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前沿材料科学 任课教师：任课教师：张 鹏 单位：单位：机电学院材料所前沿材料科学 学时数：学时数：32 学分数：学分数：2.0一、课程的目的：一、课程的目的：了解复合材料科学、纳米科学、超导科学、半固态加工科学、超声加工科学、激光加工科学等先进材料科学的基本原理、基础理论、技术方法、主要特点与应用等内容对前沿材料科学体系形成较为系统的认识二、课程教学内容：二、课程教学内容：共分6章第一章第一章 复合材料科学复合材料科学内容：内容：介绍复合材料科学的基本情况，包括复合材料的基本概念、特点、研究方法和加工技术等内容目的：目的：了解复合材料科学的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第二章第二章 纳米科学纳米科学内容：内容：介绍纳米科学的基本情况，包括纳米技术的基本概念、特点、加工技术等内容目的：目的：了解纳米科学的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第三章第三章 超导科学超导科学内容：内容：介绍超导科学的基本情况，包括超导科学的基本概念、特点、研究方法等内容目的：目的：了解超导科学的产生、发展和应用第四章第四章 半固态加工科学半固态加工科学内容：内容：介绍半固态加工科学的基本情况，包括半固态加工的基本概念、特点、加工技术等内容目的：目的：了解半固态加工的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第五章第五章 超声加工科学超声加工科学内容：内容：介绍超声加工科学的基本情况，包括超声加工的基本概念、特点、加工技术等内容目的：目的：了解超声加工的产生、发展、与其它科学的交叉和应用第六章第六章 激光加工科学激光加工科学内容：内容：介绍激光加工科学的基本情况，包括激光加工的基本概念、特点、加工技术等内容目的：目的：了解激光加工的产生、发展和应用主要教学参考书：主要教学参考书：1.复合材料及其应用技术/汤佩钊编著，重庆大学出版社，19982.功能材料与纳米技术/李玲、向航编著，化学工业出版社，20023.半固态金属加工技术及其应用/谢水生、黄声宏编著，冶金工业出版社，19994.现代加工技术/张辽远编著，机械工业出版社，2002考核方式：考核方式：提交报告（35人一组）课程宗旨：课程宗旨：不是负担，轻松学习，获得知识三、前沿科学及其交叉三、前沿科学及其交叉石器时代青铜器时代铁器时代现代中国目前就有960多个重点学科这些学科就象金字塔一样，以雄厚的基础支撑着活跃在科技领域的前沿学科复合材料科学、半固态加工科学和超声振动科学及其交叉1 复合材料科学及其交叉复合材料科学及其交叉二十世纪六十年代以来，对工业材料提出了越来越苛刻的要求，传统材料力不从心，复合材料应运而生二十世纪九十年代，美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉1.1 复合材料科学与声学科学的交叉复合材料科学与声学科学的交叉科技难题：科技难题：军事装备的隐身问题利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料特点：特点：可吸收不同频率的声波和电磁波导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世美国隐形轰炸机，纵横驰骋，无所顾忌1.2 复合材料科学与纳米加工科学的交叉复合材料科学与纳米加工科学的交叉二十世纪八十年代，德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末，给材料领域带来了巨大的变化科技难题：科技难题：高温陶瓷复合材料的烧结问题特性之一：特性之一：熔点的降低。2纳米金粉末金的熔点106433将纳米材料的这一特性交叉到复合材料学科中，可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料1.3 复合材料科学与磁学科学的交叉复合材料科学与磁学科学的交叉本世纪初，美国科学家理查德.