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前沿材料科学 ppt课件

作者:habao 来源: 日期:2020-10-27 1:17:18 人气: 标签:材料科学前沿ppt

  属牛的今年多大前沿材料科学 ppt课件_其它_高等教育_教育专区。前沿材料科学 任课教师:张 鹏 单位:机电学院材料所 ppt课件 1 前沿材料科学 学时数:32 学分数:2.0 ppt课件 2 一、课程的目的: 了解复合材料科学、纳米科学、超导科学

  前沿材料科学 任课教师:张 鹏 单位:机电学院材料所 ppt课件 1 前沿材料科学 学时数:32 学分数:2.0 ppt课件 2 一、课程的目的: 了解复合材料科学、纳米科学、超导科学、 半固态加工科学、超声加工科学、激光加 工科学等先进材料科学的基本原理、基础 理论、技术方法、主要特点与应用等内容 对前沿材料科学体系形成较为系统的认识 ppt课件 3 二、课程教学内容: 共分6章 第一章 复合材料科学 内容:介绍复合材料科学的基本情况,包 括复合材料的基本概念、特点、研究方法 和加工技术等内容 目的:了解复合材料科学的产生、发展、 与其它科学的交叉和应用 ppt课件 4 第二章 纳米科学 内容:介绍纳米科学的基本情况,包括纳米 技术的基本概念、特点、加工技术等内容 目的:了解纳米科学的产生、发展、与其它 科学的交叉和应用 ppt课件 5 第三章 超导科学 内容:介绍超导科学的基本情况,包括超导 科学的基本概念、特点、研究方法等内容 目的:了解超导科学的产生、发展和应用 ppt课件 6 第四章 半固态加工科学 内容:介绍半固态加工科学的基本情况,包 括半固态加工的基本概念、特点、加工技术 等内容 目的:了解半固态加工的产生、发展、与其 它科学的交叉和应用 ppt课件 7 第五章 超声加工科学 内容:介绍超声加工科学的基本情况,包括 超声加工的基本概念、特点、加工技术等内容 目的:了解超声加工的产生、发展、与其 它科学的交叉和应用 ppt课件 8 第六章 激光加工科学 内容:介绍激光加工科学的基本情况,包括 激光加工的基本概念、特点、加工技术等内容 目的:了解激光加工的产生、发展和应用 ppt课件 9 主要教学参考书: 1.复合材料及其应用技术/汤佩钊编著,重庆 大学出版社,1998 2.功能材料与纳米技术/李玲、向航编著,化 学工业出版社,2002 3.半固态金属加工技术及其应用/谢水生、黄声 宏编著,冶金工业出版社,1999 4.现代加工技术/张辽远编著,机械工业出版社, 2002 ppt课件 10 考核方式: 提交报告(3~5人一组) 课程旨:不是负担,轻松学习, 获得知识 ppt课件 11 三、前沿科学及其交叉 石器时代→青铜器时代→铁器时代→现代 中国目前就有960多个重点学科 这些学科就象一样,以雄厚的基础 支撑着活跃在科技领域的前沿学科 复合材料科学、半固态加工科学和超声振 动科学及其交叉 ppt课件 12 1 复合材料科学及其交叉 二十世纪六十年代以来,对工业材料 提出了越来越苛刻的要求,传统材料 力不从心,复合材料应运而生 ppt课件 13 1.1 复合材料科学与声学科学的交叉 科技难题:军事装备的隐身问题 二十世纪九十年代,美国和前苏联等的科学家 进行声学研究与复合材料研究交叉 利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料 复合成高损耗吸波复合材料 特点:可吸收不同频率的声波和电磁波 导致了飞机和舰艇等高科技产品的问世 美国轰炸机,纵横驰骋,无所 ppt课件 14 1.2 复合材料科学与纳米加工科学的交叉 科技难题:高温陶瓷复合材料的烧结问题 二十世纪八十年代,物理学家格兰特开发了 纳米级超细粉末,给材料领域带来了巨大的变化 特性之一:熔点的降低。2纳米金粉末金的熔点 1064℃→33℃ 将纳米材料的这一特叉到复合材料学科中, 可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在 极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料 ppt课件 15 1.3 复合材料科学与磁学科学的交叉 科技难题:磁悬浮问题 初,美国科学家理查德.波斯特将磁学研 究交叉在复合材料研究领域 利用铁、硼、钕等材料制备了超级磁性复合材料 特点:产生的全部指向同一方向,无需电力 就可将列车悬浮起来 在美国航空航天局的资助下,磁悬浮列车的速度 达到了640 km/h ppt课件 16 2 半固态加工科学及其交叉 二十世纪七十年代初期MIT的Flemings教授提出 半固态加工思想 半固态加工与超纯材料研究学科的交叉 科技难题:超纯材料的制备问题 半固态加工处于固液二相区,可利用挤压手段 将含有杂质的液体挤出,留下初生纯固相,然 后再从新进行半固态挤压,进一步提纯,这样 一次一次地提纯,最后就可获得超纯材料 日本科学家利用半固态挤压技术制备出了纯度 为15个9的半导体材料ppt课件 17 3 超声振动科学及其交叉 二十世纪六十年代,Merchant 提出需要更新加工观念,于是 人们开始探索采用除机械能以 外的能量进行加工,这样就逐 渐形成了将超声振动加工技术 ppt课件 18 超声振动科学与冶金科学交叉 科技难题:组分物性差别大材料的偏析问题 超声振动的乳化作用可使异种材料均匀地混合 在一起,将超声振动与冶金学科交叉,可明显 改善材料尤其是组分物性差别大的合金、复合 材料的组织,形成组织均匀的高性能材料 ppt课件 19 未处理组织 经处理组织 图0-1 铝铅合金 ppt课件 20 从上述前沿科学及其交叉的介绍可见,前 沿科学交叉一方面拓宽了其本身研究领域, 另一方面也给其它科学带来了勃勃生机, 成功地解决了各领域中存在的难题,使得 现代科技产生了史无前例的飞跃。 ppt课件 21 第一章 复合材料科学 内容:介绍复合材料的基本概念、特点、 研究方法和加工技术等内容 §1.1复合材料的基本概念、特点 二十世纪六十年代以来,对工业材料提出了越 来越苛刻的要求,耐高温、高强度、轻量化等 传统材料:钢铁、水泥和木材力不从心 复合材料大量涌现 ppt课件 22 1.1.1 复合材料概念 复合材料:由二种或二种以上材料组合的 新材料,其中含量多的称为基体,含量少 的称为添加体 组合方式:宏观-结构复合体、层合板 微观-混合体、合金 ppt课件 23 1.1.2 复合材料特点 特点:具有相补效应,即各组分复合后可 以相互弥补各自的弱点,形成优异的综合 性能 形成了系统的复合材料科学,已经开发出 2000多种复合材料 ppt课件 24 §1.2复合材料的分类、研究方法 1.21 复合材料的分类 按性能高低分:常用复合材料 先进复合材料 常用复合材料:常规领域中使用的复合材料,如 混凝土、合金钢等 先进复合材料:前沿领域中使用的复合材料,航 空航天、军事、高科技领域用复合材料,碳纤 维增强环氧树脂、开夫拉层压板、铜-二硼化钛 复合材料 ppt课件 25 按用途分:结构复合材料 功能复合材料 结构复合材料:用于完成各种结构功能的复合 材料,对力学性能要求高,镁合金手机外壳 功能复合材料:用于实现各种功能的复合材料, 如电、磁、光、热、摩擦、振动等 电:钇、钡、铜、氧系和铋、锶、钙、铜、 氧系超导复合材料,130K,超导计算机,超 导无声推进系统,航天飞机自动升空 ppt课件 26 光:70年,美康宁公司,非氧化物玻璃光导纤 维,成分为氟化物-氟化锆、氟化钡、氟 化钠多元氟化锆酸盐,光损耗极低0.16分 贝/千米,3.6% 热:固体气凝胶,由96%的空气和4%的二氧 化硅、二氧化铝与碳制成,密度最小的固 体材料,隔热 按基体分:金属基复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料 ppt课件 27 金属基复合材料:以金属(铝合金、金属间 化合物)为基体的各种复合材料。 