07新型结构材料

第7 章 新型结构材料
7 . 1 概 述
人 类 发 展 的 历 史 证 明 ， 结 构 材 料 是 社 会 进 步 的 物 质 基 础 ， 是 人 类 进 步 程 度 的 主 要 标 志 。 综 观 人 类 发
现 材 料 和 利 用 材 料 的 历 史 ， 每 一 种 重 要 材 料 的 发 现 和 广 泛 应 用 ， 都 会 把 人 类 支 配 和 改 造 自 然 的 能 力 提 高
到 一 个 新 水 平 ， 给 社 会 生 产 力 和 人 类 生 活 水 平 带 来 巨 大 的 变 化 ， 把 人 类 的 物 质 文 明 和 精 神 文 明 向 前 推 进
一 步 ， 所 以 结 构 材 料 的 发 展 构 成 了 材 料 发 展 历 史 的 主 线 ， 先 进 结 构 材 料 的 研 究 与 开 发 构 成 材 料 发 展 的 永
恒 主 题 。
7.1.1 结构材 料分类
结 构 材 料 按 物 理 化 学 属 性 分 ， 可 以 分 为 金 属 材 料 、 无 机 材 料 、 有 机 高 分 子 材 料 和 复 合 材 料 。
金 属 材 料 有 两 种 ： 纯 金 属 状 态 作 材 料 使 用 的 ， 如 用 作 导 电 体 的 铜 和 铝 ； 几 种 金 属 组 合 或 加 入 适 当 的
杂 质 成 分 以 改 善 其 原 有 特 性 使 用 的 ， 如 合 金 钢 和 铸 铁 等 。 金 属 的 键 合 无 方 向 性 ， 其 结 晶 多 是 立 方 、 六 方
的 最 密 堆 积 结 构 ， 富 于 延 展 性 ， 用 热 处 理 方 法 可 以 改 变 其 结 构 与 组 织 状 态 ， 赋 予 各 种 特 性 ， 是 用 途 广 、
用 量 最 大 的 一 种 材 料 。 除 特 殊 金 属 材 料 外 ， 一 般 情 况 下 都 存 在 着 由 于 腐 蚀 而 不 耐 久 的 问 题 。
无 机 材 料 是 由 多 种 元 素 以 适 当 的 组 合 形 成 的 数 目 庞 大 的 无 机 化 合 物 构 成 的 ， 包 括 以 硅 酸 盐 组 成 的 硅
酸 盐 材 料 ， 天 然 的 如 石 材 ， 人 造 的 如 水 泥 、 瓷 器 、 玻 璃 等 经 典 硅 酸 盐 材 料 。 单 质 的 碳 、 硅 和 锗 是 主 要 的
半 导 体 材 料 ， 现 已 独 立 成 为 材 料 的 一 个 分 支 。 2 0 世 纪 4 0 年 代 以 来 ， 不 断 出 现 新 型 的 无 机 材 料 ， 其 组 成 已
远 远 超 过 出 硅 酸 盐 的 范 围 ， 有 氧 化 物 、 氮 化 物 、 硼 化 物 、 . 硫 化 物 及 . 其 他 盐 类 和 单 质 。 无 机 材 料 多 是 由 兼
有 离 子 键 和 共 价 键 的 晶 体 构 成 ， 因 此 ， 该 材 料 的 一 般 特 性 是 硬 度 大 、 强 度 高 、 抗 化 学 腐 蚀 性 强 、 对 电 和
热 的 绝 缘 性 良 好 ， 但 其 致 命 的 缺 点 是 质 地 脆 。 近 年 来 公 认 的 纳 米 陶 瓷 ， 可 望 解 决 陶 瓷 的 脆 性 问 题 。
有 机 高 分 子 材 料 是 由 C - C 共 价 键 为 基 本 结 构 的 碳 氢 化 合 物 高 分 子 构 成 ， 天 然 的 如 木 材 、 皮 革 、 橡 胶 、
棉 、 麻 、 丝 等 都 属 于 这 一 类 。 2 0 世 纪 2 0 年 代 以 来 ， 已 陆 续 合 成 出 各 种 高 分 子 材 料 ， 极 大 地 扩 大 了 材 料 的