波斯特将磁学研究交叉在复合材料研究领域科技难题：科技难题：磁悬浮问题利用铁、硼、钕等材料制备了超级磁性复合材料特点：特点：产生的磁场全部指向同一方向，无需电力就可将列车悬浮起来在美国航空航天局的资助下，磁悬浮列车的速度达到了640 km/h半固态加工处于固液二相区，可利用挤压手段将含有杂质的液体挤出，留下初生纯固相，然后再从新进行半固态挤压，进一步提纯，这样一次一次地提纯，最后就可获得超纯材料半固态加工与超纯材料研究学科的交叉半固态加工与超纯材料研究学科的交叉科技难题：科技难题：超纯材料的制备问题日本科学家利用半固态挤压技术制备出了纯度为15个9的半导体材料2 半固态加工科学及其交叉半固态加工科学及其交叉二十世纪七十年代初期MIT的Flemings教授提出半固态加工思想3 超声振动科学及其交叉超声振动科学及其交叉二十世纪六十年代，Merchant提出需要更新加工观念，于是人们开始探索采用除机械能以外的能量进行加工，这样就逐渐形成了将超声振动加工技术超声振动科学与冶金科学交叉超声振动科学与冶金科学交叉超声振动的乳化作用可使异种材料均匀地混合在一起，将超声振动与冶金学科交叉，可明显改善材料尤其是组分物性差别大的合金、复合材料的组织，形成组织均匀的高性能材料科技难题：科技难题：组分物性差别大材料的偏析问题图图0-1 铝铅合金未处理组织经处理组织从上述前沿科学及其交叉的介绍可见，前沿科学交叉一方面拓宽了其本身研究领域，另一方面也给其它科学带来了勃勃生机，成功地解决了各领域中存在的难题，使得现代科技产生了史无前例的飞跃。第一章第一章 复合材料科学复合材料科学二十世纪六十年代以来，对工业材料提出了越来越苛刻的要求，耐高温、高强度、轻量化等1.1复合材料的基本概念、特点复合材料的基本概念、特点内容：内容：介绍复合材料的基本概念、特点、研究方法和加工技术等内容传统材料：传统材料：复合材料复合材料大量涌现钢铁、水泥和木材力不从心复合材料：复合材料：由二种或二种以上材料组合的新材料，其中含量多的称为基体，含量少的称为添加体组合方式：组合方式：宏观-结构复合体、层合板 微观-混合体、合金1.1.1 复合材料概念复合材料概念特点：特点：具有相补效应相补效应，即各组分复合后可以相互弥补各自的弱点，形成优异的综合性能形成了系统的复合材料科学，已经开发出2000多种复合材料1.1.2 复合材料特点复合材料特点1.2复合材料的分类、研究方法复合材料的分类、研究方法 按性能高低分：按性能高低分：常用复合材料 先进复合材料1.21 复合材料的分类复合材料的分类常用复合材料常用复合材料:常规领域中使用的复合材料，如混凝土、合金钢等先进复合材料先进复合材料:前沿领域中使用的复合材料，航空航天、军事、高科技领域用复合材料，碳纤维增强环氧树脂、开夫拉层压板、铜-二硼化钛复合材料按用途分：按用途分：结构复合材料 功能复合材料结构复合材料：结构复合材料：用于完成各种结构功能的复合材料，对力学性能要求高，镁合金手机外壳功能复合材料：功能复合材料：用于实现各种功能的复合材料，如电、磁、光、热、摩擦、振动等电：电：钇、钡、铜、氧系和铋、锶、钙、铜、氧系超导复合材料，130K，超导计算机，超导无声推进系统，航天飞机自动升空按按基体基体分：分：金属基复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料光：光：热热：70年，美康宁公司，非氧化物玻璃光导纤维，成分为氟化物-氟化锆、氟化钡、氟化钠多元氟化锆酸盐，光损耗极低0.16分贝/千米，3.6%固体气凝胶，由96%的空气和4%的二氧化硅、二氧化铝与碳制成，密度最小的固体材料，隔热金属基复合材料：金属基复合材料：以金属（铝合金、金属间化合物）为基体的各种复合材料。如颗粒增强铝基复合材料，颗粒体积分数一般不超过25%，性能比原基体明显提高。20%碳化硅颗粒增强6061铝合金，强度310MPa 496MPa，模量68GPa103GPa，断裂伸长率12%5.5%，耐磨性、尺寸稳定性、耐热性有很大改善。陶瓷基复合材料：陶瓷基复合材料：是以陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷为基体的复合材料。如碳化硅纤维补强氮化硅陶瓷复合材料，耐热性好，用于制备1350左右的高温叶片。气敏陶瓷（二氧化锡等）；压电陶瓷；超导陶瓷；生物陶瓷等。如玻璃钢（玻璃纤维增强塑料），强度是钢的34倍，密度为1/41/16；导电塑料等。按添加体分：按添加体分：颗粒复合材料，如铜石墨受电弓滑板 层片复合材料，如钢铝合金层合板 纤维复合材料，如碳纤维增强塑料聚合物基复合材料：聚合物基复合材料：是聚合物为基体的复合材料。1.2.2 复合材料的研究复合材料的研究最突出：最突出：界面研究和可靠性研究。界面研究：界面研究：界面的表征、界面设计的优化、界面改性、界面残余应力行为 可靠性研究：可靠性研究：组分、加工工艺来保证可靠性以及可靠性的评价、检测和监控。1.3复合材料的加工技术复合材料的加工技术1.粉末冶金技术粉末冶金技术 将添加体粉末和基体粉末混合，按常规粉末冶金方法加工。特点：特点：工艺和制品质量容易控制，成本较高。2.液相复合技术液相复合技术 将添加体和基体熔体进行混合，按常规加工方法进行加工。混合方法：混合方法：机械搅拌、雾化喷射沉淀等。3.其它技术其它技术 气相浸渗技术：气相浸渗技术：将材料放入气体中进行反应形成复合材料。