第5章 MMCS之一-good.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,Capter,5,MMCs,新型金属,非晶态金属：,又称为,金属玻璃,，由沸腾的钢液经每秒,100,万度的速度冷却而成，其内在结构发生了质变，原子从有序排列变成了无序排列，具有极优异的物理磁性能、化学耐腐蚀性能和力学耐磨性能，传统的车钳铣刨和强酸溶液对它们无可奈何，可以在通信、交通、电子、家电、防盗等很多领域大显身手。,外表轻薄如纸、优雅华丽、用手可轻易撕断的带形金属玻璃。,“终结者”变现实,新型金属,超导金属：,在特定条件，电阻完全消失，产生超导电性的材料。具有零电阻、完全抗磁性和载流能力强三个基本特征。,超导技术的应用：,制造磁性极强的超导磁铁,，用于磁约束核聚变反应、大容量储能设备、高能加速器、超导发电机、电力工业输电和交通运输工具等。如美国实现超导输电，每年可以节省,100,亿美元的电力；,制造超高速计算机和高灵敏度的探测设备、通信设备、航天系统等,。如,1989,年日本研制出世界第一台超导电子计算机，其全部采用约瑟夫森超导器件，运算速度达每秒,10,亿次，功耗,6.2,毫瓦，仅为常规电子计算机功耗的千分之一。,超导磁悬浮列车原理,自动化制造技术,应 用,一、金属基复合材料的工程特性,1.,刚度,的增强（最诱人的特性之一）,工程部件避免使用中的过度弹性变形。,使用性能主要取决于刚度的实例：主动轴、仪表架、自行车主架、三叉戟导弹的惯性导向球等。,双体船“美国之帆”的交叉悬臂，长,10m,，具有高的比刚度及有抗两段单独弯曲的能力。,金属基复合材料应用于刚度作为关键性能的最早的例子之一：,美国航天穿梭机,。,在它的货舱段构架的一个结构件是用,60%,硼单纤维增强的,Al,基复合材料制造的。,300,个这种支撑杆承载着航天穿梭机货舱，这种结构重量很轻，刚度很高。,另外，在新式高速列车车厢具有更严格的动力稳定性要求，刚度是关键。,“,神舟”六号载人飞船“,防护颈托,”：,航天员在着陆冲击过程中最容易受损伤的部位是,颈椎,，防护颈托就是为保护航天员颈椎安全而设计的特殊吸能装置。看起来不大的防护颈托，却是一个技术难度很大的项目。它要求材料性能既要有,高刚度,，同时要具备,低强度,、,高延伸率,特性，但至今也没有一种材料能同时满足以上两个要求。,该项目由哈工大金属基复合材料工程技术研究所负责，在所长武高辉教授主持下组成了,6,人攻关小组。攻关小组先后试验验证并筛选了,25,种技术方案，进行各种测试试验,300,余次，逐次攻破了材料设计与结构设计、成型等关键技术难题，最终在规定时间内，研制出了样品。,2.,强度的增强,通过复合使强度大大提高,抗疲劳能力提高,延性下降,应用例：飞机的降落齿轮，要求材料轻，强度高，并有抗低频机械疲劳的能力（现普通采用,Ti-6Al-4V),。,3.,抗蠕变能力的增强,长纤维强化效果好。,应用例：喷气式汽轮发动机，以轻质材料取代镍基高温合金叶片和涡轮盘，可选用长纤维强化的钛（但钛的严重缺陷正是抗蠕变能力低，但加入长纤维后肯定能大大改善）。,4.,耐磨性能的增加,在基体中加入增强体后，可使磨损率下降至基体的,1/10,。,为了使表面具有好的耐磨性，其它区域仍有高的韧性、强度和导热性，控制增强体的分布（梯度、表面处理等）是有益的。,应用例：柴油机活塞，增强的铝合金比未增强的，磨损率下降至原来的,1/5,。,5.,降低密度,Ni,基合金中加入陶瓷纤维或颗粒,密度降低的同时，不损失强度、抗蠕变、抗腐蚀、韧性,问题：在高温下使用很难避免界面反应，由此引起脆性增加。