化學(xué)氣相沉積的概念精選(九篇)

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第1篇：化學(xué)氣相沉積的概念范文

關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對(duì)材料,特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開(kāi)發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。

近年來(lái),材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來(lái)在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。

1FGM概念的提出

當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過(guò)2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無(wú)能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來(lái)代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3]。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):

1)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;

4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。

2.2FGM的分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應(yīng)用

FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

功能

應(yīng)用領(lǐng)域材料組合

緩和熱應(yīng)

力功能及

結(jié)合功能

航天飛機(jī)的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機(jī)械部件

耐熱性機(jī)械部件

耐蝕性機(jī)械部件

加工工具

運(yùn)動(dòng)用具:建材陶瓷金屬

陶瓷金屬

塑料金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石金屬

碳纖維金屬塑料

核功能

原子爐構(gòu)造材料

核融合爐內(nèi)壁材料

放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料

耐熱材料遮避材料

耐熱材料遮避材料

生物相溶性

及醫(yī)學(xué)功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關(guān)節(jié)

人工內(nèi)臟器官:人工血管

補(bǔ)助感覺(jué)器官

生命科學(xué)磷灰石氧化鋁

磷灰石金屬

磷灰石塑料

異種塑料

硅芯片塑料

電磁功能

電磁功能陶瓷過(guò)濾器

超聲波振動(dòng)子

IC

磁盤(pán)

磁頭

電磁鐵

長(zhǎng)壽命加熱器

超導(dǎo)材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板壓電陶瓷塑料

壓電陶瓷塑料

硅化合物半導(dǎo)體

多層磁性薄膜

金屬鐵磁體

金屬鐵磁體

金屬陶瓷

金屬超導(dǎo)陶瓷

塑料導(dǎo)電性材料

陶瓷陶瓷

光學(xué)功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發(fā)光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導(dǎo)體

稀土類元素玻璃

能源轉(zhuǎn)化功能

MHD發(fā)電

電極;池內(nèi)壁

熱電變換發(fā)電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)電

太陽(yáng)電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬

金屬陶瓷

金屬硅化物

陶瓷固體電解質(zhì)

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究?jī)?nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。

4.1FGM設(shè)計(jì)

FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程[7]。

首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足使用條件的材料組合、過(guò)渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評(píng)價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:

1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);

2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;

3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過(guò)合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過(guò)控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡(jiǎn)單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡(jiǎn)稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：

SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過(guò)不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來(lái)得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來(lái)制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等離子噴涂法(PS)

PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過(guò)程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無(wú)需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基

體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會(huì)產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過(guò)程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過(guò)控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來(lái)獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)速度來(lái)控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過(guò)高,涂層表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過(guò)將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過(guò)程中,通過(guò)連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。

4.2.3.4電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場(chǎng)中,通過(guò)注入另一相的懸浮液使之混合,并通過(guò)控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場(chǎng)作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來(lái),最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為T(mén)iO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過(guò)控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過(guò)控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無(wú)須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過(guò)程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過(guò)加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對(duì)基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形變與馬氏體相變[8]

通過(guò)伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過(guò)施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對(duì)于位置測(cè)量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。

4.3FGM的特性評(píng)價(jià)

功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開(kāi)發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測(cè)定、機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測(cè)定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對(duì)熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前,日本、美國(guó)正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。

5FGM的研究發(fā)展方向

5.1存在的問(wèn)題

作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；

3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開(kāi)辟道路；

4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢(shì)[13、15、19-

20]

1）開(kāi)發(fā)的低成本、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的制備技術(shù)；

2）開(kāi)發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；

3）開(kāi)發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；

4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]

有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：

1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問(wèn)題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環(huán)境變化能力；

5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等

6結(jié)束語(yǔ)

FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開(kāi)發(fā)階段[8]。FGM的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國(guó)際化合作的方向發(fā)展。

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第2篇：化學(xué)氣相沉積的概念范文

1.1真空磁控濺射鍍鋁技術(shù)及方法

Al膜的制備方法依據(jù)成膜原理有3種：

（1）化學(xué)氣相沉積法是某一固體表面發(fā)生氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)沉積物過(guò)程的方法；

（2）溶膠凝膠法是化合物或氧化物的固化，是金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶液、溶膠、凝膠和熱處理生成的方法；

（3）物理氣相沉積法是基體表面沉積膜通過(guò)蒸發(fā)和濺射等使涂層材料氣化的成膜方法。鍍膜方法不同鍍鋁的效果也不同，每種方法本身又有若干種方法。磁控濺射沉積技術(shù)是低溫高速的濺射方法，相對(duì)于蒸發(fā)法其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成物體的個(gè)體物質(zhì)容易掌控，且鍍膜涂層細(xì)膩均勻，與基材體結(jié)合力強(qiáng)，適合材料表面薄膜生產(chǎn)。磁控濺射法有微波-ECR等離子體增強(qiáng)磁控濺射、交流反應(yīng)磁控濺射、射頻磁控濺射、直流反應(yīng)磁控濺射和脈沖磁控濺射等，這都是由磁控濺射采用不同的離子源決定的。這里采用物理氣相沉積法中的磁控濺射沉積方法，磁控濺射沉積技術(shù)通常使用的靶材為純鋁，濺射時(shí)鋁靶被Ar離子轟擊，這是由于通過(guò)電離Ar氣并引入正交電磁場(chǎng)的結(jié)果，濺射出Al離子沉積到基體材料表面制備出高阻隔納米Al膜新材料。實(shí)驗(yàn)觀察，沉積物在基材表面運(yùn)動(dòng)成核或成膜只有保持較高的能量才能實(shí)現(xiàn)，因此，濺射是最終將基材表面原子激發(fā)出來(lái)的復(fù)雜過(guò)程，是在離子與基材表面原子碰撞過(guò)程中發(fā)生能量與動(dòng)量轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

1.2鍍鋁瓦楞紙板制備各項(xiàng)必備條件

鍍鋁瓦楞紙板制備前實(shí)驗(yàn)要先選擇其面紙材料，對(duì)鍍鋁瓦楞紙板技術(shù)要求和制備后的防護(hù)層進(jìn)行處理。

1）紙基的選擇。運(yùn)用直流磁控濺射工藝制備紙基鍍Al膜，進(jìn)而制備鍍鋁瓦楞紙板，因此在選擇鍍鋁膜的基材時(shí)，要綜合各種因素，選擇的基材要充分滿足鍍Al膜的質(zhì)量要求。目前，較為廣泛地將PET，PA，PP等塑料基材用作磁控濺射制備Al膜，實(shí)驗(yàn)采用的基材為紙基鍍鋁膜。直流磁控濺射是“低溫”濺射相對(duì)二次濺射的方法，由于紙基材料的表面吸附能力弱且粗糙度高，與塑料薄膜基材比較Al膜沉積相對(duì)困難，本實(shí)驗(yàn)選擇高強(qiáng)度特種紙，因高強(qiáng)度特種紙與Al具有較好的親和力。為制備滿足使用需要的各種規(guī)格的鍍鋁瓦楞紙板，對(duì)高強(qiáng)度特種紙紙基材料進(jìn)行選擇時(shí)，相對(duì)穩(wěn)定的物理特性參數(shù)是各種紙基材料研究的重點(diǎn)，同時(shí)還要考慮提高紙基材料肌理感和質(zhì)感的視覺(jué)效果。依據(jù)試驗(yàn)測(cè)試高強(qiáng)度特種紙紙基材料的物理性能，這里選擇各種高強(qiáng)度特種紙作為紙基材料，其質(zhì)量為120g～250g不等，選用純木漿作為原材料，其表面紋理和圖案不同，紙面纖維均勻、伸縮小、強(qiáng)度高、物理性能良好。

