我國(guó)材料歷史進(jìn)程、分類及學(xué)科延伸

1、我國(guó)材料歷史進(jìn)程、分類及學(xué)科延伸緒論緒論材料：社會(huì)文明進(jìn)步的里程碑材料：社會(huì)文明進(jìn)步的里程碑 緒論緒論材料發(fā)展過(guò)程材料發(fā)展過(guò)程 復(fù)合材料 碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能 石墨纖維與樹(shù)脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料 簡(jiǎn)單復(fù)雜簡(jiǎn)單復(fù)雜單一性能綜合性能單一性能綜合性能結(jié)構(gòu)材料功能材料結(jié)構(gòu)材料功能材料單一材料復(fù)合材料單一材料復(fù)合材料我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 天然材料天然材料 包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。包括竹、木、骨、牙、

2、皮、毛、石等材料。 自然界當(dāng)中大量存在，人類可以直接從自然當(dāng)中獲取。自然界當(dāng)中大量存在，人類可以直接從自然當(dāng)中獲取。 經(jīng)過(guò)比較簡(jiǎn)單的加工就可以為人類所利用經(jīng)過(guò)比較簡(jiǎn)單的加工就可以為人類所利用竹筷骨針石制品皮毛制品我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 石器時(shí)代：石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、缽等石器時(shí)代石器時(shí)代- -原始人的石制割砸器具原始人的石制割砸器具石斧：西安半坡遺址石斧：西安半坡遺址我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程印第安人的石斧印第安人的石斧我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程原始人生產(chǎn)矛的過(guò)程原始人生產(chǎn)矛的過(guò)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 陶器（無(wú)機(jī)非金屬材料） 陶器是由粘土或以

3、粘土、長(zhǎng)石、石英等為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200）而成的制品的總稱 約50萬(wàn)年前人類學(xué)會(huì)了用火 6-7千年以前的原始社會(huì)末期，我們的祖先開(kāi)始用火燒制陶器新石器時(shí)代晚期(公元前3000一前2800) 黑陶豆陶體的黑色是因?yàn)闈B入了碳我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 陶土可塑性強(qiáng)，可以獲得人們希望形狀的器物。 陶的出現(xiàn)，使蒸煮食物更為方便，促進(jìn)人類進(jìn)化。 陶俑的出現(xiàn)，代替了以人殉葬的野蠻做法商 陶酒尊唐 三彩俑 豬紋陶盆我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程陶器在中國(guó)具陶器在中國(guó)具有悠久的歷史有悠久的歷史沉淀。半坡村沉淀。半坡村出土的碗、缽、出土的碗、缽、釜、罐、瓶等，釜、

4、罐、瓶等，甚至還有吹氣甚至還有吹氣能發(fā)聲的陶塤。能發(fā)聲的陶塤。 半坡變體鳥(niǎo)紋盆半坡變體鳥(niǎo)紋盆 半坡小口尖底瓶半坡小口尖底瓶 半坡陶盆半坡陶盆 陶塤陶塤我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)祖先們已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)祖先們已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的配方和技術(shù)。和白色陶器的配方和技術(shù)。 仰韶白陶瓶仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶龍山黑陶瓶我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程吸水率小于吸水率小于0.5%0.5%的陶瓷稱瓷器的陶瓷稱瓷器宋五大名窯（官、哥、汝、定、柴宋五大名窯（官、哥、汝、定、柴窯）之

