金属材料的先进制备技术

金属材料的先进制备技术（精选6篇）

篇1：金属材料的先进制备技术

金属材料的先进制备技术

本课程为材料系硕士研究生学位课，共计32学时，2学分。

考试方式采用专题报告形式，研究生可在教师开列的专题中选择一个题目，然后收集资料，阅读中外文献（不少于10篇），并撰写报告（综述性报告，每篇不少于5000字），期末要在班上进行口头报告（报告15分钟，回答问题5分钟）。

研究生在学期结束前提交报告，教师批阅报告后，并结合平时情况给出本课程的成绩。成绩由三部分组成，平时出勤率占20%，课堂讨论20%，期末报告（书面+口头）占60%。

本课程主要介绍金属材料（为基体）的一些最新制备技术，包括原理、方法及其应用简介。

第一讲：绪论（康飞宇，2学时）

1、现代工业对材料的要求及其材料开发的方法

2、材料性能的不断提高对制备技术的要求

3、用途不断扩大对制备技术的要求

4、金属材料的改性趋势：极限化，复合化，数值化等

5、金属材料制备的新思路

第二讲：纳米材料及其制备技术（康飞宇，2学时，含讨论）

1、纳米材料概念

2、纳米材料制备技术

第三讲：极限材料和极端条件下材料的制备技术（康飞宇，学时，含讨论）

1、超纯材料、超高强材料、超高温材料

2、超高压条件

3、微重力条件

4、真空条件

第四讲：金属材料加工新技术（2学时，康飞宇，含讨论）

1、新型压力加工、焊接和铸造工艺

第五讲：金属基复合材料的制备技术（4学时，邓海金）

1、固态制备

2、液相制备

3、原位制备

4、喷射喷涂

第六讲：高能束技术及其应用（杨志刚，4学时）

1、激光束与材料的作用

2、离子束与表面改性

3、电子束

4、物理化学气相沉积

第七讲：凝固技术及其应用（4学时，杨志刚）

1、快速凝固技术： 非晶态合金和准晶制备

2、定向凝固技术：定向凝固共晶合金制备

3、单晶材料制备技术

4、新型大块非晶及纳米晶材料制备技术

第八讲：其它材料特殊制备技术（4学时，杨志刚）

1、自蔓延高温合成技术

2、金属雾化喷射沉积技术

3、半导体芯片的制造技术

4、光纤的制造技术

5、超导材料加工工艺

第九讲：期末专题报告（8学时，康飞宇，含讨论）

专题报告题目（每人限选一个）

 金属的超塑性和超塑性加工

 快速成型及其制造技术

 先进焊接技术

 铸造新技术

 压力加工新技术

 定向凝固技术

 雾化成型技术

 金属的半固态加工技术

 高压条件下材料的制备

 低温条件下材料的制备

 真空条件下材料的制备  微重力条件下材料的制备

 超细金属颗粒制备

 金属纤维与晶须的制备

 超纯金属材料的制备

 粉末冶金新技术

 自蔓延高温合成技术

 纳米复合材料的制备

 计算机技术在材料中的应用

 “三束”在金属材料制备和改性中的应用

 极限材料及其制备技术

 自选题目，必须事先征得老师同意。

篇2：金属材料的先进制备技术

金属材料热处理表面强化技术研究 l引言

随着工业现代化工业的快速发展，对各种机械设备零件的表面性能要求越来越高。一些在特殊条件下工作的零部件，往往因其表面局部磨损而使整个零件报废。因此如何提高和改善零件的表面质量和性能，以延长工件的使用寿命是一个十分重要的问题l’，2]。世界各国对金属材料表面和近表面区组织的改性处理技术进行了深入的研究，通过机械、物理、化学等方法来改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各类表面改性技术，使材料表面具有较本体更高的强度，和更加优良的耐蚀、耐磨、耐高温和抗疲劳等性能，从而充分发挥金属材料的潜力，提高其表面耐磨性，达到延长使用寿命、拓宽其应用领域的目的13，4]。金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途，其种类繁多，除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外，激光、电子和离子等高能束表面处理技术也取得了快速的发展[5]，大量的研究成果己经在工业生产中得到广泛的应用。进入21世纪后，随着人们环保意识的不断提高，对环境无污染的“绿色”表面强化技术越来越受到人们的青睐。近年来，俄国文献le.姆及道了一种新的表面强化技术，鉴于这种技术的文献报道较少，其作用机制还未见相关报道，而且该项技术尚未有规范的称谓，为此，我们暂且称其为热一声处理技术，与传统的表面改性技术相比，它高效、低耗、无污染，并且工艺上易于实现，具有较好的应用前景。

1.2表面改性技术概述

磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，它们所引起的经济损失十分巨大。其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效而造成经济损失的，占有相当大的比重。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告指出:由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部分约为200亿美元;在1983年前联邦德国的一次调查中指出:由于摩擦磨损造成的损失估计为387亿马克:而在英国，由于摩擦磨损造成的经济损失每年至少为51500万英镑以上，相当于当时1965年国民生产总值的1.1%。许多国家政府对腐蚀造成的损失也进行了调查分析，美国Battelle实验室和国家

图1 表面强化技术

标准局1978年共同进行调查表明:1975年美国由于腐蚀造成的经济损失达820亿美元，占国民生产总值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA发表报告指出:现在美国每年因为腐蚀损失3000亿美元;1983年我国也曾对腐蚀作过调查，当时的结论为我国因腐蚀造成的经济损失至少在400亿元人民币以上。据不完全统计，世界能源的1/3一1/2由于摩擦磨损而消耗掉，机械零件80%的失效的原因是摩擦磨损，而每年出于腐蚀造成的直接损失大约占整个

国民生产总值的1%一4%。

众所周知，磨损和腐蚀均发生于机件表面的材料流失过程，而且其他形式的机件失效也多是从表面开始。尽管磨损与腐蚀是不可避免的，但是若采取有力措施，还是可以提高机件的耐磨性、耐蚀性的。金属表面工程技术主要是利用各种表面涂层即面改性技术赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、高耐磨性、减摩性、抗高温氧化性、抗辐射性等，而基体本身所具有的特性不会受到很大影响。另外，采用现代表面工程技术，不但可以大幅度的提高工件的质量和性能，成倍的延长使用寿命，而且技术上成熟，工艺上简便，经济上可行，获得了事半功倍的效果。因此，近二十年来表面工程技术发展迅速，不断完善，逐步形成一门独立的学科。

金属材料表面改性技术，也就是运用现代技术，改变材料表面、亚表面的成分、结构和性能的处理技术，主要包括表面形变强化，表面相变强化、离子注入表面强化、表面扩散渗入强化以及化学转化等，如图1.1所示。表面改性技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度的拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。例如: 1.可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质量;2.可以把两种或两种以上的材料复合，各取其长，解决单一材料解决不了的问题;3.延长在苛刻条件下服役机件的寿命: 4.大幅提高现有机件的寿命，修复磨损、腐蚀的零件;5.赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术开发。

1.3常用的表面强化方法 1.3.1喷丸强化

喷丸强化是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，将大量高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻璃丸、硬质合金丸等)喷射到工件表面上，犹如无数的小锤反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定的塑件变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作硬化，还产生一层残余压应力。使材料的抗腐蚀和抗疲劳断裂的能力大幅提高，零件的可靠性、耐久性得到提高或改善，还可以实现表面清理、光洁度加工、成形、校正和机械强化等多种功能。该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、消耗低等多种优势，在飞机、坦克、汽车和各种机械设备的齿轮、轴承、焊接件、弹簧、涡轮盘、叶片及模具、切削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐能力方面发挥了重要的作用。