,Pb,电极：高密度是一个缺点，加入增强体则可改善，但要注意污染的影响。,碳纤维增强铜电缆。,6.,热膨胀的控制,陶瓷的低热膨胀性可以用来调整复合材料的膨胀系数,应用实例：微电子基底；卫星悬臂,/,波导和,Hubble,太空望远镜上的,Al-C,纤维天线支撑杆结构，这些结构件要求有非常高的轴向刚度，同时有极低,(,零,),的热膨胀系数，从而能够在反复出入直接日照的条件下保持尺寸稳定性。,二、实例分析,航天穿梭货舱段构架的一个结构件是用,60%,硼单纤维增强的,Al,基复合材料制造的。,300,个这种支撑杆承载着航天穿梭机货舱，这种结构重量很轻，刚度很高。,我们知道，动物在炎热的夏天或作巨烈运动时，浑身大汗淋漓。人的正常体温在,3637,之间，当体温超过这个范围时就是病态。如果体温超过,42,或低于,32,时将危及人的生命。然而人类生存的环境却远远超出这个范围。在,50,的环境温度范围内人们仍能照常生活，工作和劳动。其原因就是人们除采取一些降温或保温措施以外，能自身通过,出汗,和,毛孔收缩,来达到,调节体温,的目的，以确保人类的生存和正常活动。,发汗冷却材料，是一种能“出汗”的金属材料，这种金属材料在使用于超高温工作环境下仍具有良好的机械性能和物理化学性能，以满足高温工作部件的使用要求。,发汗材料,发汗冷却，有,自发汗冷却,和,强迫发汗冷却,。,自发汗冷却多见于粉末冶金材料制品。是通过加入基材内的低熔点金属粉末颗粒，在高温下,气化蒸发带走,基材,热量,以达到材料降温的目的。,强迫发汗冷却，是一种,复合冷却,技术。由发汗冷却和气膜冷却两种冷却技术形式组成。首先把材料制成,多孔,材料部件。在工作过程中液体料在高压下从部件材料的,“,汗孔,”,渗出,蒸发,以带走部件基体的热量使部件降温，同时由于部件,“,汗孔,”,渗出的液体燃料在高温高速燃气流动力的作用下，在,部件表面,形成薄薄的一层,冷气膜,，这层冷气膜把高温燃烧的火焰与部件材料表面隔开。这就达到了部件材料的冷却降温和保证部件不被高温燃烧的火焰烧蚀的目的。经过实践应用，经受住了考核，比较成功地完成了远程导弹和卫星运载工具的发射工作。,火箭尾喷管喉衬,3000,度以上高温、气速,1000m/s,、经受固体颗粒冲刷,先将高熔点金属（钨：熔点,3410,）制成骨架，再渗入低熔点金属（铜：熔点,1083,、沸点,2595,），制备成复合材料。使用时利用铜的熔化与汽化带走大量的热，使尾喷管喉衬的温度维持在钨骨架所能够承受的温度之下。,温度升高,钨,+,铜,铜熔化,铜气化,热量,热量,Al,合金,/Al,2,O,3,短纤维,良好的耐磨性；,高温强度；,有选择增强体的余地；,良好的热稳定性；,良好的导热性。,柴油机活塞,Al,合金,/20%Al,2,O,3,颗粒,刚度高；密度低；韧性满足要求。,汽车驱动轴,设备架,Al,合金,/20%SiO,2,颗粒,刚度高；,密度低；,导电性好。,制动器转盘,Al-,Si,合金,/20%Al,2,O,3,颗粒,耐磨性好；密度低；热传导性好。,自行车体,Al,基合金,/10%Al,2,O,3,或,20%SiO,2,颗粒,刚度好；,密度低；,抗疲劳性好。,发动机缸体,Al-,Si,合金,/12%Al,2,O,3,短纤维,+9%,碳短纤维,耐磨性好；,抗热疲劳性；,密度低；,高温稳定性好；,减振性好；,可铸造薄体。,宇航望远镜,Al,合金,/20%,碳长纤维,轴向刚度好；密度低；超低轴向热膨胀性；导电性好。,微电子器件的基座,Al,合金,/2065%SiO,2,颗粒,热膨胀系数匹配；导热性好；导热系数高；适于钎焊；密度低；尺寸稳定性好。