5、一：哥窯瓷器窯）之一：哥窯瓷器 開(kāi)片即是瓷器釉面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。開(kāi)片主要是兩種因開(kāi)片即是瓷器釉面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。開(kāi)片主要是兩種因素造成的，一是成形時(shí)坯泥沿一定方向延伸，影響分子的素造成的，一是成形時(shí)坯泥沿一定方向延伸，影響分子的排列；二是胎、釉材料的膨脹系數(shù)不同，在冷卻過(guò)程中收排列；二是胎、釉材料的膨脹系數(shù)不同，在冷卻過(guò)程中收縮率也有差異，形成開(kāi)片。因而，開(kāi)片是瓷器燒成過(guò)程中縮率也有差異，形成開(kāi)片。因而，開(kāi)片是瓷器燒成過(guò)程中的一種缺陷。宋以前的瓷器中常有開(kāi)片現(xiàn)象，只是到了宋的一種缺陷。宋以前的瓷器中常有開(kāi)片現(xiàn)象，只是到了宋代才開(kāi)始將開(kāi)片作為裝飾。代才開(kāi)始將開(kāi)片作為裝飾。 青花瓷器青花瓷器 青花

6、瓷器以鈷的化合物為發(fā)色劑，繪制在燒制青花瓷器以鈷的化合物為發(fā)色劑，繪制在燒制過(guò)的胎體上，掛釉后再經(jīng)過(guò)一次燒制而最終完成。過(guò)的胎體上，掛釉后再經(jīng)過(guò)一次燒制而最終完成。我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 青銅時(shí)代 青銅逐步取代部分石器、木器、骨器和紅銅器，成為生產(chǎn)工具的重要組成部分。青銅工具的出現(xiàn)，在生產(chǎn)力的發(fā)展上起了劃時(shí)代的作用青銅斧青銅犁我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程青銅錢幣青銅錢幣刀幣、布幣、環(huán)錢、銅貝等刀幣、布幣、環(huán)錢、銅貝等我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 青銅器時(shí)代 河南省安陽(yáng)晚商遺址出土司母戊鼎，重量河南省安陽(yáng)晚商遺址出土司母戊鼎，重量857kg,857kg,外形尺寸：長(zhǎng)

7、外形尺寸：長(zhǎng)寬寬高高（1331337878110cm110cm），此鼎重量是迄今為止），此鼎重量是迄今為止世界上最古老的大型青銅器世界上最古老的大型青銅器青銅戈青銅頭盔我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 銅三足鳥(niǎo)銅三足鳥(niǎo) 西周西周 銅奔馬銅奔馬( (馬踏飛燕馬踏飛燕) ) 漢漢 秦始皇陵銅車馬 秦 爵爵 商商 我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程1965年出土于湖北望山楚墓出土越王勾踐寶劍我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 鐵器時(shí)代：鐵的高硬度、高熔點(diǎn)與鐵礦的高蘊(yùn)含量使鐵器逐漸取代青銅器 世界上最早鍛造出鐵器的是赫梯王國(guó)，距今約3400年。我國(guó)迄今為止，已發(fā)現(xiàn)最早的鐵制品為河北藁城和北京平

8、谷劉家河等地商代遺址中出土的鐵刃銅鉞，距今約3000余年。湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤鐵刃銅鉞我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程中國(guó)最早的關(guān)于使用鐵制工具的文字記載，是中國(guó)最早的關(guān)于使用鐵制工具的文字記載，是左傳左傳中的晉國(guó)鑄鐵鼎。在春秋時(shí)期，中國(guó)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、手工中的晉國(guó)鑄鐵鼎。在春秋時(shí)期，中國(guó)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用鐵器。我國(guó)從公元前業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用鐵器。我國(guó)從公元前7 7世紀(jì)開(kāi)始大量世紀(jì)開(kāi)始大量使用鐵器。使用鐵器。 晉國(guó)鐵鼎晉國(guó)鐵鼎我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 河北滄州鐵獅：河北滄州鐵獅：五代后周廣順三年（公元五代后周廣順三年（公元953953年）鑄造?？偢吣辏╄T造。總高5