原位生长技术：原位生长技术：将材料放入固体或液体中进行反应形成复合材料。1.4 复合材料科学与其它科学的交叉复合材料科学与其它科学的交叉二十世纪九十年代，美国和前苏联等的科学家进行声学研究与复合材料研究交叉复合材料科学与声学科学的交叉复合材料科学与声学科学的交叉科技难题：科技难题：军事装备的隐身问题利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料复合成高损耗吸波复合材料特点：特点：可吸收不同频率的声波和电磁波导致了隐形飞机和隐形舰艇等高科技产品的问世美国F-117轰炸机，纵横驰骋，无所顾忌复合材料科学与纳米加工科学的交叉复合材料科学与纳米加工科学的交叉二十世纪八十年代，德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末，给材料领域带来了巨大的变化科技难题：科技难题：高温陶瓷复合材料的烧结问题特性之一：特性之一：熔点的降低。2纳米金粉末金的熔点106433将纳米材料的这一特性交叉到复合材料学科中，可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料复合材料学科与磁学学科的交叉复合材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：磁悬浮问题 本世纪初，美国科学家理查德.波斯特将磁学研究交叉在复合材料研究领域，利用铁、硼、钕等材料制备了超级磁性复合材料特点：特点：产生的磁场全部指向同一方向，无需电力就可将列车悬浮起来在美国航空航天局的资助下，磁悬浮列车的速度达到了640 km/h。.1.5小结小结 一、复合材料概念一、复合材料概念复合材料：复合材料：由二种或二种以上材料组合的新材料，其中含量多的称为基体，含量少的称为添加体。二、复合材料特点二、复合材料特点具有相补效应，具有相补效应，即各组分复合后可以相互弥补各自的弱点，形成优异的综合性能。三、复合材料的分类三、复合材料的分类按性能高低分：按性能高低分：常用复合材料、先进复合材料；按用途分：按用途分：结构复合材料、功能复合材料；按基体分：按基体分：金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料；按添加体分：按添加体分：颗粒复合材料、纤维复合材料和层片复合材料。四、复合材料的研究四、复合材料的研究集中在：集中在：界面研究和可靠性研究 五、复合材料的加工技术五、复合材料的加工技术主要有：主要有：粉末冶金技术、液相复合技术和其它技术。08Al钢板钢板Al-20Sn合金层合金层轴瓦轴瓦图图1-1 钢-Al-20Sn复合板及轴瓦钢钢Al-20Sn复合板简介复合板简介优良的轴瓦材料，适用于汽车、机械、航空航天等广泛领域，需求量很大。我们进行的研究工作我们进行的研究工作目前典型的成形方法目前典型的成形方法Al-20Sn合金板合金板钢板钢板轧机轧机钢钢-Al-20Sn复合板复合板图图1-2 固固相轧制成形方法Sn分布均匀；工艺复杂、能耗大；界面形成机械咬合和部分物理结合，结合强度低，40MPa，应用越来越受到限制。图图1-3 固固相复合界面工艺简单，能耗小；界面形成冶金结合，结合强度大，60MPa；符合材料发展方向，其研究占主导地位。钢板钢板轧机轧机钢钢-Al-20Sn复合板复合板图图1-4 固液相铸轧成形方法浇嘴浇嘴Al-20Sn合金液合金液固液相成形存在的问题固液相成形存在的问题1）Al-20Sn覆层内覆层内存在存在Sn分布不均分布不均2）界面脆化）界面脆化Al和Sn的密度与熔点差别较大，造成合金液中Sn沉淀，所以产生Sn分布不均现象。铁铝化合物层使复合界面脆化，复合板的结合强度没有达到其应有的水平。铁铝铁铝化合物层化合物层图图1-5 界面层图图1-6 理想的界面层图图1-7 脆化的界面层钢板钢板轧机轧机浇嘴浇嘴Al-20Sn半固态浆料半固态浆料图图1-8 半固态铸轧成形装置钢钢-Al-20Sn复合板复合板预热装置预热装置我们采用的方法我们采用的方法复合界面结构复合界面结构图图1-9 典型的复合界面（fs=34%）复合界面由位于钢基内的1、2和3区构成，1和3区与覆层中后生固相相接触，由铁铝化合物构成；2区与覆层中的初生固相相接触，由含铝量小于3.5%的铁铝固溶体，构成；因此钢半固态Al-20Sn复合界面是由铁铝化合物和铁铝固溶体交替构成的新型结构。当固相率为34.3%，复合板界面剪切强度最大为70.2MPa，这比固液相复合板的提高了10MPa。图图1-10 高频振动复合成形高频振动空化效应产生的“均匀分散”、“促进润湿”和“净化表面”等特性来消除Al-20Sn覆层中Sn的偏析和实现熔体与钢板迅速铺展、贴紧，改善钢板与Al-20Sn覆层的结合，获得界面结合强度高、润滑性能好的钢Al-20Sn复合板第二章第二章 纳米科学纳米科学 内容：内容：介绍纳米科学的基本情况，包括纳米技术的基本概念、特点、加工技术等内容。