材料化学导论第6章_新型结构材料(2)PPT课件
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材料化学导论第6章_新型结构材料(2).
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材料化学
新型结构材料
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
26
材料化学
新型结构材料
27
材料化学
新型结构材料
按力学性能分类 高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。
普通型
高强度型
高弹性模量型
碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites，PMC
28
材料化学
新型结构材料
碳纤维的特点： •强度和模量高、密度小； 具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值 具有很好的耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900℃ 以上才呈现出永久塑性变形。 摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 碳纤维的缺点： 价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上 抗氧化能力较差，高温有氧存在时会生成二氧化碳。
16
材料化学
新型结构材料
主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。 用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻8％～16％。 如：B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg
5
材料化学
新型结构材料
(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃ 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造
材料化学
新型结构材料
2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt％左右） 及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1／5， 钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。
材料化学
新型结构材料
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
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材料化学
新型结构材料
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材料化学
新型结构材料
按力学性能分类 高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。
普通型
高强度型
高弹性模量型
碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites，PMC
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材料化学
新型结构材料
碳纤维的特点： •强度和模量高、密度小； 具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值 具有很好的耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900℃ 以上才呈现出永久塑性变形。 摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 碳纤维的缺点： 价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上 抗氧化能力较差，高温有氧存在时会生成二氧化碳。
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材料化学
新型结构材料
主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。 用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻8％～16％。 如：B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg
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材料化学
新型结构材料
(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃ 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造