9、.45.4米，米，身高身高3.93.9米，頭高米，頭高1.51.5米。身長(zhǎng)米。身長(zhǎng)6.86.8米，寬米，寬3 3米，總重量米，總重量4040噸噸 。我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 宋朝嘉祐六年（公元1061年）鑄造，鐵塔在殿前十三級(jí)，高七丈，重53,300kg，由基座、塔身及塔頂組成，塔身13層, 除第一層外，每層均有平座、塔身和腰檐。腰檐上鑄有瓦壟、屋檐、檐角上鑄有凌空的龍首。鐵塔的基座和塔身上鑄有許多神態(tài)各異的佛像及紋飾，基座八角各立一金剛武士我國(guó)材料的歷史進(jìn)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程 有明代后：封建統(tǒng)治、帝國(guó)主義侵略束縛了材料的發(fā)展，處于停滯狀態(tài) 解放后：材料科學(xué)受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)

10、代技術(shù)三大支柱之一 有一整套材料體系，門類全齊：原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭 數(shù)量：鋼鐵產(chǎn)量居世界第一長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐材料分類及學(xué)科延伸材料分類及學(xué)科延伸材料分類：材料分類： 金屬材料：鋼鐵、鋁、銅、鈦合金等 陶瓷材料：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN等 無(wú)機(jī)非金屬材料：玻璃、水泥等 高分子材料：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚氯乙烯等 復(fù)合材料學(xué)科延伸：學(xué)科延伸： 金屬學(xué) 陶瓷學(xué) 高分子物理材料合成與制備的發(fā)展方向材料合成與制備的發(fā)展方向材料合成與制備綜合了材料科學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)和機(jī)械等各學(xué)材料合成與制備綜合了材料科學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)和機(jī)械等各學(xué)科內(nèi)容科

11、內(nèi)容科學(xué)的發(fā)展，對(duì)高性能材料和先進(jìn)合成方法提出更高的要求科學(xué)的發(fā)展，對(duì)高性能材料和先進(jìn)合成方法提出更高的要求高性能化通過(guò)不同材料間取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)材料復(fù)合化材料功能化功能材料：具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能或具有特殊物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能夠完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來(lái)制造各種功能元器件，而被廣泛應(yīng)用于各類高技術(shù)領(lǐng)域的高技術(shù)材料綠色材料及綠色制備材料合成基礎(chǔ)材料合成基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)自發(fā)過(guò)程：能量因素混亂度因素系統(tǒng)熵：一種狀態(tài)函數(shù)，系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，其過(guò)程的熵變等于過(guò)程的可逆熱與溫度的比值，物理意義為量度系統(tǒng)無(wú)序度的函數(shù) 一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)前后： Q/T=S 可逆

12、過(guò)程，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài) Q/TS 非自發(fā)過(guò)程TdQdSr/反應(yīng)物生成物SSS材料合成基礎(chǔ)材料合成基礎(chǔ)系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)焓的符號(hào)表示為H，定義為： HU+pV標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下: 物理意義：體系所具有的在恒溫恒壓下做非體積功的能力 rGm=rHm-TrSm0 非自發(fā)過(guò)程系統(tǒng)的亥姆霍茲函數(shù):物理意義:恒溫恒容下對(duì)外做功的能力 rAm=rUm-TrSm0 非自發(fā)過(guò)程000mrmrmrSTHG材料合成基礎(chǔ)材料合成基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)速率的速率方程反應(yīng)進(jìn)度()表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度,單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)進(jìn)度的變化表示反應(yīng)速率(v),即某一反應(yīng)物或生成物的物質(zhì)的量的單位時(shí)間內(nèi)變化對(duì)于化學(xué)反應(yīng) aA+bB=lL