2.1纳米科学的基本概念、特点纳米科学的基本概念、特点 二十世纪八十年代，德国物理学家格兰特开发了纳米级超细粉末，给材料领域带来了巨大的变化。二十世纪八十年代以来，由于发明了扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术，为纳米级微粒的结构、形态和特性的研究提供了保障，因此纳米科学如雨后春笋般茁壮成长起来。2.1.1 纳米的概念纳米的概念 纳米材料：纳米材料：是指构成材料的颗粒的尺度在1100nm（10-9m）之间的材料。2.1.2 纳米材料特性纳米材料特性 四大基本特性：四大基本特性：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。小尺寸效应：小尺寸效应：纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性出现改变而导致新的特性出现的现象。表面效应：表面效应：纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小，微粒表面所占有的原子数目远远多余相同质量的非纳米材料粒子表面所占有的原子数目，单位质量粒子表面积的增大，表面原子数目的聚增，使原子配位数严重补助不足，高表面积带来的高表面能，使粒子表面原子极其活跃，很容易与周围的气体反应，也容易吸附气体，这一现象称为表面效应。量子尺寸效应：量子尺寸效应：在纳米材料中，微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能隙变宽的现象叫纳米材料的量子尺寸效应。宏观量子隧道效应：宏观量子隧道效应：纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧道效应。几十年来，形成了系统的纳米材料科学，纳米科技已经在材料与制造（纳米陶瓷）、微电子、光电子与计算机（磁盘）、医学与健康（纳米药）、生物工程与农业（基因改变）、环境与能源（处理污水）、航空与航天（纳米涂料）、国家安全（吸波材料）等广泛领域得到应用。纳米科学技术的最终目标：纳米科学技术的最终目标：是人类按照自己的意志操纵单个原子组装具有特定功能的成品，来改变人类的生产和生活模式。1.2.1 纳米材料的分类纳米材料的分类 2.2 纳米材料的分类、研究方法纳米材料的分类、研究方法 纳米材料包含:纳米颗粒纳米颗粒纳米固体纳米固体纳米组装体系纳米组装体系等三个层次1.纳米颗粒：纳米颗粒：是指线度处于1100nm之间的粒子聚合体。成分为：成分为：金属或金属间化合物、非金属氧化物或其他化合物。纳米磁粉，磁卡，固体燃料，病毒 形态为：形态为：球形、片状、棒状、针状、星状、网状等。晶体结构为：晶体结构为：大多数为单晶尺寸为60nm时，可观察到孪晶界、层错和位错等微结构；也可为非晶态或亚稳相。2.纳米固体纳米固体:是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。按几何形态可分为：按几何形态可分为：纳米块状材料 纳米薄膜材料 纳米纤维材料 是指由表面清洁的纳米微粒经高压形成的三维凝聚体。是指二维的纳米固体，包括纳米粒子薄膜和纳米缺陷与复合薄膜。人体？是指一维的纳米固体。按微粒结构状态可分为：按微粒结构状态可分为：纳米晶体 纳米非晶体 纳米准晶材料 包含的纳米微粒为晶态的纳米固体。由具有短序的非晶态纳米微粒组成的纳米固体。将只有取向对称性的纳米级准晶微粒弥散在基体中得到的纳米固体。按组成材料相数多少可分为：按组成材料相数多少可分为：纳米相材料 纳米复合材料 由单相纳米微粒构成的纳米固体称为纳米相材料。由不同材料的纳米微粒或二种及二种以上固相的纳米微粒，至少在一个方向上以纳米级尺寸复合而成的纳米固体称为纳米复合材料。3.纳米组装体系纳米组装体系:由人工组装合成的纳米结构的材料体系称为纳米组装体系。纳米阵列体系介孔组装体系薄膜嵌镶体系2.2.2 纳米材料的研究纳米材料的研究 制备研究：制备研究：制备方法、机理研究、表征研究。集中在：集中在：制备研究和应用研究 应用研究：应用研究：结合各领域的特点进行声、光、电、磁、热、力学等性能与机理的研究。2.3纳米材料的加工技术纳米材料的加工技术 一、纳米粉体加工技术一、纳米粉体加工技术 纳米粉体加工技术包括：物理法物理法化学法化学法综合法等技术。综合法等技术。1.物理法物理法 惰性气体沉淀技术高能球磨技术热物理技术非晶晶化技术等离子技术 1）惰性气体沉淀技术惰性气体沉淀技术是金属在外源（热、等离子、激光等）蒸发下，采用惰性气体对金属蒸气进行保护得到纳米颗粒的技术。