,飞机发动机部件,钛基合金,/40%SiC,单片纤维,高温性能好；增加强度；密度低；部件简化；增加刚度。,飞机性能,2/3,靠材料（高温合金、高比强度、高比刚度结构材料）；,航天与卫星需要耐超高温、抗辐射、耐粒子云以及原子氧侵蚀的材料，对比强度和比刚度的要求更为苛刻，因为航天飞行器每减重,1kg,，可使运载火箭减轻几百,kg,；导弹若减轻,1kg,，射程增加,1km,。,航空航天技术的进步,以铝锂合金为例,俄罗斯：,70,年代，,1420,合金用于米格,-29,机身、油箱、座舱等，并将铆接结构改为焊接结构，减重,24%,。,80,年代，,1460,合金取代,2219,，用于制造运载火箭能源号低温储箱。,此外，俄罗斯还将铝锂合金用于暴风雪号航天飞机，米格,-33,、苏,-27,、雅克,-36,、安,-70T,，图,-144,、图,-1204,等军民飞机,如苏,-27Ck,铝锂合金用量占,3%,。,美国：,50,年代，将最早的工业铝锂合金,2020,用于海军,RA-5C,预警飞机，使飞机总重量减轻,6%,。,80,年代，将,2090,用于,C-47,军用运输机的隔框、地板、蒙皮、垂直尾翼，总量,2846,公斤。,90,年代末，将第三代铝锂合金,2197/2097,用于,F-16,后隔框、,BL19,大梁，已装机,850,架。,大约,30,年前，美国国家航空和宇宙航行局成功制备了,W,丝增强,Cu,基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。,越王勾践青铜剑,1965,年,12,月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓，拔剑出鞘，寒光耀目，而且毫无锈蚀，刃薄锋利。试之以纸，,20,余层一划而破。其精美的造型、高超的铸造工艺，仍然让今人叹为观止。我们即使使用现代高科技手段，也无法进行。其含铜量约为,80%-83%,、含锡量约为,16%-17%,，另外还有少量的铅和铁，可能是原料中含的杂质。,齒輪盤,煞車把手,煞車器,Mg:0.47 Kg,踏板,Mg:0.32 Kg,銲接輪圈,Mg:0.4 Kg,減重,33%,Al:0.6 Kg,鎂壓鑄輪圈,Mg:1 Kg,減重,37.5%,Al:1.6 Kg,豎管,Mg:0.175 Kg,減重,33%,Al:0.26 Kg,前叉,Mg:0.4 Kg,镁合金应用例,-,自行车领域,資料來源：,Magnesium/,金屬中心,ITIS,計畫整理,車燈架,支撐板,煞車器,後座,鏈條蓋,曲軸箱左體,曲軸箱右體,機車引擎,镁合金于机车领域应用例,輪圈,Mg:4.3 Kg,後 輪,減重,26%,Al:5.8 Kg,Mg:2.6 Kg,前 輪,減重,33%,Al:3.86 Kg,雙側搖臂,減重,38%,曲軸箱左蓋,後視鏡架,合計,Mg:5.6 Kg,資料來源：,Magnesium/,金屬中心,ITIS,計畫整理,镁合金于汽车领域应用例,油底殼,曲軸箱,汽缸體,輪圈,後掀門架,Mg:2.7 Kg,Al:4.5 Kg,減重：,40%,後掀門架框,Mg:2.69 Kg,移動式車頂,Mg:5.46.8 Kg,儀表板支架,Mg:12 Kg,Steel:18 Kg,減重,33%,前置架支撐組件,Mg:6.2 Kg,Steel:15.2 Kg,減重,60%,安全氣囊罩框,鎖架外殼,變速箱外殼,方向盤,座椅架,Mg:0.9 Kg,Steel:1.4 Kg,減重,33%,Mg:4.36 Kg,Mg:0.7 Kg,形状记忆合金制成的,移动跳跃的机器人,钛被誉为“,21,世纪金属,”，又被称为“,亲生物金属,”，广泛应用于航空工业，航天工业，石油工业、冶金工业、潜艇的制造。