13、+mM vA=-dCA/dt vB=-dCB/dt vL=dCL/dt vM=dCM/dt對(duì)于基元反應(yīng),速率方程可表示為: a和b是A及B的化學(xué)計(jì)量數(shù),k是反應(yīng)的速率常數(shù)對(duì)于非基元反應(yīng) 和是反應(yīng)A和B的分級(jí)數(shù)bBCaAAkCvBAAACkCdtdC/v材料合成基礎(chǔ)材料合成基礎(chǔ) 濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響 完全反應(yīng)：能夠進(jìn)行到底的反應(yīng) 單向反應(yīng)：正向反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于反向反應(yīng)的速率 對(duì)可逆反應(yīng)：增加反應(yīng)物濃度，減少生成物的濃度，以及對(duì)有氣體參加的反應(yīng)控制壓力 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響 提高溫度促進(jìn)反應(yīng)向吸熱方向進(jìn)行 提高溫度會(huì)提高反應(yīng)速率 每升高10oC，反應(yīng)速率增加1倍到數(shù)倍 溶劑等對(duì)反應(yīng)速率的影響 提供反

14、應(yīng)場(chǎng)所 發(fā)生溶劑效應(yīng) 作為催化劑 直接參與反應(yīng) 溶劑黏度的影響材料合成制備中的表征和分析材料合成制備中的表征和分析X XRDRD：晶格常數(shù)、晶格結(jié)構(gòu)，及組分的分析：晶格常數(shù)、晶格結(jié)構(gòu)，及組分的分析 布拉格定律：=2dsin, 為入射光波長(zhǎng)；為角度；d為晶格常數(shù)材料合成制備中的表征和分析材料合成制備中的表征和分析薄膜電阻的測(cè)量薄膜電阻的測(cè)量四點(diǎn)探針：電流流經(jīng)A、D兩點(diǎn)，測(cè)量B、C兩點(diǎn)電壓ABCD材料合成制備中的表征和分析材料合成制備中的表征和分析電子探針顯微分析儀（電子探針顯微分析儀（Electron probe micro-Electron probe micro-analyzeranalyz

15、er）：元素組分分析）：元素組分分析 聚焦電子束掃描試樣，通過(guò)試樣表面產(chǎn)生的X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度分析組分及濃度，也可通過(guò)二次電子及背射電子進(jìn)行形貌分析材料合成制備中的表征和分析材料合成制備中的表征和分析霍爾效應(yīng)設(shè)備：電阻率，載流子濃度，遷移率，及半霍爾效應(yīng)設(shè)備：電阻率，載流子濃度，遷移率，及半導(dǎo)體型號(hào)導(dǎo)體型號(hào)材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）（一）氣相沉積法制備薄膜氣相沉積法制備薄膜 化學(xué)氣相沉積法（CVD）：化學(xué)氣相沉積法是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵(lì)或光輻射等各種能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物的技術(shù) CVD

16、化學(xué)反應(yīng)必須滿足的條件： 反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓 反應(yīng)的其他產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的 淀積物必須具有足夠低的蒸汽壓 薄膜淀積的時(shí)間應(yīng)該盡量縮短以滿足效率和低成本要求 CVD不允許化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物進(jìn)入薄膜中 化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該發(fā)生在被加熱襯底表面材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）化學(xué)氣相沉積的五個(gè)主要的過(guò)程化學(xué)氣相沉積的五個(gè)主要的過(guò)程: :(a)(a)反應(yīng)物擴(kuò)散通過(guò)界面邊界層；反應(yīng)物擴(kuò)散通過(guò)界面邊界層；(b)(b)反應(yīng)物吸附在基片的表面；反應(yīng)物吸附在基片的表面；(c)(c)化學(xué)沉積反應(yīng)發(fā)生；化學(xué)沉積反應(yīng)發(fā)生；(d) (d) 部分生成物已擴(kuò)散通過(guò)界面邊界層；部分生成物已擴(kuò)散通過(guò)