2）鍍鋁瓦楞紙板結(jié)構(gòu)及材料技術(shù)要求。瓦楞紙板的結(jié)構(gòu)是由面紙、里紙、芯紙和加工成波形的瓦楞紙通過(guò)黏合而成的。瓦楞紙板根據(jù)瓦楞波紋的形狀、紙板的層數(shù)和瓦楞種類的不同大致分為3類[4]。由于構(gòu)成瓦楞紙板的瓦楞波形分為U形、V形及UV形，楞型有A，B，C，E及其復(fù)合楞，其中復(fù)合楞AB，BC，BBC兼?zhèn)淞烁鲉卫愕膬?yōu)點(diǎn)。為了提高瓦楞紙板的強(qiáng)度，選擇UV形多層復(fù)合楞瓦楞紙板為主要材料，使鍍鋁瓦楞紙板家具符合家具的類型、大小及主體框架結(jié)構(gòu)等實(shí)用特性。同時(shí)，對(duì)瓦楞紙?jiān)埖奈锢硇阅埽缙屏褟?qiáng)度、基重、環(huán)壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、防水性能等都有一定的要求。瓦楞紙板材料符合規(guī)定要求是鋁紙復(fù)合的關(guān)鍵，也是能否取得鍍鋁瓦楞紙板家具新材料的關(guān)鍵所在。鍍Al膜表面進(jìn)行SiOx防護(hù)層處理。制備鍍鋁瓦楞紙板采取直接鍍鋁方法，其高阻隔性納米鋁薄膜新型材料是利用真空磁控濺射鍍鋁技術(shù)所獲得的。必須提高鋁膜表面的耐磨性、阻燃性和可擦洗性等，改變Al膜本身耐磨性較低的狀況，從而改善瓦楞紙板的性能，因此這里采用和Al膜相同的工藝方法，對(duì)瓦楞紙板Al膜面紙進(jìn)行Si靶二次磁控濺射。將SiOx沉積在Al膜表面并進(jìn)行保護(hù)層處理，鍍SiOx提高瓦楞紙板Al膜的物理性質(zhì)和Al膜面紙質(zhì)量，同時(shí)使其仍然保留銀灰色Al膜色彩。實(shí)驗(yàn)采用射頻磁控濺射將SiOx沉積在Al膜表面，以提高Al膜的耐磨擦性，從而獲得高質(zhì)量的鍍鋁瓦楞紙板材料。

2鍍鋁瓦楞紙板家具的商業(yè)化應(yīng)用

2.1鍍鋁瓦楞紙板家具特點(diǎn)

鍍鋁瓦楞紙板家具以其鮮明的特點(diǎn)受到人們的喜愛(ài)。首先，鍍鋁瓦楞紙板所用原料和輔助材料都是無(wú)毒、無(wú)氣味的，有效避免了如人造板家具中甲醛等有毒氣體的揮發(fā)。鍍鋁瓦楞紙板家具其原材料有極少的鋁材料，容易處理，瓦楞紙板可降解和循環(huán)利用。其次，鍍鋁瓦楞紙板材料表面韌性好、耐折。和木質(zhì)家具比起來(lái)，優(yōu)越的阻隔性使其表面無(wú)龜裂現(xiàn)象。第三，鍍鋁瓦楞紙板具有防止家具氧化及防水、防潮等特點(diǎn)，鍍鋁防止其受潮和吸水，有效地改善了鍍鋁瓦楞紙板材料的物理性能，比涂飾保護(hù)漆的普通紙板家具表面具有更好的防潮耐水性。第四，鍍鋁瓦楞紙板材料的金屬光澤及肌理效果本身就具有裝飾性，鍍鋁時(shí)可根據(jù)不同家具的需要，將其表面加工成各種式樣圖案，或各具特色的鏤花使家具更加宜人。

2.2鍍鋁瓦楞紙板在概念家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

不同學(xué)者對(duì)概念家具設(shè)計(jì)有不同的解釋，但常見(jiàn)的觀點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)新的設(shè)計(jì)理念和新材料的使用，主張?jiān)谠O(shè)計(jì)家具時(shí)注重生產(chǎn)的可行性并采用先進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)品使用安全，造型美觀，經(jīng)濟(jì)合理。現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中的概念家具的魅力就在于，設(shè)計(jì)師根據(jù)當(dāng)時(shí)特定的物質(zhì)技術(shù)條件與時(shí)尚審美的需求，對(duì)某種家具提出概念或設(shè)想，并轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品投入市場(chǎng)，這不僅推動(dòng)了新技術(shù)、新材料與新工藝的進(jìn)步，還縮短了家具更新周期。狹義的概念家具設(shè)計(jì)是對(duì)新的家具設(shè)計(jì)潮流，即對(duì)現(xiàn)代主義家具設(shè)計(jì)的研究，其設(shè)計(jì)是個(gè)性化的，新思維和新風(fēng)格集中運(yùn)用，設(shè)計(jì)產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)、材料、功能、裝飾、技術(shù)等對(duì)藝術(shù)拓展和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有重要作用，體現(xiàn)后現(xiàn)代主義設(shè)計(jì)流派新的設(shè)計(jì)風(fēng)格。廣義的概念家具設(shè)計(jì)是以探求個(gè)性化開(kāi)發(fā)和新風(fēng)格組合，以及新的理念為目的，其創(chuàng)新性和探索性為以后的家具設(shè)計(jì)提供有益參考。概念家具設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)、別致的造型設(shè)計(jì)、時(shí)尚的理念設(shè)計(jì)和多功能互動(dòng)性設(shè)計(jì)等，因此涉及到設(shè)計(jì)外延的不斷擴(kuò)大，設(shè)計(jì)內(nèi)涵的不斷延伸，設(shè)計(jì)的立體表達(dá)中交叉融合了社會(huì)學(xué)、歷史學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)、工藝學(xué)和美學(xué)等學(xué)科。無(wú)論是概念家具還是實(shí)用家具，均可使用鍍鋁瓦楞紙板進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)的家具產(chǎn)品首先要具有良好的使用性，然后是時(shí)尚、耐用等其他需要。由于鍍鋁瓦楞紙板的材料特性，其家具開(kāi)發(fā)可廣泛應(yīng)用于易更換、價(jià)格低、重量輕、便于回收的中小型輕便家具，如鐘表、燈飾、凳子及小型書(shū)架等，適合用于時(shí)尚新穎的家居家具，如餐桌、茶幾、電視柜、椅子等，也可用于較厚重的現(xiàn)代家具，如櫥柜、書(shū)柜、立柜大型板式家具及輕巧綠色能夠重復(fù)利用的辦公家具，如文件柜、辦公桌椅、書(shū)立、檔案盒等，還可用于承重性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大型家具，如展示柜、工作臺(tái)，大型運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館使用的媒體桌和服務(wù)臺(tái)等，以及探索開(kāi)發(fā)美觀、實(shí)用、環(huán)保性強(qiáng)的兒童家具、休閑家具等，或者用于承載較大質(zhì)量的家具支撐底座，模塊或零部件等，還可根據(jù)不同群體和對(duì)象研制其他家具產(chǎn)品，滿足不同的消費(fèi)需要。

2.3鍍鋁瓦楞紙板概念家具設(shè)計(jì)