材料化学
新型结构材料
2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt％左右） 及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1／5， 钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。
材料化学导论
都能相互溶解，即 溶体常常在某一限定成分 范围内才能形成。
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
LnxA-μA关系曲线会终止于 A在B中的饱和溶解度处， 要用LnxA=0处外插之后μA 的值，标准状态也变成了 假想标准状态。
4.固体的溶解度
• 固体与液体平衡时溶液中A 的化学势等于固体A的化学
• 物质A的溶解行为取决于固 体A的化学势大小和溶解过
2．课堂讨论 2 3．机动 2（复习及习题解答）
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引入 3. 新教学内容的讲授过程 4. 小结 5. 思考题 6． 作业
教材及教学参考书
1. 《材料化学导论》 席慧智 哈尔滨工业大学出版社 2001 2. 《材料化学导论》 唐小真 高教出版社 1997 3. 《材料化学导论》 丁马太 厦门大学出版社出版 1995年 4. 《材料化学导论》 杨宏秀 高等教育出版社 1997 5. 《Introduction to Materials Chemistry》 Harry R. Allcock
•
P+为标准压力,G+为该压力 下n摩尔理想气体的标准自
•
由能，与压力无关，是温
温度较低时，单位压力气 体的化学势高于液体的化 学势，这时气体凝结；
度的函数
• 高温时则正好相反。
•
当气体压力保持一定时， 单纯理想气体的化学势随
•
温度达到Tb，气体和固体 的两条曲线相交，此时，
温度而变化。单位压力下
Tb温度下单位压力的气体
• 溶体平均每摩尔自由能g为：
2.混合气体化学势 • 把单纯理想气体的化学势表达式中的全压力p换成各成
分的分压，即可得到理想混合气体的化学势。 (理想气体) (对A成分而言)
材料科学与工程导论PPT课件
太空行走
可编辑课件PP火T 星探测
太空攻19 防
世界前沿科技领域的发展动向
航空技术发展面临历史性机遇，应用前景广阔
高超声速导弹、飞机有望在2020年左右进入实际应用 高效、环保发动机的研制倍受关注 智能结构技术开始得到应用，如智能蒙皮、变形飞机等 无人驾驶飞机称为研究热点
航空发动机 可编辑课件PPT
卫星
经济和社会发展对材料科技的重大需求
信息
基础及支柱产业的发展
机械计算机 电子计算机 晶体管计算机 当代计算机
电子管
晶体管 计算机的发展
集成电路
可编电辑课话件PP的T 演变历史
9
经济和社会发展对材料科技的重大需求
能源
基础及支柱产业的发展
铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池
锂
电 池
锂离子电池 燃料电池 太阳能电池
可编辑课件PPT
3
经济和社会发展对材料科技的重大需求
基础及支柱产业的发展
材料 科技
重大 前沿科技的发展 需求 生活质量的提高
外 力
材料科学自身的发展
可编辑课件PPT
4
经济和社会发展对材料科技的重大需求
制备
工业原料
制备
开采
原材料
矿产
再生循环
工程材料 分类/再制造
产品设计 制造装配
废料
农业、建筑、环境
无人机20
世界前沿科技领域的发展动向
能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实 现可持续发展
煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点 核能技术酝酿新的突破 氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景
核电站
可编辑课件PP燃T 料电池车
材料科学与工程导论 第6章 高分子材料
聚酰胺（PA） 聚碳酸酯（PC） 聚甲醛（POM） 聚对苯二甲酸丁二醇酯 （PBT） 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 （ABS） PC
挡 风 板
6.1.3 高分子材料简介
ABS树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是 Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一 种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。
有机玻璃顶棚
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6.1.3 高分子材料简介
▲工程塑料
热稳定性高是其最突出 的特点。使用温度 150~174℃。 用于机械设备等工业。
聚砜（PSU） 聚醚砜（PES） 聚醚醚酮（PEEK） 聚苯硫醚（PPS） 聚四氟乙烯 （PTFE）