如颗粒增强铝基复合材料,颗粒体积分数一 般不超过25%,性能比原基体明显提高。 20%碳化硅颗粒增强6061铝合金,强度 310MPa→ 496MPa,模量68GPa→103GPa, 断裂伸长率12% →5.5%,耐磨性、尺寸稳定 性、耐热性有很大改善。 ppt课件 28 陶瓷基复合材料:是以陶瓷、玻璃和玻璃陶 瓷为基体的复合材料。 如碳化硅纤维补强氮化硅陶瓷复合材料,耐 热性好,用于制备1350℃左右的高温叶片。 气敏陶瓷(二氧化锡等);压电陶瓷;超导 陶瓷;生物陶瓷等。 ppt课件 29 聚合物基复合材料:是聚合物为基体的复合材料。 如玻璃钢(玻璃纤维增强塑料),强度是钢的 3~4倍,密度为1/4~1/16;导电塑料等。 按添加体分:颗粒复合材料,如铜石墨受电弓滑板 纤维复合材料,如碳纤维增强塑料 层片复合材料,如钢铝合金层合板 ppt课件 30 1.2.2 复合材料的研究 最突出:界面研究和可靠性研究。 界面研究:界面的表征、界面设计的优化、 界面改性、界面应力行为 可靠性研究:组分、加工工艺来可靠 性以及可靠性的评价、检测和。 ppt课件 31 §1.3复合材料的加工技术 1.粉末冶金技术 将添加体粉末和基体粉末混合,按常规粉末 冶金方法加工。 特点:工艺和制品质量容易控制,成本较高。 ppt课件 32 2.液相复合技术 将添加体和基体熔体进行混合,按常规加 工方法进行加工。 混合方法:机械搅拌、雾化喷射沉淀等。 ppt课件 33 3.其它技术 气相浸渗技术:将材料放入气体中进行反 应形成复合材料。 原位生长技术:将材料放入固体或液体中 进行反应形成复合材料。 ppt课件 34 §1.4 复合材料科学与其它科学的交叉 复合材料科学与声学科学的交叉 科技难题:军事装备的隐身问题 二十世纪九十年代,美国和前苏联等的科学家 进行声学研究与复合材料研究交叉 利用陶瓷铁氧体、碳黑、塑料、磷酸盐等材料 复合成高损耗吸波复合材料 特点:可吸收不同频率的声波和电磁波 导致了飞机和舰艇等高科技产品的问世 美国F-117轰炸机,纵横ppt课驰件 骋,无所 35 复合材料科学与纳米加工科学的交叉 科技难题:高温陶瓷复合材料的烧结问题 二十世纪八十年代,物理学家格兰特开发了 纳米级超细粉末,给材料领域带来了巨大的变化 特性之一:熔点的降低。2纳米金粉末金的熔点 1064℃→33℃ 将纳米材料的这一特叉到复合材料学科中, 可利用纳米粉末在低温下制备出采用常规粉末在 极高温下也很难制备的高温陶瓷复合材料 ppt课件 36 复合材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题:磁悬浮问题 初,美国科学家理查德.波斯特将磁 学研究交叉在复合材料研究领域,利用铁、硼、 钕等材料制备了超级磁性复合材料 特点:产生的全部指向同一方向,无需电 力就可将列车悬浮起来 在美国航空航天局的资助下,磁悬浮列车的速 度达到了640 km/h。. ppt课件 37 §1.5小结 一、复合材料概念 复合材料:由二种或二种以上材料组合的新材料, 其中含量多的称为基体,含量少的称为添加体。 二、复合材料特点 具有相补效应,即各组分复合后可以相互弥补各 自的弱点,形成优异的综合性能。 ppt课件 38 三、复合材料的分类 按性能高低分:常用复合材料、先进复合材料; 按用途分:结构复合材料、功能复合材料; 按基体分:金属基复合材料、陶瓷基复合材料 和聚合物基复合材料; 按添加体分:颗粒复合材料、纤维复合材料和 层片复合材料。 ppt课件 39 四、复合材料的研究 集中在:界面研究和可靠性研究 五、复合材料的加工技术 主要有:粉末冶金技术、液相复合技术和 其它技术。 ppt课件 40 我们进行的研究工作 钢-Al-20Sn复合板简介 08Al钢板 Al-20Sn合金层 轴瓦 图1-1 钢-Al-20Sn复合板及轴瓦 优良的轴瓦材料,适用于汽车、机械、航 空航天等广泛领域,需求量很大。 ppt课件 41 目前典型的成形方法 Al-20Sn合金板 轧机 钢板 钢- Al-20Sn复合板 图1-2 固固相轧制成形方法 Sn分布均匀;工艺复杂、能耗大;界面形成机 械咬合和部分物理结合,结合强度低,40MPa, 应用越来越受到。 ppt课件 42 图1-3 固固相复合界面 ppt课件 43 Al-20Sn合金液 浇嘴 轧机 钢板 钢- Al-20Sn复合板 图1-4 固液相铸轧成形方法 工艺简单,能耗小;界面形成冶金结合,结合 强度大,60MPa;符合材料发展方向,其研究 占主导地位。 ppt课件 44 固液相成形存在的问题 1)Al-20Sn覆层内存在Sn分布不均 Al和Sn的密度与熔点差别较大,造成合金 液中Sn沉淀,所以产生Sn分布不均现象。 2)界面脆化 铁铝化合物层 图1-5 界面层 铁铝化合物层使复合界面脆化,复合板的结 合强度没有达到其应ppt课有件 的水平。 45 图1-6 理想的界面层 图1-7 脆化的界面层 ppt课件 46 我们采用的方法 Al-20Sn半固态浆料 浇嘴 轧机 钢板 预热装置 钢-Al-20Sn复合板 图1-8 半固态铸轧成形装置 ppt课件 47 复合界面结构 复合界面由位于钢基内的 1、2和3区构成, 1和3区 与覆层中后生固相相接触, 由铁铝化合物构成;2区 与覆层中的初生固相相接 触 , 由 含 铝 量 小 于 3.5% 的铁铝固溶体,构成;因 此钢-半固态 Al-20Sn复 合界面是由铁铝化合物和 铁铝固溶体交 图1-9 典型的复合界面( fs=34%) 替构成的新型结构。当固相率为34.3%,复合板界面剪切 强度最大为70.2MPa,这比固液相复合板的提高了10MPa。 ppt课件 48 Al-20Sn 熔体 振动装置 浇嘴上盖 预热装置 预处理钢板 浇嘴 复合板 图1-10 高频振动复合成形 高频振动空化效应产生的“均匀分散”、“促进 润湿”和“净化表面”等特性来消除Al-20Sn覆 层中Sn的偏析和实现熔体与钢板迅速铺展、贴紧, 改善钢板与Al-20Sn覆层的结合,获得界面结合 强度高、润滑性能好的pp钢t课件-Al-20Sn复合板 49 第二章 纳米科学 内容:介绍纳米科学的基本情况,包括纳米技 术的基本概念、特点、加工技术等内容。 §2.1纳米科学的基本概念、特点 二十世纪八十年代,物理学家格兰特开发 了纳米级超细粉末,给材料领域带来了巨大的变 化。二十世纪八十年代以来,由于发明了扫描隧 道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微 观表征和技术,为纳米级微粒的结构、形态 和特性的研究提供了保障,因此纳米科学如雨后 春笋般茁壮成长起来。 ppt课件 50 2.1.1 纳米的概念 纳米材料:是指构成材料的颗粒的尺度在 1~100nm(10-9m)之间的材料。 2.1.2 纳米材料特性 四大基本特性:小尺寸效应、表面效应、 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。 ppt课件 51 小尺寸效应:纳米材料中的微粒尺寸小到与 光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干 长度等物理特征相当或更小时,晶体周期性 的边界条件被,非晶态纳米微粒的颗粒 表面层附近原子密度减小,使得材料的声、 光、电、磁、热、力学等特性出现改变而导 致新的特性出现的现象。 ppt课件 52 表面效应:纳米材料由于其组成材料的纳 米粒子尺寸小,微粒表面所占有的原子数 目远远多余相同质量的非纳米材料粒子表 面所占有的原子数目,单位质量粒子表面 积的增大,表面原子数目的聚增,使原子 配位数严重补助不足,高表面积带来的高 表面能,使粒子表面原子极其活跃,很容 易与周围的气体反应,也容易吸附气体, 这一现象称为表面效应。 ppt课件 53 量子尺寸效应:在纳米材料中,微粒尺寸 达到与光波波长或其他相干波长等物理特 征尺寸相当或更小时,金属费米能级附近 的电子能级由准连续变为离散并使能隙变 宽的现象叫纳米材料的量子尺寸效应。 