2）高能球磨技术高能球磨技术是将大块物料放入高能球磨机或气流磨中，利用介质和物料之间相互研磨和冲击使物料细化的技术。3）热物理技术）热物理技术是将大块材料在真空中加热蒸发，蒸发出原子或分子在低压惰性气体介质中冷却而形成纳米粉的技术。4）非晶晶化技术）非晶晶化技术是通过熔体快冷、高速直流溅射、等离子流雾化等过程得到纳米粉体的技术。+5）等离子技术）等离子技术是以等离子态作为材料制备能源而得到纳米颗粒的技术。物理法总结2.化学法化学法 化学沉淀技术 水热技术 乳液技术 溶胶-凝胶技术 1）化学沉淀技术）化学沉淀技术在包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中，加入沉淀剂（如OH-,C2O42-,CO32-等）后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类，从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即可得到所需的氧化物粉料的技术。2）水热技术）水热技术 是指在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶入水中同时析出氧化物超细粉末的技术。3）乳液技术）乳液技术 是利用二种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液，从乳液中析出固相制备纳米材料的技术。4）溶胶）溶胶-凝胶技术凝胶技术 是将易于水解的金属化合物（无机盐或醇盐）在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化，在经干燥、烧结处理，得到所需的各种纳米材料的技术。+化学法总结3.综合法综合法 辐射合成技术 微波/溶胶凝胶技术 是在常温下采用射线辐照金属盐的溶液制备纳米微粒的技术。是将溶胶-凝胶技术与微波烧结技术相结合来制备纳米材料的技术。综合法 二、纳米膜的加工技术二、纳米膜的加工技术 纳米膜的加工技术包括：还原技术还原技术 溅射技术溅射技术 化学气相沉积技术化学气相沉积技术 1）还原技术）还原技术 是用金属元素的酸溶液，以柠檬酸钠为还原剂迅速混合溶液，并还原成具有纳米尺寸的金属颗粒，形成悬浮液，最后去除水分，得到含有超微细金属颗粒构成的纳米材料薄膜的技术。2）溅射技术）溅射技术 是利用直流或高频电场使惰性气体发生电离，产生辉光放电等离子体，电离产生的正离子和电子高速轰击靶材，使靶材上的原子或分子溅射出来，然后沉淀到基板上形成薄膜的技术。是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的技术。3）化学气相沉积技术）化学气相沉积技术 三、纳米块料的加工技术三、纳米块料的加工技术 以粉末等静压技术为主。等静压技术等静压技术 是将较低压力下干压成型的坯体置于一个橡胶皮模内密封，在高压容器中以液体为压力传递介质，使坯体均匀受压，得到密度高的纳米块料的技术。2.4.1 纳米材料学科与计算机学科的交叉纳米材料学科与计算机学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：微电路的制备问题 日前，美国西北大学的英金等人研制出纳米光刻机，其刻笔笔尖可以“浸”入有机分子池中，刻划出15nm线宽的图形，从而可以生产出比传统的光刻机法小几个数量级的微电路，这项发明被认为是纳米技术研究的重大突破。2.4与其它科学的交叉与其它科学的交叉2.4.2 纳米材料学科与军事学科的交叉纳米材料学科与军事学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：射程远、初速大的问题 火炮和轻武器，靠增加装药量来提高射程，这将增加武器的重量。军事科学家将纳米材料学科与军事学科相交叉，利用纳米铝或铜颗粒遇到空气发生猛烈爆炸的现象，将发射药制成纳米级颗粒，提高单位体积所释放的能量，使弹头的初速和射程得以提高，同时减轻了重量，解决了问题。2.4.3 纳米材料学科与磁学学科的交叉纳米材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：高效率电源变压器问题 2000年西班牙巴塞罗纳科学家发明了一种新型纳米磁性材料。用它制造的变压器具有超高效率，能量损耗比传统的变压器小得多，变压器几乎不发热，而且可以作得很小。2.5本章小结本章小结 一、一、纳米的概念纳米的概念纳米材料：纳米材料：是指构成材料的颗粒的尺度在1100nm（10-9m）之间的材料。二、二、纳米材料特性纳米材料特性 四大基本特性：四大基本特性：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 三、三、纳米材料的分类纳米材料的分类 按纳米材料结构分为：1.