近年来在喷丸强化领域出现的微粒冲击、微粒镶嵌镀膜技术以及中科院金属研究所卢柯、刘刚等人开发的超声喷丸(高频)和高能喷丸(低频)新技术，在降摩擦系数、提高材料耐磨能力、延长使用寿命、简化氮化过程等方面表现出优异的性。

然而喷丸参数与工件性能的提高之间未建立量化联系，缺乏喷丸过程的定量化析以及与此相关的参数优化，喷丸参数的选择只能依靠性能试验或经验，造成的结是大量消耗人力、物力，浪费时间，并且不一定具有最佳的效果，极大地制约了喷技术的发展。

1.3.2激光表面强化

激光表面强化是用一定扫描速度的激光束照射被处理的金属表面，在很短的时间内激光的能量被处理表面吸收而产生高温，当激光束移开后，被处理面迅速冷却，从而达到表面强化的目的。激光表面强化具有工件氧化小、几乎无变形和加热、冷却速度快等特点，可以行局部的选择性淬火和局部合金化处理，能够很快的赋予金属表面很高的硬度和耐胜。因激光功率密度和作用时间不同，可以对金属表面进行相变硬化、冲击硬化、属表面合金化、表面涂覆等多种方法的处理[川。激光表面强化方式有:(l)激光表面相变强化

激光相变强化是被处理材料在固态下经受激光辐照，其表面被迅速加热到奥氏化温度以上，并在激光停止辐射后快速自淬火得到马氏体组织的一种工艺方法，所又称激光淬火。激光辐照材料内部的热传导与时间的平方根成正比，金属表面温度激光辐照停留时间的平方根成正比。因此，通过控制光束直径和扫描速度，可以调节温度和加热的深度。

(2)激光熔凝

激光熔凝又称激光上釉，是利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的散热作用使熔池中的金属能够快速冷却、凝固，使金属表面产生特殊的微观组织的一种表面强化方法激光熔凝比激光相变强化要求更高的功率密度，激光熔凝所需的功率密度相当于激光固体相变强化的三倍。激光熔凝可以硬化激光淬火不能硬化的合金。激光熔凝的工艺条件一般为:能量密度10-3000Mw/m2，作用时间0.01-1s，惰性气体保护用于防表面氧化。

(3)激光合金化

激光合金化是用激光将基体表面熔化，同时加入合金元素，在以基体为溶剂、合金元素为溶质的基础上构成所需合金层的一种技术。在激光合金化过程中，合金元素快速向熔池扩散，在短时间内可以获得所希望的合金化深度。借助这种方法可以在样品表面产生预定化学组分、化学性质和微观结构的合金，微观结构的精细程度将取决于凝固的速度。合金化的一种方法是在工件表面涂覆适当的粉末混合物，其中涂覆方法有两种:一是喷涂悬浮在醇中的粉末混合物以形成松散堆积的涂层;另一种是覆悬浮在有机粘结剂中的料浆。合金化的另一种方法是选择合适的保护气体进行气反应。

(4)激光熔覆

激光熔覆是用激光将按需要配制的合金粉末熔化，成为熔覆层的主体合金，同基体金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的表面处理技术。它与激光合金化不同是基体对表层合金的稀释度为最小，熔覆层具有与基体完全不同的微观结构特征，光能够把高熔点合金熔化在低熔点的工件上。

激光表面强化的特点: 1.处理部位可以任意选择，如深孔壁及深沟底、侧面等特殊部位均可以使用光进行表面强化处理: 2.可以处理形状复杂的工件表面，并能够准确的控制处理区域的深度以及形状

3.可以得到优质的强化层，输入热量少且热处理变形小;4.能量密度高，表面强化时间短: 5.能够自冷，不需要介质，热源洁净，无环境污染;6.可以实现表面薄膜和局部淬火，只加工必要部分，不影响基体的机械性能;7.使用激光表面强化处理后，只需少量的表面加工。

激光表面强化也存在一些缺点而制约其广泛的应用:激光器受功率限制，导致其强化面积小，而且相邻两个强化带之间存在回火软化现象，再者就是设备价格较贵，只能取代部分热处理方式，应选择产生经济效益较大的零部件予以应用。

1.33离子注入表面强化

离子注入技术是在真空中将注入的原子电离成离子，由引出系统引出离子束流使带电离子在强电场下加速，直接注入到置于靶室的固体材料表面，从而形成一定深度离子注入层，同时改变表层的结构和成分，以获得新的性能的表面处理工艺。注入深度约为0.1-1mm，其优点主要有: 离子注入可以向金属或合金材料注入任何所需元素，被注入的元素不受合金系统平衡相图中固溶度的限制。使得一些在液态都难以互溶的元素，形成固溶体，如W注入Cu可以得到1%的固溶体，得到一般方法难以获得的新相。离子注入可以获得过饱和固溶体、化合物和非晶态合金。通过离子注入能形成化合物，如Ti和C离子分别注入钢，可以在钢表面形成TiC。通过检测注入电参数，自由支配注入离子的能量和剂量，能够精确的控制注入元素的数量和深度。

离子注入的浓度可以很大，与扩散系数无关。处理过程是依赖于离子的高能量，而不是靠热能渗浸到工件表面内，不存在变形问题。离子以高速注入工件表面，引起点阵损伤，形成密集的位错网络，使表面获得化，增加耐磨性和力学性能，而且在表面上产生压应力。

离子注入技术也存在一定局限性。如离子注入的直线性难于处理复杂件，特别对于小截面的深孔无法处理，注入层较薄，离子注入设备价格昂贵，维护技术比较杂等。

1.3.4超硬化合物表面涂覆处理

它是在工件表面涂覆一层或多层超硬化合物，如TiC，VC，NbC，氧化铝等，获高硬度、高熔点的覆膜，从而来改善工件的性质。实施这种技术的主要方法有:CVD法、PVD法等几种方法。

l，3.4.1化学气相沉积法(CVD)CvD法是将低温下气化的金属盐(通常为金属卤素化合物)与加热到高温的基接触，通过与碳氢化合物和氢进行反应，在基体表面上沉积所要求的金属或金属间合物。

1.3.4.2物理气相沉积法(PVD)物理气相沉积法(PVD)处理是用物理方法把预涂的物质涂覆在工件表面的热处理技术。PVD处理有真空蒸镀、真空溅射和离子镀等几大类。其中，真空蒸镀效果较差，目前主要投入应用的是后两种方法。

1.3.6热喷涂

热喷涂是一种采用专用设备利用热源将金属和非金属材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其冲成微小颗粒并喷射到工件表面，形成覆盖层，以提高机件耐磨、耐热等性能的表面工程技术。热喷涂是20世纪初发明的，开始主要是喷涂锌、铝等低熔点金属，第二次世界大战期间，线材火焰喷涂开始用于零件修复。因为不引起热变形及氧化的优点而受到重视，进而出现火焰粉末喷涂。50年代研制出自熔性合金粉末和放热型复合粉末，改善了涂层的多孔结构，实现了涂层与基体间的冶金结合，极大地扩大了喷涂的应用领域。随着航空航天等尖端技术的发展，热喷涂方法得到了不断的改进和完善。