宏观量子隧道效应:纳米材料中的粒子具 有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理 量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧 道效应。 ppt课件 54 几十年来,形成了系统的纳米材料科学, 纳米科技已经在材料与制造(纳米陶瓷)、 微电子、光电子与计算机(磁盘)、医学与 健康(纳米药)、生物工程与农业(基因改 变)、与能源(处理污水)、航空与航 天(纳米涂料)、(吸波材料)等 广泛领域得到应用。 纳米科学技术的最终目标: 是人类按照自己的意志单个原子组装 具有特定功能的成品,来改变人类的生产和 生活模式。 ppt课件 55 §2.2 纳米材料的分类、研究方法 1.2.1 纳米材料的分类 纳米材料包含: 纳米颗粒 纳米固体 纳米组装体系等三个层次 ppt课件 56 1. 纳米颗粒:是指线nm之间的粒子 聚合体。 成分为:金属或金属间化合物、非金属氧化物 或其他化合物。纳米磁粉,磁卡,固体燃料, 病毒 形态为:球形、片状、棒状、针状、星状、网 状等。 晶体结构为:大多数为单晶 尺寸为60nm时,可观察到孪 晶界、层错和位错等微结构; 也可p为pt课件非晶态或亚稳相。 57 2. 纳米固体:是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。 按几何形态可分为: 纳米块状材料 是指由表面清洁的纳米微粒 经高压形成的三维凝聚体。 纳米薄膜材料 是指二维的纳米固体,包括 纳米粒子薄膜和纳米缺陷与 复合薄膜。人体? 纳米纤维材料 是指一维的纳米固体。 ppt课件 58 按微粒结构状态可分为: 纳米晶体 包含的纳米微粒为晶 态的纳米固体。 纳米非晶体 由具有短序的非晶态纳米 微粒组成的纳米固体。 纳米准晶材料 将只有取向对称性的纳米级 准晶微粒弥散在基体中得到 的纳米固体。 ppt课件 59 按组成材料相数多少可分为: 纳米相材料 由单相纳米微粒构成的纳米 固体称为纳米相材料。 纳米复合材料 由不同材料的纳米微粒或二 种及二种以上固相的纳米微 粒,至少在一个方向上以纳 米级尺寸复合而成的纳米固 体称为纳米复合材料。 ppt课件 60 3. 纳米组装体系: 由人工组装合成的纳米结 构的材料体系称为纳米组装体系。 纳米阵列体系 介孔组装体系 薄膜嵌镶体系 ppt课件 61 2.2.2 纳米材料的研究 集中在:制备研究和应用研究 制备研究:制备方法、机理研究、表征 研究。 应用研究:结合各领域的特点进行声、光、 电、磁、热、力学等性能与机理的研究。 ppt课件 62 §2.3纳米材料的加工技术 一、纳米粉体加工技术 纳米粉体加工技术包括: 物理法 化 综等技术。 ppt课件 63 1.物理法 惰性气体沉淀技术 高能球磨技术 热物理技术 非晶晶化技术 等离子技术 ppt课件 64 1) 惰性气体沉淀技术 是金属在外源(热、等离子、激光等) 蒸发下,采用惰性气体对金属蒸气进 行得到纳米颗粒的技术。 2) 高能球磨技术 是将大块物料放入高能球磨机或气流 磨中,利用介质和物料之间相互研磨 和冲击使物料细化的技术。 ppt课件 65 3)热物理技术 是将大块材料在真空中加热蒸发,蒸发 出原子或在低压惰性气体介质中冷 却而形成纳米粉的技术。 4)非晶晶化技术 是通过熔体快冷、高速直流溅射、等离 子流雾化等过程得到纳米粉体的技术。+ 5)等离子技术 是以等离子态作为材料制备能源而得到 纳米颗粒的技术。物理法总结 ppt课件 66 2.化 化学沉淀技术 水热技术 乳液技术 溶胶-凝胶技术 ppt课件 67 1)化学沉淀技术 在包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中, 加入沉淀剂(如OH-,C2O42-,CO32-等)后, 或在一定温度下使溶液发生水解,形成不 溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类,从 溶液中析出,并将溶剂和溶液中原有的阴 离子洗去,经热分解或脱水即可得到所需 的氧化物粉料的技术。 ppt课件 68 2)水热技术 是指在高温、高压下一些氢氧化物在水中的 溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度, 于是氢氧化物溶入水中同时析出氧化物超细 粉末的技术。 3)乳液技术 是利用二种互不相溶的溶剂在表面活性剂 的作用下形成一个均匀的乳液,从乳液中 析出固相制备纳米材料的技术。 ppt课件 69 4)溶胶-凝胶技术 是将易于水解的金属化合物(无机盐或 醇盐)在某种溶剂中与水发生反应,经 过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化,在经 干燥、烧结处理,得到所需的各种纳米 材料的技术。+ 化总结 ppt课件 70 3.综 辐射合成技术 是在常温下采用γ射线辐照金属 盐的溶液制备纳米微粒的技术。 微波/溶胶凝胶技术 是将溶胶-凝胶技术与微波烧 结技术相结合来制备纳米材 料的技术。综 ppt课件 71 二、纳米膜的加工技术 纳米膜的加工技术包括: 还原技术 溅射技术 化学气相沉积技术 ppt课件 72 1)还原技术 是用金属元素的酸溶液,以柠檬酸钠为 还原剂迅速混合溶液,并还原成具有纳 米尺寸的金属颗粒,形成悬浮液,最后 去除水分,得到含有超微细金属颗粒构 成的纳米材料薄膜的技术。 ppt课件 73 2)溅射技术 是利用直流或高频电场使惰性气体发 生电离,产生辉光放电等离子体,电 离产生的正离子和电子高速轰击靶材, 使靶材上的原子或溅射出来,然 后沉淀到基板上形成薄膜的技术。 ppt课件 74 3)化学气相沉积技术 是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合 物或单质在衬底表面上进行化学反应生成薄 膜的技术。 三、纳米块料的加工技术 以粉末等静压技术为主。 等静压技术 是将较低压力下干压成型的坯 体置于一个橡模内密封, 在高压容器中以液体为压力传 递介质,使坯体均匀受压,得 到密度p高pt课件的纳米块料的技术。75 §2.4与其它科学的交叉 2.4.1 纳米材料学科与计算机学科的交叉 解决科技难题:微电的制备问题 日前,美国西北大学的英金等人研制出纳 米光刻机,其刻笔笔尖可以“浸”入有机 池中,刻划出15nm线宽的图形,从而可以生 产出比传统的光刻机法小几个数量级的微电, 这项发明被认为是纳米技术研究的重大突破。 ppt课件 76 2.4.2 纳米材料学科与军事学科的交叉 解决科技难题:射程远、初速大的问题 火炮和轻武器,靠增加装药量来提高射程, 这将增加武器的重量。军事科学家将纳米材料 学科与军事学科相交叉,利用纳米铝或铜颗粒 遇到空气发生猛烈爆炸的现象,将发射药制成 纳米级颗粒,提高单位体积所的能量,使 弹头的初速和射程得以提高,同时减轻了重量, 解决了问题。 ppt课件 77 2.4.3 纳米材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题:高效率电源变压器问题 2000年西班牙巴塞罗纳科学家发明了一 种新型纳米磁性材料。用它制造的变压器具 有超高效率,能量损耗比传统的变压器小得 多,变压器几乎不发热,而且可以作得很小。 ppt课件 78 §2.5本章小结 一、 纳米的概念 纳米材料:是指构成材料的颗粒的尺度在 1~100nm(10-9m)之间的材料。 二、 纳米材料特性 四大基本特性:小尺寸效应、表面效应、 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 ppt课件 79 三、 纳米材料的分类 按纳米材料结构分为:1. 纳米颗粒;2. 纳 米固体;3. 纳米组装体系 四、 纳米材料的研究 集中在:制备研究和应用研究 五、纳米材料的加工技术 1.纳米粉体加工技术;2.