,新型合金,钛合金,钛合金为什么会有如此殊荣？,钛的比重仅是铁的,1/2,，却像铜一样经得起锤击和拉延。,在超低温世界里，钛会变得更为坚硬，并有超导体的性能，钢则变得脆弱无能。,钛有很强的耐酸碱腐蚀能力，在海中浸年不锈蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质。用钛合金为船只制造外壳，海水无法腐蚀它。,用钛合金制成的“钛潜艇”，可潜入,4500,米的深度，一般钢铁潜艇在超过,300,米，容易被水压压坏。,资料链接,分类,按基体分类,铝基复合材料,应用最广,，,由于铝合金基体为面心立方结构,，,因此具有良好的塑性和韧性，此外具有易加工性,、,工程可靠性及价格低廉,.,一般使用铝合金而不是纯铝,.,镍基复合材料,高温性能优良,，,希望用它制造燃汽轮机的叶片,.,钛基复合材料,比强度高,.,最常用的增强体是硼纤维,.,Cu,基复合材料,Fe,基复合材料,金属间化合物基复合材料,按增强体分类,颗粒增强复合材料,指弥散的硬质增强相的体积超过,20%,的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。,颗粒直径和颗粒间距一般大于,1,m,，,增强相是主要承载相,，,基体的作用在于传递载荷和便于加工。,纤维增强复合材料,长纤维 短纤维 晶须,层状复合材料,分类,根据各种方法的基本特点把金属基复合材料的制备工艺分为三大类,:,固态法,液态法,自生复合技术,固态法,一、固态制造技术,工艺原理,将金属粉末或金属箔与增强体以一定含量、分布、方向混合排列在一起，再经过加热、加压，将金属基体与增强体复合黏结在一起,.,在整个制备过程，金属基体与增强体均处于固体状态，温度控制在基体合金的液相线与固相线之间,.,特点,加工温度低,不发生严重的界面反应,能较好地控制界面的热力学和动力学,粉末冶金法（,Powder Metallurgy,）,热压法（,Hot-pressing,）,热等静压法（,Hot,Isostatic,Pressing,，,HIP,）,固态制造,粉末冶金法,固态扩散结合法,扩散黏结法,热压扩散法,热等静压法,变形压力加工,热轧法,热拉和热挤压法,爆炸焊接法,1.,粉末冶金法,工艺原理,它是利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强体按设计要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结或挤压成型，或直接用混合粉料进行热压、热轧制、热挤压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的固液相温度区内进行半固态成型。,基体合金粉末和颗粒的混合均匀程度及基体粉末防止氧化的问题是整个工艺的关键。,优点：,增强体与基体合金粉末有较宽的选择范围，颗粒的体积分数可以任意调整。,可不受到颗粒的尺寸与形状的限制。,可以实现制件的少无切削或近净成型。,粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。