材料图传

材料图传之材料后传13.1超级钢领军未来金属材料1997年日本首先提出“超级钢”的概念，未来20年，超级钢将引领所以金属结构材料的发展。我国继成为第一产钢打过之后，大力研发超级钢，2005年我国超级钢已达到400万吨，20年后，全球超级钢产量可超亿吨，我国需努力在4000万吨以上。1什么是超级钢呢？超级钢是在压轧时把压力增加到通常的5倍，并且提高冷却速度和严格控制温度的条件下开发成功的。其晶粒直径仅有1微米，为一般钢铁的1/10～1/20，因此组织细密，强度高，韧性也大，而且即使不添加镍、铜等元素也能够保持很高的强度。思考：还有什么钢呢？1超级钢的应用1超级钢面临的问题一、技术问题超级钢的生产要引起成本的提高，这是涉及价格变动和市场供需的变化。二、是细晶化相关理论问题不同含碳量、不同合金元素含量钢种的细晶化机制有明显差异，进一步深化理论研究，获得认识的进步的推进超级钢发展的重要内容。三、相关工艺问题的研究如超级钢化学冶金与细晶化的关联，提高超级钢的均质工艺，超级钢的焊接问题等等13.2未来钢铁材料的发展1997年提出的“超级钢”其实并不限于建筑用钢，还包括汽车这种最活跃的机器钢材和不锈、耐热钢等。例如：机器用钢要求高耐磨、耐疲劳性；船舰甲板要求高耐腐蚀性；货箱用钢要求高强度、高耐大气腐蚀性13.3守卫人类安全的核防护材料自1951年美国首次利用核能发电以来，世界核电已有50多年的发展历史。截止2005年底，全世界核电机组共有440多台，发电量约在世界总电量的16%，对解决化石能源枯竭、减伤CO2排放发挥了重要作用。1核电的利与弊20年后化石能源更加紧缺，利用核能的大方向不会变，核能的安全应用将会是永恒的主题。其中核电站用防护材料的开发是关键。其中锆合金的材料性能提升和技术更新将成为核心的开发内容。人类历史上最严重的两次核电事故和各国核电的比例1合理安全利用核能的核心1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号反应堆爆炸，据估算，核泄漏事故的核辐射污染量相当于广岛原子弹爆炸的100倍。所以核电的安全利用的一个无法回避的问题。而作为关键防护材料的锆合金，又有哪些特性呢？锆合金是热中子吸收率小、热导率高、综合机械性能好，有具有良好的加工性能以及与UO2的相容性好，尤其是对高温水、高温水蒸汽具有良好的抗腐蚀性能和足够的热强性。因此被广泛的用作水冷动力堆的包壳材料和堆芯的结构材料。成为核电站重要的防护材料。13.4轻金属更受青睐人类致力于克服引力，离开地球，对于材料的追求的出于这样的愿望。没有最轻，只有更轻。Al-Li合金是更轻的铝合金，相对密度约2.5，是世界航空航天业开发的合金。在从海水萃取Li技术成熟后，Li将降价。Al-Li合金也会进入汽车，以降低汽车重量。1Mg合金是金属中密度最低的材料，所以在航空航天领域有特殊的应用优势。镁合金是天生的航空材料13.5对钛合金的期待钛是综合性能最好的低密度金属。20年后，通过降低钛合金的生产成本，使其用途不仅在航空航天业中有更大的增长，而且在此基础上进一步扩大到更多的部门。1钛合金与复合材料相比，孰强孰弱？看谁优势更大、综合实力更强、性能/价格比更高。首先复合材料也并不便宜，而且链接问题很多、回收很难、耐热性有限。而这三点都是钛合金的强项，有很强的竞争力。钛合金是一种可以铸造，有可以进行多种压力加工的材料。板、管、梁、带等都能制造。然而这也并不代表钛合金就比复合材料强，因为复合材料也有很多钛合金不具备的特性，而且两个材料都在不断的研究当中，我们完全可以拭目以待。13.6期望轻质化合物材料金属间化合物多数密度较小，而钛的铝化物又是密度极小的材料，所以受到各方面的关注。2011年法国布加迪威龙16.4号称“陶瓷汽车”，采用陶瓷、铝、钛、玻璃纤维、碳纤维等轻质材料制造，像一件完美的艺术品。价值1600万元，是全球唯一的一辆。13.7挑战金属—特种工程塑料各种纤维强化聚合物的强度令人刮目相看。其实没有纤维的强化，工程塑料也能挑战金属材料。