纳米膜的加工技术; 3.纳米块料的加工技术 ppt课件 80 第三章 超导科学 内容:介绍超导科学的基本情况,包括超导 科学的基本概念、特点、研究方法等内容。 §3.1超导科学的基本概念、特点 1911年4月荷兰莱顿大学的昂内斯发现水银 在4.16K电阻消失以来,宣布了超导时代的 开始+,近年来,随着现代工业的发展,为 超导科学的研究奠定了良好的基础,因此 超导科学得到了飞速的发展。 ppt课件 81 3.1.1 超导的概念 超导材料:是指在一定温度下(超导转变 温度)具有零电阻的材料。 3.1.2 超导材料特性 基本特性:零电阻特性、完全抗磁性。 ppt课件 82 零电阻特性:任何超导材料的电阻均为零。 图3-1 有电流的超导体环 ppt课件 83 完全抗磁性(零磁感):在超导状态下,超 导材料在作用下,表面产生一个无损耗 电流,这个电流产生的与外加 大小相等、方向相反,因此超导材料内磁感 应强度为零,即B=0,此即为完全抗磁性。 + = 外 感生 为零 图3-2 磁通线被ppt完课件全驱出超导球+ 84 §3.2超导材料的分类、研究方法 3.2.1 超导材料的分类 超导材料可分为: 常规超导材料 (30K) 高温超导材料(30K) ppt课件 85 一、常规超导材料 即低温超导材料(30K),分为: 1.单质超导材料: 由超导元素构成的超导材料, 有50多种,如Ti、Hg、Nb等。 2.合金超导材料: 由超导合金构成的超导材料, 如NbTi等。 3.化合物超导材料:由超导化合物构成的超导材 料,如Nb3Sn等。 ppt课件 86 二、高温超导材料(30K)+ 1986年,米勒和贝德诺茨首次开发了镧 钡铜氧化物,使超导临界温度升到30K。 1987.11 ,他们获得了诺贝尔物理。 1987.2 ,物理所贤100K。 目前 ,130K。 ppt课件 87 高温超导材料(30K)主要有: 1.氧化物超导材料:由各种系列的氧化物构成的 超导材料,如镧锶铜氧化物、 钇钡铜氧化物、钕铈铜氧化 物等。 2.非氧化物超导材料:由C60化合物构成的超导材 料。+ 3.其他超导材料: 非晶体超导材料、复合超导 材料、重费米超导材料、有 机超导材料等。 ppt课件 88 第一台超导磁悬浮列车 日本建造 1972年 517km/h 平稳、无噪音、无震动、舒适 超导磁体 液氮贮槽 驱动同步马达 地上线 磁悬ppt课浮件 列车示意图 89 3.2.2 超导材料的研究 集中在:高温超导材料晶格结构、 电子结构和磁学特性研究方面 ppt课件 90 §3.3超导材料的加工技术 1.湿法加工技术 2.干法加工技术 3.熔融加工技术 4.磁控溅射加工技术 5.脉冲激光蒸镀技术 6.机械加工技术 ppt课件 91 1.湿法加工技术 是将超导元素溶入溶液中,根据需要进行配 比,沉淀后即可形成一定比例的超导氧化物, 或形成化合物盐,再经烧结后形成超导氧化 物的加工技术 2.干法加工技术 是将氧化物进行充分的混合,再经高温烧结 形成超导材料的加工技术。 ppt课件 92 3.熔融加工技术 是将氧化物或化合物盐混合后进行高温融化, 冷凝后形成超导材料的加工技术。 4.磁控溅射加工技术 是通过电场电离氩离子、通过加速、利 用高速氩离子打靶溅射在基板上形成超导薄 膜的加工技术。 ppt课件 93 5.脉冲激光蒸镀技术 是利用激光打靶蒸发在基板上形成超导薄膜 的技术。 6.机械加工技术 是将超导材料粉末灌入银管,通过轧制或拉 拔形成超导线材的加工技术。 ppt课件 94 §3.4与其它科学的交叉 3.4.1 超导材料学科与选矿学科的交叉 解决科技难题:不同成分的颗粒分离问题 将超导材料学科与选矿学科相交叉,利用超 导材料制成超导磁体,产生超高的强度 (2特),通过改变超导磁体的结构形状, 得到各种梯度的,形成超导磁分离技术, 可将混合矿物中的不同成分的颗粒分离开来。 ppt课件 95 3.4.2 超导材料学科与贮能学科的交叉 解决科技难题:储存电能的问题 将超导材料学科与贮能学科相交叉,利 用超导磁体的无焦耳热损耗,直接将电 能长时间地、无损耗地储存起来,这样 就可利用超导磁体储存巨大的能量,可 保持电网的稳定。 ppt课件 96 3.4.3 超导材料学科与磁学学科的交叉 解决科技难题:船的电磁推进问题 将超导材料学科与磁学学科相交叉,在船 底装上超导磁体,产生,在海水中通 过电流,就可产生向前的推力,从而使船 前进,通过改变电流的方向和大小,可实 现船体运动的方向和速度的变化。 ppt课件 97 §3.5本章小结 一、超导的概念 超导材料:是指在一定温度下具有零电阻 的材料。 二、超导材料特性 基本特性:零电阻特性、完全抗磁性。 ppt课件 98 三、超导材料的分类 超导材料可分为: 常规超导材料包括单质超导材料、 合金超导材料和化合物超导材料等。 高温超导材料包括氧化物超导材料、 非氧化物超导材料、非晶体超导材 料、复合超导材料、重费米超导材 料、有机超导材料等 ppt课件 99 四、超导材料的研究 集中在:高温超导材料晶格结构、电子 结构和磁学特性研究方面 五、超导材料的加工技术 主要有:湿法加工技术、干法加工技术、 熔融加工技术、磁控溅射加工技术、脉 冲激光蒸镀技术和机械加工技术等。 ppt课件 100 第四章 半固态加工科学 内容:介绍半固态加工科学的基本情况,包 括半固态加工的基本概念、特点、加工技术 等内容。 §4.1半固态加工科学的基本概念 70年代初期,美国麻省理工学院的Flemings 教授提出了一种崭新的金属成形技术—半固 态加工技术。+ ppt课件 101 半固态加工的基本思想是:对处于凝固过 程中的金属熔体进行强烈的搅拌,充分打 碎树枝状的初生固相,得到一种液态金属 母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的 非枝晶半固态浆料(固相组分一般为50%左 右),然后再对浆料进行加工。 ppt课件 102 §4.2半固态加工的分类、特点、研究方法 4.2.1 半固态加工的分类 按熔点分: 低熔点有色金属半固态加工 高熔点黑色金属半固态加工 ppt课件 103 按成形方式分: 流变成形 利用流变浆料直接进行成形加工,这种 方法称为半固态金属的流变成形。 触变成形 将流变浆料凝固成锭,按需将此金属 锭切成一定大小并重新加热(即坯料 的二次加热)至金属的半固态区,这 时的金属锭一般称为半固态金属坯料, 利用金属的半固态坯料进行成形加工, 这种方法称为触变成形。 ppt课件 104 4.2.2 半固态加工的特点 由于半固态金属成形采用了非枝晶半固态 浆料,打破了传统的枝晶凝固模式,所以 半固态金属与过热的液态金属相比,含有 一半左右的球状初生固相,与固态金属相 比,又含有一半左右的液相,具有许多独 特的优点。+ ppt课件 105 半固态金属成形的主要优点: 1)半固态金属的凝固收缩减小、初晶晶粒细小、 成分均匀,因此利用半固态金属制造的金属制 品不存在偏析的组织,性能更优异、更均匀; 2)被加工材料的变形抗力小,半固态金属的初 生固相接近球状,因此变形应力显著降低,成 形能耗更低,成形速度更快,并缩短加工工序, 节省设备投资,还可以成形复杂的零件毛坯, 金属制品的成本更低; ppt课件 106 3)半固态浆料部分凝固潜热已经放出,对加工 设备的热作用小、本身凝固收缩小,成形温度 低,减轻了模具的热冲击,提高了模具的寿命, 尤其当成形高熔点黑色合金时更是如此,因此 加工设备可以小型化、产品的性能明显提高、 尺寸精确; 4)半固态金属的粘度较高,可以方便地加入增 强材料(颗粒或纤维)而制造复合材料,为复合 材料的生产开辟了一个新途径。 ppt课件 107 4.2.3半固态加工的研究 集中在:低熔点有色金属和高熔点黑色金属的 浆料制备、物性和组织演变机理研究方面。 