纳米颗粒；2.纳米固体；3.纳米组装体系 四、四、纳米材料的研究纳米材料的研究 集中在：集中在：制备研究和应用研究 五、纳米材料的加工技术五、纳米材料的加工技术 1.纳米粉体加工技术；2.纳米膜的加工技术；3.纳米块料的加工技术 第三章第三章 超导科学超导科学 内容：内容：介绍超导科学的基本情况，包括超导科学的基本概念、特点、研究方法等内容。3.1超导科学的基本概念、特点超导科学的基本概念、特点 1911年4月荷兰莱顿大学的昂内斯发现水银在4.16K电阻消失以来，宣布了超导时代的开始+，近年来，随着现代工业的发展，为超导科学的研究奠定了良好的基础，因此超导科学得到了飞速的发展。3.1.1 超导的概念超导的概念 超导材料：超导材料：是指在一定温度下（超导转变温度）具有零电阻的材料。3.1.2 超导材料特性超导材料特性 基本特性：基本特性：零电阻特性、完全抗磁性。零电阻特性：零电阻特性：任何超导材料的电阻均为零。图图3-1 有电流的超导体环 完全抗磁性（零磁感）：完全抗磁性（零磁感）：在超导状态下，超导材料在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与外加磁场大小相等、方向相反，因此超导材料内磁感应强度为零，即B=0，此即为完全抗磁性。+=外磁场感生磁场磁场为零图图3-2 磁通线被完全驱出超导球+3.2.1 超导材料的分类超导材料的分类 3.2超导材料的分类、研究方法超导材料的分类、研究方法 超导材料可分为：常规超导材料常规超导材料（30K）一、常规超导材料一、常规超导材料 即低温超导材料（30K）+1986年，米勒和贝德诺茨首次开发了镧钡铜氧化物，使超导临界温度升到30K。1987.11，他们获得了诺贝尔物理奖。1987.2，物理所赵忠贤100K。目前，130K。高温超导材料（30K）主要有：1.氧化物超导材料：氧化物超导材料：2.非氧化物超导材料：非氧化物超导材料：3.其他超导材料：其他超导材料：由各种系列的氧化物构成的超导材料，如镧锶铜氧化物、钇钡铜氧化物、钕铈铜氧化物等。非晶体超导材料、复合超导材料、重费米超导材料、有机超导材料等。由C60化合物构成的超导材料。+地上线圈液氮贮槽超导磁体车轮驱动同步马达轨道图图3-3 磁悬浮列车示意图第一台超导磁悬浮列车日本建造 1972年 517km/h平稳、无噪音、无震动、舒适3.2.2 超导材料的研究超导材料的研究 集中在：集中在：高温超导材料晶格结构、电子结构和磁学特性研究方面 3.3超导材料的加工技术超导材料的加工技术 1.湿法加工技术 2.干法加工技术 3.熔融加工技术 4.磁控溅射加工技术 5.脉冲激光蒸镀技术 6.机械加工技术 1.湿法加工技术湿法加工技术 2.干法加工技术干法加工技术 是将超导元素溶入溶液中，根据需要进行配比，沉淀后即可形成一定比例的超导氧化物，或形成化合物盐，再经烧结后形成超导氧化物的加工技术 是将氧化物进行充分的混合，再经高温烧结形成超导材料的加工技术。3.熔融加工技术熔融加工技术 是将氧化物或化合物盐混合后进行高温融化，冷凝后形成超导材料的加工技术。4.磁控溅射加工技术磁控溅射加工技术 是通过电场电离氩离子、通过磁场加速、利用高速氩离子打靶溅射在基板上形成超导薄膜的加工技术。5.脉冲激光蒸镀技术脉冲激光蒸镀技术 6.机械加工技术机械加工技术 是利用激光打靶蒸发在基板上形成超导薄膜的技术。是将超导材料粉末灌入银管，通过轧制或拉拔形成超导线材的加工技术。3.4与其它科学的交叉与其它科学的交叉 3.4.1 超导材料学科与选矿学科的交叉超导材料学科与选矿学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：不同成分的颗粒分离问题 将超导材料学科与选矿学科相交叉，利用超导材料制成超导磁体，产生超高的磁场强度（2特），通过改变超导磁体的结构形状，得到各种梯度的磁场，形成超导磁分离技术，可将混合矿物中的不同成分的颗粒分离开来。3.4.2 超导材料学科与贮能学科的交叉超导材料学科与贮能学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：储存电能的问题 将超导材料学科与贮能学科相交叉，利用超导磁体的无焦耳热损耗，直接将电能长时间地、无损耗地储存起来，这样就可利用超导磁体储存巨大的能量，可保持电网的稳定。3.4.3 超导材料学科与磁学学科的交叉超导材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题：解决科技难题：船的电磁推进问题 将超导材料学科与磁学学科相交叉，在船底装上超导磁体，产生磁场，在海水中通过电流，就可产生向前的推力，从而使船前进，通过改变电流的方向和大小，可实现船体运动的方向和速度的变化。