,缺点,制造工序繁多，工艺复杂，制造成本高,内部组织不均匀，存在明显的增强相富集区和贫乏区,不易制备形状复杂，尺寸大的制件,2.,固态扩散结合法,原理,将固态纤维与金属适当地组合，在加压，加热条件下，使它们相互,扩散,结合成为复合材料的方法,制造连续纤维增强,MMCs,主要分,两步,：,第一步先将纤维或经过预浸处理的表面涂覆有基体合金的复合丝与基体合金的箔片有规则地排列和堆叠起来；,第二步通过加热，加压使它们紧密得扩散结合成整体,固态扩散结合法主要有,扩散黏结法,和,变形法,2.1,扩散黏结法,扩散黏结法也称“,扩散焊接,”或“,固态热压法,”,原理,它是在较长时间高温及其塑性变形不大的作用下，利用金属粉末之间和金属粉末与增强体之间接触部位的原子在高温下相互扩散，进而使纤维与基体金属结合到一起的复合方法,扩散黏结法,扩散黏结过程三个阶段：,黏结表面最初接触，由于加热和加压，使表面发生变形，移动，表面膜（氧化膜）破坏,随着时间的进行，发生界面扩散和体扩散，使接触面紧密黏结,由于热扩散结合界面最终消失，黏结过程完成,扩散黏结法,要求基体具有较高的黏结温度即软化温度,常用方法,热压扩散法,热等静压法,扩散黏结法热压扩散法,工艺,按照制品的形状、纤维体积密度及性能要求，将金属基体与增强材料按一定顺序和方式组装成型，然后加热到某一低于金属基体熔点的温度，同时加压保持一定时间，使基体金属产生蠕变和扩散，与纤维之间形成良好的界面结合，得到复合材料制品。,扩散黏结法热压扩散法,特点,利用静压力使金属基体产生塑性变形，扩散而焊合，并将增强纤维固结在其中而成为一体,热压工艺,扩散黏结法热等静压法,热等静压法（,Hot,Isostatic,Pressing-HIP,）,工艺过程,在高压容器内装置加热器，将金属基体（粉末或箔）与增强材料按一定比例混合排列（或用预制片叠层）放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，得到,MMCs,扩散黏结法热等静压法,热等静压工艺有三种：,先升压后升温，其特点是无需将压力升到最终所要求的最高压力，随着温度升高，气体膨胀，压力不断升高达到所需压力。适用于金属包套工件的制造。,先升温后升压，此工艺对于用玻璃包套制造复合材料比较适合，因为玻璃在一定温度下软化，加压时不会发生破裂，又可有效传递压力。,同时升温升压，适用于低压成型、装入量大、保温时间长的工件制造。,扩散黏结法热等静压法,热等静压工艺参数,温度,低于热压温度，以防止严重的界面反应。,压力,一般高于扩散黏结压力。对于易变形的金属，压力应低。,保温保压时间,根据工件大小确定。工件愈大，保温时间愈长。,扩散黏结法热等静压法,优点：,产品的组织均匀致密，无缩孔、气孔等缺陷。,形状、尺寸精确，性能均匀。,缺点：,设备投资大，工艺周期长，成本高。,2.2,变形压力加工,变形法,利用金属具有塑性成型的工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成型。,在固态下进行加工，速度快，纤维与基体作用时间短，纤维的损伤小。,缺点：,不一定能保证纤维与基体的良好的结合，而且在加工过程中产生的高应力容易造成脆性纤维的破坏。,变形压力加工,-,热轧法,热轧法,将已用粉末冶金或热压工艺复合的颗粒、晶须、短纤维增强的,MMCs,锭坯进一步加工成板材，或直接将纤维与金属箔材热轧成复合材料，也可将半固化带、喷涂带夹在金属箔材之间热轧。,由于增强纤维塑性变形困难，在轧制方向上不能伸长，因此，轧制过程主要是完成将纤维与基体的黏结过程。,轧制,连铸连轧,变形压力加工,-,热拉和热挤压,工艺要点：,在金属基体材料上钻孔，将金属丝（或颗粒、晶须）插入其中，然后封闭，再挤压或拉拔成复合材料。经过挤压、拉拔，使复合材料的组织变得更均匀，减少或消除缺陷，性能明显提高；如果增强体是短纤维或晶须，则它们还会在挤压或拉拔过程中沿着材料流动方向择优取向，从而提高复合材料在该方向上的模量和强度。