区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法)
工程材料技术制备技术
定义纳米：纳米是一个长度单位，简写为nm。
1 nm=10-9 m=10 埃。
纳米材料：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9～10-7m)，或由它们作为基本单元构成的材料。
纳米技术：在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。
纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
直接沉淀法：原理是在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到纳米粉体。
共沉淀法：在混合的金属盐溶液（含有两种或两种以上的金属离子）中加入合适的沉淀剂，反应生成组成均匀的沉淀，沉淀经洗涤、热分解等处理得到高纯的超微粉体。
均匀沉淀法：均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。
水解沉淀法：水解法是在一定条件下使前驱物分子在水溶液体系进行充分水解，以制备氧化物超细粉体的方法。
水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。
溶剂热法：指在高压下将反应物和溶剂加热至一定温度，通过成核和生长，制备形貌和粒度可控的氧化物、非氧化物或金属超微粉体的过程。
将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶液（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料。
溶胶：溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之间。
凝胶：凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1%～3%之间。
溶胶-凝胶法：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。
区域熔化法的原理和方法
区域熔化法的原理和方法
区域熔化法（Zone Melting）是一种用于纯化材料的方法，其原理是利用材料在固相和液相之间的分配系数差异，通过反复熔化和凝固来逐渐纯化材料。
区域熔化法的方法包括以下几个步骤：
1. 准备材料：将待纯化的材料制备成长条状或圆柱状，并确定其初始纯度和杂质分布情况。
2. 建立电炉：根据材料的熔点和熔化温度范围，搭建一个恒温电炉，保证材料能够在适当的温度下熔化。
3. 设定熔化-凝固区域：在材料的一个区域内，升高温度使其熔化，然后控制温度降低使其凝固。
这个区域被称为“熔化-凝固区域”。
4. 移动熔化-凝固界面：通过调整电炉温度梯度，使熔化-凝固界面在材料中移动。
杂质通常会集中在此界面，当界面移动时，杂质被排除在新凝固的晶体中。
5. 反复重复：重复第3步和第4步，逐渐将杂质排除到材料的一侧，从而将材料分离成纯净的部分和富含杂质的部分。
区域熔化法的关键原理是材料的分配系数，即材料在固相和液相之间的分配情况。
通常情况下，杂质在液相中的溶解度较高，而在固相中的溶解度较低。
因此，当材料从液相凝固时，杂质会被排除到凝固的固相中，从而实现纯化的目的。
区域熔化法被广泛应用于半导体材料、金属合金和无机化合物等领域，可用于提高材料纯度、改善材料的结晶质量和控制杂质分布。
材料加工新技术与新工艺（详细版）
一、材料是人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器以及其他产品的物质，也可简单定义为：材料是可以制造有用器件的物质。
新材料是指那些新出现或正在发展之中的，具有优异性能或特定功能的材料。
材料的分类：（1）按化学结构或组成分类：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料；（2）按用途分类：即结构材料、功能材料、结构功能一体化材料。
二、材料技术：是关于材料的制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍。
从学科的观点来考虑，也可以将材料技术定义为：将材料科学和其他相关学科（如计算机、机械、自动控制）的知识应用于材料（制备）生产和使用的实际，以获得所需的材料产品、提高材料的使用效能的技艺。
2.2材料技术分类：（1）制备技术，如高分子材料合成技术、粉体制备、人工晶体、材料复合技术等；（2）成形与加工技术，如凝固成形、塑性加工、注射成形、连接技术等；（3）改质改性技术，如各种热处理技术、材料三束改性技术等；（4）防护技术，如涂层处理、钢板镀锌等；（5）评价表征技术，如力学性能试验、成形性试验、无损探伤、显微结构分析等；（6）模拟仿真技术，如组织性能预报、过程仿真技术等；（7）检测与监控技术，如在线检测技术、实时监控技术等。
三、材料加工技术3.1分类：（1）按照传统的三级学科进行分类，材料加工技术（方法）包括机加工（车钻刨铣磨等）、凝固加工（铸造）、粉末冶金、塑性加工（压力加工）、焊接（连接）、热处理等。
（2）按照被加工材料在加工时所处的相态不同进行分类，材料加工技术包括气态加工、液态加工（凝固成形）、半固态加工、固态加工。
3.2总体发展趋势，可以概括为三个综合，即过程综合、技术综合、学科综合。
3.3两个主要特征：（1）性能设计与工艺设计的一体化；（2）在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制。
3.4主要发展方向：（1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化；（2）发展先进的成形加工技术实现组织与性能的精确控制；（3）材料设计、制备与成形加工一体化；（4）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品；（5）发展计算机数值模拟和过程仿真技术，构建完善的材料数据库；（6）材料的智能制备与成形加工技术。
第八章 凝固新技术—定向凝固
西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态
金属冷却法（LMΒιβλιοθήκη 法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
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这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用
感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有
效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
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1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
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电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生 的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压 力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。 由于电磁约束成形定向凝固取消了粗厚、导热性能 查的陶瓷模壳、实现无接触铸造，使冷却介质可以直接 作用于金属铸件上，可获得更大的温度梯度，用于生产 无（少）偏析、组织超细化、无污染的高纯难熔金属及 合金，具有广阔的应用前景。
图 2 光学晶体CaF2 (左1:φ220×150mm).