品 种 。 有 机 高 分 子 材 料 的 一 般 特 点 是 质 量 轻 、 耐 腐 蚀 、 绝 缘 性 良 好 、 易 于 成 型 加 工 ， 但 强 度 、 耐 温 性 和
使 用 寿 命 较 差 。
复 合 材 料 是 由 有 机 高 分 子 、 无 机 非 金 属 和 金 属 等 材 料 通 过 复 合 工 艺 而 组 成 的 一 种 多 相 材 料 ， 其 特 点
是 不 仅 保 持 原 组 分 的 部 分 特 性 ， 而 且 还 具 有 原 组 分 不 具 备 的 性 能 。 将 以 上 原 来 分 属 不 同 学 科 的 知 识 融 为
一 体 ， 是 近 年 来 材 料 发 展 的 新 趋 势 。
7.1.2 先进结 构材料 发展特点
7 . 1 . 2 . 1 结 构 材 料 的 复 合 化
结 构 材 料 一 般 数 量 大 ， 资 源 与 能 源 消 耗 高 ， 污 染 严 重 ， 对 可 持 续 发 展 具 有 决 定 性 作 用 。 结 构 材 料 性
能 的 提 高 ， 无 疑 会 减 缓 上 述 压 力 ， 性 能 的 提 高 、 使 用 寿 命 的 延 长 可 减 少 材 料 的 用 量 ， 特 别 对 运 载 机 械 来
说 ， 工 作 温 度 愈 高 ， 效 率 也 愈 高 ， 所 以 高 温 材 料 的 研 究 与 开 发 是 当 务 之 急 。 高 比 强 度 、 高 比 刚 度 ， 对 提
高 机 械 性 能 十 分 重 要 ； 耐 磨 、 耐 蚀 、 抗 疲 劳 、 抗 老 化 是 延 长 使 用 寿 命 的 关 键 ， 因 此 ， 在 材 料 的 发 展 中 ，
必 须 给 予 重 视 。 从 材 料 类 型 来 说 ， 金 属 材 料 在 2 1 世 纪 上 半 叶 仍 占 主 导 地 位 。 先 进 陶 瓷 材 料 要 进 一 步 提 高
韧 性 ， 降 低 成 本 。 有 机 材 料 以 其 再 生 资 源 的 优 势 和 优 异 性 能 ， 而 且 可 实 现 分 子 设 计 而 进 一 步 得 到 发 展 ，
先 进 复 合 材 料 类 型 很 多 ， 有 些 已 得 到 广 泛 应 用 ， 如 碳 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料 ； 有 的 因 价 格 高 ， 制 作 难
度 大 而 需 进 一 步 发 展 新 工 艺 ， 如 金 属 基 复 合 材 料 。 有 些 超 高 温 材 料 ， 如 碳 / 碳 复 合 材 料 ， 必 须 解 决 抗 氧 化
问 题 才 能 得 到 更 大 范 围 的 应 用 。
7 . 1 . 2 . 2 结 构 材 料 的 非 平 衡 态 化 （ 非 稳 定 化 ）
很 多 材 料 都 是 处 于 非 平 衡 态 的 ， 钢 就 是 其 中 之 一 。 而 这 里 所 指 的 非 平 衡 态 材 料 是 用 现 代 新 技 术 ， 如
离 子 注 入 、 激 光 处 理 及 其 它 快 冷 手 段 得 到 的 某 些 金 属 或 合 金 ， 它 们 一 般 处 于 饱 和 状 态 或 非 晶 态 ， 性 能 特
殊 。 这 不 但 在 实 用 方 面 已 制 得 很 多 新 型 高 性 能 材 料 ， 在 理 论 方 面 也 有 新 的 突 破 。
17 . 1 . 2 . 3 结 构 材 料 的 智 能 化
智 能 材 料 来 源 于 结 构 材 料 和 功 能 材 料 的 有 机 组 合 ， 高 技 术 的 要 求 促 进 了 智 能 材 料 的 研 制 ， 原 因 是 ：