热喷涂方法的特点:(1)基材几乎不受限制，其中包括金属材料、陶瓷材料、非晶态材料、木材、布、纸等;(2)涂层材料种类广泛，包括金属及其合金、塑料、陶瓷以及它们的复合材料;(3)喷涂零件不受尺寸和形状限制，可以进行整体喷涂，也可以进行局部表面喷涂，特别是大型件的局部表面喷涂强化或修复，既经济又方便;(4)除火焰喷涂外，其他喷涂方法基体受热温度低，组织性能变化很小，工件变形小。

热喷涂是一种适用性很广的表面改性方法，它可以喷涂可以很多材料，可以用于各种基体表面喷涂，而且涂层厚度可以控制。但是，涂层强度低，空隙率较高涂层均匀性较差等不足限制了其应用。

上述喷丸强化、激光表面强化、离子注入强化、超硬化合物表面涂覆表而强化、化学热处理强化、热喷涂等各种表面强化技术均可显著提高产品的硬度、耐磨等性能，延长产品的寿命。但是上述各种表而强化方法都具有各自的缺点，单独使用，有时难以达到一些零件的强化要求。

篇3：金属基复合材料的制备技术与运用

金属基复合材料起源于20世纪50年代末或60年代初期, 它是一种把金属作为基体和增强材料进行复合加工而制成的一种材料。基体可以是铜、铝、镁以及金属间化合物等。增强材料的种类也很多, 可以是碳化硅、碳纤维以及氧化铝等。它除了具有很高的韧性和可塑性之外, 还能耐高温, 且导电性能良好, 可抗辐射, 阻隔性能良好不吸潮。正是由于这些优良的特性, 使得它经过了几十年的发展成为了如今最炙手可热的复合材料之一。

2 金属基复合材料的分类

要对金属基符合材料进行分类, 可以按照多种标准进行。按照增强体的类别可以将其分为钼化符合材料、钨化符合材料、石墨符合材料、氧化铝符合材料、碳化硅符合材料以及硼化符合材料等;按照金属基体的类别可以将其分为铁基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料、铝基复合材料、高温合金基复合材料、铜基复合材料、镁基复合材料、难熔金属基复合材料以及金属件化合物基复合材料等;按照增强相的类别又可将其分为晶须符合材料、短纤维复合材料、颗粒符合材料以及连续纤维复合材料;从金属基符合材料的发展来看, 它一共经历了金属基体复合材料以及金属基表面复合材料两个阶段, 所以也可大致的将金属基复合材料分为这两大类。

3 金属基复合材料的制备技术

3.1 液相技术

3.1.1 浸渗技术

浸渗复合技术分为无压、气压和挤压三种。1) 无压浸渗。这种方法是将液体金属置于真空及没有外界压力的环境之下, 使其自主地浸渗进预制模体的间隙中, 再经冷却之后凝固成高密度的金属基复合材料;2) 气压浸渗。该方法可以非常有效的防止增强材料及基体发生氧化现象, 能够在一定程度上限制界面反应, 还能提高浸润性、减少气孔。因为它制造时所用的气压一般在10Mpa之下, 所以不会导致复合材料开裂。但也正是由于气压较低, 会使得在用该方法制造大体积工件时周期较长, 会降低生产效率, 且制造过程复杂;3) 高压浸渗。这种铸造方法是将增强材料制作成强度较高的预制模体, 然后把液体金属浸渗其中, 通过保压、凝固制作而成。

浸渗技术已经被用于汽车发动机活塞等工件的制造。如是需制备体积分数较大的复合材料, 最好使用这种方法。但是无可否认的是, 这种方法并不是那么完美, 它在一定程度上存在晶粒尺寸粗大、微观结构不均以及预制块变形等不良性。

3.1.2 搅拌技术

也就是我们通常所说的搅拌铸造, 这种技术是通过利用搅拌装置将液态金属基体与增强材料混合之后, 再利用真空常压铸造或是常压铸造以及压力铸造等方式, 将复合性的锭子或是零件制造而成。

3.1.3 熔体原位复合技术

这种技术一般使用陶瓷相作为其增强材料, 同时也能够是金属间化合物, 其形式一般为晶须或颗粒。具体技术方法有直接氧化或淡化法、接触反应法、以及反应喷射沉积法等。这种技术可以基本祛除金属基体和增强体材料截面间的污染, 保持截面干净。又因为其界面为原位匹配, 所以又具有较高的结合性。且增强材料在基体中也分布得非常均匀。

3.1.4 喷射沉积快速凝固技术

这种技术汲取了传统铸造技术与粉末冶金技术的特点, 是一种新型的快速凝固技术。它把熔体金属的雾化以及雾化液滴的沉积过程合为一体, 将液态金属快速凝固制成大块金属实体。通过这种技术可以获得具有特殊性能的新型复合材料。

3.2 固相复合技术

3.2.1 粉末冶金技术

粉末冶金技术是一种使用热静压或热压, 使金属基体和增强材料扩散复合, 从而获得金属基复合材料锭块的一种方法。使用该技术对金属基体和增强材料的限制要求较少, 而且非常容易控制增强材料的体积分数。就这点而言, 普通的铸造技术不能与之相比。经过二次加工, 增强材料将会分布等更加均匀, 性能更加稳定。

3.2.2 扩散结合技术

这种技术是在不高于基体合金熔点的温度下, 对其施加高压, 将基体同基体、基体同增强材料至密的结合, 以制造出金属基复合材料。它可以有效抑制界面反应、解决润湿性问题。

3.3 固液两相区复合技术

3.3.1 流变铸造技术

这种技术是对处在固态、液态两相区的金属基溶液进行搅拌, 使其形成粘度较低的半固态浆液。然后对其掺入强化颗粒, 依靠半固态浆液的触变特性来分散增强材料, 确保强化颗粒能够弥散分布在金属基熔体中, 防止强化颗粒下沉、漂浮。

3.3.2 固液两相区热压技术

半固态的金属浆液存在一定的触变性, 所以能够把流变铸造锭二次加热到一定的固相组分的软化度, 然后使用压铸机对其进行压铸。因为压铸时浇口处存在一定的剪切作用, 能够使其从新具备流变性, 从满铸型, 所以这种技术也被称之为触变铸造。当半固态合金被掺进增强体并对其进行搅拌时, 添加粒子由于受半固态浆液球状碎晶粒子的捕捉、分散作用, 阻止了添加粒子的下沉、漂浮, 也让它在金属浆液中分散得均匀。

4 金属基复合材料的运用

由于金属基复合材料的性能优秀, 所以它能够被运用到了各个行业。比如汽车行业中的柴油机活塞、Al发动机组的缸体驱动轴、连杆等;还有航空航天行业。比如战隼战机的机腹尾翼以及燃料通道门盖板, 还有直升机的转子叶片;除此之外, 各种工业、娱乐、体育用品都可以使用金属基复合材料。但是由于其制作工艺较为复杂, 使得它还不能真正大范围的被普及。另外, 成本较高, 这也是金属基复合材料难以广泛应用的重要原因之一。

金属基符合材料受世界上各个国家所重视, 且最近几年的研究、发展速度较快。而制作技术和制作成本等问题相信也会在不就的将来得到解决, 使其能够真正的被普及到我们的生活。

摘要：金属基是一种具有较高韧性和可塑性的复合材料, 有很强的实用性。由于性能较高, 目前它被广泛的运用在航空航天、汽车机械乃至国防武器等众多领域。所以本文对它的制备技术及运用发展做出了简单的分析探讨。

关键词：金属基,制备技术,运用

参考文献

[1]刘华, 沈胜利.颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述[J].热加工工艺, 2011.

