠灯的灯管。：制作高压钠灯的灯管。是一种极有前途的高温结构材料。是一种极有前途的高温结构材料。142 2）氮化硅（）氮化硅（SiSi3 3N N4 4）陶瓷）陶瓷 优点优点：高硬、耐磨、高强、耐高温高硬、耐磨、高强、耐高温强共价键（电负相近）；强共价键（电负相近）；耐高温耐高温安全使用温度安全使用温度16501750165017

8、50，应用于火箭发动机；，应用于火箭发动机；耐热冲击、抗高温蠕变耐热冲击、抗高温蠕变助烧剂助烧剂 抗氧化抗氧化除氢氟酸外，不与其他无机酸反应；除氢氟酸外，不与其他无机酸反应；膨胀系数小、导热系数大、电绝缘性好等。膨胀系数小、导热系数大、电绝缘性好等。缺点缺点：脆性断裂，难烧结。：脆性断裂，难烧结。ZrOZrO2 2增韧：基质微裂纹，诱发相变，吸收能量，抑制裂纹扩展。增韧：基质微裂纹，诱发相变，吸收能量，抑制裂纹扩展。15上节内容：新型结构材料上节内容：新型结构材料 5.1 5.1 高温结构材料高温结构材料 超耐热合金超耐热合金(700(700）高温抗腐蚀性、强度、韧性高温抗腐蚀性、强度、韧性；

9、（铁基、镍基）；（铁基、镍基）高温结构陶瓷高温结构陶瓷 耐高温，耐腐蚀耐高温，耐腐蚀；（氧化铝；（氧化铝 、氮化硅）、氮化硅）5.2 5.2 轻质结构材料轻质结构材料 铝锂合金；铝锂合金；纤维材料纤维材料165.2 5.2 轻质结构材料轻质结构材料一、铝锂合金一、铝锂合金 演变过程：演变过程：金属铝金属铝 铝合金铝合金 铝锂合金铝锂合金 1 1、金属铝、金属铝 密度密度2.692.69，用量之多，范围之广，仅次于钢铁用量之多，范围之广，仅次于钢铁 17 2 2、铝合金、铝合金1）合金化机理合金化机理 加加CuCu，Mg Mg 固溶体强化相；固溶体强化相；加加MnMn 细化晶粒，提高强度和抗腐蚀

10、性能。细化晶粒，提高强度和抗腐蚀性能。2 2）铝合金系列铝合金系列Al-MgAl-Mg合金合金（21952195）：美国航天局）：美国航天局19981998年用于空间站储存仓年用于空间站储存仓 （47m47m8.4m)8.4m)，重量减少约重量减少约3.4t 3.4t Al-Cu-MgAl-Cu-Mg合金合金（25242524）：）：提高断裂韧性，提高断裂韧性，美国用于美国用于B777B777机身机身Al-Zn-Mg-(Cu)Al-Zn-Mg-(Cu)合金合金（70007000）：既高强度，又抗应力腐蚀）：既高强度，又抗应力腐蚀 18 3、铝锂合金铝锂合金1 1）锂：是世界上最轻的元素（密度）

11、锂：是世界上最轻的元素（密度0.530.53）；）；在铝中的溶解度高。在铝中的溶解度高。2 2）突出优点：密度低）突出优点：密度低,但刚性高但刚性高 （锂每增加（锂每增加1%,1%,密度下降密度下降3%,3%,而刚性却提高而刚性却提高5%5%）3 3）应用领域：航空、航天、航海）应用领域：航空、航天、航海 194 4）铝锂合金的发展）铝锂合金的发展19241924年：德国研制，但没获得重要成果年：德国研制，但没获得重要成果 19571957年（第一代）：英国研制，含锂年（第一代）：英国研制，含锂1.11.1的的X-2020X-2020铝合金铝合金 美国用于超音速攻击机的机翼美国用于超音速攻击机

12、的机翼 19831983年（第二代）：巴黎国际航空博览会，美、英国宣布成功年（第二代）：巴黎国际航空博览会，美、英国宣布成功 存在问题存在问题：各向异性、不可焊、强度较低各向异性、不可焊、强度较低 19991999年年（第三代）：（第三代）：高强可焊高强可焊、低各向异性低各向异性的合金相继出现的合金相继出现 例：高强可焊的例：高强可焊的WeldaliteWeldalite系列合金系列合金 低各向异性的低各向异性的AF/C489AF/C489合金合金205 5）应用前景）应用前景 v铝锂合金成本：只是碳纤维增强塑料的铝锂合金成本：只是碳纤维增强塑料的1/10 1/10 v制造波音飞机：重量减轻制