一、低熔点有色金属半固态加工 二十世纪七十年代以来,美国、法国、意大利、 日本等先进工业国家对铝合金、镁合金、铅合金、 铜合金等进行了较为充分的研究,国外目前进入 工业应用的半固态有色金属主要是铝合金、镁合 金,这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域, 如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、 轮毂、压缩机活塞等。ppt课件 108 1.低熔点有色金属半固态浆料或坯料制备方法 1)机械搅拌法 2)电磁搅拌方法 3)应变激活方法(SIMA) 4)粉末冶金方法 5)单辊旋转方法 ppt课件 109 1)机械搅拌法 美国麻省理工 学院Flemings 搅拌棒 M C等人发明的, 结构复杂, 造价 搅拌室 较高,产量不 浆料 大2.27kg/min, 搅拌室和搅拌 出口 棒的寿命较短, 搅拌棒易于污 染金属。 图4-1 机械搅拌法示意图 ppt课件 110 2)电磁搅拌方法 电磁搅 拌方法 是半固 态铝合 金坯料 的主要 工业生 产方法 之一。 电磁极 搅拌室 电磁极 出口 半固态浆料 图4-2 电磁搅拌法示意图 ppt课件 111 3)应变激活方法(SIMA) 是预先连续铸造出晶粒细小的金属锭, 再将金 属锭挤压变形, 而且变形量要足够大,最后按 需要将变形的金属锭切成一定大小, 在加热到 固液区, 形成具有一定固相率的半固态浆料。 该方法生产的金属铸锭,产量较大,但制 备过程中需要的变形量很大,而且坯料的最终 规格尺寸较小,只适合于制作小零件,因此这 种方法的应用范围十分有限。 ppt课件 112 4)粉末冶金方法 是首先利用传统的制粉方法,将金属制 成粉末,再将金属粉末预成形,并将预 成形件加热到固液相区域,形成具有一 定固相率的半固态浆料。该方法工艺复 杂、制备费用昂贵,一般只用于高温金 属半固态浆料的制备。 ppt课件 113 5)单辊旋转方法 该方法较为简单 方便,已经制备 出了铅合金、铝 合金等金属的半 固态浆料,但半 固态浆料的制备 过程较难控制, 稳定性较差,所 以目前仍处在研 究之中。 支撑块 冷却板 金属液 旋转轮 半固态浆料 刮刀 图4-3 单辊旋转法示意图 ppt课件 114 2.半固态低熔点有色金属物性研究 主要是半固态金属的流变特性,即研究半 固态金属浆料表观粘度的变化规律。 是半固态金属成形的本质、研究半固 态金属制备中浆料流动和半固态金属成形 中浆料流动规律的动量方程中最重要的一 个物理量。 ppt课件 115 图4-4 双旋转筒粘度仪 研究连续冷却搅拌和等温搅拌中半固态浆 料的表观粘度 ppt课件 116 Joly等学者研究了连续冷却搅拌和等温搅 拌中Sn-15%Pb合金半固态浆料的表观粘度 结果表明:Sn-15%Pb半固态浆料的表观粘 度随平均剪切速率的增加而下降,随浆料 固相分数的增加而增大,随平均冷却速率 的增加而增大;在相同的剪切速率下,等 温搅拌的Sn-15%Pb合金半固态浆料的表观 粘度比连续冷却搅拌的半固态浆料的表观 粘度低; ppt课件 117 在一定的剪切速率范围内,等温搅拌的Sn15%Pb半固态浆料的表观粘度ηa可用下面 简单的经验指数方程描述: ηa=KΥn (1) 式中Υ是剪切速率,n是指数,对于合金来 说n小于0,K是 适用于Sn-15%Pb合金的稳态流变特性,但 未考虑冷却速度、固相颗粒大小和形态以 及固相集聚的影响 ppt课件 118 Turng等学者也研究了Sn-15%Pb合金半固 态浆料的表观粘度 总结出下面的经验方程: η(Υ,fs)=(1-fs/fs*)-m(Υ)η∞(fs){1+ [Υ*(fs)/Υ]a}n/a (2) 式中fs*=0.7,η∞(fs)为渐进表观粘度,Υ*(fs)为 临界剪切速率,m(Υ)=360/ Υ,n、a为 适用于Sn-15%Pb合金半固态浆料的流变特性, 也未考虑冷却速度、固相颗粒大小和形态以及 固相的集聚影响 ppt课件 119 Hirai等学者研究了Al-10%Cu的半固态浆料 的表观粘度 套用Mori关于固液两相(固相为刚性球状, 均匀分布)的粘度模型,得出下式: ηa=ηLa{1+(2.41×105C1/3Υ-4/3)/2×[1/fs1/(0.72-8.82C1/3Υ-1/3)]} (3) 式中ηLa为液相的粘度,C为凝固速度 适用于Al-10%Cu的半固态浆料的流变特性, 虽然考虑了冷却速度的影响,但未考虑固相 颗粒大小和形态以及固相的集聚影响,而且 理论计算结果与实际pp测t课件定结果的偏差较大120 从以上可知:到目前为止,低熔点金属及 合金的半固态浆料的稳态或非稳态表观粘 度的本构关系仍然不健全,也就是低熔点 金属及合金的半固态浆料的物性研究仍然 很不完善。 ppt课件 121 3.有色金属半固态组织的演变机制研究 组织演变机制是半固态金属研究中的一个重要 内容。通过对半固态金属组织演变机制的研究, 可以获得对半固态金属成形本质的认识,从而 为优化搅拌工艺和成形工艺提供理论依据。 通过对半固态有色金属的组织形态与搅拌参数 之间关系的研究,发现初生相随剪切速率的提 高而更加园整,随搅拌时间的延长而更加园整, 随冷却速度的提高而更加细小。但在搅拌过程 中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎、转变机制, 目前尚未开展此方面的研究。 ppt课件 122 关于有色金属半固态组织的演变机制,目前 只有几种假设 Flemins 认为:在搅拌的作用下,初生枝晶由 于熟化作用,也由于初生枝晶之间以及它们 与液体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用,细 小的初生枝晶逐渐转变为玫瑰花状,最后转 变为球状。 ppt课件 123 Vogel等人认为:熔点温度附近的初生αAl枝晶 具有一定的韧性,在搅拌的紊流之中只发生弯 曲而不会断裂;在搅拌过程中,如果一个αAl 枝晶臂相对于枝晶主干弯曲了q角,就要求枝 晶臂中必须存在附加的位错,这些位错将会因 回复和再结晶过程的发生而转变成晶界,那么 该晶界就具有q角大小的取向错误;如果q角较 大,这个大角度晶界的能量比固液相的界面能 大两倍以上,这种晶界完全会被液体薄膜所浸 润,最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作 用而从枝晶主干上脱落下来。 ppt课件 124 Dohery等人认为:由于搅拌的剪切作用, 初生柔软的α相枝晶臂将会发生塑性弯曲, 弯曲将以位错的形式使枝晶臂发生取向错 误,这些位错的迁移会形成晶界;大于20 取向错误的晶界所具有的能量比固液界面 能量的二倍还要大;如果这种高能量晶界 在枝晶臂中形成并与液相接触,晶界就会 被液体薄膜所取代,枝晶臂便会最终从初 生晶粒的主干上脱落下来。 ppt课件 125 二、高熔点黑色金属半固态加工 存在以下困难:1)选择材料限于固相线与液相线)高温半固态浆料难以连续稳定 地制备;3)熔体的温度、固相的比率和分布难以 准确控制;4)浆料在高温下输送和保温困难;5) 成形温度高,工具材料的高温性能难以,所 以钢铁材料半固态成形加工研究的进展非常缓慢, 目前研究重点主要集中在某些钢种的压铸、锻造 等非连续半固态成形加工方面。 目前只有美国、日本、英国等少数发达国家进行 了系统的探索性研究。 ppt课件 126 1.黑色金属半固态浆料或坯料制备方法 1)机械搅拌法 2)电磁搅拌方法 3)应变激活方法(SIMA) 4)粉末冶金方法 5)单辊旋转方法 这些方法仍然存在这样或那样的问题, 处在研究之中。 ppt课件 127 2.黑色金属半固态成形加工方法的研究动态 流变成形:国外学者利用机械搅拌方法、应变激 活方法或粉末方法成功地制备了AISI4340碳钢、 440C和304不锈钢、M2高速钢、铸铁等及X40、 Ti-20Co等合金的半固态浆料或制造出优质的半 固态零件毛坯坯料。尤其最近几年,国外有学者 尝试利用电磁搅拌方法制备AISI4340、440C、 304、52100、1050、8720、M7、M2、等钢种的 半固态铸锭,利用压铸机对Fe-2.5%C-3.1%Si铸 铁和AISI440A不锈钢的半固态浆料直接进行流变 成形,可以获得初生固相分布均匀的优质铸件。 