17、界面邊界層；(e)(e)其他生成物與反應(yīng)物進(jìn)入主氣流里，并離開(kāi)系統(tǒng)其他生成物與反應(yīng)物進(jìn)入主氣流里，并離開(kāi)系統(tǒng) CVD反應(yīng)原理材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）材料科學(xué)工程制備方法介紹（一） MOCVD裝置H2反應(yīng)氣體1反應(yīng)氣體2混合室氣體流量計(jì)氣體流量計(jì)氣體流量計(jì)溫控系統(tǒng)加熱爐真空泵基片材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）（一） 應(yīng)用實(shí)例-硅片生長(zhǎng)碳納米管 基片準(zhǔn)備 (100)硅片11cm, 分別用三氯已烯,丙酮,乙醚在超聲波中清洗5分鐘后,用氮?dú)獯蹈?用spin Coating 在硅片上coating一層PR(photo resist)層 用Aligner在PR層做出patte

18、rn 洗掉pattern部分PR后,在溶液中刻蝕,用丙酮洗去PR層,在硅片上形成pattern模樣孔洞SiSiPR層UVlight材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）（一） 真空濺射法在硅片表面沉積鐵層 用丙酮洗去硅片表面的PR層和鐵層,得到只有在孔洞中覆蓋一層鐵膜的硅片 進(jìn)行CVD沉積 把基片放入到加熱爐的石英管中開(kāi)始抽真空 當(dāng)真空度達(dá)到10-3Torr時(shí),程序升溫到10000C 設(shè)置好H2或N2載氣,以及CH4或C2H2工作氣體流量,開(kāi)啟氣體流量計(jì),先通入載氣,再通入工作氣體Fe材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（一）（一） 生長(zhǎng)結(jié)束后,關(guān)閉氣體流量計(jì),并開(kāi)

19、始程序降溫 當(dāng)溫度降到700C以下后,通入氫氣,停止抽真空,取出樣品 得到在Si孔洞里生長(zhǎng)著CNT的樣品材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（二）（二）快速凝固技術(shù)：快速凝固技術(shù)：快速凝固指的是比常規(guī)工藝過(guò)程快得多的冷卻速率下(104109C/S),合金以極快的速率從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程.快速凝固技術(shù)優(yōu)點(diǎn)常規(guī)鑄造合金:晶粒粗大,偏析嚴(yán)重,鑄造性能不好提高過(guò)冷度可克服常規(guī)合金鑄造的缺陷過(guò)冷度=理論結(jié)晶溫度-實(shí)際結(jié)晶溫度提高過(guò)冷度的方法動(dòng)力學(xué)方法:提高熔體的凝固時(shí)的傳熱速率從而提高凝固時(shí)的速度,使熔體形核時(shí)間極短,來(lái)不及在熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)的較低溫度凝固靜力學(xué)方法:提供近

20、似均勻形核的條件材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（二）（二）氣體霧化法氣體霧化法: :用氣體或液體將連續(xù)的金屬流破碎成液滴用氣體或液體將連續(xù)的金屬流破碎成液滴離心霧化法:利用機(jī)械離心力將水從水盤吸起后,通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)盤將水甩到霧化格柵打成細(xì)小的水霧,并用氣體吹出霧滴氣體霧化法:從把噴嘴噴出的高速氣流的動(dòng)能用于粉碎過(guò)程,通過(guò)高速氣流撞擊連續(xù)金屬流,使其粉碎特點(diǎn):通常所用的氣體:氫氣,氯氣,氮?dú)?空氣,或混合氣體冷卻速率:102104K/s冷卻速率越大,顆粒直徑越小表面光滑的球形,直徑在100um左右氣體亞音速霧化法音速霧化法:Osprey法(英國(guó)) 氣流速率:1Ma 冷卻速率:10

21、4105K/s氣體超音速霧化法 特殊噴嘴獲得超音速冷卻速率103105K/s顆粒表面光滑,尺寸更小水霧化法:壓力大,顆粒尺寸小,但顆粒易氧化材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（二）（二）線材的快速凝因線材的快速凝因: :合金液流注入冷卻液合金液流注入冷卻液利用真空壓力把熔體注入冷模 優(yōu)點(diǎn):可以得到給定直徑或厚度的線材 缺點(diǎn):熔體易在急冷?？谀處Р牡目焖倌處Р牡目焖倌? :雙輥旋淬法雙輥旋淬法10200um,冷卻速率105K/s毫米量級(jí)厚度,冷卻速率103K/s影響試樣的參數(shù)材料的物理性能輥縫輥速喂材速率材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（三）（三）自蔓延高溫合