根據(jù)家具設(shè)計(jì)意圖，對(duì)所獲得的鍍鋁瓦楞紙板材料進(jìn)行分切和加工，可將其制備成各種中小型輕便鍍鋁瓦楞紙板家具產(chǎn)品。折疊結(jié)構(gòu)形式、層疊結(jié)構(gòu)形式、插接結(jié)構(gòu)形式和組合結(jié)構(gòu)形式及其工藝方法是鍍鋁瓦楞紙板概念家具設(shè)計(jì)的常用形式[13-15]。同時(shí)使用不同的鍍鋁瓦楞紙板制作家具時(shí)，應(yīng)根據(jù)家具特性確定其成形工藝，構(gòu)思結(jié)構(gòu)和進(jìn)行不同的造型設(shè)計(jì)。鍍鋁瓦楞紙板是由多層紙板復(fù)合而成的，如使用三層板制作家具，家具設(shè)計(jì)及加工工藝可根據(jù)特定需要，對(duì)鍍鋁瓦楞紙板進(jìn)行模切標(biāo)準(zhǔn)壓痕后通過(guò)折疊來(lái)實(shí)現(xiàn)，如鍍鋁瓦楞紙板插接結(jié)的構(gòu)凳子和桌子見(jiàn)圖1-2，采取折疊結(jié)構(gòu)形式，將鍍鋁瓦楞紙板面材模切成按照設(shè)計(jì)意圖事先設(shè)定好的造型，通過(guò)折疊構(gòu)成立體形態(tài)家具。

3鍍鋁瓦楞紙板概念家具拓展設(shè)計(jì)

3.1概念家具拓展設(shè)計(jì)創(chuàng)意思路

隨著科技的發(fā)展，創(chuàng)新材料和設(shè)計(jì)已成為各國(guó)研發(fā)的主題，設(shè)計(jì)師力圖采用不同類型的材料進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，富有想象力的設(shè)計(jì)構(gòu)思會(huì)形成具有生命力的家具。按此思路使用鍍鋁瓦楞紙板作為新型材料，采用模塊化家具組合的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于鍍鋁瓦楞紙板概念家具設(shè)計(jì)。組合家具是由標(biāo)準(zhǔn)零部件或若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模塊組合而成的，家具的整體功能可劃分為若干個(gè)子功能，整體功能通過(guò)不同的模塊或零部件組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代家具特別是板式家具的模塊化結(jié)構(gòu)，拆裝靈活，用途多樣，容易組合。模塊化組合家具可通過(guò)靈活切換模塊轉(zhuǎn)換功能，產(chǎn)生各種不同的使用方法或衍生新型家具來(lái)滿足需求差異，其制作過(guò)程應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)化、組合化、通用性等特征。組合模塊家具的種類眾多，如桌凳、茶幾、床等，家具的形態(tài)變得更加豐富多樣，功能性也得到更大程度的拓展。

3.2鍍鋁瓦楞紙板與其他材料的組合設(shè)計(jì)

鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)使用需要，配合其他材料，如設(shè)計(jì)鍍鋁瓦楞紙板模塊組合餐桌，這種設(shè)計(jì)充分發(fā)揮兩種不同材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，餐桌上部分桌面使用玻璃材料，餐桌下部分底座采用鍍鋁瓦楞紙板模塊。玻璃面材具有堅(jiān)硬、光滑、耐磨、耐燙、容易清洗的特點(diǎn)，鍍鋁瓦楞紙板塑造成各種所需形狀模塊的底座，具有較強(qiáng)的支撐作用。另外可根據(jù)設(shè)計(jì)餐桌面板大小自行決定底座標(biāo)準(zhǔn)模塊配置的多少。餐桌面板材質(zhì)、形狀和規(guī)格可依據(jù)消費(fèi)者需要，利用造型要素交合法提取造型要素，靈活派生多種設(shè)計(jì)方案。家具模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)踐方法，可開(kāi)發(fā)研制新功能模塊與部分通用模塊形成新家具，可用通用模塊和接口結(jié)構(gòu)組合成新家具，可通過(guò)部分通用模塊改型形成新家具，可以以通用為主與部分專用模塊構(gòu)成新家具，還可采用如木材、塑料、金屬、玻璃等不同質(zhì)地的材料進(jìn)行模塊組合成形。

3.3模塊化的應(yīng)用組合

模塊化是設(shè)計(jì)模塊作為標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的零部件靈活組成多種新家具的設(shè)計(jì)方法。以鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，還可按對(duì)家具不同使用價(jià)值的需求，來(lái)制作不同種類和規(guī)格的鍍鋁瓦楞紙板的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，并配合其他材料設(shè)計(jì)制作中小型家具。根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，結(jié)合鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，可選用層疊結(jié)構(gòu)形式的鍍鋁瓦楞板模塊，組合形成茶幾、長(zhǎng)條桌等家具。利用鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊為主要造型材料，結(jié)合多種其他材料，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)多種變化造型。選用鍍鋁瓦楞紙板和其他材料共同構(gòu)成概念家具時(shí)，可充分利用兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，推進(jìn)鍍鋁瓦楞紙板新材料的應(yīng)用。可將其應(yīng)用于制備各種中小型輕便紙板家具產(chǎn)品中。

4結(jié)語(yǔ)

第3篇：化學(xué)氣相沉積的概念范文

【關(guān)鍵詞】電子技術(shù) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù) 應(yīng)用

最近幾年，電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)等的飛速發(fā)展，推動(dòng)了各行各業(yè)的信息化進(jìn)程。在工業(yè)生產(chǎn)、建筑工程等領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)雖然可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，但是其本身的破壞性不僅會(huì)導(dǎo)致成本的增加，而且注定只能采用抽樣檢測(cè)的方法，在這種情況下，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

無(wú)損檢測(cè)，是指在盡可能避免對(duì)被檢測(cè)對(duì)象造成損傷，不破壞其內(nèi)部組織，不影響其使用性能的前提下，結(jié)合物理化學(xué)手段以及現(xiàn)代化的儀器設(shè)備，針對(duì)檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的缺陷和問(wèn)題。無(wú)損檢測(cè)是在工業(yè)化進(jìn)程不斷加快的背景下，基于電力電子技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，可以在一定程度上反映出國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，其重要性不容忽視。

無(wú)損檢測(cè)的目標(biāo)并非單純的分析被檢測(cè)對(duì)象的質(zhì)量和完整性，還可以為工藝技術(shù)的和改進(jìn)提供有效指導(dǎo)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的質(zhì)量及安全，同時(shí)，通過(guò)分階段的無(wú)損檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行處理，縮短了問(wèn)題處理的時(shí)間和消耗，能夠有效降低成本。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具備幾個(gè)比較顯著特點(diǎn)：

1.1 非破壞性

這也是無(wú)損檢測(cè)最為重要的特征，可以在有效剔除不合格產(chǎn)品的同時(shí)，避免損失，因此不會(huì)受到很大的限制，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇抽樣檢測(cè)或者全面檢測(cè)，更加靈活，更加可靠。

1.2 動(dòng)態(tài)性

無(wú)損檢測(cè)可以針對(duì)正在使用中的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)可以針對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行期的累計(jì)影響進(jìn)行定期考察，明確機(jī)構(gòu)的失效機(jī)理。

1.3 嚴(yán)格性

無(wú)損檢測(cè)需要專業(yè)的設(shè)備和人員，依照規(guī)范的流程進(jìn)行操作，才能保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.4 檢測(cè)結(jié)果分歧性

簡(jiǎn)單來(lái)講，就是在針對(duì)同一個(gè)試件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不同檢測(cè)人員可能會(huì)得到不同的結(jié)果，在這種情況下，需要通過(guò)“會(huì)診”的方式，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一。

2 基于電子技術(shù)下的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，可以將其分為兩種不同的類型：

（1）常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，包括超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)等，

（2）非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，包括紅外熱成像、導(dǎo)波檢測(cè)、聲發(fā)射、微波檢測(cè)以及光全息照相等。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求以及檢測(cè)對(duì)象，選擇合適的檢測(cè)方法。這里主要針對(duì)兩種比較常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 激光檢測(cè)技術(shù)

在無(wú)損檢測(cè)中，激光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較晚，不過(guò)由于其本身的獨(dú)特性能，發(fā)展速度較快，應(yīng)用范圍也在持續(xù)擴(kuò)大，逐步形成了許多全新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，推動(dòng)了無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展和繁榮。

2.1.1 激光全息無(wú)損檢測(cè)