由于黑色金属半固态浆料的保存和阶段式输送较 为困难,其流变成形零pp件t课件毛坯的进展缓慢。 128 触变成形:利用压铸机或压力机对AISI440C和304 不锈钢、M2高速钢、X40及铸铁等金属的半固态 坯料进行了触变成形研究,都制造出优质的零件毛 坯。成形研究发现:压铸半固态不锈钢AISI440C 的压力为10000 psi、射口处半固态金属的流速为 10~60 ft/sec时,铸件质量优异;若压铸半固态不 锈钢AISI440时的压力为6800 psi、射口处半固态金 属的流速为40~100 ft/sec时,铸件质量优异;在黑 色金属半固态触变成形时,坯料的二次加热方法只 能采用电磁加热,且要求坯料内部的温度均匀, 控制精度为±1℃;与液态黑色金属压铸相比,黑 色金属半固态触变成形零件毛坯的模具寿命有所提 高,但仍有许多问题需要ppt课解件 决。 129 2.半固态黑色金属物性研究 对440C不锈钢、AISI4340低合金钢、M2 高速钢等个别钢种半固态浆料的表观粘 度也进行了一定的研究,结果表明:表 观粘度随剪切速率的提高而变小,随固 相分数的增大而变大,随冷却速度的增 加而变大。 ppt课件 130 3.黑色金属半固态组织的演变机制研究 通过对440C不锈钢和AISI4340碳钢初生相的 组织形态与搅拌参数之间关系的研究,发现 初生相随剪切速率的提高而更加园整,随搅 拌时间的延长而更加园整,随冷却速度的提 高而更加细小。但半固态黑色金属在搅拌过 程中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎、转变机 制,目前尚未开展此方面的研究。 ppt课件 131 §4.3半固态加工技术 由于半固态浆料或坯料较常规金属液的粘 度大,所以通常半固态加工技术均需要外 力的作用。 主要有: 1 半固态锻造技术 2 半固态压铸技术 3 半固态挤压技术 4 半固态轧制技术 ppt课件 132 1 半固态锻造技术 图4-5 半固态锻造技术 ppt课件 133 2 半固态压铸技术 图4-6 半固态压铸技术 ppt课件 134 3 半固态挤压技术 图4-7 半固态挤压技术 ppt课件 135 4 半固态轧制技术 图4-8 半固态轧制技术 ppt课件 136 §4.4与其它科学的交叉 科技难题:超纯材料的制备问题 半固态加工处于固液二相区,可利用挤压手段 将含有杂质的液体挤出,留下初生纯固相,然 后再从新进行半固态挤压,进一步提纯,这样 一次一次地提纯,最后就可获得超纯材料 日本科学家利用半固态挤压技术制备出了纯度 为15个9的半导体材料 ppt课件 137 §4.5本章小结 一、半固态的概念 半固态加工的基本思想是:对处于凝固过程 中的金属熔体进行强烈的搅拌,充分打碎树 枝状的初生固相,得到一种液态金属母液中 均匀地悬浮着一定球状初生固相的非枝晶半 固态浆料(固相组分一般为50%左右),然后 再对浆料进行加工。 ppt课件 138 二、半固态的特点 1)半固态金属的凝固收缩减小、初晶晶粒细小、 成分均匀,因此利用半固态金属制造的金属制 品不存在偏析的组织,性能更优异、更均匀; 2)被加工材料的变形抗力小,半固态金属的初 生固相接近球状,因此变形应力显著降低,成 形能耗更低,成形速度更快,并缩短加工工序, 节省设备投资,还可以成形复杂的零件毛坯, 金属制品的成本更低; ppt课件 139 3)半固态浆料部分凝固潜热已经放出,对加 工设备的热作用小、本身凝固收缩小,成形 温度低,减轻了模具的热冲击,提高了模具 的寿命,尤其当成形高熔点黑色合金时更是 如此,因此加工设备可以小型化、产品的性 能明显提高、尺寸精确; 4)半固态金属的粘度较高,可以方便地加入 增强材料(颗粒或纤维)而制造复合材料,为 复合材料的生产开辟了一个新途径。 ppt课件 140 三、半固态加工的分类 按熔点分: 低熔点有色金属半固态加工 高熔点黑色金属半固态加工 按成形方式分: 流变成形 触变成形 ppt课件 141 四、半固态的研究 集中在:低熔点有色金属和高熔点黑色金属 的浆料制备、物性和组织演变机理研究方面。 半固态浆料或坯料制备方法 1)机械搅拌法 2)电磁搅拌方法 3)应变激活方法(SIMA) 4)粉末冶金方法 5)单辊旋转方法 ppt课件 142 物性的研究 主要是半固态金属的流变特性,即 研究半固态金属浆料表观粘度的变 化规律。 组织的演变机制研究 初生相随剪切速率的提高而更加园 整,随搅拌时间的延长而更加园整, 随冷却速度的提高而更加细小。 ppt课件 143 五、半固态加工技术 1 半固态锻造技术 2 半固态压铸技术 3 半固态挤压技术 4 半固态轧制技术 ppt课件 144 我们进行的研究工作 主 要 围 绕 : 钢 - 半 固 态 Al-20Sn 合 金 复 合 铜-石墨复合进行介绍 ppt课件 145 1 钢-半固态Al-20Sn合金复合 Al-20Sn合金液 浇嘴 轧机 铁铝化合物厚层 预处理的钢板 钢- Al-20Sn复合板 图4-9 固液相铸轧成形方法 图4-10界面层 科技问题:界面脆化 ppt课件 146 4-11 固液相铸复合界面 ppt课件 147 针对界面脆化问题,我们首先提出了界 面非均匀扩散技术思想,然后将复合加 工与半固态加工相交叉,在中国博士后 基金的资助下,采用Al-20Sn半固态浆料 与钢板进行复合研究顺利地实现了技术 思想,解决了问题,并且开发了钢-半固 态Al-20Sn浸镀轧制复合技术。 ppt课件 148 铁铝 化合物 图4-12 界面扩散 界面非均匀扩散技术思想:在复合界面上形 成Al原子向钢基内扩散浓度的差异,从而破 坏铁铝化合物的层状结构,消除界面脆化, 进一步提高界面结合性能。 ppt课件 149 在钢-半固态Al-20Sn复合研究中,首先开发了 电 磁 机 械 复 合 搅 拌 技 术 , 成 功 地 制 备 了 Al20Sn半固态浆料 电磁极对 A 外罩 Ar 气管 上盖 A 冷却管 A—A 热电偶 半固态浆料 加热管 石墨坩埚 堵塞 机械处理器 图4-13 电磁-机械搅拌装置 ppt课件 图4-14 迅速凝 固部分的组织 150 Solid fraction (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 560 580 600 620 640 660 Temperature (℃) 图4-15 Al-20Sn半固态浆料 图4-16 温度与固相率 fs=1683-4.86t+0.0035t2 (4-1) ppt课件 151 Table4-1 ANN训练与预测 Samp le Preheat temperature of steel plate (℃) Solid fraction of mushy (%) 1 100 34 2 150 34 3 300 34 4 400 34 5 450 34 6 500 34 7 600 34 8 500 10 9 500 15 10 500 20 11 500 25 12 500 30 13 500 40 14 500 50 15 500 55 16 500 34 17 500 34 18 500 34 19* 200 34 20* 550 34 21* 500 45 22* 500 34 Rolling speed (mm/s) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 2 15 20 10 10 10 5 Intecial shear strength Relative error (MPa) Test Desired (%) 6.2 6.2 0.0 11.1 11.2 0.9 35.6 36.1 1.4 60.8 61.0 0.3 68.7 67.1 2.3 69.9 70.1 0.3 66.1 67.4 2.0 60.2 61.3 1.8 62.7 64.1 2.2 65.1 66.4 2.0 68.6 66.6 2.9 69.4 70.1 1.0 69.5 68.2 1.9 63.2 62.9 0.5 62.1 63.8 2.7 60.3 62.7 4.0 59.7 60.1 0.7 46.8 46.8 0.0 14.5 14.9 2.8 67.9 68.8 1.3 67.4 66.9 0.7 64.5 63.8 1.1 *. Testing sample ppt课件 152 利用人工神经网络与遗传算法技术,得到实现 非均匀扩散的最佳条件为:钢板预热温度为 505℃、固相率为34.3%、铸轧速度为10mm/s, 得到的最大界面剪切强度为71.2MPa。 