22、成技術(shù)自蔓延高溫合成技術(shù): :自蔓延高溫合成是指利用外部提供必要的能量誘發(fā)高自蔓延高溫合成是指利用外部提供必要的能量誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點(diǎn)燃），形成化學(xué)反應(yīng)燃燒波，此后放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點(diǎn)燃），形成化學(xué)反應(yīng)燃燒波，此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，直至反應(yīng)結(jié)束化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，直至反應(yīng)結(jié)束 材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（三）（三）自蔓延高溫合成技術(shù)根據(jù)燃燒波的穩(wěn)定性自蔓延高溫合成技術(shù)根據(jù)燃燒波的穩(wěn)定性可分為可分為: :穩(wěn)態(tài)燃燒:燃燒的前沿存在一個(gè)光滑的表面,這個(gè)表面以恒定的速率一層一層傳播非穩(wěn)態(tài)燃燒振蕩燃燒

23、螺旋燃燒(圖)無(wú)壓無(wú)壓SHSSHS及加壓及加壓SHSSHS燃燒合成均在真空或常壓條件下進(jìn)行，這種工藝稱之為無(wú)壓自蔓延高溫合成為了提高合成產(chǎn)物致密性或抑制反應(yīng)中氣體的產(chǎn)生，反應(yīng)在比較高的壓力下進(jìn)行，此工藝稱之為加壓自蔓延高溫合成材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（三）（三）平衡態(tài)自蔓延模型平衡態(tài)自蔓延模型參數(shù):ako反應(yīng)物的濃度;apb生成物的濃度;T0反應(yīng)初始溫度;Tb生成物溫度;V燃燒波傳播速率(m/s);熱釋放率1-未受影響區(qū);2-預(yù)熱區(qū);3-初始燃燒區(qū);4-化學(xué)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化區(qū);5-冷卻區(qū);6-產(chǎn)物區(qū)材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）溶膠溶膠/ /凝膠

24、法基本術(shù)語(yǔ)：凝膠法基本術(shù)語(yǔ)：前驅(qū)物(precursor): 所用的起始原料金屬醇鹽(metal alkoxide): 有機(jī)醇-OH基上的H為金屬所取代, 結(jié)合形式為M-O-C溶膠(sol): 膠體溶液,是分散系中保持固體物質(zhì)不沉淀的膠體, 分散介質(zhì)主要是溶液, 粒子(15nm)與溶液的區(qū)別與溶液的區(qū)別: : 溶質(zhì)溶質(zhì)+ +溶劑溶劑= =溶液溶液 分散相分散相+ +分散介質(zhì)分散介質(zhì)= =溶膠溶膠( (分散系分散系) )分類分類: : 乳膠乳膠: : 分散相親近分散介質(zhì)分散相親近分散介質(zhì) 懸膠懸膠: : 分散相疏遠(yuǎn)分散介質(zhì)分散相疏遠(yuǎn)分散介質(zhì)凝膠(gel): 凍膠, 溶膠失去流動(dòng)性后,一種富含液體的