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又称尼龙。强 度较高，耐磨、 自润滑性好， 广泛用作机械、 化工及电气零 件。 优良的机械性能， 透明无毒，应用 广泛。
初～40年代末）。
●现代高分子科学阶段（20世纪50年代初～20世纪末）。 ●21世纪的高分子科学—分子设计。
——高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。1920年， 德国人Staudinger (施陶丁格)发表了“论聚合”的论文，提 出了高分子的概念。
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6.1.1 高分子材料科学发展简史
高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它
▲单体 用来制备高分子的小分子物质称单体。 高分子的单体： 通过聚合反应能制备高分
子化合物的物质称做单体。
例如乙烯是单体，能聚合 生成聚乙烯。
[ CH2–CH2 ]n
13
6.1.2 高分子材料基本概念
▲结构单元 构成大分子的最小重复结构单元，简称结构 单元，或称链节。
[ CH2–CH2 ]n
▲聚合度
《材料化学》PPT课件
（3）景深
（4）衬度
• 表面形貌衬度 在试样表面凸凹不平的部位，入射电子束作用产生的二次电子信号的强度 要比在试样表面平坦的部位产生的信号强度大，从而形成表面形貌衬度。
• 原子序数衬度
原子序数越大，图像越亮。 完整版课件ppt
13
扫描电子显微镜的样品制备
扫描电镜试样一般要求具有以下特点： （1）导电性好，以防止表面积累电荷而影响成像；
（2）具有抗辐射损伤的能力，在高能电子轰击下不分解、不 变形；
（3）具有高的二次电子和背散射电子系数，以保证图像良 好的信噪比。
对不满足以上要求的试样（陶瓷、玻璃、塑料等绝缘材料，导 电性差的半导体，热稳定性不好的有机材料，二次电子、背散 射电子系数较低的材料等），需要表面涂层处理。
表面涂层处理的常用方法有真空蒸发和离子溅射镀膜法。
(3) Lewis酸性
由于金属上存在空轨道， 缺电子金属有机化合物都是
Lewis酸。
完整版课件ppt
6
无机材料常用测试技术
SEM（扫描电镜）
AES（俄歇 电子能谱）
EDS（能谱）
完整版课件ppt
7
TEM（透射电镜）
透射电子 二次电子
直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射 电镜(TEM)的成像和衍射
金属环多烯化合物
金属－环多烯化合物：环多烯含电子的离域π轨道和金属的 d轨道作用形成金属有机化合物
金 属
C3Ph3+ C8H82-
环
多
烯
C4H42-
C5H5-
C6H6
C7H7+
金属环多烯化合物:
环戊二烯配合物
平行
交错
不对称交错结构 不对称交错结构发生滑移
材料化学(化学工业出版社)课件6
2.5 固溶体 Solid solution
溶液
Chapter2 Structure of Materials
1
固溶体
Solute 溶质
一种或多种溶质 组元溶入晶态溶剂并保持溶 剂的晶格类型所形成的单相 (1) Definition 晶态固体。
Chapter2 Structure of Materials
Chapter2 Structure of Materials
20
1. 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
ZrO2
一种高温耐火材料，熔点2680ºC，但发生相变时
单斜 四方 120ZrO20C
伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命 的。若加入CaO，则和ZrO2形成固溶体，无 晶型转变，体积效应减少，使ZrO2成为一种 很好的高温结构材料。
MgO的结构中Mg2+离子被Fe2+离子所取代。
Chapter2 Structure of Materials
10
3. 键性的影响
化学键性质相近， 即取代前后离子周围离子间键性相近， 容易形成固溶体。 离子类型和键性
r(Si4+) = 0.26 Å，r(Al3+)=0.39 Å，相差达45%以上， 电价又不同，但Si—O、Al—O键性接近，键长亦接 近，仍能形成固溶体，在铝硅酸盐中，常见Al3+置换 Si4+形成置换固溶体的现象。
Solvent 溶剂
2
基本 特征
① 溶质和溶剂原子占据一个共同的 晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵 类型相同。
(2) Characteristic
② 有一定的成分范围——固溶度
solid solubility
Chapter2 Structure of Materials
溶液
Chapter2 Structure of Materials
1
固溶体
Solute 溶质
一种或多种溶质 组元溶入晶态溶剂并保持溶 剂的晶格类型所形成的单相 (1) Definition 晶态固体。
Chapter2 Structure of Materials
Chapter2 Structure of Materials
20