① 材 料 科 学 与 技 术 已 为 智 能 材 料 的 诞 生 奠 定 了 基 础 ， 先 进 复 合 材 料 （ 层 合 板 、 三 维 及 多 维 编 织 ） 的 出 现 ，
使 传 感 器 、 驱 动 器 和 微 电 子 控 制 系 统 等 的 复 合 或 集 成 成 为 可 能 ， 也 能 与 结 构 融 合 并 组 装 成 一 体 ； ② 对 功
能 材 料 特 性 的 综 合 探 索 （ 如 材 料 的 机 电 耦 合 特 性 、 热 机 耦 合 特 性 等 ） 及 微 电 子 技 术 和 计 算 机 技 术 的 飞 速
发 展 ， 为 智 能 材 料 与 系 统 所 涉 及 的 材 料 耦 合 特 性 的 利 用 、 信 息 处 理 和 控 制 打 下 了 基 础 ； ③ 军 事 需 求 与 工
业 界 的 介 入 使 智 能 材 料 与 结 构 更 具 挑 战 性 、 竞 争 性 和 保 密 性 ， 使 它 成 为 一 个 高 技 术 、 多 学 科 综 合 交 叉 的
研 究 热 点 。
7 . 2 新 型 金 属 材 料
金 属 材 料 是 由 金 属 元 素 或 以 金 属 元 素 为 主 形 成 的 具 有 金 属 特 性 的 材 料 的 统 称 。 通 常 包 括 金 属 、 金 属
合 金 、 金 属 间 化 合 物 以 及 金 属 基 复 合 材 料 等 。
种 类 金 属 材 料 通 常 分 为 黑 色 金 属 、 有 色 金 属 和 特 种 金 属 材 料 ， 还 可 按 用 途 分 为 结 构 金 属 材 料 和 功
能 金 属 材 料 ， 按 生 产 工 艺 分 为 铸 造 金 属 、 变 形 金 属 、 粉 末 冶 金 材 料 和 喷 射 成 型 金 属 。
( 1 ) 黑 色 金 属 ： 包 括 含 铁 9 0 % 以 上 的 工 业 纯 铁 ， 含 碳 2 ～ 4 % 的 铸 铁 ， 含 碳 低 于 2 % 的 碳 素 结 构 钢 ， 各
种 用 途 的 合 金 结 构 钢 、 不 锈 钢 、 耐 热 钢 、 耐 蚀 钢 、 高 温 合 金 、 精 密 合 金 等 ， 以 及 铬 、 锰 及 其 合 金 。 工 业
中 应 用 最 多 的 是 钢 和 铸 铁 。
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( 2 ) 有 色 金 属 ： 包 括 密 度 小 于 4 . 5 g / c m 的 镁 、 铝 、 钛 等 及 其 合 金 ； 密 度 大 于 4 . 5 g / c m 的 铜 、 锌 、 锡 、
铅 、 羝 、 锑 、 锰 等 及 其 合 金 ， 还 包 括 难 熔 金 属 如 钨 、 钼 、 铌 、 钽 、 钒 等 及 其 合 金 ， 以 及 贵 金 属 如 金 、 银 、
铂 、 铑 等 及 其 合 金 。
( 3 ) 特 种 金 属 ： 包 括 不 同 用 途 的 结 构 和 功 能 金 属 材 料 ， 其 中 有 急 冷 形 成 的 非 晶 态 、 准 晶 、 微 晶 、 纳 米
晶 等 金 属 材 料 和 用 于 隐 身 、 抗 氢 、 超 导 、 形 状 记 忆 、 耐 磨 、 减 振 阻 尼 等 金 属 材 料 。
( 4 ) 铸 造 金 属 ： 通 过 铸 造 工 艺 成 型 ， 主 要 有 铸 钢 、 铸 铁 和 铸 造 有 色 金 属 。
( 5 ) 变 形 金 属 ： 通 过 塑 性 加 工 成 型 。 主 要 是 钢 和 有 色 金 属 。