25、半固態(tài)物質(zhì),粒子呈半固態(tài)的網(wǎng)狀體材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）化學(xué)試劑化學(xué)試劑液相液相水解水解 縮合縮合溶膠溶膠凝膠凝膠干凝膠干凝膠氣凝膠氣凝膠干燥脫溶劑干燥脫溶劑溶膠粒子聚焦成溶膠粒子聚焦成鍵鍵溶膠凝膠法制備材料基本工藝溶膠凝膠法制備材料基本工藝溶解前驅(qū)體溶液溶膠凝膠凝膠水解縮聚老化材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）超臨界干燥原因超臨界干燥原因: : 超臨界液體干燥技術(shù)是利用超臨界現(xiàn)象超臨界液體干燥技術(shù)是利用超臨界現(xiàn)象, , 即在臨界即在臨界 點(diǎn)以上點(diǎn)以上, , 氣液想界面消失氣液想界面消失, , 來(lái)避免液體的表面張力來(lái)避免液體的表面張

26、力臨界溫度臨界溫度: : 每一種氣體都有一個(gè)特定的溫度每一種氣體都有一個(gè)特定的溫度, ,在此溫度以上在此溫度以上, , 無(wú)論加多無(wú)論加多 大壓力大壓力, , 氣體都不會(huì)液化氣體都不會(huì)液化, , 這個(gè)溫度叫臨界溫度這個(gè)溫度叫臨界溫度臨界壓力臨界壓力: : 使氣體在臨界溫度下液化所需要的壓力使氣體在臨界溫度下液化所需要的壓力, , 叫臨界壓力叫臨界壓力超臨界區(qū)域超臨界區(qū)域: : 當(dāng)一個(gè)體系中的溫度和壓力分別高于其臨界溫度和壓力當(dāng)一個(gè)體系中的溫度和壓力分別高于其臨界溫度和壓力 時(shí)時(shí), ,該體系處于超臨界區(qū)域該體系處于超臨界區(qū)域超臨界流體超臨界流體: : 超臨界狀態(tài)下超臨界狀態(tài)下, , 物質(zhì)以一種既非

27、液體也非氣體物質(zhì)以一種既非液體也非氣體, , 但兼氣但兼氣 液性質(zhì)的超臨界液體狀態(tài)存在液性質(zhì)的超臨界液體狀態(tài)存在, , 密度、熱容及導(dǎo)熱性與液體相似，密度、熱容及導(dǎo)熱性與液體相似， 黏度和擴(kuò)散系數(shù)與氣體相近黏度和擴(kuò)散系數(shù)與氣體相近超臨界干燥步驟超臨界干燥步驟: : 加熱使溫度和壓力升到超臨界狀態(tài), 并達(dá)到平衡或穩(wěn)定蒸氣在恒溫下釋放, 降壓降溫到室溫材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）冷凍干燥技術(shù)冷凍干燥技術(shù) 冷凍干燥是在低溫下把液冷凍干燥是在低溫下把液氣相界面轉(zhuǎn)化為氣固界面氣相界面轉(zhuǎn)化為氣固界面 步驟步驟: : 冷凍冷凍 升華升華 作用作用: : 固氣直接轉(zhuǎn)化避免固氣直

28、接轉(zhuǎn)化避免了孔內(nèi)形成彎曲液面了孔內(nèi)形成彎曲液面, , 減減少了應(yīng)力的產(chǎn)生少了應(yīng)力的產(chǎn)生, , 從而避從而避免了凝膠的塌陷和破碎免了凝膠的塌陷和破碎冷凍干燥器示意圖冷凍干燥器示意圖水的壓力水的壓力-溫度圖溫度圖材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）溶膠溶膠/ /凝膠法制備的薄膜及涂層材料凝膠法制備的薄膜及涂層材料旋轉(zhuǎn)涂覆法旋轉(zhuǎn)涂覆法: :轉(zhuǎn)速主要取決于基板的尺寸大小和溶膠的黏度轉(zhuǎn)速主要取決于基板的尺寸大小和溶膠的黏度膜的厚度取決于溶膠的濃度和勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速膜的厚度取決于溶膠的濃度和勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）機(jī)械化合金技術(shù)機(jī)械化合金