1. 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
ZrO2
一种高温耐火材料，熔点2680ºC，但发生相变时
单斜 四方 120ZrO20C
伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命 的。若加入CaO，则和ZrO2形成固溶体，无 晶型转变，体积效应减少，使ZrO2成为一种 很好的高温结构材料。
MgO的结构中Mg2+离子被Fe2+离子所取代。
Chapter2 Structure of Materials
10
3. 键性的影响
化学键性质相近， 即取代前后离子周围离子间键性相近， 容易形成固溶体。 离子类型和键性
r(Si4+) = 0.26 Å，r(Al3+)=0.39 Å，相差达45%以上， 电价又不同，但Si—O、Al—O键性接近，键长亦接 近，仍能形成固溶体，在铝硅酸盐中，常见Al3+置换 Si4+形成置换固溶体的现象。
Solvent 溶剂
2
基本 特征
① 溶质和溶剂原子占据一个共同的 晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵 类型相同。
(2) Characteristic
② 有一定的成分范围——固溶度
solid solubility
Chapter2 Structure of Materials
材料化学ppt课件(完整版)
2. fHm代数值越小, 化合物越稳定。
3.必须注明温度，若为298.15K时可省略。
2022/1/10
标准摩尔反应焓变的计算 化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物 的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标
准摩尔生成焓的总和。 化学反应： cC + dD = yY + zZ • (任一物质均处于温度T的标准态)
第1篇 材料化学基本原理 第1章 热化学基础
课题1.1 热化学与反应热的测量
第1章 热化学基础
课题1.2 反应热的理论计算
新课引入
• 通常实验采用弹式量热计测得的是恒容反应热，但实际 反应多为恒压条件下进行，如何由Qv——Qp？两者关系 如何？
• 对于有些新反应难以实验测得，也无法由已有的实验数 据推算，该如何得到该类反应的反应热？
2022/1/10
化学反应的自发过程
自发过程
在一定条件下不需外界作功，一经引发就 能自动进行的过程。
要使非自发过程得以进行, 外界必须作功。
例如: 水总是自动地从高处向低处流,铁在 潮湿的空气中易生锈。
例如：欲使水从低处输送到高处，可借助 水泵作机械功来实现。
注意 ：能自发进行的反应，并不意味着其
rHm——摩尔反应焓变
2022/1/10
几者之间的关系
U = Q+ W
Qv= U, Qp.m = rHm， Qp= H （数值上相等）
Qp= U+p V= H U+pV= H p V= nRT
nB= ξv(Bg)
n= ξ∑v(Bg)
∑v(Bg)为反应前后气态物质化学计量数的变化
∴ Qp-Qv= p V =ξ∑v(Bg)·RT，（应用见习题）
材料的化学组成结构和构造PPT课件
f Pm a x A
第28页/共44页
• 材料的抗弯强度取决于外力作用形式的不同而不同。 • 此时抗弯（抗折）强度 N/mm2 (MPa) • 可按下式计算：
ft
3Pm a xL 2bh2
第29页/共44页
抗弯强度公式成立的条件：
•1.外力作用于1/2L处; •2.材料截面成矩形或正方形.
第30页/共44页
第34页/共44页
• 二、材料的变形—弹性和塑性
•1弹性变形：材料在外力作用 下产生变形，当外力消除后， 能够完全恢复原来形状的性质 称为弹性，这种变形称为弹性 变形。
•例如：钢材的变形先弹性变形
第35页/共44页
2塑性变形：
• 材料在外力作用下产生变形而不出现裂 缝，当外力消除后，不能够自动恢复原 来形状的性质称为塑性，这种变形称为 塑性变形。 • 例如：混凝土的变形是弹性和塑性变形 同时发生。
第12页/共44页
• 二、材料与水有关的性质 • 1.亲水性和憎水性——润湿角θ • 亲水性材料θ≤90°材料与水分子之间的 亲和力大于水本身分子之间的内聚力。 • 润湿角θ≤90°憎水性材料θ＞90°材料 与水分子之间的亲和力小于水本身分子之 间的内聚力，θ＞90°
第13页/共44页
2.吸水性——吸水率W吸 • 吸水性：材料在水中吸收水分的性质，以质量吸水率或体积吸水率表示。
•2、多孔状构造
•3、微孔状构造
•4、颗粒状构造
•5、纤维状构造
•
6
、
层
状
构
造 第2页/共44页
• 四、建筑材料的孔隙 • 材料实体内部和实体间常常部分被空 气占据，一般称材料实体内部被空气 所占据的空间为孔隙，而材料实体之 间被空气所占据的空间称为空隙。 • 材料的空隙状况由孔隙率、孔隙连通 性和孔隙直径三个指标来说明。
第28页/共44页
• 材料的抗弯强度取决于外力作用形式的不同而不同。 • 此时抗弯（抗折）强度 N/mm2 (MPa) • 可按下式计算：
ft
3Pm a xL 2bh2
第29页/共44页
抗弯强度公式成立的条件：
•1.外力作用于1/2L处; •2.材料截面成矩形或正方形.