( 6 ) 粉 末 冶 金 材 料 ： 通 过 粉 末 冶 金 工 艺 成 型 。 黑 色 金 属 和 有 色 金 属 都 可 制 成 粉 末 冶 金 材 料 及 制 品 。
( 7 ) 喷 射 成 型 金 属 ： 熔 化 的 金 属 液 体 通 过 喷 射 （ 超 声 ） 雾 化 沉 积 在 模 具 上 ， 形 成 一 定 形 状 、 组 织 和 性
能 的 零 件 或 毛 坯 。
性 能 在 生 产 加 工 和 使 用 过 程 中 ， 金 属 材 料 的 性 能 主 要 表 现 为 工 艺 性 能 和 使 用 性 能 。
工 艺 性 能 金 属 材 料 在 冶 金 、 铸 造 、 锻 压 、 焊 接 、 热 处 理 、 表 面 防 护 处 理 、 冷 加 工 等 工 艺 过 程 中 所
表 现 出 的 性 能 。 铸 造 的 工 艺 性 能 有 金 属 的 流 动 性 、 充 填 性 、 凝 固 收 缩 性 和 热 裂 性 等 。 锻 压 加 工 的 有 最 大
塑 性 、 变 形 温 度 范 围 、 最 大 变 形 程 度 、 锻 压 比 等 。 焊 接 的 有 工 艺 参 数 、 可 焊 性 、 接 头 强 度 、 热 影 响 区 、
残 余 应 力 、 变 形 等 。 热 处 理 的 有 工 艺 参 数 温 度 、 升 温 速 率 、 冷 却 速 率 、 淬 透 性 、 硬 化 曲 线 、 析 出 相 C 曲
线 等 。 表 面 处 理 的 有 工 艺 参 数 、 涂 层 厚 度 、 组 织 结 构 、 结 合 强 度 等 。 冷 加 工 的 有 车 、 铣 、 刨 、 磨 等 的 材
料 切 削 可 加 工 性 及 其 工 艺 参 数 和 表 面 完 整 性 等 。 通 常 根 据 材 料 的 工 艺 性 能 制 定 相 应 的 加 工 工 艺 制 度 ， 以
保 证 获 得 优 质 金 属 材 料 及 其 制 品 。
使 用 性 能 用 于 结 构 零 件 的 材 料 ， 根 据 不 同 的 使 用 温 度 、 应 力 、 环 境 介 质 等 条 件 ， 进 行 各 种 结 构 使
用 性 能 试 验 ， 提 供 设 计 与 使 用 性 能 数 据 。 使 用 性 能 参 数 主 要 有 抗 拉 、 屈 服 、 压 缩 、 弯 曲 、 扭 转 、 剪 切 、
蠕 变 、 疲 劳 、 持 久 等 各 种 强 度 ； 延 伸 率 、 断 面 收 缩 率 、 冲 击 韧 性 、 断 裂 韧 性 以 及 在 单 一 或 复 合 状 态 谱 载
下 裂 纹 扩 展 速 率 、 剩 余 强 度 、 低 循 环 疲 劳 寿 命 、 蠕 变 与 疲 劳 等 交 互 作 用 下 的 性 能 等 。
发 展 趋 势 世 界 各 国 为 适 应 高 技 术 发 展 的 需 要 ， 增 强 在 国 际 市 场 上 的 竞 争 力 ， 运 用 了 材 料 科 学 在 设
计 、 工 艺 和 测 试 技 术 方 面 的 最 新 成 果 ， 使 传 统 材 料 不 断 推 陈 出 新 ， 新 型 结 构 金 属 材 料 不 断 涌 现 。 金 属 材
料 的 发 展 主 要 表 现 在 两 个 方 面 ： 一 是 工 艺 技 术 方 面 ， 即 依 据 基 础 理 论 ， 利 用 电 子 计 算 机 进 行 合 金 设 计 ；
利 用 新 的 热 加 工 技 术 使 材 料 获 得 高 纯 度 、 低 偏 析 ； 利 用 快 冷 技 术 获 得 快 速 凝 固 金 属 和 合 金 ； 对 材 料 表 面
进 行 涂 层 和 改 性 ； 改 进 成 型 工 艺 ， 应 用 近 形 成 型 。 二 是 材 料 方 面 ， 进 一 步 开 发 和 应 用 金 属 间 化 合 物 、 金
