第5篇材料制备新技术.

第5篇材料制备新技术•快速凝固(RS)•机械合金化（MA）•自蔓延高温合成（SHS）•溶胶凝胶技术（Sol-Gel）•3D打印（3DPrinting）第11章快速凝固（RapidSolidification）11.1概述1．发展概况古代冷铁技术(Duwez)教授50年代采用熔体急冷技术，得到非晶态合金；非晶晶化得到纳米晶;新材料制备中的金娃娃（goldbaby）2．概念快速凝固严格来讲是指凝固速度大于102m/s的凝固过程，或冷却速度大于104K/s的凝固过程11.2快速凝固的基本原理1.快速凝固的根本条件凝固时的液-固界面前沿存在大的过冷度。过冷度↑——相变驱动力↑——凝固速度↑见图14-1，图14-22.实现快速凝固的基本途径快速冷却——动力学抑制形核——热力学(14-1)式中：——异质形核激活能；——异质形核激活能；——润湿角4/323conconGGhoheheGhoG11.3快速凝固工艺•深过冷方法•雾化法•液体急淬法•原位熔化法1．深过冷方法1．实质：通过抑制液态金属的非均质形核，使其在热力学上达到较高的过冷度，从而实现液态金属快速凝固的工艺。30年代的研究认为均质形核的临界过冷度约为0.2Tm。Ge的过冷度达0.58Tm。理论分析认为均质形核过冷度应为2/3Tm。2.工艺分类1）循环过热净化：“加热熔化——过热保温——冷却”的热循环过程2）3）4）微重力凝固：消除重力对形核影响，如太空5）落管法：微重力凝固和无坩埚凝固的双重特征2．雾化法1．概念：通过击碎液态金属，形成高度弥散的液珠并凝固。2．原理：快速冷却+深过冷3．工艺分类：参见第9章3.液态金属快淬法a.单辊法1）原理，图14-3所示.2）特点•冷速高：约106K/s•设备简单•容易控制：t∝QA·υ-B其中t-条带厚度；Q-气体流量；v-单辊转速；A,B-常数3）产品：条带b.双辊法1）原理，图14-4所示。2）特点冷速大约在105K/s可制异形带材3）产品：薄带或粉末c.锤砧法1）原理，图14-5所示。2）特点•冷速可达105～106K/s•薄片厚度大•不方便d.液体沾出法1）原理，图14-6所示。2）特点无需喷嘴适应性强冷速：104K/s3）产品：粉e．其他液体拉丝法、悬挂法、枪法等。4．原位熔化法a．原理，图14-7所示。b．特点冷速极高表面处理11.4快速凝固合金的组织与结构特征1．形成过饱和固溶体(14-3)式中—随温度变化的平衡溶质分配系数；，溶质截留动力学参数，其中为与原子间距有关的常数，—枝晶生长速度。随生长速度的增加，K值趋近于1。(14-4)式中：—发生溶质全部截留所需的临界凝固速率；—溶质在液相中的扩散系数；—原子跳跃距离。当，，溶质全部截留。00()1KTVKV()KT00/()aDT0a()DTV11/crVDcrV1D1crVVV2．超细的晶粒度(14-5)式中：D—V—A—常数，大于13．极少偏析或无偏析｜1-KADV4．形成亚稳相Al-22.44Mn-17.15Si准晶；非晶态合金（金属玻璃）5．高的点缺陷密度11.5快速凝固技术的应用1．改善晶态材料的性能2．制备非晶态合金1）结构：长程无序，短程有序2）制备方法：见表14-13）性能力学磁学腐蚀3．制备纳米晶直接制备非晶晶化本章重点•实现快速凝固的根本条件与基本途径•快速凝固合金的组织与结构特征第12章溶胶-凝胶法一.溶胶-凝胶法工艺特点1．优点1）合成温度低2）均匀性高3）制品纯度高4）反应过程及产物可控性高5）烧结温度低2．缺点1）原材料成本高2）工艺周期长3）制品易开裂4）烧结体易出现细孔和OH—或C二．溶胶-凝胶法过程及原理1．基本反应1）溶剂化：2）水解反应：3）缩聚反应：失醇缩聚、失水缩聚2．工艺过程及概念1）工艺过程2）基本概念(1)溶胶：纳米尺寸的胶质颗粒与其它液相组织成的混合体(2)凝胶：由充满容器的固相骨架及充斥其间的液相所组成的混合体。(3)陈化：凝胶在干燥前的放置(4)熟化：凝胶的溶解再沉淀过程图溶液-凝胶法制备纳米粉体的基本工艺过程凝胶湿凝胶水凝胶醇凝胶干凝胶气凝胶3．主要工艺因素1）加水量加水量增加，线性结构高交联度结构2）pH值酸性：线性结构碱性：高交联度结构pH值太高，易形成沉淀3）醇盐种类及浓度种类不同，水解、缩聚速度不同浓度决定碰撞几率4）水解温度：温度高，反应快。三．溶胶-凝胶技术的应用可制备各类材料和薄膜。本章重点：基本概念,基本反应纳米银抗菌凝胶溶胶凝胶法镀膜气凝胶