第30页/共44页
第34页/共44页
• 二、材料的变形—弹性和塑性
•1弹性变形：材料在外力作用 下产生变形，当外力消除后， 能够完全恢复原来形状的性质 称为弹性，这种变形称为弹性 变形。
•例如：钢材的变形先弹性变形
第35页/共44页
2塑性变形：
• 材料在外力作用下产生变形而不出现裂 缝，当外力消除后，不能够自动恢复原 来形状的性质称为塑性，这种变形称为 塑性变形。 • 例如：混凝土的变形是弹性和塑性变形 同时发生。
第12页/共44页
• 二、材料与水有关的性质 • 1.亲水性和憎水性——润湿角θ • 亲水性材料θ≤90°材料与水分子之间的 亲和力大于水本身分子之间的内聚力。 • 润湿角θ≤90°憎水性材料θ＞90°材料 与水分子之间的亲和力小于水本身分子之 间的内聚力，θ＞90°
第13页/共44页
2.吸水性——吸水率W吸 • 吸水性：材料在水中吸收水分的性质，以质量吸水率或体积吸水率表示。
•2、多孔状构造
•3、微孔状构造
•4、颗粒状构造
•5、纤维状构造
•
6
、
层
状
构
造 第2页/共44页
• 四、建筑材料的孔隙 • 材料实体内部和实体间常常部分被空 气占据，一般称材料实体内部被空气 所占据的空间为孔隙，而材料实体之 间被空气所占据的空间称为空隙。 • 材料的空隙状况由孔隙率、孔隙连通 性和孔隙直径三个指标来说明。
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材料化学
新型结构材料
1. 高温结构材料 2. 轻型结构材料 3. 超低温材料 4. 超硬材料 5. 超塑性合金 6. 非晶态材料 7. 新制备方法开发的新材料 8. 工程塑料 9. 复合材料
1
材料化学
新型结构材料
1. 高温结构材料 1.1 超耐热合金 超耐热合金：在高温下能满意工作的金属材料。
航天飞机发动机的高 压氧涡轮泵和高压氢涡轮 泵上的叶片，都是高CrCo-W基耐高温合金，通 过定向凝固精密铸造制成。
9
材料化学
新型结构材料
1.2.2 非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷是由金属的碳化物、氮化物、
硅化物和硼化物等制造的陶瓷的总称。
（1）氮化物陶瓷
①氮化硅 ②Sialon陶瓷
③氮化硼陶瓷
系列化合物的总称
（2）碳化物陶瓷
10
材料化学
新型结构材料
实例1：氮化硅Si3N4 x(N)=3.0，x(Si)=1.8
结构：共价键，结构稳定 性能：硬度高，熔点高，绝缘性能好 合成方法：
度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1／5，
钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。
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材料化学
新型结构材料
主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。
用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻8％～16％。
如：B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg
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材料化学
新型结构材料
铝锂合金的生产工艺 •铸造法(IM)，应用最早。
各国生产的几种比较成熟的铸造铝锂合金： 美国的2090、2091和8090、8091, 英国的8090和8091, 法国的CP271(8090)和CP274(2091)， 前苏联的BAД23、01420、1421等。
13
材料化学
新型结构材料
性能 高硬度，弹性模量大，高强度，耐高温， 热膨胀系数小， 导热系数大耐热冲击性能好， 密度低，耐腐蚀，抗氧化， 机械自润滑，表面摩擦系数小， 电绝缘性好
14
材料化学
新型结构材料
实例2：氧化锆ZrO2
结构：室温稳定态 1170 ℃
单斜晶型
有体积收缩
高温亚稳态 四方晶型
作用：韧化氮化硅陶瓷材料
轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。
7
材料化学
新型结构材料
1.2 高温结构陶瓷
传统陶瓷
工业陶瓷
原料
粘土，石粉
碳化硅，氮化硅
工艺 耐热温度
用水拌和,成型干燥后 烧制
1300℃
磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或 直接高压成型,烧制
1500～2000℃
特征
易碎
坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐 蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性
• 热分解法 3Si(NH)2 → Si3N4+4NH3 3Si(NH2)4 → Si3N4+8NH3
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材料化学
新型结构材料
氮化硅(Si3N4)陶瓷，多晶材料 晶体结构：六方晶系， 有α和β 两相
α相——动力学上易生成，在1400~ 1800℃，高温下转化为β相
β相——结构对称性高，摩尔体积小， 是热力学稳定相
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材料化学
新型结构材料
高温材料需满足的条件 （1）高温下要有优良的抗腐蚀性 （2）在高温下要有较高的强度和韧性
形成金属: 第ⅤB族（V，Nb，Ta） 第ⅥB族（Cr，Mo，W） 高熔点金属 第ⅦB族（Mn，Tc，Re） 第 Ⅷ 族（Fe，Co，Ni）
耐热合金：以ⅤB～ⅦB副族元素和第Ⅷ族元素形 成的合金。
用途：制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、
永久性模具等机械构件。用于制造柴油
பைடு நூலகம்
机中发动机部件的受热面等
类型：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、
碳化硅陶瓷等。 15
材料化学
新型结构材料
2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt％左右）
及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强
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材料化学