金属单晶具有特殊的力学物理性能
2、 定向凝固原理
—如何实现定向凝固？
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合金固溶体凝固时的晶体生长形态 a) 不同的成分过冷情况
b) 无成分过冷
C) 窄成分过冷区间
平面晶
胞状晶
d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶 e) 宽成分过冷 内部等轴晶
材料合成与制备复习资料有答案
第一章溶胶-凝胶法名词解释1. 胶体(Colloid)：胶体是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的质量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
2. 溶胶：溶胶是具有液体特征的胶体体系，是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。
分散粒子是固体或者大分子颗粒，分散粒子的尺寸为1nm-100nm，这些固体颗粒一般由10^3个-10^9个原子组成。
3. 凝胶(Gel)：凝胶是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网络骨架，骨架孔隙中充满液体或气体，凝胶中分散相含量很低，一般为1%-3%。
4. 多孔材料：是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
一、填空题1.溶胶通常分为亲液型和憎液型型两类。
2.材料制备方法主要有物理方法和化学方法。
3.化学方法制备材料的优点是可以从分子尺度控制材料的合成。
4.由于界面原子的自由能比内部原子高，因此溶胶是热力学不稳定体系，若无其它条件限制，胶粒倾向于自发凝聚，达到低比表面状态。
5.溶胶稳定机制中增加粒子间能垒通常用的三个基本途径是使胶粒带表面电荷、利用空间位阻效应、利用溶剂化效应。
6.溶胶的凝胶化过程包括脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。
7.溶胶－凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。
8.搅拌器的种类有电力搅拌器和磁力搅拌器。
9.溶胶凝胶法中固化处理分为干燥和热处理。
10.对于金属无机盐的水溶液，前驱体的水解行为还会受到金属离子半径的大小、电负性和配位数等多种因素的影响。
二、简答题溶胶－凝胶制备陶瓷粉体材料的优点？制备工艺简单，无需昂贵的设备；对多元组分体系，溶胶-凝胶法可大大增加其化学均匀性；反应过程易控制，可以调控凝胶的微观结构；材料可掺杂的范围较宽（包括掺杂量及种类），化学计量准确，易于改性；产物纯度高，烧结温度低等。
第二章水热溶剂热法名词解释1、水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度（或接近临界温度），在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。
材料合成与制备
第1章溶胶－凝胶法(Sol-gel method)⏹胶体:分散相粒径很小的胶体体系,分散相质量忽略不计,分子间作用力主要为短程作用力.⏹溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之间。
⏹凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。
⏹溶胶－凝胶法：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。
凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
⏹水解度：是水和金属醇盐的物质的量之比。
⏹老化时间：从凝胶开始到凝胶干燥前的时间称为老化时间⏹利用溶胶凝胶法制备陶瓷粉体材料所具有的优点？1.工艺简单,无需昂贵设备;2.对于多组元系统,该法可以大大增加化学均匀性;3.易于控制,凝胶微观结构可调控;4.掺杂范围广,化学计量准确,易于改性;5产物纯度高,烧结温度低.第二章水热与溶剂热合成⏹水热法(Hydrothermal Synthesis)，是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热至临界温度（或接近临界温度），在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。
⏹溶剂热法（Solvothermal Synthesis）：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料。