這種技術(shù)是激光技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域最初的應(yīng)用，也是最為廣泛的應(yīng)用，可以針對(duì)被檢測(cè)物體施加外部荷載，檢測(cè)其不同部位的形變量，通過(guò)外部荷載加載前后的全息圖像疊加，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。

2.1.2 激光超聲無(wú)損檢測(cè)

相比較傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)，激光超聲檢測(cè)的具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，

（1）可以在不接觸被檢測(cè)對(duì)象的情況下，實(shí)現(xiàn)一定距離之外的檢測(cè)，因此不存在匹配和耦合等問(wèn)題；

（2）結(jié)合超短激光脈沖，能夠得到較高的時(shí)間分辨率和超短聲脈沖，實(shí)現(xiàn)寬帶檢測(cè)；

（3）聚焦簡(jiǎn)單，可以提升掃描和成效的效率。我國(guó)對(duì)于激光超聲無(wú)損檢測(cè)的研究起步較晚，目前可以實(shí)現(xiàn)高溫條件、放射環(huán)境、特殊工件等的檢測(cè)，而國(guó)外已經(jīng)將其應(yīng)用到復(fù)合材料檢測(cè)、化學(xué)氣相沉積等的實(shí)時(shí)檢測(cè)方面，表明該技術(shù)具備良好的發(fā)展前景。

2.2 超聲檢測(cè)技術(shù)

超聲檢測(cè)技術(shù)具有適用范圍廣、檢測(cè)深度大、靈敏度高、定位準(zhǔn)確、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，幾乎在所有的工業(yè)部門(mén)中都有著一定的應(yīng)用，工作頻率在0.4-5MHz之間，在一些特殊情況下，還可以被應(yīng)用到頻率要求在10-50MHz的特殊領(lǐng)域中，同樣能夠取得良好的檢測(cè)效果。

2.2.1 超聲導(dǎo)波技術(shù)

超聲導(dǎo)波技術(shù)在目前被用于大型固體、火箭客殼體以及航空結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，相比較傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)更加快速，結(jié)果也更加可靠。

2.2.2 聲發(fā)射技術(shù)

這是一種被動(dòng)式的檢測(cè)技術(shù)，材料或者構(gòu)件在內(nèi)力或者外力的作用下，自主發(fā)出聲波或者超聲波，通過(guò)對(duì)聲波的接收和評(píng)價(jià)，判斷結(jié)構(gòu)的完整性。聲發(fā)射技術(shù)是一種比較新穎的超聲檢測(cè)技術(shù)，常被用于材料及構(gòu)件裂縫的監(jiān)測(cè)分析、泄漏的檢測(cè)與定位以及構(gòu)件失效報(bào)警等。

2.2.3 非接觸超聲換能技術(shù)

常規(guī)的超聲檢測(cè)采用的均為接觸式換能，在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的局限性，而伴隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，非接觸超聲換能技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如靜電耦合法、電磁聲法、空氣耦合法以及激光超聲法等，前兩種方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及特殊的工業(yè)生產(chǎn)中有著良好的適用性，換能器與被檢測(cè)對(duì)象的距離較近，后兩種方法則可以進(jìn)一步拉大換能器與被檢測(cè)對(duì)象之間的距離，實(shí)現(xiàn)中距離甚至長(zhǎng)距離的無(wú)損檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，伴隨著社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，做好各種產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)非常重要，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以在保證被檢測(cè)對(duì)象使用性能和完整性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中存在的缺陷和問(wèn)題，不僅避免了不合格產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，還可以降低成本，推動(dòng)工藝技術(shù)的改革發(fā)展。近年來(lái)，伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也出現(xiàn)了許多全新的變化，檢測(cè)效率和檢測(cè)精度大大提高，受到了越發(fā)廣泛的重視。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

盧威（1980-），男，江西省永S縣人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)殡娮优c通信工程。

第4篇：化學(xué)氣相沉積的概念范文

一、電極

鋰離子電池納米電極存在一些潛在的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：（i）更好地釋放鋰嵌入和脫嵌過(guò)程中的應(yīng)力，提高循環(huán)壽命；（ii）可發(fā)生在塊體材料中不可能出現(xiàn)的反應(yīng)；（iii）更高的電極/電解液接觸面積提高了充/放電速率；（iv）短的電子輸運(yùn)路徑（允許在低電導(dǎo)或高功率下使用）；（v）短的鋰離子傳輸路徑（允許在低鋰離子傳導(dǎo)介質(zhì)或高功率下使用）。

缺點(diǎn)：（i）高比表面積帶來(lái)的不可預(yù)期的電極/電解液反應(yīng)增加，導(dǎo)致自放電現(xiàn)象，差的循環(huán)性能及壽命；（ii）劣等的顆粒包裝技術(shù)使其體積能量密度很低，除非開(kāi)發(fā)出一種特殊的壓縮工藝，否則會(huì)限制它的應(yīng)用；（iii）電極合成過(guò)程可能會(huì)更加復(fù)雜。

認(rèn)識(shí)了這些優(yōu)缺點(diǎn)，人們已經(jīng)加大在負(fù)極材料及最近展開(kāi)的正極材料的研發(fā)力度。

二、負(fù)極

儲(chǔ)鋰金屬存在的問(wèn)題

儲(chǔ)鋰金屬可部分重復(fù)地、在低電壓（相對(duì)于鋰）下進(jìn)行儲(chǔ)鋰反應(yīng)，它提供了比傳統(tǒng)石墨大得多的比容量。例如，鋰硅合金，飽和狀態(tài)下的分子式為L(zhǎng)i4.4Si，理論上可以達(dá)到4200mAh/g的比容量，而金屬鋰為3600mAh/g，石墨只有372mAh/g。但是，鋰的嵌入再加上相變會(huì)導(dǎo)致體積發(fā)生巨大的變化，產(chǎn)生的應(yīng)力致使金屬電極斷裂破碎，電阻增大，存儲(chǔ)電荷的能力驟降。盡管在合金化反應(yīng)中結(jié)構(gòu)的變化是很正常的，但人們依然努力去降低這一效應(yīng)以保持電極的完整性。

活潑/惰性納米復(fù)合（active/inactivecomposite）概念

該方法包含了兩種材料的混合，一種與鋰反應(yīng)，另一種作為惰性的局域緩沖。在這種復(fù)合材料中，活潑相納米級(jí)金屬團(tuán)簇被包裹在惰性非晶相基體中，在嵌鋰過(guò)程中很好地消除了產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而提高了合金化反應(yīng)的可逆性。將這一概念應(yīng)用到不同的體系中，結(jié)果顯示這些電極極大地提高了鋰電池的循環(huán)性能。

1999年ouMao等[2]發(fā)現(xiàn)機(jī)械合金化得到的Sn基復(fù)合材料Sn-Fe-C存在Sn2Fe和SnFe3C兩相，前一相中的Sn可以與Li發(fā)生反應(yīng)因而被稱為活潑相，而后一相卻幾乎不發(fā)生嵌鋰反應(yīng)因而被稱為惰性相。在兩相的協(xié)調(diào)作用下，循環(huán)80次容量幾無(wú)降低。

Si-C納米復(fù)合材料亦有類似功能[3,4]，2004年Novak,P等[5]在日本召開(kāi)的鋰電池會(huì)議中宣布其Si-C納米復(fù)合材料電極循環(huán)100次后比容量仍高達(dá)1000mAh/g，因而受到了非常的注目。

納米形貌特征對(duì)循環(huán)性能的貢獻(xiàn)

2005年3月份，AdvancedMaterials發(fā)表了對(duì)TiO2-B納米管或納米線的研究成果（B表示TiO2的類型而非硼元素）[6]。這種材料可由簡(jiǎn)單的水相合成途徑大量合成，直徑在40-60nm之間，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米。多晶TiO2-B納米管是一種優(yōu)秀的鋰嵌入載體，插鋰電位在1.5-1.6V，形成Li0.91TiO2-B（305mAh/g），具有優(yōu)異的可逆循環(huán)容量（循環(huán)100次后容量幾無(wú)降低）。有意思的是，它的比容量要優(yōu)于同種相的直徑跟納米線直徑相仿的納米粒子。