13、造波音飞机：重量减轻 14146 6；燃料节省燃料节省 5 54 4；飞机成本下降飞机成本下降 2 21 1；飞行费用降低飞行费用降低 2 22 2。21二、纤维材料（高强度、高模量）二、纤维材料（高强度、高模量）1 1 玻璃纤维玻璃纤维1 1）简介）简介 工艺工艺：天然矿石为原料天然矿石为原料 配料配料 粉磨均化粉磨均化 高温熔制高温熔制 拉丝拉丝 络纱、织布等络纱、织布等 直径直径：纤维单丝的直径从几：纤维单丝的直径从几 二十几微米，相当二十几微米，相当 于一根头发丝的于一根头发丝的1/201/201/51/5，每束纤维有数百根甚至上千根单丝组成。每束纤维有数百根甚至上千根单丝组成。222

14、 2）性能特点）性能特点 P205优点优点：比强度大，弹性模量高，电绝缘、耐腐蚀比强度大，弹性模量高，电绝缘、耐腐蚀 应用应用复合材料的增强；电绝缘、绝热保温复合材料的增强；电绝缘、绝热保温 领域领域电子、交通和建筑电子、交通和建筑 影响强度的因素影响强度的因素：缺陷：缺陷 尺寸越大尺寸越大 缺陷越多缺陷越多 强度越小；强度越小；夏季（温度高，湿度大）夏季（温度高，湿度大）强度小；强度小；碱性：影响力学性能碱性：影响力学性能233 3）拉丝工艺）拉丝工艺 坩埚拉丝法坩埚拉丝法（传统工艺）：（传统工艺）：天然矿石天然矿石玻璃球玻璃球熔化拉丝；熔化拉丝；（二次熔化，能耗大；产量低，工艺参数难控）（

15、二次熔化，能耗大；产量低，工艺参数难控）池窑拉丝法池窑拉丝法（国外引进）：（国外引进）：从天然矿石原料到产品一步完成；从天然矿石原料到产品一步完成；（产量高、能耗低；高品质产品）（产量高、能耗低；高品质产品）244 4）应用举例（绝缘材料；复合材料，光导纤维）应用举例（绝缘材料；复合材料，光导纤维）v优秀的绝缘材料优秀的绝缘材料（既绝缘又耐热）既绝缘又耐热）电机（器）厂：电机（器）厂：60006000千瓦汽轮发电机千瓦汽轮发电机,玻璃纤维玻璃纤维 绝缘部件绝缘部件18001800多件；多件；优势：提高电机性能；缩小体积；降低成本。优势：提高电机性能；缩小体积；降低成本。25v玻璃纤维复合材料玻

16、璃纤维复合材料 玻璃钢：玻璃布浸在热熔的塑料中玻璃钢：玻璃布浸在热熔的塑料中,加压成型加压成型 比钢坚韧比钢坚韧,不生锈不生锈,耐腐蚀耐腐蚀,重量轻（钢的重量轻（钢的1/41/4）船只船只,汽车汽车,火车外壳，机器零件。火车外壳，机器零件。玻璃棉：玻璃熔化后玻璃棉：玻璃熔化后,高速气流（火焰）吹成细、短纤维高速气流（火焰）吹成细、短纤维 超细超细头发粗的头发粗的1/2001/200 保温保温3 3厘米厚的玻璃棉厘米厚的玻璃棉 =1=1米厚的砖墙米厚的砖墙 其他其他吸音吸音、隔热、防震、过滤等、隔热、防震、过滤等.26v 光导纤维光导纤维 应用：应用：电话通信电话通信 成功（容量大成功（容量大,

17、输送损耗极微输送损耗极微,干扰小干扰小,节省铜）节省铜）电视电话电视电话：传输图像作：传输图像作材料：材料：1 1）石英玻璃光纤）石英玻璃光纤 2 2）多元氧化物光纤）多元氧化物光纤 3 3）非氧化物光纤）非氧化物光纤 4 4）晶体光纤）晶体光纤27光导纤维是一种由折射率较大的纤芯和折射率较小的包层构成的可以自由弯曲的导光材料。28295 5）我国玻璃纤维现状）我国玻璃纤维现状 19581958年年：土法生产为主，初期土法生产为主，初期125125吨吨/年。年。八十年代八十年代：总产量仅达到：总产量仅达到3 3万吨万吨/年左右。年左右。九十年代九十年代：引进国外先进的池窑拉丝技术，产量、规格品