篇4：金属材料的先进制备技术

[摘 要]光电材料制备与加工技术是光电材料专业的必修课，该课程涉及内容广泛和实践性很强。结合新型的教学技术和实际教学情况，提出在教学过程中引入微课教学和创新实验教学等新型教学方式，提高学生的学习热情和学习效率，改善教学质量，实现光电功能材料专业人才培养，提高学生就业和创业的竞争力。

[关键词]光电材料；微课教学；创新实验教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0123-02

信息、能源和材料是目前国民经济的三大支柱，尤其自20世纪90年代末开始，世界各国积极发展光电市场，极大促进了光电产业的发展。光电产业以光电技术为核心，光电材料制备为基础，实现光电器件的生产与制造，光电产业涵盖发光二极管、光伏发电、光通信、激光等各领域。光电产业作为一门新兴的高新技术产业，自2004以来一直快速稳步增长，据预计2015年其产值将达9631亿美元。光电产业将成为21世纪最大产业，各个国家对于该产业发展及其人才培养都投入了大量的人力物力，例如美国率先在亚利桑那大学建立“美国光谷”，我国也在武汉也建立“中国光谷”。光电产业被认为是21世纪全球经济发展的“战略性行业”之一。目前，发达国家光电产业非常完备，已进入大规模商业化阶段。而我国光电产业尚在起步阶段，光电技术及光电人才的不足极大影响了光电产业的发展。光电产业的发展急需大量的具有扎实的半导体物理、光电技术和材料制备技术等基础知识的综合性人才，尤其是偏重于光电材料及其制备方面的工程类人才极度欠缺。为了迎合光伏产业发展的需求，各高校积极培养光电材料方向的创新性技术人才。辽宁工业大学材料科学和工程学院开设了光电材料和器件方向专业，积极培养光电材料方向人才。光电材料制备与加工技术是光电材料与器件专业的必修课，介绍了各种光电器件的基本结构、工作原理和各种制备工艺，着重从材料制备和性能的角度出发，主要阐述了光电材料的制备技术以及材料的成分、结构及缺陷和对各种光电器件的影响。由于该课程开课时间较晚，课程内容较新，如何讲授好光电材料加工与制备技术这门课仍然在探索过程中。

一、教学中存在的问题

1.光电材料制备与加工技术课程的综合性较强，几乎涵盖了信息、能源和材料三大领域，因此教学内容比较广泛而且抽象，使学生难以理解，各个知识点也比较分散，课程学习的连续性差。一般课程安排只有40学时内，因此很难在规定的学时内将所有内容讲授清楚，尤其对于材料科学与工程学院的学生，半导体物理方面知识比较薄弱，对于光电器件的理解不够透彻，更增加了讲授难度。

2.该课程涉及的制备及加工技术部分的实践性较强，很多的生产设备及其工艺过程很难用简单的示意图来表达清楚，单纯的理论教学不能满足学生对光电材料的直观认识，导致教学效果不佳。如果能够带领学生到半导体企业和光电器件生产企业参观实习，较为理想，但是受多数高校条件限制，无法满足学生实习需求，例如：辽宁工业大学所处区域范围内的半导体企业较少，异地实习所需时间较长，花费较大，难以满足学生需求。

3.光电材料制备与加工技术也是一门创新性较强的学科，光电材料发展非常迅速，相对而言，其教材教学内容相对滞后，如何使学生紧跟学科前沿，了解最新学科动态，培养认识事物探索知识能力，成为创新性技术人才是另一难题。

针对以上提出的教学难题，本论文提出几种教学方案，通过引入微课教学和创新实践教学，提高学生学习热情，进而提高光电材料制备与加工技术课程教学质量。

二、微课教学的引入

微课教学概念是在当前通信技术发展的基础上出现的一种新型的教学手段，以其直观可视、短小精悍、重点突出等特点，在高等教学界受到教育工作者的极大重视，并应用到教学中，取得十分理想的效果。微课教学是以视频教学为主要载体，围绕某个知识点开展的简短、完整的教学活动。这种教学视频，学生可以随时随地的通过各种移动终端的接受设备，比如手机、手提电脑等加以展示，利用自己零散的碎化时间来快速学习自己想要了解的知识点和教师在课堂上的教学内容。

光电材料制备与加工技术这门课程所包含的光电材料及器件较多，知识点比较分散。光电器件包括各种太阳能电池、光电倍增管、发光二极管、摄像管和光电二极管等；光电材料包括光伏材料、光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料和光电显示材料等。然而由于课程学时限制，无法将所有器件和材料情况一一阐述，例如，本课程的第三章太阳能电池制备，主要介绍各种太阳能电池的工作原理、结构以及电池工艺过程，其中所涉及的电池种类繁多，知识点零散，无法利用课堂有限时间将所有电池的工作原理和结构一一阐述。在本课程引入微课教学，将部分太阳能电池的结构和光电转换通过视频的形式展示出来，而且每个视频包含一个知识点，授课目的明确，充分发挥多媒体教学的优势，学生通过直观观察可以更好的理解，达到教学目的。

光电材料制备与加工技术课程涉及的制备及加工技术部分的实践性较强，很多的生产设备及其工艺过程难以用文字和简单图形表达清楚，导致学生理解困难，失去学习兴趣，无法达到教学目的。例如，在讲授单晶硅光电材料制备工艺流程时，单晶硅的制备包括：籽晶的制作、原料的清洗与处理、装料、多晶硅熔融、种晶、缩颈、放肩、等径以及收尾等多步工序，工艺过程繁琐，仅从简单的工艺流程图很难讲述清楚。而利用微课教学模式，可以通过模拟单晶硅现场的工艺过程将整个单晶硅制备流程视频展示出来，学生可以通过观看生动的视频，进而了解单晶硅生产的整个过程，该种教授形式直观、生动，便于理解，解决了学生无法现场实习的问题。

微课教学作为一种新型的教学模式，教学形式灵活、授课时间短，不再局限于课堂，学生的注意力集中，提高了学习效率。微课教学充分利用学生的课外时间，进行知识传授，可以很好解决课时不足的问题，拓展了学生的知识面，具有重要的意义。

三、创新实验教学引入

培养创新性的人才是目前光电材料学科的关键问题，也是难题之一。相对于光电科学发展的速度，课堂内的教学受时间限制，教学内容相对滞后。为了使学生了解最新光电材料发展动态，应调动学生学习热情，拓展学生视野，进而提高学生创新能力。本文提出在光电材料制备与加工技术的教学环节中引入创新性的实验，将先进光电材料生长设备和光电检测设备引入课堂，开展一系列的光电材料制备和器件性能测试实验，让学生掌握各种光电材料的制备流程，熟悉光电器件的工作原理，起到事半功倍的作用，同时还可以让学生在实验过程中不断思考和探索一些前瞻性的科学研究问题。例如，磁控溅射制备光电薄膜材料实验，通过现场操作和原理讲解，使得学生能够深刻理解光电薄膜的生长过程、生长原理，引导学生思考如何提高光电薄膜材料质量等问题，培养学生的创新思维。此外，可以在教学过程中将教学和科研统一起来，引导学生参与教师的科研工作，形成对科研工作的感性认识，进而培养学生的创新精神。

四、结语

光电材料制备与加工技术是一门综合性和实践性较强的新兴学科，课程几乎涵盖了信息、能源和材料三大领域，要求光电材料方向人才不仅具有较广泛的基础知识，也要具有较强的创新能力。在教学过程中，引入微课教学和创新实验教学，微课教学形式灵活、授课时间短，不再局限于课堂，提高了学习效率，可以很好解决课时不足的问题，拓展了学生的知识面。创新实验教学不仅能拓展学生视野，还能培养其探索事物的能力，提高其创新的能力，使他们成为创新性技术人才。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 谢卫红.科研促进教学的途径[J].中国冶金教育，2007（2）：75-77.