2003年Green,M等[7]發(fā)現(xiàn)表面納米柱磁電極因尺寸限制改變了顆粒的形變行為，減少了斷裂的產(chǎn)生，同樣顯示了優(yōu)異的可逆容量（循環(huán)50次后大部分柱狀結(jié)構(gòu)仍保持原樣）。

人們研究發(fā)現(xiàn)納米碳管的充放電容量可以超過(guò)石墨嵌鋰化合物理論容量的一倍以上。Z.H.Yang[8]發(fā)現(xiàn)用化學(xué)氣相沉積法制備的納米碳管容量可達(dá)700mAh/g，F(xiàn)rackowia[9]用Co/硅膠為催化劑在900℃下催化分解乙炔氣體得到的納米碳管的首次嵌鋰容量達(dá)到952mAh/g。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)與其它碳材料相比,納米碳管作為負(fù)極材料不僅存在電位滯后,而且存在明顯的雙電層效應(yīng)。

顆粒度的降低拓寬了人們對(duì)電極材料的選擇范圍

納米尺寸研究上的突破可能會(huì)迅速地改變?nèi)藗儗?duì)無(wú)機(jī)材料的化學(xué)/電化學(xué)反應(yīng)原有的認(rèn)識(shí)，原以為不滿足傳統(tǒng)鋰插層標(biāo)準(zhǔn)而被否決的材料現(xiàn)在卻值得重新思考了。這來(lái)自于2003年Larcher,D等所做的關(guān)于宏觀&納米級(jí)赤鐵礦顆粒與鋰的反應(yīng)活性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)[10]。納米級(jí)赤鐵礦顆粒（直徑20nm）在可逆插鋰過(guò)程中容量達(dá)0.6LiperFe2O3，而無(wú)相變發(fā)生；大顆粒赤鐵礦（直徑1-2um）當(dāng)插鋰容量達(dá)到0.03LiperFe2O3時(shí)便發(fā)生不可逆相變。

三、正極

納米正極材料使用中的穩(wěn)定性問(wèn)題仍待解決

人們對(duì)正極材料的研究遠(yuǎn)不如納米負(fù)極材料研究得透徹。傳統(tǒng)正極材料如LiCoO2，LiNiO2以及它們的固溶體納米粒子的使用致使與電解液的反應(yīng)大大增強(qiáng)，特別是在高溫區(qū)，從而出現(xiàn)了在微米級(jí)別正極材料的使用中未嘗遇到過(guò)的安全性問(wèn)題，如Mn的溶解，Jahn-Teller效應(yīng)，極化增大等。為了解決這些問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了大量的研究，其研究方向主要有：優(yōu)化設(shè)計(jì)合成方法、摻雜、進(jìn)行表面改性、優(yōu)化電解液來(lái)改善LiMn2O4和電解液的相容性等。鄭雪萍等在今年的《稀有金屬快報(bào)》上對(duì)LiMn2O4循環(huán)穩(wěn)定性衰減的原因進(jìn)行了分析并對(duì)當(dāng)然的解決辦法作了較好的綜述[11]。

調(diào)整電極材料形貌是增強(qiáng)電極容量的重要途徑

2000年Dong,W等[12]報(bào)道的V2O5氣溶膠（無(wú)規(guī)非晶高孔容材料）比多晶無(wú)孔的V2O5粉末具有更大的電活性容量。這些氣溶膠與電解液有很大的接觸面積，可以支持高頻工作，盡管由于過(guò)程中結(jié)構(gòu)的改變或非常易發(fā)生反應(yīng)的表面官能團(tuán)導(dǎo)致循環(huán)性能成為一個(gè)問(wèn)題。

插鋰反應(yīng)并不排斥相變的發(fā)生

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為要保持鋰電池快速可逆的電極反應(yīng)，必須使用插層化合物作為電極，而且，插鋰過(guò)程中不能發(fā)生相變，即插鋰過(guò)程是連續(xù)的固溶過(guò)程。然而，有越來(lái)越多的例子表明，盡管有相變的發(fā)生，鋰的嵌入仍是很容易的，如LiCoO2和Li4Ti5O12，特別是最終兩相有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)相似性時(shí)（如，只有Li的排序不同）。

2001年Robertson,A.D.等[13]發(fā)現(xiàn)具有α-NaFeO2結(jié)構(gòu)的層狀LiMnO2發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎郊饩Y(jié)構(gòu)時(shí)具有很好的循環(huán)性能，有>99.9%的容量恢復(fù)。該體系是靠開(kāi)發(fā)出的具有納米結(jié)構(gòu)的微米級(jí)顆粒的相變來(lái)釋放應(yīng)力的。尖晶石納米疇在立方和四方結(jié)構(gòu)之間來(lái)回轉(zhuǎn)變，所產(chǎn)生的應(yīng)力則由疇壁的滑移而釋放。納米疇是在層狀到尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)形成。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)這樣的納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)研磨的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)到尖晶石結(jié)構(gòu)的相變，也同樣得到了循環(huán)性能的增強(qiáng)[14]。

此外，碳包裹納米粒子的制備使所選擇的材料不再需要好的電導(dǎo)性能，也不再需要高的鋰擴(kuò)散系數(shù)，從而進(jìn)一步拓寬了電極材料的選擇范圍[15]。

四、電解液

鋰離子電池的進(jìn)展不僅需要電極性能的提高，也需要依靠電解液性能的增強(qiáng)。固態(tài)聚合物電解質(zhì)代表了電池所需性能的終極形式。最理想的聚合物電解質(zhì)是那些無(wú)溶劑薄膜形成的，如聚乙烯（乙烯氧化物），PEO和鋰鹽（LiX），如LiPF6或LiCF3SO3。然而這些材料在室溫下差的離子傳導(dǎo)性使之無(wú)法實(shí)現(xiàn)那么高的期望。

1998年，Croce,F.等[16]在Nature上宣告將納米級(jí)無(wú)機(jī)填充物分散于無(wú)溶劑、聚醚基的電解質(zhì)中，可以使其傳導(dǎo)性增加數(shù)個(gè)量級(jí)。電解質(zhì)輸運(yùn)性能提高的原因可用Maier開(kāi)發(fā)出的不同種類摻雜模型來(lái)解釋。可能與無(wú)機(jī)納米粒子的表面狀態(tài)跟聚合物鏈或鋰鹽陰離子之間發(fā)生的路易斯酸基交互作用有關(guān)。事實(shí)上，人們也在開(kāi)發(fā)其它可以達(dá)到高導(dǎo)率的聚合物電解質(zhì)。與這方面相關(guān)的有聚合物-鹽納米結(jié)構(gòu)和離子液體的控制[17]。

在30年里，人們一直相信聚合物電解質(zhì)中的離子導(dǎo)電只可能發(fā)生在非晶相，于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg之上。晶態(tài)的聚合物電解質(zhì)被認(rèn)為是絕緣的。但是現(xiàn)在的研究發(fā)現(xiàn)并不是這樣的。按6：1比例復(fù)合的PEO5：LiXF6晶態(tài)復(fù)合體（X=P，As,Sb）顯示出了離子導(dǎo)電性[18,19]。這說(shuō)明在電解質(zhì)中，就像前面提到的電極材料中一樣，控制材料維度使之達(dá)到納米級(jí)別會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。最近又有報(bào)道發(fā)現(xiàn)如果用其它一價(jià)或二價(jià)陰離子部分取代XF6離子，可以使晶態(tài)聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[20]。

五、商業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀[22]