3.5本章小结本章小结 一、超导的概念一、超导的概念 超导材料：超导材料：是指在一定温度下具有零电阻的材料。二、超导材料特性二、超导材料特性 基本特性：基本特性：零电阻特性、完全抗磁性。三、超导材料的分类三、超导材料的分类 超导材料可分为：常规超导材料常规超导材料包括单质超导材料、合金超导材料和化合物超导材料等。高温超导材料高温超导材料包括氧化物超导材料、非氧化物超导材料、非晶体超导材料、复合超导材料、重费米超导材料、有机超导材料等 五、超导材料的加工技术五、超导材料的加工技术 主要有：主要有：湿法加工技术、干法加工技术、熔融加工技术、磁控溅射加工技术、脉冲激光蒸镀技术和机械加工技术等。四、超导材料的研究四、超导材料的研究 集中在：集中在：高温超导材料晶格结构、电子结构和磁学特性研究方面 第四章第四章 半固态加工科学半固态加工科学 内容：内容：介绍半固态加工科学的基本情况，包括半固态加工的基本概念、特点、加工技术等内容。4.1半固态加工科学的基本概念半固态加工科学的基本概念70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings教授提出了一种崭新的金属成形技术半固态加工技术。+半固态加工的基本思想是：半固态加工的基本思想是：对处于凝固过程中的金属熔体进行强烈的搅拌，充分打碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的非枝晶半固态浆料(固相组分一般为50左右)，然后再对浆料进行加工。4.2半固态加工的分类、特点、研究方法半固态加工的分类、特点、研究方法 4.2.1 半固态加工的分类半固态加工的分类 按熔点分：按熔点分：低熔点有色金属半固态加工 高熔点黑色金属半固态加工 按成形方式分：按成形方式分：流变成形流变成形 触变成形触变成形 利用流变浆料直接进行成形加工,这种方法称为半固态金属的流变成形。将流变浆料凝固成锭，按需将此金属锭切成一定大小并重新加热（即坯料的二次加热）至金属的半固态区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料，利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称为触变成形。4.2.2 半固态加工的特点半固态加工的特点 由于半固态金属成形采用了非枝晶半固态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，所以半固态金属与过热的液态金属相比，含有一半左右的球状初生固相，与固态金属相比，又含有一半左右的液相，具有许多独特的优点。+半固态金属成形的主要优点：半固态金属成形的主要优点：1)半固态金属的凝固收缩减小、初晶晶粒细小、成分均匀，因此利用半固态金属制造的金属制品不存在偏析的组织，性能更优异、更均匀；2)被加工材料的变形抗力小，半固态金属的初生固相接近球状，因此变形应力显著降低，成形能耗更低，成形速度更快，并缩短加工工序，节省设备投资，还可以成形复杂的零件毛坯，金属制品的成本更低；3)半固态浆料部分凝固潜热已经放出，对加工设备的热作用小、本身凝固收缩小，成形温度低，减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命，尤其当成形高熔点黑色合金时更是如此，因此加工设备可以小型化、产品的性能明显提高、尺寸精确；4)半固态金属的粘度较高，可以方便地加入增强材料(颗粒或纤维)而制造复合材料，为复合材料的生产开辟了一个新途径。4.2.3半固态加工的研究半固态加工的研究 集中在：集中在：低熔点有色金属和高熔点黑色金属的浆料制备、物性和组织演变机理研究方面。一、低熔点有色金属半固态加工一、低熔点有色金属半固态加工 二十世纪七十年代以来，美国、法国、意大利、日本等先进工业国家对铝合金、镁合金、铅合金、铜合金等进行了较为充分的研究，国外目前进入工业应用的半固态有色金属主要是铝合金、镁合金，这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、轮毂、压缩机活塞等。1.低熔点有色金属半固态浆料或坯料制备方法低熔点有色金属半固态浆料或坯料制备方法 1）机械搅拌法 2）电磁搅拌方法 3）应变激活方法(SIMA)4）粉末冶金方法 5）单辊旋转方法 1）机械搅拌法）机械搅拌法 图图4-1 机械搅拌法示意图 美国麻省理工学院Flemings M C等人发明的，结构复杂,造价较高，产量不大2.27kg/min，搅拌室和搅拌棒的寿命较短,搅拌棒易于污染金属。2）电磁搅拌方法）电磁搅拌方法 图图4-2 电磁搅拌法示意图 电磁搅拌方法是半固态铝合金坯料的主要工业生产方法之一。