[2] 胡铁生，黄明燕，李民.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志，2013（6）：36-42.

[3] 朱晓东.材料专业物理化学教学改革探索[J].教育与教学研究，2011（12）：90-92.

篇5：金属材料的先进制备技术

（一）定义：材料制备技术是指材料的合成与加工，使材料经过制备过程后获得的新材料在化学成份、元素分布或组织结构上与原材料有显著的不同。

（二）作用：可以通过材料制备技术控制现有的内部组织，如宏观微观结构、原子排列、元素分布、能量状态等，来控制现有材料的性能，特别是新的制备技术的出现，如快速冷凝技术可极大的提高凝固速率、改善金属的组织；复合材料制备技术的出现还克服了材料在各自性能上的缺点实现优势互补。此外，通过一些新的制备技术还能获得一些新的组织结构，得到一些新的材料，如高速冷却下可以得到金属非晶材料；不同的制备技术控制不同的实验条件还可以得到新的相，从而改善原有材料的性能。

（三）意义：材料制备时新材料的获取和应用的关键，也是对材料进行加工、成形和应用的品质保证，现已成为材料研究和材料加工领域引人注目的技术热点。其地位和作用已经超出了技术经济的范畴，而与整个人类社会有密不可分的关系。高新技术的发展，资源能源的有效利用，通信技术的进步，工业产品的质量，环境的保护都与材料的制备密切相关。先进制备与成形加工技术的发展对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用，其的出现与应用加速了新材料的研究开发、生产应用进程、促进如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成。促进了现代航空航天、交通运输、能源保护等高新技术发展。现有结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成形技术的支撑，可使材料生产过程更加高效、节能、清洁。

（四）应用：材料制备、合成与成形在材料科学研究中占有核心支柱地位，主要用于纳米材料、薄膜材料、金属复合材料、高温柱状合金、单晶合金、非晶合金、亚晶合金以及磁性材料等的制备。

2.论述材料合成、制备与成形在材料科学与工程中的地位。并举例说明其基本 手段和方法。

3.先进金属材料快速凝固背景、优点、工艺及方法。并简述合金快速凝固的原 理、组织基本特征与性能特点。

背景：常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。

优点：快速凝固材料的偏析程度大幅度降低,而且在快速凝固材料中获得均匀的化学成分要容易得多.快速凝固工艺可制备具有超高强度、高耐蚀性和磁性的材料.由于快速凝固是通过合金熔体的快速冷却(大于105～106K/s)或非均质形核的被遏制,使合金在很大的过冷度下发生高生长速率的凝固,因此可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金.工艺方法:

（一）动力学急冷法：

（1）模冷技术.主要包括:枪法,双活塞法,熔体旋转法,平面流铸造法,电子束急冷淬火法,熔体提取法和急冷模法.（2）雾化技术.具体分为:流体雾化法,离心雾化法和机械雾化法.（3）表面熔化与沉积技术.主要有离子体喷涂沉积法和激光表面重熔法两种.（二）热力学深过冷法：深过冷快速凝固是指在尽可能消除异质晶核的前提下,使液态金属保持在液相线以下数百度,而后突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法.（1）大体积液态金属的深过冷,主要有熔融玻璃净化法,循环过热法和熔融玻璃净化法+循环过热法.（2）微小金属液滴的深过冷,包括乳化-热分析法,落管法和无容器电磁悬浮熔炼法.（3）其它形状金属液态的深过冷——熔体急冷法,可分为:气枪法,雾化沉积法,熔体旋转法,锤砧法,单辊法.（三）快速定向凝固法.原理：快速凝固技术一般指以大于105～106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相,是一种非平衡的凝固过程,通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶),使粉末和材料具有特殊的性能和用途.由于凝固过程的快冷,起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征.组织基本特点：(1)细化凝固组织，使晶粒细化。(2)减小偏析。(3)扩大固溶极限。(4)快速凝固可导致非平衡相结构产生，包括新相和扩大已有的亚稳相范围。(5)形成非晶态。(6)高的点缺陷密度。性能特点：

4.简述激光增材制造技术的背景、原理及优势。谈一谈制备过程中可能遇到的问题。

背景：现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展。金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高，对制造技术的要求越来越高、挑战日益严峻。传统制造技术生产 上述大型、整体、高性能金属构件，不仅需要万吨级以上的重型锻造装备及大型锻造模具，技术难度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高。

原理：以合金粉末或丝材为原料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积。直接从零件数字模型一步完成全致密、高性能大型复杂金属结构件的直接近净成形制造 优势：

１）激光原位冶金／快速凝固“高性能金属材料制备”与“大型、复杂构件成形制造”一体化，制造流程短。２）零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能优异。

３）无需大型锻铸工业装备及其相关配套基础设施，无需锻坯制备和锻造模具制造，后续机械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。

４）具有高度的柔性和对构件结构设计变化的 “超常快速”响应能力，同时也使结构设计不再受 制造技术的制约。

５）激光束能量密度高，可以方便地实现对包括Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ等在内的各种难熔、难加工、高活性高性能金属材料的激光冶金快速凝固材料制备和复杂零件的直接“近净成形”。

６）可根据零件的工作条件和服役性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分和显微组织，实现多材料、梯度材料等高性能金属材料构件的直接近净成形等。可能遇到的问题：

金属材料激光增材制造过程中可能遇到的材料基础问题：

（一）激光／金属交互作用行为及能量吸收与有效利用机制

（二）内部冶金缺陷形成机制及力学行为

（三）移动熔池约束凝固行为及构件晶粒形态演化规律

（四）非稳态瞬时循环固态相变行为及显微组织形成规律

（五）内应力演化规律及构件变形开裂预防控制

5.简述合金定向凝固的原理、组织基本特征与性能特点。阐述制备的具体优势 并举例说明。

原理：在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和为凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。组织基本特征：

柱状晶具有特定取向、各向异性、晶间杂质少、组织致密、缩松少 性能特点：

消除横向晶界，提高材料的纵向力学性能；材料韧性、抗高温蠕变性能、抗疲劳性能、持久强度等能力大幅提升，对热循环影响不敏感 举例说明具体优势：

该技术运用于燃汽涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度。

6.何谓金属间化合物。简述金属间化合物的性能特点及强化途径

（一）定义：金属间化合物是指金属与金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合形成的化合物，其原子的排列遵循某种有序化的规律，当以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整个强度得到提高，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增加，这使得金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。

（二）性能特点：屈服强度随温度的升高而提高；密度低，比刚度高；韧性很低或者说是脆性抗氧化性能优良；高温强度好。

（三）强化途径：a提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并得到无缺陷完整晶体，无晶须。b向晶体中引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子等。具体方法有固熔强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细晶强化等。

