6新型结构材料

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1.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ⅤB族（V，Nb，Ta）第ⅥB族（Cr，Mo，W）高熔点金属第ⅦB族（Mn，Tc，Re）第Ⅷ族（Fe，Co，Ni）耐热合金：以ⅤB～ⅦB副族元素和第Ⅷ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。镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50%使用范围：700~1000℃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40~60%的奥氏体，可在730~1100℃条件下使用。耐热温度高。一般钴基合金含10~22%Ni和20~30%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嘴。8材料化学新型结构材料1.2高温结构陶瓷传统陶瓷工业陶瓷原料粘土，石粉碳化硅，氮化硅工艺用水拌和,成型干燥后烧制磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或直接高压成型,烧制耐热温度1300℃1500～2000℃特征易碎坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性研究领域高温燃气轮机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α-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①氮化硅②Sialon陶瓷系列化合物的总称③氮化硼陶瓷（2）碳化物陶瓷11材料化学新型结构材料实例1：氮化硅Si3N4x(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+6CO12材料化学新型结构材料•化学气相法3SiCl4+4NH3→Si3N4+12HCl或3SiH4+4NH3→Si3N43SiH4+2N2H4→Si3N4+10H23SiH4+2N2+6Cl2→Si3N4+12HCl•热分解法3Si(NH)2→Si3N4+4NH33Si(NH2)4→Si3N4+8NH313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α和β两相α相——动力学上易生成，在1400~1800℃，高温下转化为β相β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0.534gcm-3，是铝的1／5，钢的1／15。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-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8％～16％。如：B737将可减重2178kgB747SP可减重4200kgB747—200可减重5200kgA310可减重2600kgA340可减重3900kg18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BAД23、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：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2500~3000℃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•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(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PolymerMatrixComposites，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30材料化学新型结构材料（3）其它无机纤维碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，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（BoronFibre，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：硼纤维直径有100μm、140μm、200μm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2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。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（AluminiaFibre,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（1200～1300℃）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。用途：主要用于金属基复合材料。35（4）Kevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）特点：比强度、比模量高；其强度可达2800～3700MPa；密度小，只有1.45g/㎝3；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。材料化学新型结构材料36材料化学新型结构材料Kevlar纤维树脂复合材料由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。性能特点:抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维―环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；减振能力为钢的8倍。37材料化学新型结构材料（5）金属和钢纤维类型：钨、钼、不锈钢、铝等特点：导电性和导热性好，塑性和抗冲击性好。制备方法：拉丝加工。熔融纺丝法、挤压法、析出法、冷却法等制造金属纤维的新途径也在积极探索着。用途：常用于混凝土基复合材料。38（6）晶须（Wisker）晶须：具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为1～10μm，长度与直径比在5～1000之间。特点：含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。相对密度小，弹性模量高、高温强度好。外形：白色、灰白色棒状、螺旋状或针状、发状材料化学新型结构材料39用途：作复合材料的强化剂分类：金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）氮