材料化学第五章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,新型结构材料,1,本章主要内容,5.1,高温结构材料,超耐热合金；高温结构陶瓷,5.2,轻质结构材料,铝锂合金；纤维材料,2,一、超耐热合金,1,定义：,700-1200,高温下工作的金属通称耐热,合金，又称高温合金。,（一般金属材料只在,500,600,下长期工作）,2,应用,火力发电：提高热效率提高蒸汽温度材料耐热,喷气发动机：工作温度高达,1380,高温加热炉,3,4,3,性能要求,1,）高温抗腐蚀性,因为,T,，金属的氧化、腐蚀速度显著加快,2,）高温强度和韧性,高温下金属易疲劳断裂、蠕变,耐热,”,：,高温,下具有良好的,抗氧化性,，能保持足,够,强度,5,提高抗氧化性：,1,）,表面,合金化,处理,加入合金元素（,Cr,、,Si,、,A1,）,氧化气氛,致密氧化膜,阻止氧化,2,）,高温涂层,形成高熔点涂层（氧化物、碳化物、氮化物等）,6,提高高温强度：,1,）加入,Cr,、,Mo,、,W,增加高温结合力（金属键强）,2,）加入,W,、,Mo,、,V,形成碳化物（,WC,、,MoC,）,增加高温强度。,7,4,耐热合金的组成：,副族元素：熔点高、硬度大,8,5,耐热合金的常见种类,1,、铁基,：,使用温度,1000,加入,Cr,、,Al,、,Si,形成保护膜高温抗腐蚀性,加入,1%W,、,Mo,提高结晶温度高温蠕变性,2,、镍基,：使用温度,1000,1100,组织中基体：,Ni-Cr-Co,的固溶体和,Ni,3,A1,金属化合物；,是,：,最优的超耐热金属材料,9,6,、耐热合金的研究现状,工作温度偏低,铁、镍、钴,熔点,1539,，,1453,，,1495,工作温度不超过,1100,（熔点的,60%,）,难熔金属钨,3399,，延展性、化学稳定性好；,但夹杂物影响强度和韧性，脆性大,其他材料无法替代，需进一步研究,新的金属陶瓷,、,高温结构陶瓷材料出现,10,镍基超耐热合金的应用,我国目前消费量,：,12,万吨,/,年，,应用领域,航空：,2,万吨，,工业汽轮机：,1.25,万吨，发动机及零部件,汽车工业：,7500,吨，柴油发动机,2010,年,：需求将增长,250%,11,二、高温结构陶瓷,1,发展背景,金属材料（易腐蚀，高温时不耐氧化）,高温结构陶瓷（耐高温、不怕氧化、耐,酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损）,2,性能特点,耐高温（比耐热合金）；,耐腐蚀（比普通陶瓷）。,12,3,制备特点,原料,成型,烧成,性能比较,传统陶瓷,粘土、石粉,普通成型,1250,左右烧成,使用温度低、易碎,结构陶瓷,合成（细磨）助烧剂，,高压成型,15002000,烧成,耐高温（,1500,）耐腐蚀,13,4,应用举例,1,）氧化铝陶瓷（人造刚玉）,熔点高,：高级耐火材料（如坩埚、高温炉管等）,硬度大,：制造刚玉磨球机,透明,：制作高压钠灯的灯管。,是一种极有前途的高温结构材料。,14,2,）氮化硅（,Si,3,N,4,）陶瓷,优点,：,高硬、耐磨、高强、耐高温强共价键（电负相近）；,耐高温安全使用温度,16501750,，应用于火箭发动机；,耐热冲击、抗高温蠕变助烧剂,抗氧化除氢氟酸外，不与其他无机酸反应；,膨胀系数小、导热系数大、电绝缘性好等。,缺点,：脆性断裂，难烧结。,ZrO,2,增韧：基质微裂纹，诱发相变，吸收能量，抑制裂纹扩展。,15,上节内容：新型结构材料,5.1,高温结构材料,超耐热合金,(700,）,高温抗腐蚀性、强度、韧性,；（铁基、镍基）,高温结构陶瓷,耐高温，耐腐蚀,；（氧化铝、氮化硅）,5.2,轻质结构材料,铝锂合金；纤维材料,16,5.2,轻质结构材料,一、铝锂合金,演变过程：,金属铝 铝合金 铝锂合金,1,、金属铝,密度,2.69,，用量之多，范围之广，仅次于钢铁,17,2,、铝合金,1,）,合金化机理,加,Cu,，,Mg,固溶体强化相；,加,Mn,细化晶粒，提高强度和抗腐蚀性能。,2,）,铝合金系列,Al-Mg,合金,（,2195,）：美国航天局,1998,年用于空间站储存仓,（,47m,8.4m),，,重量减少约,3.4t,Al-Cu-Mg,合金,（,2524,）：,提高断裂韧性，,美国用于,B777,机身,Al-Zn-Mg-(Cu),合金,（,7000,）：既高强度，又抗应力腐蚀,18,3,、,铝锂合金,1,）锂：是世界上最轻的元素（密度,0.53,）；,在铝中的溶解度高。