⏹原为结晶：当选用常温常压下不可溶的固体粉末、凝胶或沉淀为前驱物时，如果前驱物和晶相的溶解度相差不是很大时，或者“溶解-结晶”的动力学速度过慢，则前驱物可以经过脱去羟基（或脱水），原子原位重排而转变为结晶态。
定向凝固技术
定向凝固技术1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未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，以获得具有特定取向柱状晶的技术。
定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。
1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。
从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。
下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。
（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。
Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：GL/v和GL·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。
前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。
成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。
但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。
定向凝固
工艺比较
工艺比较
几种新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法 超高梯度定向凝固技术(ZMLMC) 深过冷定向凝固技术 电磁约束成形定向凝固技术 激光超高温度梯度快速定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC)
ZMLMC法是采用区域熔化和液态金属 冷却相结合的方法。它利用感应加热,集中 对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地 提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷 却速率明显提高,导致凝固组织细化,大幅 度提高了合金的力学性能。
与传统定向凝固相比,深过冷定向凝固 有下述特点: (1)深过冷凝固与快淬急冷液态金属具 有相似的凝固机制,本质上均属快速凝固。 (2)定向凝固组织形成过程中的晶体 生长速度高,组织结构细小,微观成分偏析 程度低,促使铸件的各种力学性能大幅度提 高。目前,深过冷的研究还局限于纯金属或 简单的二元合金,如何获得具有一定外形的 零件是关系到该技术能否实用化的主要问 题。
第7章 定向凝固技术
定向凝固技术
定向凝固技术的特点
定向凝固设备与方法
定向凝固中温度场分布
定向凝固中浓度场分布 定向凝固界面稳定性
定向凝固技术的发展
从七十年代后期开始,与能源相关的设备, 如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相 应地用于这些设备的大型板类件激增。这些板 类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、 偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还 要求有较好锻造性能和焊接性能。这些苛刻的 要求对普通锭生产工艺提出了挑战。 正是在上述背景下,法国和日本在七十年 代末相继提出了小高径比、高冷却强度的定向 凝固锭技术。
液态金பைடு நூலகம்冷却法
影响因素： 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度 液态金属冷却剂的选择条件： 有低的蒸气压，可在真空中使用 熔点低，热容量大，热导率高 不溶解在合金中 价格便宜
区域熔炼的原理及应用
区域熔炼的原理及应用1. 概述区域熔炼（Zone Melting）是一种重要的材料制备方法，通过局部加热和液相迁移来改变材料的组成和纯度。
该方法可以去除杂质，提高材料的纯度和均匀性，广泛应用于半导体、光学材料、合金等领域。
本文将介绍区域熔炼的原理及其应用。
2. 区域熔炼的原理区域熔炼原理基于物质的分配系数，利用熔点差异来实现物质的分离与纯化。
当两种具有不同熔点的材料组成固溶体时，通过加热和控制温度梯度，使得一个区域处于液相，而其他区域保持固相。
