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
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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
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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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• 化学气相法 3SiCl4+4NH3 → Si3N4+12HCl
或 3SiH4+4NH3 → Si3N4 3SiH4+2N2H4 → Si3N4+10H2 3SiH4+2N2+6Cl2 → Si3N4+12HCl
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（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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•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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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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类型
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（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