,2,）突出优点：密度低,但刚性高,（锂每增加,1%,密度下降,3%,而刚性却提高,5%,）,3,）应用领域：航空、航天、航海,19,4,）铝锂合金的发展,1924,年：德国研制，但没获得重要成果,1957,年（第一代）：英国研制，含锂,1.1,的,X-2020,铝合金,美国用于超音速攻击机的机翼,1983,年（第二代）：巴黎国际航空博览会，美、英国宣布成功,存在问题,：,各向异性、不可焊、强度较低,1999,年,（第三代）：,高强可焊,、,低各向异性,的合金相继出现,例：高强可焊的,Weldalite,系列合金,低各向异性的,AF/C489,合金,20,5,）应用前景,铝锂合金成本：只是碳纤维增强塑料的,1/10,制造波音飞机：重量减轻,14,6,；,燃料节省,5,4,；,飞机成本下降,2,1,；,飞行费用降低,2,2,。,21,二、纤维材料（高强度、高模量）,1,玻璃纤维,1,）简介,工艺,：,天然矿石为原料,配料,粉磨均化,高温熔制,拉丝,络纱、织布等,直径,：纤维单丝的直径从几,二十几微米，相当,于一根头发丝的,1/20,1/5,，,每束纤维有数百根甚至上千根单丝组成。,22,2,）性能特点,P,205,优点比强度大，弹性模量高，电绝缘、耐腐蚀,应用,复合材料的增强；电绝缘、绝热保温,领域,电子、交通和建筑,影响强度的因素,：缺陷,尺寸越大,缺陷越多,强度越小；,夏季（温度高，湿度大）强度小；,碱性：影响力学性能,23,3,）拉丝工艺,坩埚拉丝法,（传统工艺）：,天然矿石玻璃球熔化拉丝；,（二次熔化，能耗大；产量低，工艺参数难控）,池窑拉丝法,（国外引进）：,从天然矿石原料到产品一步完成；,（产量高、能耗低；高品质产品）,24,4,）应用举例（绝缘材料；复合材料，光导纤维）,优秀的绝缘材料,（,既绝缘又耐热）,电机（器）厂：,6000,千瓦汽轮发电机,玻璃纤维,绝缘部件,1800,多件；,优势：提高电机性能；缩小体积；降低成本。,25,玻璃纤维复合材料,玻璃钢：玻璃布浸在热熔的塑料中,加压成型,比钢坚韧,不生锈,耐腐蚀,重量轻（钢的,1/4,）,船只,汽车,火车外壳，机器零件。,玻璃棉：玻璃熔化后,高速气流（火焰）吹成细、短纤维,超细,头发粗的,1/200,保温,3,厘米厚的玻璃棉,=1,米厚的砖墙,其他,吸音,、隔热、防震、过滤等,.,26,光导纤维,应用：,电话通信,成功（容量大,输送损耗极微,干扰小,节省铜）,电视电话,：传输图像作,材料：,1,）石英玻璃光纤,2,）多元氧化物光纤,3,）非氧化物光纤,4,）晶体光纤,27,光导纤维是一种由折射率较大的纤芯和折射率较小的包层构成的可以自由弯曲的导光材料。,28,29,5,）我国玻璃纤维现状,1958,年,：,土法生产为主，初期,125,吨,/,年。,八十年代,：总产量仅达到,3,万吨,/,年左右。,九十年代,：引进国外先进的池窑拉丝技术，产量、规格品,种、工艺技术和企业规模都上了新台阶。,九十年代后期,：全国玻璃纤维产量达到,16,万吨，成为世界玻,璃纤维生产大国。,三大龙头企业,山东泰山、浙江巨石、重庆，,（总产量已达,17,万吨，全行业,50%,）,30,玻璃纤维的发展,产量：,2002,年我国玻璃纤维总产量超过,34,万吨,增长速度：每年以,30%,以上的速度增长，池窑拉丝法,生产的产品产量增幅达,50%,以上。,出口额：,2002,年超过,12,万吨，,10,年翻了,4,番,产品结构：中碱玻璃纤维无碱玻璃纤维。,31,2,、晶须,晶须,：,直径约,1um,，针状单晶材料，长经比很大（,250,25001,），结晶完善，强度很高。,（纤维）,：几,几十,um,，多晶或非晶材料，长经比小。,生产工艺,：可从过饱气相、熔体、溶液或固体生长。一般,用气相结晶法（工艺复杂，造价高）,主要材料,：金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、石墨,和高分子化合物。,主要种类,：金属晶须；陶瓷晶须,P,211,32,晶须高度：取向结构不仅使其具有高强度、高模,量和高伸长率，而且还具有电、光、,磁、介电、导电、超导电性质。,晶须强度：远高于其他短切纤维，主要用作复合,材料的增强体。,33,34,5.2,超低温合金,一、超低温对材料的特殊要求,低温,：,常温至绝对零度,的较大温度范围,-100,C,以上：采用,铁素体,钢铁（体心立方结构）,沸点：天然气：,-163,C,液氮：,-195.8,C,液氢：,-253,C,液氦：,-269,C,35,要求：,（,1,）防止低温脆性,铁素体：,-200,C,发生从韧性到脆性的转变,措施：添加镍使转变温度降低；面心立方金属,泰坦尼克号：钢材含硫高，脆性断裂所致,（,2,）需要具备低温下的热性能,热膨胀系数小,低膨胀合金（铁镍、钛合金）,（,3,）必须是非磁性合金,影响磁场,36,二、超低温合金的研究,高锰奥氏体钢,：,是专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也较差。,铁锰铝合金钢,：如果把铁镍铬不锈钢中的镍、铬分别由锰和铝代替，其强度、韧性都十分优异,。,37,