特种工程塑料是专门开发或进一步改进的高力学性能、耐热高达150°C以上的工程塑料。特种塑料是挑战金属材料的主要品种。有PPS聚苯硫醚、PAR聚芳酯、PI聚酰亚胺、PEAK聚芳醚酮等几十种，未来将向更高强度更高温度发展。1所谓特种工程塑料是耐热性更好吗？它们是怎样的塑料比工程塑料更好的是特种工程塑料，产量更少，价格也更加昂贵。它们也叫做高性能工程塑料，是综合性能更高，长期使用温度在150°C以上的工程塑料，主要用于高科技、军事和航空航天等用途。有PPS聚苯硫醚、PAR聚芳酯、PI聚酰亚胺、PEAK聚芳醚酮等品种。PPS是结晶型的高刚性白色聚合物，耐热性高，是机械强度、刚性、阻燃性、耐化学性、尺寸稳定性等都极优的树脂，尤其是以耐磨性，抗蠕变性，阻燃性为优。高温、高湿下仍可保持良好的绝缘性。13.8工程塑料用于3C产品工程塑料及特种工程塑料是低密度材料，强度和耐热性的不断提高使其成为轻金属的优劣竞争者，未来几十年其使用温度将进一步提高，而3C产业将是工程塑料及特种工程塑料的主要应用领域，我国基础尚薄弱，是需重点研发的领域。1工程塑料盒特种工程塑料这么重要，未来发展趋势会如何呢？塑料目前在家电中的用量已占到总原料的40%，随着家电产品日趋轻量化，小型化和个性化，工程塑料的应用将越来越广泛。目前我国工程塑料工业水平尚处于较低水平，大部分3C用的塑料还注意依赖外资企业生产或直接从国外进口。改变国内工业塑料落后现状，是未来几十年的严峻任务。13.9现代工具的悄然变化20世纪后期因提高生产效率和降低金属消耗的需求，工具出现深刻的变化，金属材料精确加工主要依靠切削的状况发生了根本的转变，压力加工取代切削的变革加速进行。塑料与陶瓷材料的兴起，彻底颠覆了切削思维。模具变成了材料的通用工具。1模具已经变成第一重要工具，它是针对所有材料吗？模具依用途大致可划分为：冲压模具、塑料模具、压铸模具、锻造模具、陶瓷及粉尘冶金压制模具等。塑料模具和冲压模具占产值的70%以上，每种模具中都有不同的模具材料，但钢铁材料是模具材料的主流，也有少量的耐热合金合陶瓷材料。高温、高耐热蠕变性的要求将使耐热合金、高熔点金属和陶瓷材料也进入模具材料行列。13.10彻底解决排放之路—氢冶金钢铁冶金的排放大户，高炉炼铁的反应是铁矿石被碳还原，生成物是Fe和CO2，因还原剂是碳故称碳冶金，CO2排放由此而生。如果把还原剂改成氢气，反应产物是铁和水，课实现CO2的零排放。但是彻底解放排放，必须解决氢源的难题。1积极推进氢冶金的研究与实验，将逐步走向零排放的目标吗？氢冶金是转变钢铁发展方式的希望所在，是改变钢铁生产高耗能、高污染、高排放的局面的有效、可行的技术措施，也是钢铁工业低碳化的终极性选择。但是，先阶段没有解决大量、高纯度氢资源之前，也必然会长时间存在一个过渡阶段。13.11再制造—材料复活之路针对资源问题，再制造开始于20世纪80年代，成为先进制造技术的组成部分和发展方向，并与21世纪成为一种极具潜力的新型产业。其中各种与材料相关的表面加工技术有重要的发挥空间，对全寿命周期和产品质量有重要的影响。1再制造大有可为，与国外相比，我国情况如何？再制造是首先从国外开始的，但我国跟进很快，而且在再制造理论和关键技术研发方面也已取得重要突破。例如：我国开发的纳米颗粒复合电动化电刷镀的再制造技术，已经达到国际先进水平。13.12资源位移—城市矿山人们称那些富含锂、钛、金、银、锑、钴、钯等稀有贵金属的废旧家电、电子垃圾为“城市矿山”。而大量小型家电沉睡在家中，或随意丢弃，对环境造成污染。城市矿山总量已达到千亿吨，它们也可以成为一座座不容忽视的“资源宝库”。一吨废手机可提取400克黄金、2.3千克银，而一吨金矿只能提取5克黄金。一吨废电脑可提取300克金、1千克银。有兴趣的同学可以计算一下利润哟~1电子矿山蕴含的巨大财富《金属时评》杂志公布了下面这些数据。电子产品中金为0.68万吨，约占全球天然矿山储量的16%，按矿山储量排名居第一位；银为6万吨，约占天然矿山的23%，矿山储量排名居第一位；铟为0.17万吨，约占全球天然矿山的38%，排名居第一位；铅为560万吨，储量排名第一。