新型结构材料
(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃
镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部
采用镍基合金制造
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• 硅氮结合法 3Si + 2N2 → Si3N4
• 还原氮化法 3SiO2+6C + 2N2 → Si3N4+6CO
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材料化学
新型结构材料
• 化学气相法 3SiCl4+4NH3 → Si3N4+12HCl
或 3SiH4+4NH3 → Si3N4 3SiH4+2N2H4 → Si3N4+10H2 3SiH4+2N2+6Cl2 → Si3N4+12HCl
材料化学
新型结构材料
（3）钴基合金：钴含量为40~60% 的奥氏体，可 在730~1100℃ 条件下使用。 耐热温度高。
一般钴基合金含10~22%Ni和20~30%Cr，以及 Mo，W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素， 含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。 应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽
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材料化学
新型结构材料
•粉末冶金法(PM) 优点：合金成分选择范围大，可获得微细的组织
和更好的性能，现处于研究开发阶段。 目前，美国联合信号公司采用这种方法研制 的644B合金的力学性能与现用航空航天铝合金相 当，但密度更低、比刚度更高，特别是具有优异 的低温性能。 预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器的 重要结构材料。
研究领域
高温燃气轮机
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材料化学
新型结构材料
结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及 氧化物与非金属氧化物的复合系统。 1.2.1氧化物陶瓷 (1)氧化铝陶瓷
一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料， Al2O3 含量 一般在75%~99%。 (2)ZrO2陶瓷
密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好， 抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。
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材料化学
新型结构材料
类型
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材料化学
新型结构材料
（1）铁基合金：高温下，铁氧化；构型转化。
铁基合金中各元素的作用
镍——形成稳定奥氏体的主要元素
铬——提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性
钼和钨——强化固溶体的晶界
铝、钛、铌——沉淀硬化作用
基体：奥氏体，主要强化相为
，
以及其他微量碳化物、硼化物。
铁基高温合金：适用于低于800℃的条件
新型结构材料
1. 高温结构材料 2. 轻型结构材料 3. 超低温材料 4. 超硬材料 5. 超塑性合金 6. 非晶态材料 7. 新制备方法开发的新材料 8. 工程塑料 9. 复合材料
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材料化学
新型结构材料
1. 高温结构材料 1.1 超耐热合金 超耐热合金：在高温下能满意工作的金属材料。
航天飞机发动机的高 压氧涡轮泵和高压氢涡轮 泵上的叶片，都是高CrCo-W基耐高温合金，通 过定向凝固精密铸造制成。
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材料化学
新型结构材料
1.2.2 非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷是由金属的碳化物、氮化物、
硅化物和硼化物等制造的陶瓷的总称。
（1）氮化物陶瓷
①氮化硅 ②Sialon陶瓷
③氮化硼陶瓷
系列化合物的总称
（2）碳化物陶瓷
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材料化学
新型结构材料
实例1：氮化硅Si3N4 x(N)=3.0，x(Si)=1.8
结构：共价键，结构稳定 性能：硬度高，熔点高，绝缘性能好 合成方法：
度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1／5，
钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。
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材料化学
新型结构材料
主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。
用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻8％～16％。
如：B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg
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新型结构材料
铝锂合金的生产工艺 •铸造法(IM)，应用最早。
各国生产的几种比较成熟的铸造铝锂合金： 美国的2090、2091和8090、8091, 英国的8090和8091, 法国的CP271(8090)和CP274(2091)， 前苏联的BAД23、01420、1421等。
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材料化学
新型结构材料
性能 高硬度，弹性模量大，高强度，耐高温， 热膨胀系数小， 导热系数大耐热冲击性能好， 密度低，耐腐蚀，抗氧化， 机械自润滑，表面摩擦系数小， 电绝缘性好