29、技術(shù): :機(jī)械化合金(Mechanical Alloying),又稱為高能球磨High - Energy Ball Milling),又稱為機(jī)械力化學(xué)(Mechanochemistry),定義:指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間激烈地沖擊、 碰撞,使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂,導(dǎo)致粉末顆粒中原子擴(kuò)散,從而獲得合金化粉末的粉末制備技術(shù)提出:Peter 第一次在60 年代初提出高能球磨技術(shù)定義:物質(zhì)受機(jī)械力的作用而發(fā)生化學(xué)變化或者物理化學(xué)變化的現(xiàn)象”.最早應(yīng)用:美國(guó)國(guó)際鎳公司Benjamin,于1969年研制出的制粉技術(shù),被稱為”球磨混合”,國(guó)際鎳公司專利代理律師Mr. E

30、wan C. MacQueen第一個(gè)在專利申請(qǐng)中將此工藝稱為”機(jī)械合金化”材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四） 機(jī)械化合金機(jī)械化機(jī)理: 金屬粉末在球磨過(guò)程中的第一個(gè)過(guò)程為微鍛過(guò)程,在這一階段,顆粒發(fā)生變形,但沒(méi)有發(fā)生因焊接而產(chǎn)生的團(tuán)聚和斷裂,顆粒變形和脆裂嚴(yán)重; 第二階段,由于微鍛和斷裂交替作用,顆粒尺寸不斷減小,當(dāng)顆粒被粉碎較細(xì)時(shí),團(tuán)料變得密實(shí); 第三階段,反團(tuán)聚的球磨力與顆粒間的相互聯(lián)結(jié)力達(dá)到平衡,從而生成平衡團(tuán)聚顆粒,這種平衡團(tuán)聚顆粒的粒度就是粉碎的極限粒度材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）機(jī)械化合金的球磨裝置及工作原理機(jī)械化合金的球磨裝

31、置及工作原理滾動(dòng)球磨機(jī)圖(a)球磨轉(zhuǎn)速較低:球和物料上升至自然坡度角,然后滾下,稱為瀉落,粉碎主要靠球與球,球與筒壁間的摩擦圖(b)球磨轉(zhuǎn)速較高:球在離心力的作用下,隨著筒體上升的高度較大,然后在重力作用下下落,稱為拋落,粉碎除了靠球與球,球與筒壁間的摩擦外,還有球從高空落下時(shí)的沖擊作用圖(c)球磨速度更高,離心力超過(guò)重力,球不脫離筒壁與筒壁一起回轉(zhuǎn),粉碎作用終止,稱為臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速(n臨,rad/min)計(jì)算公式:D為球磨筒內(nèi)徑球磨筒適宜轉(zhuǎn)速:n工=0.650.8n臨Dn4 .42臨材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）攪拌球磨機(jī):瑞典Klein和Szegvari于1

32、928年研制而成,利用攪拌器和球磨進(jìn)行濕磨,缺點(diǎn)攪拌速度慢;1948年杜邦(DuPout)公司推出高速攪拌球磨機(jī),被稱為”砂磨機(jī)”,主要用于制作涂料和油漆.特點(diǎn):靜止筒體和攪拌器組成,攪拌器旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)磨球和物料做多維的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按攪拌器分類:(a)穿孔圓盤式;(b)軸盤式;(c)輻射軸式材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（四）（四）鄭州東方機(jī)器廠生產(chǎn)的LXM系列螺旋行星球磨機(jī),磨球加速度大于10倍重力加速度材料科學(xué)工程制備方法介紹材料科學(xué)工程制備方法介紹（五）（五）物理氣相沉積法應(yīng)用范圍物理氣相沉積法應(yīng)用范圍: : 工藝品裝飾品制作,玻璃鍍膜,太空棉,包裝用紙鍍鋁,塑料制品金屬化,光學(xué)膜,金屬件表面耐磨硬化膜以及其它功能膜常用的物理沉積法常用的物理沉積法: : 真空蒸鍍法 真空濺射法 分子束外延法真空單位真空單位 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mm