,挤压,3,爆炸焊接法,爆炸焊接法,又称爆炸复合法，是采用炸药的爆炸为能源，由于炸药的高速引爆和冲击作用下，在微秒级时间内使两块金属板在碰撞点附近产生高达,10,4,-10,7,s,-1,的应变速率和,10,4,MPa,的高压，使材料发生塑性变形，在基体中和基体与增强体的接触处产生焊接从而成型复合材料。,爆炸焊接法,爆炸前，应将金属丝等编织或固定好，基体与金属丝必须除去表面的氧化膜和污物。,爆炸焊接用的底座材料的密度和声学性能应尽可能与复合材料的接近，一般是将金属平板放在碎石层等上能够作为焊接底座。,爆炸焊接法,工艺特点：,由于加载压力和界面高温持续时间极短，阻碍了基体和增强体之间界面的化合反应，焊合区的厚度常在几十微米以内；,复合界面上看不到明显的扩散层，不会生产脆性的金属间化合物，产品性能稳定；,可以制造形状复杂的零件和大尺寸的板材，还可以一次作业制得多块复合材料板；,采用的是块式生产，无法连续生产宽度较大的复合坯料，而且爆炸带来的振动和噪音难以控制。,爆炸焊接法,局限性：,不适用难焊金属。,原因：,焊接接头强度差异较大，存在大面积断裂现象。,改进措施,（提高焊接接头强度和可靠性）：,热处理，以减少或完全消除高硬度熔化区对接头断裂的影响，使残余应力场重新分布；轧制或锻造，通过塑性变形消除裂纹和未焊透形式的缺陷。,液态制造技术,一、铸造法,铸造法,高压凝固铸造法,真空吸铸法,搅拌铸造法,压力铸造法,液态制造技术,1.1,高压凝固铸造法,工艺原理：,将纤维与黏结剂制成的预制件放在模具中加热到一定温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使液态金属以一定的速度浸透到预制件中，而其中的黏结剂受热分解除去，经冷却后得到复合材料制品。,为了避免气体或杂质等的污染，要求整个工艺过程都在,真空,条件下进行。,由于纤维与熔融的金属基体所处在高温时间较短，因此纤维与金属基体之间的界面反应层厚度较小，制得的,MMCs,性能不会受到大的影响。,1.2,真空吸铸法,真空吸铸法,是我国设计的一种制造碳化硅纤维增强,Al,MMCs,的新工艺。它是在铸型内形成一定的负压条件，使液态金属或颗粒增强,MMCs,自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。,举例,以,SiC,/Al,MMCs,为例。将碳化硅纤维装入钢管中，钢管的一端用铝塞密封，另一端连接真空系统。在真空条件下，将装有纤维的钢管部位预热到高温，然后将带有铝塞的一端插入熔融的铝液中，铝塞将立即熔化，而铝液被吸入钢管中渗透到纤维。冷却后用硝酸腐蚀掉钢管。,优点,工艺简单。,纤维在真空下预热至高温，无空气阻碍铝液的渗透，并可活化纤维的表面。,密封塞在铝液深处熔化，吸入铝液后的浸润过程中无氧化膜干扰。,1.3,搅拌铸造法,搅拌法铸造两种方式：,在合金液高于液相线温度以上进行搅拌，称为“,液态搅拌,”。,当合金液处于固相线与液相线之间时进行搅拌，称为“,半固态搅拌铸造法,”或“,流变铸造,”。,基本原理,在一定条件下，对处于熔化和半熔化状态的金属液，施加以强烈的机械搅拌，使其能形成高速流动的旋涡，并导入增强颗粒，使颗粒随旋涡进入基体金属液中，当在搅拌作用之下增强颗粒弥散分布后浇注成型。,注意事项,必须要考虑增强颗粒与基体润湿性和反应性。,要防止搅拌过程中基体的氧化和卷入气体。,改进方法,高能超声法,磁力搅拌法,复合铸造法,底部真空反旋涡搅拌法,搅拌铸造法的优点,工艺简单，效率高，成本低。,铸锭可重熔进行二次加工，是一种实现商业化规模生产的颗粒增强,MMCs,的制备技术。