（四）塑化和强化方法：通常有微量元素合金化，主要有元素合金化、控制微观组织、纤维强塑化、快速凝固细化晶粒方法。

（五）提高韧性：a加入置换元素，改变原子间键合状态和电荷分布以改善塑性；b通过合金化改变有序结构的类型；c微量合金强化晶界；d材料纯化；e细化晶粒，细化第二相组织以及加入弥散第二相质点从而提高合金塑性。f用韧性的纤维与其复合增强其韧性，同时还保留金属间化合物的诸多优点。

7.试述制备高性能金属基复合材料的主要方法以及材料设计与制备过程中应考虑的主要材料科学问题和解决方法；并谈谈金属基复合材料在工业实际应用中可能面临的主要问题。

制备方法：依据增强体的加入方式，金属基复合材料的制备方法可分为外加法和原位反应法。外加法是以粉体混合、熔融金属中添加陶瓷颗粒等物理方式达到基体和增强相相容，再通过烧结、铸造、压力加工等后续工艺制备成品，常用的外加法主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法、挤压铸造法等。

原位反应法同外加法的区别在于增强体不是额外加入，而是通过添加原料与基体、添加原料之间发生反应生成，并原位析出。目前报道的原位合成法主要有：放热弥散法、气液反应合成法、自蔓延燃烧反应法和反应喷射沉积等。主要问题和解决方案：

（一）金属熔体与增强相之间的润湿性

改善金属熔体与增强体之间的润湿性的方法主要有:（1）对增强颗粒进行金属涂覆(如Ni, Cu)处理。（2）向金属熔体中加入活性元素(如Li, Mg, Ca, Ti, Zr和P等)。（3）增强颗粒进行预热及保持颗粒表面清洁等方法。（4）增加增强相的表面能、减少熔化金属基体的表面张力和基体与增强相之间的界面能

（二）界面结构

牢固的结合界面使得复合材料的弹性模量和抗拉强度增加。改善基体/增强相的润湿性,控制化学反应,尽可能地减少氧化物的形成

（三）复合材料力学性能

挤压变形方法、固溶时效处理工艺

（四）计算机模拟

自洽模型、微分法、复合圆柱族模型、Eshelby等效夹杂物和Mori-Tanaka模型、有限元法

面临的问题：金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时,却大大地降低了其塑性,不利于对复合材料二次塑性加工。

增强体的均匀分散，多相融合的界面效应及其机理，产品性能参数的离散性大，基体与增强体本身特性导致的应力集中、不浸润等

8.简述先进金属材料快速凝固的背景和凝固组织特征，快速凝固激光加工与成 形的主要工艺方法和具体优势。

凝固组织特征：

偏析形成倾向减小 形成非平衡态 细化凝同组织

析出相的结构发生变化 形成非晶态

快速凝固激光加工与成形的主要工艺方法

钛合金速凝固激光熔覆技术 激光熔覆高温耐磨耐蚀特种涂层 小面相液固界面结构与生长机制 高性能金属零件激光快速成形 难熔金属激光约束熔铸成型 柱晶钛合金激光约束熔铸成形 具体优势

不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征(如:枝晶及组织细化、元素高度过饱和固溶、低偏析或无偏析、形成各种亚稳相、准晶、非晶等非平衡相等)和特殊物理化学及力学性能的表层材料外,还可以在激光材料表面快速熔化过程中灵活地向熔池中加入合金元素或直接熔化同步输送于零件表面的合金粉末,从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材、具有细小均匀快速凝固非平衡组织特征和所设计优异特殊性能配合的特种表面冶金涂层材料。另外,激光表面熔化过程快速、灵活、热影响区小、无变形、零件表面快速凝固表面改性过程易于实现自动化。9.非晶材料的主要制造技术及应用？

熔剂包敷法、金属模铸造法、水淬法、喷铸-吸铸法、高能束熔覆法、电弧熔炼吸铸法、定向凝固法、非晶粉末挤压法等

非晶硅材料具有光吸收系数高、基片材料限制小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器，如光传感器、温度传感器、功率传感器、压力传感器。在电力领域，铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非晶、铁基纳米晶等广泛应用于配电变压器、磁放大器等。

未来的非晶硅产品可望在随意基片上低温淀积非晶硅，即使是在不能耐温的基片(如塑料膜)上也照样能淀积，同时用非晶硅单片模式制作三维器件也成为可能。

10.简述金属基复合材料的主要优点和制备方法。选一种具体的金属基复合材料 介绍其制备原理和应用情况。

主要优点：

其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。

1、高比强度、比模量

2、导热、导电性能好

3、热膨胀系数小、尺寸稳定性好

4、良好的高温性能

5、良好的耐磨性

6、良好的断裂韧性和抗疲劳性能

7、不吸潮、不老化、气密性好 制备方法：

（一）粉末冶金复合法

（二）铸造凝固成型法

1、原生铸造复合法

2、搅拌铸造法

3、半固态铸造复合法

4、含浸凝固法（MI技术）

5、离心铸造法

6、加压凝固铸造法

7、热浸镀与反向凝固法

8、真空铸造法

（三）喷射成型法

（四）叠位复合法

（五）原位生成复合法

1、直接氧化法

2、放热弥散法

3、SHS铸渗法

4、反应喷射沉积技术

颗粒增强铝基复合材料(particulate reinforcedaluminum matrix composites, PRAMCs)以其基体合金可选择范围宽、成本低、易于用传统工艺方法制备和加工、能实现批量和大规模生产、制备的材料表现出良好的尺寸稳定性和各向同性而备受瞩目。例如，由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制的SiCp/Al复合材料活塞已应用于摩托车及小型汽车的发动机[10]。北京航空材料研究院研制的颗粒增强铝基复合材料已应用于卫星的相机零件。

粉末冶金是最早开发的用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺。它是将金属粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、均匀混合、冷压固结、除气、烧结，以及后续处理制得复合材料。

烧结后的试样经过热挤压可以减少空洞的数量、细化晶粒、改善复合材料的界面结合强度和SiC颗粒的分布，从而有效提高复合材料的力学性能。经过热处理(如固溶、淬火和时效)后能进一步强化复合材料的力学性能。

11.航空涡轮发动机为工业王冠上的明珠，涡轮叶片为其中的重中之重，当前涡 轮叶片的主要制造技术及技术瓶颈是什么？

目前，涡轮叶片主要以单晶高温合金作为基体材料，采用熔模精密铸造工艺进行成形。在新材料方面，F136 发动机涡轮 3 级陶瓷基复合材料导向叶片，该导向叶片不再采用精密铸造工艺进行制造，而是基于化学气相渗透法等方法进行制备。叶片结构形式的变化也会导致其制造工艺的变化，如多孔层板 Lamilloy结构，Allison 公司为此发明了所谓的铸冷（Castcool）制造技术，冷却通道利用浇铸成形加工。此外，随着 3D 打印技术的发展及成熟，将 3D 打印技术应用于涡轮叶片精密成形成为一大发展趋势，如 GE 利用电子束熔覆（Electron Beam Melting, EBM）技术生产低压涡轮叶片