复合界面是 由铁铝化合 物和铁铝固 溶体交替构 成的新型结 构。 图ppt课4件-17 典型的复合界面153 2 铜-石墨复合 铜与石墨的物性差别很大,所以在制备过程中 总是存在石墨上浮现象,组织极为不均。 石墨 铜合金 图4-18 石墨上浮现象 科技问题: 铜-石墨材pp料t课件中石墨的宏观偏析154 针对石墨的宏观偏析问题,我们首先 提出了局部偏析技术思想,然后将复 合加工与半固态加工相交叉,在中国 博士后基金的资助下,采用铜-石墨半 固态浆料进行复合研究顺利地实现了 技术思想,解决了问题,并且开发了 钢-石墨半固态复合技术。 ppt课件 155 固相 石墨颗粒 图4-19 局部偏析 局部偏析技术思想:利用预置的固相,将整体 Al-20Sn合金液分割成无数个局部,使得Sn在 合金液中的偏析转变成被分割为局部的微观偏 析,从而消除锡的宏观分布不均。 ppt课件 156 Table4-2 固相率与搅拌温度 采 用 QTi3.5-10 石 墨材料进行研究 fs=753.9-0.706t (4-2) Sampl e 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 pp11t课89 件 Solid fraction /% 0 3.5 5.2 8.0 11.1 16.1 18.6 24.3 26.1 28.4 34.3 36.6 41.5 44.7 48.7 53.1 56.2 57.1 61.3 Stirring temperature /℃ 1070 1065 1060 1055 1050 1045 1040 1035 1030 1025 1020 1015 1010 1005 1000 995 990 985 980157 Table4-3 固相率与石墨百分数 Sam Solid fraction ple /% 1 0 2 2.5 3 5 4 7.5 5 10 6 12.5 7 15 8 17.5 9 20 10 22.5 11 25 12 27.5 13 30 14 32.5 15 35 16 37.5 17 40 18 42.5 19 45 20 47.5 21 50 Percent of graphite particles /wt% 0.0 0.0 0.5 1.0 1.7 2.4 3.2 3.7 4.3 4.8 5.2 5.8 6.6 7.8 8.6 9.1 9.8 10.0 10.0 10.0 pp1t课0.件0 得到最 佳复合 条件为: 固相率 大于 42.5% 158 图4-20 QTi3.5-10石墨材料组织 ppt课件 159 第五章 超声加工科学 内容:介绍超声加工科学的基本情况,包 括超声加工的基本概念、特点、加工技术 等内容。 §5.1 超声加工科学的基本概念、特点 超声波:频率高于16kHz的振动波 ppt课件 160 重要性质: 1)可以传递很强的能量。能量密度J(通 过垂直于波的方向的单位面积上的能 量W/cm2)可达100 W/cm2以上 J 1 cA2 2 (5-1) 式中:ρ为弹性介质密度(kg/m3);c为 弹性介质中的波速(m/s);A为振动的振幅 (mm);ω为圆频率(rad/s) ppt课件 161 2) 具有空化作用 当超声波经过液体介质时,将以极高 的频率液体质点振动,在液体介质中 连续地形成压缩和稀疏区域,由于液体介 质的不可压缩性,由此产生正、负交变的 压力变化,由于这一过程时间极短,发生 冲击波,局部产生极大的冲击力,瞬时高 温,物质的分散,破碎及各种物理化学作 用,此即为超声波的空化作用。 ppt课件 162 由于超声波具有上述特性,二十世纪六十 年代以来,超声波开始广泛应用于加工领 域,经过几十年的发展,已逐步形成了系 统的超声加工科学体系。 ppt课件 163 5.1.1 超声加工的概念 超声加工是 利用工具端 面的超声振 动,通过磨 料悬浮液加 工脆硬材料 的一种成形 方法,如右 图所示。 5-1 ppt课件 164 超声加工原理:加工时,在工具头和工件之 间加入磨料悬浮液,同时使工具以一定的力 作用在工件上。超声换能器产生16kHZ以上 超声波的纵向振动,并通过变幅杆(连接换 能器锥体)把振幅放大到0.05-0.1mm左右。 驱动工具端面作超声振动,磨料悬浮液 中的磨粒以很大的加速度和速度不断地锤击、 冲击被加工表面,使工件材料被加工下来。 与此同时,工作液受工具端面的超声振动作 用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和 “空化”作用,加剧了机械作用。 ppt课件 165 5.1.2 超声加工的特点 1)适合于加工各种硬脆材料,特别是不 导电的非金属材料,例如玻璃、陶瓷等。 2)由于工具可用较软的材料,做成较复杂 的形状,故不需要使工具和工件作比较复 杂的相对运动,因此超声加工机床的结构 比较简单,操作、维修方便。 ppt课件 166 3)由于去除加工材料是靠极小磨料 瞬时的局部撞击作用,故工件表面的 宏观切削力很小,切削应力、切削热 很小,不会引起变形及烧伤,表面粗 糙度也较低,可达Ra=1-0.1μm,加 工精度可达0.01-0.02mm,而且可以 加工薄壁、窄缝、低刚度零件。 ppt课件 167 §5.2 超声加工的分类、研究方法 5.2.1超声加工的分类 按振动性质分: 自激振动加工 是利用加工过程中产生的振 动进行加工的。 振动加工 是利用专门设置的振动装置, 使工具或工件产生某种有规 律的可控振动来进行加工的。 这类超声加工在超声加工体 系p中pt课件占的主要地体。 168 5.2.2超声振动的研究 集中在:运动学分析和机理研究方面。 运动学分析主要集中在振动方向与 加工方向等之间的关系等方面。 机理研究主要集中在超声振动对金 属学影响机理等方面,其中形核、 细化、乳化等方面的研究较为成熟。 ppt课件 169 §5.3 超声振动加工技术 几十年来,在各领域专家的努力下,形成 了许多超声振动加工技术,其中有代表性 的主要有: 1 超声振动切割技术 2 超声振动焊接技术 3 超声振动清洗技术 ppt课件 170 1 超声振动切割技术 超声振动 切割技术 是将切割 刀具焊在 超声振动 变幅杆上 进行的切 割加工技 5-2 5-3 术。 ppt课件 171 2 超声振动焊接技术 是利用超声频振动 作用,去除工件表 面的氧化膜,显露 出新的本体表面, 在两个被焊工件表 5-4 面的高速振动 撞击下,摩擦发热 并亲和粘接”在一起。它不仅可以焊接尼龙、塑料、 以及表面易生成氧化膜的铝制品等,还可以在陶瓷 等非金属表面挂锡、挂银、涂覆、熔化的金属薄层。 ppt课件 172 3 超声振动清洗技术 是基于超声频振动在液体 中产生的交变冲击波和空 化作用。超声波在清洗液 (汽油、煤油、酒精、丙 酮或水等)中时,液 体往复高频振动产生 正负交变的冲击波。当声 5-5 强达到一定数值时,液体 中急剧生长微小空化气泡并瞬时强烈闭合,产生的微冲 击波使被清洗物表面的污物遭到,并从被清洗表面 脱落下来的技术。 ppt课件 173 §5.4与其它科学的交叉 科技难题:组分物性差别大材料的偏析问题 超声振动的乳化作用可使异种材料均匀地 混合在一起,将超声振动与冶金学科交叉, 可明显改善材料尤其是组分物性差别大的 合金、复合材料的组织,形成组织均匀的 高性能材料。 