18、：引进国外先进的池窑拉丝技术，产量、规格品 种、工艺技术和企业规模都上了新台阶。种、工艺技术和企业规模都上了新台阶。九十年代后期九十年代后期：全国玻璃纤维产量达到：全国玻璃纤维产量达到1616万吨，成为世界玻万吨，成为世界玻 璃纤维生产大国。璃纤维生产大国。三大龙头企业三大龙头企业 山东泰山、浙江巨石、重庆，山东泰山、浙江巨石、重庆，（总产量已达（总产量已达17万吨，全行业万吨，全行业50%）30v玻璃纤维的发展玻璃纤维的发展产量：产量：20022002年我国玻璃纤维总产量超过年我国玻璃纤维总产量超过3434万吨万吨增长速度：每年以增长速度：每年以30%30%以上的速度增长，池窑拉丝法以上的速

19、度增长，池窑拉丝法 生产的产品产量增幅达生产的产品产量增幅达50%50%以上。以上。出口额：出口额：20022002年超过年超过1212万吨，万吨，1010年翻了年翻了4 4番番产品结构：中碱玻璃纤维产品结构：中碱玻璃纤维无碱玻璃纤维。无碱玻璃纤维。312 2、晶须晶须晶须晶须：直径约直径约1um1um，针状单晶材料，长经比很大（针状单晶材料，长经比很大（250250 2500125001），结晶完善，强度很高。），结晶完善，强度很高。（纤维）（纤维）：几：几 几十几十umum，多晶或非晶材料，长经比小。，多晶或非晶材料，长经比小。生产工艺生产工艺：可从过饱气相、熔体、溶液或固体生长。一般：可

20、从过饱气相、熔体、溶液或固体生长。一般 用气相结晶法（工艺复杂，造价高）用气相结晶法（工艺复杂，造价高）主要材料主要材料：金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、石墨：金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、石墨 和高分子化合物。和高分子化合物。主要种类主要种类：金属晶须；陶瓷晶须：金属晶须；陶瓷晶须P P21121132晶须高度：取向结构不仅使其具有高强度、高模晶须高度：取向结构不仅使其具有高强度、高模 量和高伸长率，而且还具有电、光、量和高伸长率，而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。磁、介电、导电、超导电性质。晶须强度：远高于其他短切纤维，主要用作复合晶须强度：远高于其他短切纤维，主

21、要用作复合 材料的增强体。材料的增强体。33345.2 5.2 超低温合金一、超低温对材料的特殊要求一、超低温对材料的特殊要求 低温低温：常温至绝对零度常温至绝对零度的较大温度范围的较大温度范围 -100-100 C C以上：采用以上：采用铁素体铁素体钢铁（体心立方结构）钢铁（体心立方结构）沸点：天然气：沸点：天然气：-163-163 C,C,液氮：液氮：-195.8-195.8 C C 液氢：液氢：-253-253 C,C,液氦：液氦：-269-269 C C 35要求：要求：（1 1）防止低温脆性）防止低温脆性 铁素体：铁素体：-200-200 C C发生从韧性到脆性的转变发生从韧性到脆性

22、的转变 措施：添加镍使转变温度降低；面心立方金属措施：添加镍使转变温度降低；面心立方金属 泰坦尼克号：钢材含硫高，脆性断裂所致泰坦尼克号：钢材含硫高，脆性断裂所致（2 2）需要具备低温下的热性能）需要具备低温下的热性能 热膨胀系数小热膨胀系数小低膨胀合金（铁镍、钛合金）低膨胀合金（铁镍、钛合金）（3 3）必须是非磁性合金）必须是非磁性合金 影响磁场影响磁场36二、超低温合金的研究二、超低温合金的研究v高锰奥氏体钢高锰奥氏体钢：是专门开发的超低温合金。即使在是专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨液氦温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也较差。较差。v铁锰铝合金钢铁锰铝合金钢：如果把铁镍铬不锈钢中的镍、铬分：如果把铁镍铬不锈钢中的镍、铬分别由锰和铝代替，其强度、韧性都十分优异别由锰和铝代替，其强度、韧性都十分优异。37