技术瓶颈：

（1）材料难加工，切除率大

（2）叶片形状与内部冷却结构复杂

（3）加工精度高，精铸工艺流程复杂，成品率极低

13.根据你的了解，你认为 3D 打印技术的发展前景及瓶颈是什么？

发展前景：

一是各种新型材质的投入使用，可以打印出更多的真实物体，例如：新型高聚合材质、纳米材质等。随着技术的进步，未来适用于 3D 打印的基础材料也将会大幅增加，而且会产生多元材料的混合制造，实现复杂物体的制造。

二是基于技术的革新，其打印效率、速度都会得到迅速的发展。

三是应用范围将会更加广泛，不仅仅局限于早前的医疗、机械、航空领域，将会更加广泛的应用于家用的军事上的机械零件、食品、厨具等范畴。

四是打印设备的两型化、智能化。

3D 打印机具有灵活性、轻便性、移动性，操作员可以通过网络发出指令，产品可以在不同的地方生产并配送给客户，颠覆了传统的生产时间和地点不易改变得观念，也颠覆了传统的供应链、分销网的部署格局，可以实现真正的云制造。瓶颈：

(1)成本较高。现有3D打印机造价普遍较为昂贵，今年虽然多家公司推出了廉价3D家用打印机(1000美元以下)，但是苦于打印材料价格高居不下，导致总体成本偏高。

(2)打印材料限制。目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全性也存在一定隐患。(3)精度、速度和效率方面。目前3D打印成品的精度还不尽如人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。

(4)打印零件尺寸限制。目前的3D打印机并不能实现大尺寸零件的制造。

(5)产业环境方面。3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

14.先进金属材料（制备、工艺等）的发展前景及理解。

先进金属材料是新型金属材料和具有高性能的传统金属材料的总称。如今，许多新兴的金属材料应运而生，加工制备工艺上不断革新，出现了单向凝固技术，快速凝固，半固态加工技术，多孔金属成型技术，喷射铸造，微重力凝固，激光表面处理，爆炸成型等。除此之外，还有如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等新型高性能金属材料，如非晶态软磁合金、形状记忆合金、新型铁氧体及超细金属隐身材料、贮氢材料及活性生物医用材料等新型金属功能材料，向着高功能化和多功能化发展。

篇6：金属纳米材料制备技术的研究进展

摘要：本文从金属纳米材料这一金属材料重要分支进行了简要的阐述，其中重点讲述了强行塑性变形及胶束法制备纳米材料，并分析了金属纳米材料的现状及对今后的展望。

关键字：晶粒细化；强烈塑性变形；胶束法；块状纳米材料

引言：

金属材料是指金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。

现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。同时，人类文明的发展和社会的进步对金属材料的服役性能提出了更高的要求，各国科学家积极投身于金属材料领域，向金属材料的性能极限不断逼近，充分利用其为人类服务。

一种崭新的技术的实现，往往需要新材料的支持。例如，人们早就知道喷气式航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有合适的材料能承受喷射出燃气的高温，是这种理想只能是空中楼阁，直到1942年制成了耐热合金，才使喷气式发动机的制造得以实现。

1金属纳米材料的提出

从目前看，提高金属材料性能的有效途径之一是向着金属结构的极端状态发展:一方面认为金属晶界是薄弱环节,力求减少甚至消除晶界,因此发展出了单晶与非晶态合金;另一方面使多晶体的晶粒细化到纳米级(一般<100 nm,典型为10 nm左右)[1]。细化晶粒是金属材料强韧化的重要手段之一,它可以有效地提高金属材料的综合力学性能,尤其是当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度时,金属表现出更加优异的力学性能[2]。因此,金属材料晶粒超细化/纳米化技术的发展备受人们关注,一系列金属纳米材料的制备技术相继提出并进行了探索,包括电沉积法、溅射法、非晶晶化法、强烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation, SPD)、[3]粉末冶金法以及热喷涂法等。

金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。若按维数，纳米材料的基本单元可分为(类：一是零维。指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米粉体、原子团簇等；二是一维。指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；三是二维。指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜及超晶格等。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料[4]。金属纳米颗粒表现出许多块体材料所不具备的优越性质,可用于催化、光催化、燃料电池、化学传感、非线性光学和信息存储等领域。

以金金属具体来说，与块状金不同，金纳米粒子的价带和导带是分开的。当金粒子尺寸足够小时，会产生量子尺寸效应，引起金纳米粒子向绝缘体转化，并形成不同能级间的驻电子波。若其能级间隔超出一定的范围并发生单电子跃迁时，将表现出特殊的光学和电子学特性，这些性质在晶体管、光控开关、传感器方面都有其潜在的应用前景。是因为金纳米粒子的特殊性质，使其在生物传感器、光化学与电化学催化、光电子器件等领域有着极其广阔的应用前景。近几年来，基于金纳米粒子在发生吸附后其表面等离子共振峰会发生红移这一性质，对担载金纳米粒子的DNA及糖类分子进行研究，发现其在免疫、标定、示踪领域中有着广阔的应用前景。此外，金纳米粒子作为一种新型催化剂在催化氧化反应中有着很高的催化活性，而担载金纳米粒子后，TiO2薄膜的光催化活性极大提高[5]。

2金属纳米材料的制备技术

如今，金属纳米材料的制备技术已趋于多样化发展，按不同的分类标准具有不同的分类方法。其中基本的可分为物理法，化学法及其他方法，物理法大致包括粉碎法和构筑法，化学法由气相反应法和液相法。物料的基本粉碎方式是压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。常借助的外力有机械力、流能力、化学能、声能、热能等。一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合；气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合。构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子。

气相法制备金属纳米微粒，主要有气相冷凝法、活性氢—熔融金属反应法、溅射法、流动液面上真空蒸镀法、通电加热蒸发法、混合等离子法、激光诱导化学气相沉积法、爆炸丝法、化学气相凝聚法和燃烧火焰—化学气相凝聚法。

液相法制备金属纳米微粒，主要有沉淀法、喷雾法、水热法、溶剂挥 发分解法、溶胶—凝胶法、辐射化学合成法。此外还包括物理气相沉积、化学气相沉积、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶液的热分解和沉淀等。

2.1块体材料制备

金属纳米块体材料制备加工技术:两种大块金属纳米材料的制备方法[6]-[8]。第一种是由小至大，即两步过程，先由机械球磨法、射频溅射、溶胶—凝胶法、惰性气体冷凝法等工艺制成纳米颗粒，再由激光压缩、原位加压、热等静压或热压制成大块金属纳米材料。凡能获得纳米粉末的方法一般都会通过后续加工得到大块金属纳米材料。第二种方法为由大变小，是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。使大块非晶变成大块纳米晶材料或利用各种沉积技术获得大块金属纳米材料。

大块金属纳米材料制备技术发展的目标是工艺简单，产量大及适应范围宽，能获得样品界面清洁且无微孔的大尺寸纳米材料制备技术。其发展方向是直接晶化法。实际上今后相当一段时间内块状纳米晶样品制备仍以非晶晶化法和机械合金化法为主[4]。现在需要克服的是机械合金化中微孔隙的大量产生，亦应注意其带来的杂质和应力的影响。今后纳米材料制备技术的研究重点将是高压高温固相淬火，脉冲电流及深过冷直接晶化法和与之相关的复合块状纳米材料制备及研究工作。