正負(fù)極及電解液材料

國(guó)內(nèi)外鋰電池生產(chǎn)企業(yè)

國(guó)內(nèi)的中信國(guó)安盟固利、余姚金和、杉杉科技、國(guó)泰華榮等廠商在正極材料、負(fù)極材料、電解液市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力逐漸增強(qiáng)，而在隔離膜市場(chǎng)還需奮起直追。在下游鋰電池市場(chǎng)，深圳比亞迪、深圳比克、深圳邦凱科技、TCL金能等廠商已在全球鋰電池市場(chǎng)占據(jù)相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。中國(guó)已形成鋰電池相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在鋰電池材料的配套方面占有一定的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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第5篇：化學(xué)氣相沉積的概念范文

第一節(jié)鋼的熱處理原理

熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機(jī)械性能，延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強(qiáng)化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省和能源，而且能夠提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。

熱處理工藝分類：（根據(jù)熱處理的目的、要求和工藝方法的不同分類如下）

1、整體熱處理：包括退火、正火、淬火、回火和調(diào)質(zhì)；

2、表面熱處理：包括表面淬火、物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)等；

3、化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

熱處理的三階段：加熱、保溫、冷卻

一、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

加熱的目的：使鋼奧氏體化

（一）奧氏體（A）的形成

奧氏體晶核的形成以共析鋼為例A1點(diǎn)則Wc＝0.0218％（體心立方晶格F）Wc＝6.69％（復(fù)雜斜方滲碳體）當(dāng)T上升到Ac1后Wc＝0.77％（面心立方的A）由此可見(jiàn)轉(zhuǎn)變過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)C和Fe原子的擴(kuò)散，必須進(jìn)行鐵原子的晶格改組，即發(fā)生相變，A在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。有兩個(gè)有利條件①此相界面上成分介于鐵素體和滲碳體之間②原子排列不規(guī)則，空位和位錯(cuò)密度高。

a)形核b)長(zhǎng)大c)剩余滲碳體溶解d)奧氏體均勻化

（二）奧氏體晶粒的長(zhǎng)大

奧氏體大小用奧氏體晶粒度來(lái)表示。分為00，0，1，2…10等十二個(gè)等級(jí)，其中常用的1～10級(jí)，4級(jí)以下為粗晶粒，5-8級(jí)為細(xì)晶粒，8級(jí)以上為超細(xì)晶粒。

影響A晶粒粗大因素

1、加熱溫度越高，保溫時(shí)間愈長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。因此，合理選擇加熱和保溫時(shí)間。以保證獲得細(xì)小均勻的奧氏體組織。（930～950℃以下加熱，晶粒長(zhǎng)大的傾向小，便于熱處理）

2、A中C含量上升則晶粒長(zhǎng)大的傾向大。

二、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

生產(chǎn)中采用的冷卻方式有：等溫冷卻和連續(xù)冷卻

（一）過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

A在相變點(diǎn)A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相。

1、共析碳鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能

轉(zhuǎn)變曲線的建立示意圖

1）高溫珠光體型轉(zhuǎn)變：A1～550℃

（1）珠光體（P）A1～650℃粗層狀約0.3μm<25HRC

（2）索氏體（S）650～600℃細(xì)層狀0.1～0.3μm，25～35HRC

（3）屈氏體（T）600～550℃極細(xì)層狀約0.1μm，35～40HRC

2）中溫貝氏體型轉(zhuǎn)變：550℃～Ms

（1）上貝氏體（B上）550～350℃羽毛狀40～45HRC脆性大，無(wú)使用價(jià)值

（2）下貝氏體（B下）350~Ms黑色針狀45～55HRC韌性好，綜合力學(xué)性能好

（3）低溫馬氏體型轉(zhuǎn)變：Ms～Mf當(dāng)A被迅速過(guò)冷至Ms以下時(shí)，則發(fā)生馬氏體（M）轉(zhuǎn)變，主要形態(tài)是板條狀和片狀。（當(dāng)Wc＜0.2％時(shí)，呈板條狀，當(dāng)Wc＞1.0％呈針片狀，當(dāng)Wc＝0.2％～1.0％時(shí)，呈針片狀和板條狀的混合物）

（二）過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

1．共析碳鋼過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能

（1）隨爐冷P170～220HBS（700～650℃）

（2）空冷S25～35HRC（650～600℃）

2．馬氏體轉(zhuǎn)變

當(dāng)冷速>馬氏體臨界冷卻速度VK時(shí)，奧氏體發(fā)生M轉(zhuǎn)變，即碳溶于α—Fe中的過(guò)飽和固溶體，稱為M（馬氏體）。

1）轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：M轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行（Ms～Mf）,M轉(zhuǎn)變是在一個(gè)非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變(碳、鐵原子不能擴(kuò)散）,M轉(zhuǎn)變速度極快（大于Vk）,M轉(zhuǎn)變具有不完全性（少量的殘A）,M轉(zhuǎn)變只有α－Fe、γ－Fe的晶格轉(zhuǎn)變.

（2）M的組織形態(tài)

Wc（％）M形態(tài)σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC

0.1-0.25板條狀1020－1530820－13309－1760－18030－50

0.77片狀2350204011066

(3)M的力學(xué)性能

①M(fèi)的強(qiáng)度與硬度隨C的上升M的硬度、強(qiáng)度上升

②M的塑性與韌性：低碳板條狀M良好；板條狀M具有較高的強(qiáng)度、硬度和較好塑性和韌性相配合的綜合力學(xué)性能；針片狀M比板條M具有更高硬度，但脆性較大，塑、韌性較差。

圖5

第二節(jié)鋼的退火

1、概念：將鋼件加熱到適當(dāng)溫度(Ac1以上或以下)，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝稱為退火。

2、目的：

（1）降低硬度，提高塑性，

（2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷

（3）消除內(nèi)應(yīng)力

（4）為淬火作好組織準(zhǔn)備

3、類型：根據(jù)加熱溫度可分為在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又稱相變重結(jié)晶退火，包括完全退火、擴(kuò)散退火、均勻化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火。

（1）完全退火：

1）概念：將亞共析鋼（Wc＝0.3％～0.6％）加熱到AC3+（30～50）℃，完全奧氏體化后，保溫緩冷（隨爐、埋入砂、石灰中），以獲得接衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝稱為完全退火。

2）目的：細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、改善切削加工性能。

3）工藝：完全退火采用隨爐緩冷可以保證先共析鐵素體的析出和過(guò)冷奧氏體在Ar1以下較主溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。工件在退火溫度下的保溫時(shí)間不僅要使工件燒透，即工件心部達(dá)到要求的加熱溫度，而且要保證全部看到均勻化的奧氏體，達(dá)到完全重結(jié)晶。完全退火保溫時(shí)間與鋼材成分、工件厚度、裝爐量和裝爐方式等因素有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)率，退火冷卻至600℃左右即可出爐空冷。

4）適用范圍：中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等。

（2）球化退火

1）概念：使鋼中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火工藝稱為球化退火。

2）工藝：一般球化退火工藝Ac1+(10～20)℃隨爐冷至500～600℃空冷。

3）目的：降低硬度、改善組織、提高塑性和切削加工性能。

4）適用范圍：主要用于共析鋼、過(guò)共析鋼的刃具、量具、模具等。

（3）均勻化退火（擴(kuò)散退火）

1）工藝：把合金鋼鑄錠或鑄件加熱到Ac3以上150～100℃，保溫10～15h后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。

2）目的：消除結(jié)晶過(guò)程中的枝晶偏析，使成分均勻化。由于加熱溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)引起奧氏體晶粒嚴(yán)重粗化，因此一般還需要進(jìn)行一次完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過(guò)熱缺陷。