,搅拌铸造法的缺点,由于颗粒与金属液之间的比重的偏差，因此容易造成密度偏析，凝固时形成枝晶偏析。,1.4,压力铸造法,工艺原理,：在压力作用下，将液态金属浸入增强体预制块中，制成复合材料坯锭，再进行二次加工。,包括,挤压铸造,和,真空铸造,。,特点,压铸浸渗时间短，通过快速冷却可减轻或消除颗粒与基体的界面反应，同时可降低材料的孔隙率，对形状简单工件可以实现工件形状的成型。,二、喷射沉积,基本原理：,在高速惰性气体流的作用下，将液态合金雾化，分散成极细小的金属液滴，同时通入一个或几个喷嘴向雾化的金属液滴流中喷入增强颗粒，使金属液滴和增强颗粒同时沉积在水冷基板上形成复合材料。该法称为多相共沉积技术（,Variable,Codeposition,of Multiphase Materials,，,VCM,）,雾化增强颗粒,多孔金属制备技术,人类能够利用失重的条件做什么吗,?,在失重条件下，融化了的金属的液滴，形状绝对呈球形，冷却后可以成为理想的滚珠。而在地面上，用现代技术制成的滚珠，并不绝对呈球形，这是造成轴承磨损的重要原因之一。,玻璃纤维（一种很细的玻璃丝，直径为几十微米）是现代光纤通信的主要部件在地面上，不可能制造很长的玻璃纤维，因为没等到液态的玻璃丝凝固，由于它受到重力，将被拉成小段而在太空的轨道上，将可以制造出几百米长的玻璃纤维,失重状态,在太空的轨道上，可以制成一种新的泡沫材料,-,泡沫金属在失重条件下，在液态的金属中通以气体，气泡将不,“上浮”，也不“下沉”,，均匀地分布在液态金属中，凝固后就成为泡沫金属，这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢，用它做机翼，又轻又结实。,同样的道理，在失重条件下，混合物可以均匀地混合，由此可以制成地面上不能得到的特种合金,失重状态,利用完全失重条件的科学研究,液体呈绝对球形,制造理想的滚珠,制造泡沫金属,多孔金属的性能,电磁屏蔽性能,以高导电性金属（铜、铝）为基体的多孔金属，具有良好的电磁屏蔽能力，可以屏蔽电场和高频磁场。,声学性能,具有良好的微孔消声和吸声性能。,当声波射向多孔金属时，一方面由于声波的漫反射而干涉消音；另一方面声波会促使基体骨架振动而消耗能量；气流在孔洞之间还因为膨胀和收缩而消耗能量。,热物理性能,高的比表面积、低的流动阻力和较好的热传导性。,热交换器，散热器，热机制冷器,能量吸收性能,当受到外界冲击时，金属骨架发生塑性变形，其应力强烈滞后于应变，在较大的应变范围内，应力平缓增加，外加能量转变为塑性变形，具有吸能减震性能。,高速磨床防护罩吸能内衬，汽车防冲击挡板。,性能,流通特性,由于具有孔洞相互连通的三维网状结构，其流体透过能力与孔结构及流体性质有关。,可过滤杂质。,可用作氢燃料发动机中催化剂的支撑载体，发电厂的废气处理，水净化处理。,性能,液相法,多孔金属的制备技术,液态金属直接发泡法,在液态金属中加入很细的陶瓷粉末或能与液态金属反应生成稳定颗粒的合金元素作为,增稠剂,以提高液态金属的黏度，阻止金属中的气泡逸出，以制备金属泡沫材料的方法。,产生气泡的方法：,气体吹入法,和,固体发泡剂法,气体吹入法,的主要工艺过程：首先在熔融的金属中加入增稠剂颗粒，加入量一般为,20%,，常用的有碳化硅、氧化铝等，随后，通过一个可以震动的喷嘴通入空气、氮气、氩气或它们的混合气体，并不停搅拌。搅拌的作用是在液态金属中形成细小的气泡，并使气泡均匀分布。由于增稠剂的作用，产生的气泡在上升过程中不能聚集长大。金属的粘稠的混合产物在上升到液面时被收集起来，通过传送带予以冷却，即得到泡沫材料。