3）应变激活方法）应变激活方法(SIMA)是预先连续铸造出晶粒细小的金属锭,再将金属锭挤压变形,而且变形量要足够大，最后按需要将变形的金属锭切成一定大小,在加热到固液区,形成具有一定固相率的半固态浆料。该方法生产的金属铸锭纯净，产量较大，但制备过程中需要的变形量很大，而且坯料的最终规格尺寸较小，只适合于制作小零件，因此这种方法的应用范围十分有限。4）粉末冶金方法）粉末冶金方法 是首先利用传统的制粉方法，将金属制成粉末，再将金属粉末预成形，并将预成形件加热到固液相区域，形成具有一定固相率的半固态浆料。该方法工艺复杂、制备费用昂贵，一般只用于高温金属半固态浆料的制备。5）单辊旋转方法）单辊旋转方法 图图4-3 单辊旋转法示意图 该方法较为简单方便，已经制备出了铅合金、铝合金等金属的半固态浆料，但半固态浆料的制备过程较难控制，稳定性较差，所以目前仍处在研究之中。2.半固态低熔点有色金属物性研究半固态低熔点有色金属物性研究主要是主要是半固态金属的流变特性，即研究半固态金属浆料表观粘度的变化规律。是揭示半固态金属成形的本质、研究半固态金属制备中浆料流动和半固态金属成形中浆料流动规律的动量方程中最重要的一个物理量。图图4-4 双旋转筒粘度仪 研究连续冷却搅拌和等温搅拌中半固态浆料的表观粘度 Joly等学者研究了连续冷却搅拌和等温搅拌中Sn-15%Pb合金半固态浆料的表观粘度 结果表明：Sn-15%Pb半固态浆料的表观粘度随平均剪切速率的增加而下降，随浆料固相分数的增加而增大，随平均冷却速率的增加而增大；在相同的剪切速率下，等温搅拌的Sn-15%Pb合金半固态浆料的表观粘度比连续冷却搅拌的半固态浆料的表观粘度低；在一定的剪切速率范围内，等温搅拌的Sn-15%Pb半固态浆料的表观粘度a可用下面简单的经验指数方程描述：a=Kn （1）式中是剪切速率，n是指数，对于合金来说n小于0，K是常数 适用于Sn-15%Pb合金的稳态流变特性，但未考虑冷却速度、固相颗粒大小和形态以及固相集聚的影响 Turng等学者也研究了Sn-15%Pb合金半固态浆料的表观粘度 总结出下面的经验方程：(，fs)（1-fs/fs*）-m()(fs)1+*(fs)/an/a （2）式中fs*=0.7，(fs)为渐进表观粘度，*(fs)为临界剪切速率，m()=360/，n、a为常数 适用于Sn-15%Pb合金半固态浆料的流变特性，也未考虑冷却速度、固相颗粒大小和形态以及固相的集聚影响 Hirai等学者研究了Al-10%Cu的半固态浆料的表观粘度 套用Mori关于固液两相(固相为刚性球状，均匀分布)的粘度模型，得出下式：a=La1+(2.41105C1/3-4/3)/21/fs-1/(0.72-8.82C1/3-1/3)（3）式中La为液相的粘度，C为凝固速度 适用于Al-10%Cu的半固态浆料的流变特性，虽然考虑了冷却速度的影响，但未考虑固相颗粒大小和形态以及固相的集聚影响，而且理论计算结果与实际测定结果的偏差较大 从以上可知：到目前为止，低熔点金属及合金的半固态浆料的稳态或非稳态表观粘度的本构关系仍然不健全，也就是低熔点金属及合金的半固态浆料的物性研究仍然很不完善。3.有色金属半固态组织的演变机制研究有色金属半固态组织的演变机制研究 组织演变机制是半固态金属研究中的一个重要内容。通过对半固态金属组织演变机制的研究，可以获得对半固态金属成形本质的认识，从而为优化搅拌工艺和成形工艺提供理论依据。通过对半固态有色金属的组织形态与搅拌参数之间关系的研究，发现初生相随剪切速率的提高而更加园整，随搅拌时间的延长而更加园整，随冷却速度的提高而更加细小。但在搅拌过程中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎、转变机制，目前尚未开展此方面的研究。关于有色金属半固态组织的演变机制，目前只有几种假设 Flemins 认为：在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用，也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用，细小的初生枝晶逐渐转变为玫瑰花状，最后转变为球状。Vogel等人认为：熔点温度附近的初生Al枝晶具有一定的韧性，在搅拌的紊流之中只发生弯曲而不会断裂；在搅拌过程中，如果一个Al枝晶臂相对于枝晶主干弯曲了q角，就要求枝晶臂中必须存在附加的位错，这些位错将会因回复和再结晶过程的发生而转变成晶界，那么该晶界就具有q角大小的取向错误；如果q角较大，这个大角度晶界的能量比固液相的界面能大两倍以上，这种晶界完全会被液体薄膜所浸润，最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作用而从枝晶主干上脱落下来。Dohery等人认为：由于搅拌的剪切作用，初生柔软的相枝晶臂将会发生塑性弯曲，弯曲将以位错的形式使枝