3）適用范圍：主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。

4）注意：高溫?cái)U(kuò)散退火生產(chǎn)周期長(zhǎng)，消耗能量大，工件氧化、脫碳嚴(yán)重，成本很高。只是一些優(yōu)質(zhì)合金鋼及偏析較嚴(yán)重的合金鋼鑄件及鋼錠才使用這種工藝。對(duì)于一般尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，因其偏析程度較輕，可采用完全退火來(lái)細(xì)化晶粒，消除鑄造應(yīng)力。

（4）去應(yīng)力退火

1)概念：為去除由于塑性變形加工、焊接等而造成的應(yīng)力以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火稱為去應(yīng)力退火。

2)工藝：將工件緩慢加熱到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保溫一定時(shí)間（1～3h）后隨爐緩冷至200℃，再出爐冷卻。

鋼的一般在500～600℃；鑄鐵一般在500～550℃超過(guò)550℃容易造成珠光體的石墨化；焊接件一般為500～600℃。

3）適用范圍：消除鑄、鍛、焊件，冷沖壓件以及機(jī)加工工件中的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定鋼件的尺寸，減少變形，防止開(kāi)裂。

第三節(jié)鋼的正火

1、概念：將鋼件加熱到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后；在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。

2、目的：細(xì)化晶粒，均勻組織，調(diào)整硬度等。

3、組織：共析鋼P(yáng)、亞共析鋼F+P、過(guò)共析鋼Fe3CⅡ＋P

4、工藝：正火保溫時(shí)間和完全退火相同，應(yīng)以工件透燒，即心部達(dá)到要求的加熱溫度為準(zhǔn)，還應(yīng)考慮鋼材、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備等因素。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對(duì)于大件也可采用吹風(fēng)、噴霧和調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達(dá)到要求的組織和性能。

5、應(yīng)用范圍：

1）改善鋼的切削加工性能。碳的含量低于0.25％的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時(shí)易于“粘刀”，通過(guò)正火處理，可以減少自由鐵素體，獲得細(xì)片狀P，使硬度提高，改善鋼的切削加工性，提高刀具的壽命和工件的表面光潔程度。

2）消除熱加工缺陷。中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件以及焊接件在加熱加工后易出現(xiàn)粗大晶粒等過(guò)熱缺陷和帶狀組織。通過(guò)正火處理可以消除這些缺陷組織，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。

3）消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。過(guò)共析鋼在淬火之前要進(jìn)行球化退火，以便于機(jī)械加工并為淬火作好組織準(zhǔn)備。但當(dāng)過(guò)共析鋼中存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物時(shí)，將達(dá)不到良好的球化效果。通過(guò)正火處理可以消除網(wǎng)狀碳化物。

4）提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼零件采用正火處理，達(dá)到一定的綜合力學(xué)性能，可以代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。

第四節(jié)鋼的淬火

1、定義：將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間。然后以適當(dāng)速度冷卻獲得M或B組織的熱處理工藝。2、目的：顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

3、淬火溫度的選擇

1）碳鋼的淬火加熱溫度由Fe－Fe3C相圖來(lái)確定，其目的是為了①淬火后得到全部細(xì)小的M；②淬火后希望硬度高。

①亞共析鋼Ac3+(30～50)℃,可獲得細(xì)小的均勻的M，如溫度過(guò)高則有晶粒粗化現(xiàn)象，淬火后獲得粗大的M，使鋼的脆性增大；如溫度過(guò)低則淬火后M+F，有鐵素體出現(xiàn)，淬火硬度不足。

②共析鋼與過(guò)共析鋼Ac1+(30～50)℃，由于有高硬度的滲碳體和M存在，能保證得到高的硬度和耐磨性。如果加熱溫度超過(guò)Accm將會(huì)使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，降低鋼的硬度和耐磨性；淬火溫度過(guò)高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有顯微裂紋的粗片狀馬氏體，使鋼的脆性增大。

2）合金鋼

①對(duì)含有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的強(qiáng)碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火溫度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，獲得較好的淬火效果.

②對(duì)含有促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素（如Mn等），淬火加熱溫度應(yīng)低一些，以防止晶粒粗大。

理想冷卻速度：650℃以上應(yīng)當(dāng)慢冷，以盡量降低淬火熱應(yīng)力。650～400℃之間應(yīng)當(dāng)快速冷卻，以通過(guò)過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域，避免發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。400以下至Ms點(diǎn)附近應(yīng)當(dāng)緩以盡量減小馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力。具有這種冷卻特性的冷卻介質(zhì)可以保證在獲得M組織條件下減少淬火應(yīng)力、避免工件產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。

4、淬火介質(zhì)

淬火介質(zhì)：鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點(diǎn)以下所用的冷卻介質(zhì)。常用的有三種：

水：650～400℃范圍內(nèi)冷卻速度較小，不超過(guò)200℃/s，但在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度又太大，在340℃最大冷卻速度高達(dá)775℃/s，很容易引起工件變形和開(kāi)裂。此外，水溫對(duì)水的冷卻特性影響很大，水溫升高，高溫區(qū)的冷卻速度顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻速度仍然很高。因此淬火時(shí)水溫不應(yīng)超過(guò)30℃，加強(qiáng)水循環(huán)和工件的攪動(dòng)可以加速工件在高溫區(qū)的冷卻速度。水雖不是理想淬火介質(zhì)，但卻適用于尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳鋼工件淬火。

油：在650～550℃內(nèi)冷卻較慢，不適用于碳鋼，300～200℃范圍內(nèi)冷很慢，有利于淬火工件的組織應(yīng)力，減少工件變形和開(kāi)裂傾向。與水相反，提高油溫可以降低粘度，增加流動(dòng)性，故可以提高高溫區(qū)的冷卻能力。但是油溫過(guò)高易著火，一般應(yīng)控制在60～80℃。適用于對(duì)過(guò)冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼。

水與油作為淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但均不是屬于理想的冷卻介質(zhì)。水的冷卻能力很大，但冷卻特性不好；油冷卻特性較好，但其冷卻能力又低。由于水是價(jià)廉、容易獲得、性能穩(wěn)定的淬火介質(zhì)，因此目前世界各國(guó)都在發(fā)展有機(jī)水溶液作為淬火介質(zhì)。美國(guó)應(yīng)用濃度為15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附劑、0.1％防泡劑的淬火介質(zhì)，以及國(guó)內(nèi)使用比較廣泛的新型淬火介質(zhì)有過(guò)飽和硝鹽水溶液等。它們的共同特點(diǎn)是冷卻能力介于水、油之間，接近于理想淬火介質(zhì)。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級(jí)淬火，常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小和變形要求嚴(yán)格的工件。

5、淬火方法（常用的淬火方法：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火）

1、單介質(zhì)淬火

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、應(yīng)用廣泛。

缺點(diǎn)：水中淬火變形與開(kāi)裂傾向大；油中淬火冷卻速度小，淬透直徑小，大件無(wú)法淬透。

2、雙介質(zhì)淬火

優(yōu)點(diǎn)：減少熱應(yīng)力與相變應(yīng)力，從而減少變形、防止開(kāi)裂。

缺點(diǎn)：工藝不易掌握，要求操作熟練。

適用于中等形狀復(fù)雜的高碳鋼和尺寸較大的合金鋼工件。

3、局部淬火

為了避免工件其它部分產(chǎn)生變形或開(kāi)裂，即可用局部淬火。

4、馬氏體分級(jí)淬火

優(yōu)點(diǎn)：使過(guò)冷奧氏體在緩冷條件下轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而減少變形。

缺點(diǎn)：只適用于尺寸較小的零件，否則淬火介質(zhì)冷卻能力不足，溫度也難于控制。

5、馬氏體等溫度淬火優(yōu)點(diǎn)：下貝氏體的硬度略低于馬氏體，但綜合力學(xué)性能較好，應(yīng)用廣泛。

6、鋼的淬透性與淬硬性

（一）淬透性：決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即應(yīng)該是全淬成馬氏體的深度。