ppt课件 174 5-6 ppt课件 175 我们进行的与超声振动科学交叉研究工作 将超声振动加工与钢-Al-20Sn复合研究进行 了交叉,利用“空化效应”解决“偏析”与 “脆化”问题,开发了钢-Al-20Sn超声振动 复合技术,这项研究得到了自然科学基金的 资助,目前正在进行当中。 ppt课件 176 Al-20Sn 合金 超声装置 浇嘴上盖 预热装置 预处理钢板 浇嘴 喷嘴 复合板 图5-7 超声振动复合 特点:免去了庞大的轧制设备;利用超声空 化作用实现有效复合;利用乳化作用消除Sn 的宏观偏析;调整复合时间来消除界面脆化 ppt课件 177 §5.5本章小结 一、超声加工的概念 超声加工是利用工具端面的超声振动,通过 磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成形方法。 二、超声加工的特点 1)适合于加工各种硬脆材料,特别是不导 电的非金属材料。 ppt课件 178 2)由于工具可用较软的材料,做成较复杂的 形状,故不需要使工具和工件作比较复杂的 相对运动,因此超声加工机床的结构比较简 单,操作、维修方便。 3)由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时的局 部撞击作用,故工件表面的宏观切削力很小, 切削应力、切削热很小,不会引起变形及烧 伤,表面粗糙度也较低,可达Ra=1-0.1μm, 加工精度可达0.01-0.02mm,而且可以加工薄 壁、窄缝、低刚度零件。 ppt课件 179 三、超声加工的分类 按振动性质分: 自激振动加工 振动加工 四、超声振动的研究 集中在:运动学分析和机理研究 五、超声振动加工技术 1 超声振动切割技术 2 超声振动焊接技术 3 超声振动清洗技术 ppt课件 180 第六章 激光加工科学 内容:介绍激光加工科学的基本情况,包括激 光加工的基本概念、特点、加工技术等内容。 §6.1 激光加工科学的基本概念、特点 世界上第一台激光器 1960年 美国人麦蒙利 从此,激光的威力开始逐步应用于加工领域, 经过几十年的发展,已逐步形成了系统的激 光加工科学体系。 ppt课件 181 激光 Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光是物质产生受激辐射后,其内部大量 发光中心基本上有组织、相互关联地发出 的具有相同频率、方向、偏振状态和严格 相位关系的光波。 ppt课件 182 激光特性: 1)强度(单位时间内通过单位面积的能 量W/cm2)高。通常在100M W/cm2以上 (1012-1015)。 2)单色(光的频率或波长为一确定的数 值)性好。谱线)方向性好。 发散角(光线中,二光线 之间的最大夹角)仅为0.18o左右。 ppt课件 183 6.1.1 激光加工的概念 激光加工是把激光的方向性好、输出功率 大的特性应用于材料的加工领域形成的一 种成形方法。激光加工机械如图6-1所示。 ppt课件 184 激光加工原理:利用激光强度高、方向性 好、颜色单纯的特性,通过一系列的光学 系统,把激光束聚焦成一个极小的光斑, 直径仅有几微米到几十微米,获得108~ 1010w/cm2的能量密度以及10000℃以上的 高温,从而能在千分之几秒甚至更短的时 间内使各种物质熔化和气化,以达到蚀除 被加工工件的目的。 ppt课件 185 6.1.2 激光加工的特点 1)由于激光加工是将高平行度、高能量密 度的激光聚焦到工件表面上来进行热加工, 所以激光光点的直径在理论上可达lμm以下, 能进行非常微细的加工。 2)由于激光加工的功率密度非常高,可达 到107w/cm2以上,并能做得更高,故对那 些用以往的方法难于加工的材料都能用激 光加工。 ppt课件 186 3)由于能把工件离开加工机,以适当的距 离进行非接触式加工,所以不会污染材料。 另外,加工变形及热变形也很小。 4)通过选择适当的加工条件能用同一装置 进行打孔和焊接。 5)能通过透明体进行加工。 6)与电子束加工机相比,不需要真空,也 不需要X射线进行防护。因此装置简单, 工作性能良好。 ppt课件 187 §6.2 激光加工的分类、研究方法 6.2.1激光加工的分类 按激光器分: 固体激光加工 是使用固体激光器进行的激光加 工。固体激光器的基体材料主要 有红宝石、钇铝石榴石晶体、硅 酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物 和硼硅玻璃等 气体激光加工 是使用气体激光器进行的激光加 工。气体激光器的工作物质主要 有氦氖、二氧化碳、氩、氮等气 体 ppt课件 188 6.2.2 激光加工的研究 集中在:新型激光器的研制和各应用领域 内的机理研究。 新型激光器: 半导体激光器 化学激光器 短波准激光器 电子激光器 各应用领域内的机理:军事、通讯、能源、 医学等广泛领域 ppt课件 189 §6.3 激光加工技术 几十年来,在各领域专家的努力下,形成 了许多激光加工技术,其中有代表性的主 要有: 1 激光切割技术 2 激光焊接技术 3 激光热处理技术 4 激光存储技术 ppt课件 190 1 激光切割技术 激光切割技术:利用激光聚焦后的极高的 功率密度而使工件材料瞬时气化蚀除,通 过工件与激光束的相对移动实现直线 激光焊接技术 激光焊接技术:利用激光的能量将工件的 加工区“烧熔”使其粘合在一起的技术。 ppt课件 191 3 激光热处理技术 激光热处理技术:利用激光束扫射零件表面, 其红外光能量被零件表面吸收而迅速形成极 高的温度,使金属产生相变甚至熔融,当激 光束离开零件表面时,零件表面的热量又迅 速向内部传递而形成极高的冷却速度,从而 实现热处理的技术。 4 激光存储技术 激光存储技术:利用激光进行视频、音频、 文字资料和计算机信息的存取技术。 ppt课件 192 §6.4与其它科学的交叉 6.4.1与遥感探测学科进行交叉 科技难题:遥感精度问题 激光雷达只需 直径30厘米的 小天线,可探 测到如电线杆 之类的小目标, 对卫星的运行 轨道的探测精 度达±4厘米。 图ppt课6件-2 激光接受系统 193 6.4.2与通讯学科进行交叉 科技难题:潜艇通讯问题 波长为0.47~0.54微米的蓝绿激光可以 穿透海水深度达300米,海水对蓝绿激 光的损耗小,可实现潜艇的水下通讯。 ppt课件 194 6.4.3与热核学科进行交叉 科技难题:新能源问题 利用激光来产生热核反应,可开发激光 核聚变点火装置。1994年,美国批准建 造一台耗资18亿美元的诺瓦升级装置, 总能量为1.8兆焦耳,其功率相当于全 美国电网总功率的1000倍。 ppt课件 195 §6.5本章小结 一、激光加工的概念 激光加工是把激光的方向性好、输出功率大 的特性应用于材料的加工领域形成的一种成 形方法。 二、激光加工的特点 1)由于激光加工是将高平行度、高能量密 度的激光聚焦到工件表面上来进行热加工, 所以激光光点的直径在理论上可达lμm以下, 能进行非常微细的加工。 ppt课件 196 2)由于激光加工的功率密度非常高,可达 到107w/cm2以上,并能做得更高,故对那 些用以往的方法难于加工的材料都能用激 光加工。 3)由于能把工件离开加工机,以适当的距 离进行非接触式加工,所以不会污染材料。 另外,加工变形及热变形也很小。 ppt课件 197 4)通过选择适当的加工条件能用同一装置 进行打孔和焊接。 5)能通过透明体进行加工。 6)与电子束加工机相比,不需要真空,也 不需要X射线进行防护。因此装置简单, 工作性能良好。 ppt课件 198 三、激光加工的分类 按激光器分: 固体激光加工 气体激光加工 四、激光加工的研究 集中在:新型激光器的研制和各应用 领域内的机理研究。 ppt课件 199 五、激光加工技术 1 激光切割技术 2 激光焊接技术 3 激光热处理技术 4 激光存储技术 ppt课件 200

  

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