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新型结构材料
实例2：氧化锆ZrO2
结构：室温稳定态 1170 ℃
单斜晶型
有体积收缩
高温亚稳态 四方晶型
作用：韧化氮化硅陶瓷材料
轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。
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材料化学
新型结构材料
1.2 高温结构陶瓷
传统陶瓷
工业陶瓷
原料
粘土，石粉
碳化硅，氮化硅
工艺 耐热温度
用水拌和,成型干燥后 烧制
1300℃
磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或 直接高压成型,烧制
1500～2000℃
特征
易碎
坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐 蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性
• 热分解法 3Si(NH)2 → Si3N4+4NH3 3Si(NH2)4 → Si3N4+8NH3
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材料化学
新型结构材料
氮化硅(Si3N4)陶瓷，多晶材料 晶体结构：六方晶系， 有α和β 两相
α相——动力学上易生成，在1400~ 1800℃，高温下转化为β相
β相——结构对称性高，摩尔体积小， 是热力学稳定相
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材料化学
新型结构材料
高温材料需满足的条件 （1）高温下要有优良的抗腐蚀性 （2）在高温下要有较高的强度和韧性
形成金属: 第ⅤB族（V，Nb，Ta） 第ⅥB族（Cr，Mo，W） 高熔点金属 第ⅦB族（Mn，Tc，Re） 第 Ⅷ 族（Fe，Co，Ni）
耐热合金：以ⅤB～ⅦB副族元素和第Ⅷ族元素形 成的合金。
用途：制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、
永久性模具等机械构件。用于制造柴油
பைடு நூலகம்
机中发动机部件的受热面等
类型：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、
碳化硅陶瓷等。 15
材料化学
新型结构材料
2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt％左右）
及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强
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(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃
镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部
采用镍基合金制造
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• 硅氮结合法 3Si + 2N2 → Si3N4
• 还原氮化法 3SiO2+6C + 2N2 → Si3N4+6CO
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新型结构材料
• 化学气相法 3SiCl4+4NH3 → Si3N4+12HCl
或 3SiH4+4NH3 → Si3N4 3SiH4+2N2H4 → Si3N4+10H2 3SiH4+2N2+6Cl2 → Si3N4+12HCl
材料化学
新型结构材料
（3）钴基合金：钴含量为40~60% 的奥氏体，可 在730~1100℃ 条件下使用。 耐热温度高。
一般钴基合金含10~22%Ni和20~30%Cr，以及 Mo，W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素， 含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。 应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽
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新型结构材料
•粉末冶金法(PM) 优点：合金成分选择范围大，可获得微细的组织
和更好的性能，现处于研究开发阶段。 目前，美国联合信号公司采用这种方法研制 的644B合金的力学性能与现用航空航天铝合金相 当，但密度更低、比刚度更高，特别是具有优异 的低温性能。 预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器的 重要结构材料。
研究领域
高温燃气轮机
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新型结构材料
结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及 氧化物与非金属氧化物的复合系统。 1.2.1氧化物陶瓷 (1)氧化铝陶瓷
一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料， Al2O3 含量 一般在75%~99%。 (2)ZrO2陶瓷
密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好， 抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。
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材料化学
新型结构材料
类型
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材料化学
新型结构材料
（1）铁基合金：高温下，铁氧化；构型转化。
铁基合金中各元素的作用
镍——形成稳定奥氏体的主要元素
铬——提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性
钼和钨——强化固溶体的晶界
铝、钛、铌——沉淀硬化作用
基体：奥氏体，主要强化相为
，
以及其他微量碳化物、硼化物。
铁基高温合金：适用于低于800℃的条件