,液态金属直接发泡法,金属氢化物分解发泡法,向金属液体中加入一种可以分解产生气体的,金属氢化物,粉末，当达到较高温度时它发生分解并释放气体。常用,氢化钛,粉末作为发泡剂加入铝液中，但由于发泡剂分解释放的气体形成气泡后可能会从铝液中溢出或者合并长大形成缺陷，因此必须对铝液增黏，常用,金属钙,作为,增黏剂,，使铝液达到一定的黏度后将气体有效滞留在其中，形成气泡冷却后得到泡沫材料。,金属氢化物发泡法的新工艺,两步法,前提条件：必须对加入铝液中的发泡剂（,TiH,2,）进行预处理，使得发泡剂在加入铝液后的搅拌过程中不会发生分解，而在冷却制得预制品后，重新加热到一定温度（铝的熔点或熔点以上）才发生分解并释放气体。,首先要对发泡剂进行前期预处理，国内尚无报道。将,TiH,2,放入加热炉中，升到某一温度保温一段时间后，在,TiH,2,的表面形成一层氧化钛保护膜，将发泡剂加入铝液后，这层保护膜可作为一个障碍来阻碍,TiH,2,的分解。但利用该工艺进行处理，在控制,TiH,2,的表面氧化膜厚度上比较困难，由于加入铝液的,TiH,2,粉末比较细小，如果保温时间和温度的控制稍有不当，即可造成粉末完全氧化，丧失发泡能力。,两步法,另外，处理后的,TiH,2,粉末表面形成一层氧化钛膜，它在铝液中的润湿性较差，尽管它的密度比铝液大，但由于铝液表面张力的作用，要在铝液中均匀弥散分布比较困难。,采用,TiH,2,的表面涂覆铝溶胶的方法对其进行预处理。既可得到有效抑制,TiH,2,分解的保护膜，同时也解决润湿性问题。,优点：,可理想控制孔结构，生产出孔结构均匀、孔隙率较高的泡沫铝制品。,可直接得到形状复杂的试件，无需进一步加工。,缺点：,利用的金属材料种类有限，有些金属在其熔点附近时金属液黏度很小，必须加入增黏剂。,在发泡后冷却时容易造成泡沫塌陷，从而使发泡失效。,复模铸造法,首先使金属熔体在压力驱动下渗入预制块中，得到预制块,-,金属复合体，去除预制块，即得到预制块空隙的金属复制件，即开孔金属结构。,分为：,渗流铸造法,和,熔模铸造法,渗流铸造法,使金属熔体在压力驱动下渗入填充颗粒堆积体的空隙中，得到填充颗粒,-,金属复合体，去除填充颗粒即得到孔洞连通的多孔金属。,渗流铸造法特点,工艺简单，成本低，容易实现工业化生产。,可以采用不同的金属基体。,制品尺寸较大。,孔洞的尺寸和形状可以由填充颗粒来决定。,获得的多孔金属的孔隙率低于,70%,。,熔模铸造法,首先选择合适孔结构的开孔泡沫塑料，然后向泡沫塑料中填充耐火浆料，例如莫来石或石膏，待浆料固化后，加热去除泡沫塑料，得到具有大量连通空隙的预制块，使金属熔体在压力驱动下渗入预制块空隙，去除浆料，获得与泡沫塑料结构相同的多孔金属。,熔模铸造法特点,几乎适合于任何可铸造金属。,可获得连通性较好的高孔隙率多孔金属。,可近净成型。,工艺复杂，生产周期长，成本高。,粉末状固相法,金属粉末烧结法,将制好的粉末金属填入金属模具中，然后加热烧结，在烧结过程中，由于毛细效应或表面张力的作用，粉末颗粒间的接触面积增加而烧结在一起，粉末原位间的结合强度非常低，孔隙率,20-50%,。,适用于制备泡沫铜、钛及其合金。不能用于铝的烧结，因为粉末铝颗粒一般都被一层氧化铝膜包覆，影响铝颗粒的烧结，泡沫铝的性能差。,粉末成型法,将金属粉末与发泡剂混合，经冷压或热压成型，然后加热到接近或高于混合物熔点的温度，发泡剂分解并释放大量气体，形成多孔泡沫金属。,浆料发泡法,采用含有金属粉末、发泡剂和其他反应添加剂的浆料，混合后浇入模具中。在发泡剂和其他反应添加剂的作用下，浆料开始发泡而膨胀，黏度也随着增大，待发泡停止后，将其干燥固化，得到泡沫金属材料。,