13.13高温合金由“谁”接班世界各国竞相开发的高温用轮盘、叶片的镍基高温合金，当前的最高耐热温度可达到1050°C，已经接近镍基合金的耐热极限，喂达到这一目标。已经在合金化、冶金工业制度上做了最大努力。1使用温度提高到1100°C以上时，用什么材料才能取代镍基高温合金？有很多种可能。比如可以选择氮化硅陶瓷Si3N4，它是极好的耐热材料。Si3N4陶瓷是共价键化合物，其基本结构单元与金刚石相同。温度达到1200°C，Si3N4仍具有很高的强度和抗冲击性。而且性能几乎不随温度变化。13.14海洋工程材料20年后，人类将进一步依赖海洋，将出现更多的海洋工程。“海洋材料”虽然目前大部分还属于“建筑用钢”的种类，但由于服役的特殊性以及用途的重要性，还是应当单独分离出来，在明确材料未来的服役方向的基础上，创造出一种新型材料。1海洋工程用钢材的耐海水腐蚀性是个非常突出的问题？这是海洋工程用材料的特殊服役问题。海洋腐蚀问题特别复杂，包括大气区腐蚀、飞溅区和潮差区腐蚀以及海泥区腐蚀。海水不仅是含盐高达3.5%的强腐蚀性电解液，而且还有海洋生物新陈代谢产物、浪波潮流冲击作用，湿地腐蚀也成为极大的科学难题。13.15当厚度极小化—薄膜材料三维材料的某一纬度如果不断变小至微米、纳米量级，而另两个纬度不变成了膜。这时材料的结构、性质会发生巨大的变化，磁头的演变是一个极好的例证，未来20年材料的纬度变化会展示出无穷的魅力，会不断给我们带来新的希望。1怎样理解超晶格多层膜？1970年美国IBM实验室学者提出了“超晶格”概念。所谓超晶格就是指由两种或两种以上不同成分、厚度极小的薄层交替生长在一起而得到的一种周期结构的材料。13.16几种特殊薄膜材料早在1957年M.法拉第基友提出沉积法制膜的基本原理，1930年达到了实用化。其后发展处物理、化学气相沉积，分子束外延等多种制备薄膜的方法。1永磁材料也要做成薄膜，这是怎样的实际需求推动的？这是微电子科学发展的需求。电子器件向着微、精、薄、智的方向发展，促成了相应磁性元件的薄膜化，包括永磁材料。因为高性能永磁材料都很脆，所以，微米量级薄膜永磁体必须直接制备在要求提供磁场元件上，这才适应微机械系统的高性能要求。13.17材料涂层无所不在涂层是表面改性的最有效手段。所以靠表面发挥作用的材料从来离不开涂层表面处理。即使以支撑为主要作用的结构材料，仍需要防腐蚀、防氧化表面处理，镀锌钢板就是一例。所以材料涂层无所不在，未来20年涂层需求将与日俱增。1如果想在工件表面涂较厚的涂层，有什么好的工艺方法？1980年代兴起并广泛应用的热喷技术是一种好的选择。热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至融化或半融化的状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的工件表面层，以达到防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系列不同性能的要求，所以是一种应用范围极其广泛的表面处理。13.18高熔点金属不会缺席作为比镍基高温合金更耐高温的材料，已有陶瓷材料作后备军，但是陶瓷材料性能离散度大的弱点不可能在20年内解决，所以尽管高熔点金属密度很大，但从安全性出发，它们仍有重要的前途，是不能简单、轻易地退出耐高温材料的历史舞台的。1思考：还有什么耐高温金属呢？13.19五彩缤纷碳纤维结构碳是所以元素中发现纳米结构最多的。而且是唯一可以零维（碳60）、一维（碳纳米管）、二维（石墨烯）、三维（金刚石）同素异形体纳米结构存在的元素。可以期待：20年后异彩缤纷的碳纳米结构一定能创造出多种多样、性能各异的碳纳米材料。1富勒烯的实用价值？如果仅就富勒烯而言，由于富勒烯形成机理已经基本明确，科学家们用各种方法合成分离了小至C20，大致C240的富勒烯结构；还发现，当有金属原子嵌入而形成金属富勒烯时，可使极其不稳定的结构能够稳定存在。由C60衍生物制作的太阳能电池具有柔性