2.2 强烈塑性变形法（SPD技术）

强烈塑性变形法（SPD技术）是在不改变金属材料结构相变与成分的前提下,通过对金属材料施加很大的剪切应力而引入高密度位错,并经过位错增殖、运动、重排和湮灭等一系列过程,将平均晶粒尺寸细化到1μm以下,获得由均匀等轴晶组成、大角度晶界占多数的超细晶粒金属材料的一种工艺方法[9]。SPD是一种致力材料纳米化的方法,其特点是利用剧烈塑性变形的方式,在较低温度下(一般<0.4Tm, Tm为金属熔点)使常规金属材料粗晶整体细化为大角晶界纳米晶,无结构相变与成分改变,其主要的变形方式是剪切变形。它不仅是一种材料形状加工的手段,而且可以成为独立改变材料内部组织和性能的一种技术,在某些方面,甚至超过热处理的功效。它能充分破碎粗大增强相,尤其是在促使细小颗粒相均匀分布时比普通轧制、挤压效果更好,显著提高金属材料的延展性和可成形性。在应用方面,到目前为止,通过SPD法取得了纯金属、合金钢、金属间化合物、陶瓷基复合材料等的纳米结构,而且投入了实际应用并获得了认可[3]。譬如,通过SPD法制备的纳米Ti合金活塞,已用于小型内燃机上;通过SPD法制备的纳米Ti合金高强度螺栓,也已广泛应用于飞机和宇宙飞船上。这些零件可以满足高强度、高韧性、较高的疲劳性能的要求,从而大大提高了使用寿。

经过近年的快速发展,人们对采用SPD技术制备金属纳米/超细晶材料已经有了一定的认识。但是,不管是何种SPD法制备纳米材料,目前,还处在工艺可行性分析及材料局部纳米化的实验探索阶段,存在诸如成形效率低、变形过程中出现疲劳裂纹、工件尺寸小、显微组织不均匀、材料纳米化不彻底等问题,对SPD制备纳米/超细晶金属材料的成形机理没有统一的定论。

2.3胶束法

胶束法是控制金属纳米颗粒形状的另一个重要方法[10]。胶束以一小部分增溶的疏水物质或亲水物质形式存在。如果表面活性剂的浓度进一步增大,增溶程度会相应提高。胶束尺寸可增大到一定的范围,此时胶束尺寸比表面活性剂的单分子层厚度要大很多,这是因为内池中的水或者油的量增大的缘故。如果表面活性剂的浓度进一步增大,胶束则会被破坏而形成各种形状,这也为合成不同形状的纳米粒子提供了可能。合成各种形貌的金属纳米颗粒的方法还包括高温分解法、水热法、气相沉积法、电化学法等。其中,高温分解法是在高温下分解前驱体;水热法是一种在高温高压下从过饱和水溶液中进行结晶的方法;气相沉积法是将前驱体用气体带入反应器中,在高温衬底上反应分解形成晶体。这3种方法均可以得到纯度高、粒径可控的纳米粒子,但是制备工艺相对复杂,设备比较昂贵。电化学方法中可采用石墨、硅等作阴极材料,在水相中还原制备不同金属纳米颗粒,也可采用模板电化学法制备金属纳米管、纳米线等不同形貌的纳米材料。这种方法的优点是反应条件温和、设备简单,但目前还没有大规模合成方面的应用。

2.4双模板法制纳米点阵[11]

采用先后自组装、沉积和溶解的方法，制成2种模板，然后在其中空球模板中电化学沉积得到纳米粒子点阵，溶去另外一种模板后得到纳米粒子点阵。这是目前获得粒子均匀排列有序纳米粒子点阵的最有效的方法，关键是如何控制粒子的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。

3金属纳米材料的现状分析

纳米技术在生产方式和工作方式的变革中正在发挥重要作用，它对社会发展、经济繁荣、国家安定和人类生活质量的提高所产生的影响无法估量。鉴于纳米技术及纳米材料特别是金属纳米材料在未来科技中的重要地位及产业化的前景一片光明，目前世界上各国特别是发达国家非常重视金属纳米材料，从战略高度部署纳米技术研究，以提高未来10年至20年在国际上的竞争能力。

诺贝尔奖获得者罗雷尔说过：20世纪70年代重视微米研究的国家如今都成为发达国家，现今重视纳米技术和纳米材料的国家极可能成为下世纪的先进国家。最近美国在国家科学技术理事会的主持下，提出“国家纳米技术倡议”：纳米技术将对21世纪的经济、国防和社会产生重大影响，可能与信息及生物技术一样，引导下一个工业革命，应该置其于科技的最优先位置。世界各国制定纳米技术和纳米材料的战略是：以未来的经济振兴和国家的实际需求为目标，牵引纳米材料的基础研究和应用开发研究；组织多学科的科技人员交叉创举，重视基础和应用研究的衔接，重视技术集成；重视纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米技术和纳米材料在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式发展。我国纳米技术和纳米材料始于20世纪80年代末。“八五”期间，纳米材料科学列入国家攀登项目。纳米材料的应用研究自1996年以后在准一维纳米丝纳米电缆的制备等几个方面取得了重大成果。我国约有1万人从事纳米研究与发展，拥有20多条生产能力在吨级以上的纳米材料粉体生产线。生产的纳米金属与合金的种类有：银、钯、铜、铁、钴、镍、铝、钽、银-铜合金、银-锡合金、铟-锡合金、铜-镍合金、镍-铝合金、镍-铁合金、镍-钴合金[4]。

4结束语及展望

随着金属纳米科技的发展,金属纳米材料的制备已日渐成熟,并广泛应用于我们生活的各个方面，金属纳米科学也将成为受人瞩目的学科。但目前还存在一些不足，如在对复杂化学反应过程与机理的探索、金属纳米材料的规模化生产与应用等方面还需要我们进行更加深入和系统的研究。不过，我们有理由相信随着科学技术的不断发展进步，上述金属纳米材料化学制备的新技术和新方法将会得到不断创新与发展完善并将产生新的突破，它们将极大地推动金属纳米材料的规模制备与广泛实际应用，并最终在不久的将来产生较大的社会和经济效益。

今后金属纳米的发展趋势： 1在制备方面，大量的新方法、新工艺不断出现，希望找到产量大、成本低、无污染、尺寸可控的制备方法，为产业化服务。

2实用化研究提到日程上，出现基础研究和应用并行发展的问题，对传统金属材料进行纳米改性，以期获得优良性能。

3日益体现出多学科交叉的特点。纳米结构材料的研究不仅依赖于物理、化学等学科的发展，而且同电子学、生物学、测量学等产生越来越紧密的联系。

参考文献：

[1]GleiterH.Nanocrystalline materials [J].Progress in Materials Science, 1989, 33(4): 223-315.[2]王军丽,史庆南.纳米超细晶材料的制备方法[J].材料导报, 2005, 19(5): 15-19.[3]杨保健,夏琴香,张 鹏.SPD制备纳米/超细晶金属材料的成形方法[J].锻压技术，2011,36（2）:48-51.[4]张代东,王钦清.金属纳米材料的发展动态研究[J].科技情报开发与经济，2002,12（5）:89-91.[5] 姚素薇，邹毅，张卫国.金纳米粒子的特性、制备及应用研究进展[J].化工进展，2007,26（3）:310-313.[6] 田春霞.金属纳米块体材料制备加工技术及应用[J].材料科学与

工程，2001,19（4）:127-131.[7] 李景新，黄因慧，沈以赴.纳米材料的加工技术[J].材料科学与工