1.影響淬透性因素

（1）鋼的化學(xué)成分。除Co以外的合金元素溶于奧氏體后，均能增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，降低馬氏體臨界冷卻速度，從而提高鋼的淬透性。

（2）奧氏體化條件。提高奧氏體的溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使奧氏體晶粒粗大，成分均勻，殘余滲碳體和碳化物的溶解徹底，使過(guò)冷奧氏體起穩(wěn)定，使C曲線越向右移，馬氏體臨界冷卻速度就越小，則鋼的淬透性越好。

2.淬透性表示方法。常用臨界直徑大小來(lái)定理的比較不同鋼種的淬透性大小。臨界直徑是指鋼材在某種介質(zhì)中淬冷后，心部得到全部馬氏體（或50％馬氏體）組織的最大直徑。用Dc表示。在同一冷卻介質(zhì)中，鋼的臨界直徑越大，其淬透性越好；但同一鋼種在冷卻能力大的介質(zhì)中，比冷卻能力小的介質(zhì)中所得的臨界直徑要大些。

牌號(hào)臨界直徑/mm

淬水淬油

4513～16.55～9.5

20Cr12～196～12

3.淬透性的實(shí)用意義：

1）淬透——性能均勻一致

2）未淬透——韌性降低

（二）鋼的淬硬性：鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度的能力。

值得注意的：鋼的淬透性與淬硬性是兩個(gè)不同的概念。淬透性好的鋼其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的鋼也可能是具有高的淬透性。

7、鋼的淬火缺陷及其防止措施

1.淬火工件的過(guò)熱和過(guò)燒

過(guò)熱：工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成奧氏體晶粒粗大的缺陷。

由于過(guò)熱不僅在淬火后得到粗大馬氏體組織，而且易于引起淬火裂紋，因此，淬火過(guò)熱的工件強(qiáng)度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆性斷裂。輕微的過(guò)熱可用延長(zhǎng)回火時(shí)間補(bǔ)救。嚴(yán)重的過(guò)熱則需進(jìn)行一次細(xì)化晶粒退火，然后再重新淬火。

過(guò)燒：淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或者發(fā)生氧化的現(xiàn)象。

過(guò)燒是嚴(yán)重的加熱缺陷，工件一旦過(guò)燒無(wú)法補(bǔ)救，只能報(bào)廢。過(guò)燒的原因主要是設(shè)備失靈或操作不當(dāng)造成的。高速鋼淬火溫度高容易過(guò)燒，火焰爐加熱局部溫度過(guò)高也容易造成過(guò)燒。

2.淬火加熱時(shí)的氧化和脫碳

淬火加熱時(shí)，鋼件與周?chē)訜峤橘|(zhì)相互作用往往會(huì)產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷。氧化使工件尺寸減小，表面光潔度降低，并嚴(yán)重影響淬火冷卻速度，進(jìn)而使淬火工件出現(xiàn)軟點(diǎn)或硬度不足等新的缺陷。工件表面脫碳會(huì)降低淬火后鋼的表面硬度、耐磨性，并顯著降低其疲勞強(qiáng)度。因此，淬火加熱時(shí)，在獲得均勻化奧氏體時(shí)，必須注意防止氧化和脫碳現(xiàn)象。在空氣介質(zhì)爐中加熱時(shí)，防止氧化和脫碳最簡(jiǎn)單的方法是在爐子升溫加熱時(shí)向爐內(nèi)加入無(wú)水分的木炭，以改變爐內(nèi)氣氛，減少氧化和脫碳。此外，采用鹽爐加熱、用鑄鐵屑覆蓋工件表面，或是在工件表面熱涂硼酸等方法都可有效地防止或減少工件的氧化和脫碳。

3.淬火時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力

有兩種情況：①工作在加熱或冷卻時(shí)，引起的熱應(yīng)力。

②由于熱處理過(guò)程中各部位冷速的差異引起的相變應(yīng)力。

當(dāng)兩力相復(fù)合超過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就變形；當(dāng)復(fù)合力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就開(kāi)裂。

解決辦法：①工件在加熱爐中安放時(shí)，要盡量保證受熱均勻，防止加熱時(shí)變形；

②對(duì)形狀復(fù)雜或?qū)嵝圆畹母吆辖痄摚瑧?yīng)緩慢加熱或多次預(yù)熱，以減少加熱中產(chǎn)生的熱應(yīng)力；

③選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)和淬火方法，以減少冷卻中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。

但淬火不是最終熱處理，為了消除淬火鋼的殘余內(nèi)應(yīng)力，得到不同強(qiáng)度、硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。鋼淬火后再經(jīng)回火，是為了使工件獲得良好的使用性能，以充發(fā)揮材料的潛力。所以淬火和回火是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。

第五節(jié)鋼的回火

1、定義：鋼件淬火后，再加熱到A1以下某一溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。

2、目的：

1）穩(wěn)定組織，消除淬火應(yīng)力

2）調(diào)整硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性

3、淬火鋼在回火時(shí)組織的轉(zhuǎn)變

1）馬氏體的分解（＞100℃）

2）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（200～300℃）

3）碳化物的轉(zhuǎn)變（250～450℃）

4）滲碳體的聚集長(zhǎng)大和鐵素體再結(jié)晶（＞450℃）

4、鋼在回火時(shí)性能變化

1）回火方法：

（1）低溫回火（150～250℃），組織是回火馬氏體，和淬火馬氏體相比，回火馬氏體既保持了鋼的高硬度、高強(qiáng)度和良好耐磨性，又適當(dāng)提高了韌性。硬度為58～64HRC，主要用于高碳鋼，合金工具鋼制造的刃具、量具、模具及滾動(dòng)軸承，滲碳、碳氮共滲和表面淬火件等。

（2）中溫回火（350～500℃），組織為回火屈氏體，對(duì)于一般碳鋼和低合金鋼，中溫回火相當(dāng)于回火的第三階段，此時(shí)碳化物開(kāi)始聚集，基體開(kāi)始回復(fù)，淬火應(yīng)力基本消除。硬度為35～50HRC，具有高的彈性極限，有良好的塑性和韌性，主用于彈性件及模具處理。

（3）高溫回火（500～650℃），組織為回火索氏體，硬度為220～330HBS。淬火和隨后的高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。因此，高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來(lái)制作汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床等承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，如曲軸、連桿、螺栓、機(jī)床主軸及齒輪等重要的機(jī)器零件。鋼經(jīng)正火后和調(diào)質(zhì)后的硬度很相近，但重要的結(jié)構(gòu)件一般都要進(jìn)行調(diào)質(zhì)而不采用正火。在抗拉強(qiáng)度大致相同情況下，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的屈服點(diǎn)、塑性和韌性指標(biāo)均顯著超過(guò)正火，尤其塑性和韌性更為突出。

2）回火時(shí)間：一般為1～3h

3）回火冷卻：一般空冷。一些重要的機(jī)器和工模具，為了防止重新產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形、開(kāi)裂，通常都采用緩慢的冷卻方式。對(duì)于有高溫回火脆性的鋼件，回火后應(yīng)進(jìn)行油冷或水冷，以抑制回火脆性。

5、回火脆性

第一類回火脆性：300℃左右，無(wú)法消除，低溫回火脆性。產(chǎn)生這類回火脆性的原因，一般認(rèn)為在此回火溫度范圍內(nèi)碳化物以斷續(xù)的薄片沿馬氏體片或馬氏體條的界面析出，這樣硬而脆的薄片與馬氏體間結(jié)合較弱，降低了馬氏體晶界處強(qiáng)度，因而使沖擊韌性降低。

第二類回火脆性：400～500℃，，高溫回火脆性。產(chǎn)生這類原因是由于經(jīng)高溫回火后緩冷通過(guò)脆化溫度區(qū)所產(chǎn)生的脆性。辦法：快冷；提高鋼的純潔度，減少有害元素的含量等。