在温度梯度的作用下，液体区域发生移动，带走杂质，并在材料中留下高纯度区域。
3. 区域熔炼的步骤区域熔炼通常包括以下步骤：3.1 制备材料首先，需要将原始材料制备成合适的形状和尺寸。
例如，在半导体领域中，通常使用柱状单晶作为原始材料。
3.2 设定温度梯度通过设定合适的加热温度和控制温度梯度，可以实现材料中液相的形成和移动。
温度梯度的控制对区域熔炼的成功非常重要。
3.3 加热材料在设定好的温度梯度下，需要对材料进行加热。
加热的目的是使材料中的某一区域达到熔点，形成液相区域。
3.4 液相的移动一旦出现液相，液体区域会受到温度梯度的作用逐渐移动。
在移动的过程中，液体会带走杂质并留下高纯度区域。
3.5 冷却与凝固移动的液体区域最终会到达材料的一端，然后在冷却的过程中逐渐凝固。
凝固后的区域将呈现高纯度特性。
4. 区域熔炼的应用区域熔炼具有广泛的应用前景，以下是一些常见的应用领域：4.1 半导体材料区域熔炼可以用于制备高纯度的半导体材料，提高材料的电性能和稳定性。
例如，在硅晶体的生长过程中，通过区域熔炼可以去除杂质，提高硅晶体的纯度。
4.2 光学材料在光学材料的制备过程中，区域熔炼可以用来去除色心、杂质等有害物质，提高材料的透明度和光学性能。
4.3 金属合金通过区域熔炼可以调控金属合金的组成和均匀度。
对于高品质合金的制备，采用区域熔炼可以提高合金材料的性能和稳定性。
4.4 半导体器件制备在半导体器件制备过程中，区域熔炼可用于生成具有特定杂质浓度的区域。
区域熔融法 -回复
区域熔融法-回复什么是区域熔融法以及它的原理和应用领域、工作步骤和相关技术、优点和局限性。
区域熔融法（Regional Melting Method）是一种通过集成多个传感器和控制器，对材料进行区域性加热和熔融的工艺方法。
它可以应用于各种领域，如材料加工、金属冶炼、熔化结晶、高温合金制备等。
区域熔融法的原理是基于局部加热和熔融的概念。
当材料需要被熔化的时候，通过加热器（如激光器、电磁感应器、火焰燃烧器等）在特定的区域进行加热。
这种局部加热的方式可以显著降低能量消耗，提高加工效率。
在区域熔融法中，工作步骤主要包括：预处理、传感器安装、加热和监控、控制系统优化和精调。
首先，需要对加工材料进行预处理，如去除杂质、调整化学成分等。
然后，在材料表面或内部安装传感器，用于监测加热过程的温度、压力和化学变化。
接下来，使用加热器对材料进行加热，并通过控制器对加热过程进行实时控制和监控。
最后，通过优化控制系统和调整相关参数，以达到预期的加热和熔融效果。
区域熔融法具有许多优点。
首先，它可以实现局部加热和熔融，避免了对整个材料进行加热的能量浪费。
其次，该方法具有精确控制加热温度和加热时间的能力，可以实现更高的加工质量和效率。
此外，通过使用多个传感器和控制器，可以实现多种材料的加工和熔融，具有很高的灵活性和适应性。
然而，区域熔融法也存在一些局限性。
首先，该方法的设备成本较高，需要多个传感器和控制器的集成。
其次，针对不同材料的加工需要进行个性化的设定和调整，从而增加了技术难度和操作复杂性。
此外，由于该方法需要使用高温和高能量的加热器，可能会导致材料的变形、损伤或剩余应力，从而影响加工质量。
尽管区域熔融法存在一些局限性，但它仍然是一种广泛应用于材料加工和金属冶炼领域的有效技术。
随着科学技术的进步和设备的改进，区域熔融法将继续发展，并在未来的应用中展示更大的潜力。
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区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）
该方法采用在距液固界面极近的位置处设置感应线圈进行强制加热，使金属局部熔化过热，产生的熔化区很窄，从而将液固界面位置下压，同时使液相中的最高温度尽量靠近凝固界面，启动抽拉装置，不断地向下抽拉熔化的试样进入液态合金中冷却。
ZMLMC定向凝固装置最高温度梯度可达1300K/cm，最大冷却速度可达50K/s，凝固速率可在61000μm/s内调节。
温度梯度G L的计算采用公式: G L= C/ V , 式中, C为冷却速率, 由合金液相线和固相线温度间的斜率近似代替; V 为凝固速率, 近似等于抽拉速率。
即, C= ( T L- T S) / t ( 1)
式中T L 液相线温度;
T S 固相线温度;
t 熔体从液相线温度冷却到固相线温度经过时间。
而温度梯度等于冷却速度( C)除以凝固界面前沿移动速度(V) ,
即G= C/ V ( 2)
将式( 1) 代入式( 2) 可以得到下式
G= T L− T S
V∙t( 3)
可以看出V ·t 即为铸件上某一点从液相线温度冷却到固相线温度所相对移动的距离。
ZMLMC超高梯度快速定向凝固试验装置。
该装置利用高频感应加热区域熔化和液态金属冷却相结合的技术,可使温度梯1200 K/ cm ,抽拉速度为2~ 6 000 m/ s。