2属 基 复 合 材 料 、 超 细 金 属 和 金 属 功 能 材 料 。
合 金 设 计 依 据 物 理 冶 金 、 力 学 冶 金 原 理 和 合 金 化 理 论 ， 以 及 成 分 、 组 织 、 工 艺 、 性 能 间 规 律 模 型 ，
采 用 计 算 机 模 拟 技 术 和 充 分 运 用 已 有 的 数 据 库 发 展 起 来 的 一 种 新 型 技 术 。 它 可 根 据 结 构 、 功 能 性 能 的 要
求 进 行 预 设 计 新 型 的 金 属 材 料 ， 如 具 有 耐 高 温 蠕 变 、 高 损 伤 容 限 、 超 塑 性 、 耐 腐 蚀 、 高 断 裂 韧 性 、 红 外
隐 身 、 阻 尼 减 振 等 材 料 。
高 纯 度 和 低 偏 析 为 满 足 现 代 高 技 术 发 展 的 需 要 ， 根 据 对 金 属 材 料 结 构 或 功 能 性 能 实 际 要 求 而 提 出
高 纯 度 和 低 偏 析 这 一 要 求 。 通 常 通 过 采 用 高 纯 原 材 料 、 炉 外 精 练 、 真 空 或 多 次 真 空 熔 炼 、 电 子 束 熔 炼 等
方 法 来 达 到 ， 例 如 低 S i 、 F e 含 量 的 高 纯 铝 合 金 ， 低 S 、 P 、 O 含 量 的 超 高 强 度 钢 ， 含 五 害 杂 质 （ P b 、 A s 、
S b 、 B i 、 S n ） 极 低 的 镍 基 合 金 等 ， 可 得 到 高 的 断 裂 韧 性 、 高 的 疲 劳 强 度 与 寿 命 等 。
在 金 属 材 料 发 展 中 ， 随 合 金 化 程 度 提 高 ， 偏 析 愈 趋 严 重 ， 组 织 不 均 匀 带 来 的 性 能 不 稳 定 ， 使 其 疲 劳
强 度 与 断 裂 韧 性 降 低 ， 恶 化 其 铸 造 、 锻 压 、 焊 接 等 加 工 性 能 ， 降 低 偏 析 的 方 法 通 常 有 预 热 处 理 均 匀 化 、
快 速 凝 固 、 超 声 雾 化 制 粉 末 等 ， 运 用 粉 末 法 已 使 高 合 金 化 的 铝 合 金 、 钛 合 金 、 高 温 合 金 等 成 为 系 列 合 金 。
快 速 凝 固 金 属 与 合 金 金 属 在 液 态 经 不 同 冷 却 速 度 可 结 晶 形 成 不 同 晶 态 。 冷 却 速 度 测 试 表 明 ： 砂 型
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铸 造 为 1 0 ～ 1 0 K / s ， 连 续 铸 锭 为 1 0 ～ 1 0 K / s ， 一 般 粉 末 为 1 0 ～ 1 0 K / s ， 快 速 凝 固 粉 末 为 1 0 ～ 1 0 K / s
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或 超 过 1 0 K / s ， 枝 晶 间 距 可 达 5 ～ 0 . 5 μ m 或 小 于 0 . 5 μ m 。 在 快 速 凝 固 下 ， 由 于 晶 体 大 量 生 核 ， 快 速 长 大 ，
可 研 制 出 非 平 衡 相 如 微 晶 （ 1 ～ 1 0 0 0 n m ） 、 纳 米 晶 （ 1 ～ 1 0 0 n m ） 。 当 冷 却 速 度 足 够 大 时 ， 因 晶 核 长 大 受
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抑 制 ， 可 直 接 形 成 非 晶 、 准 晶 。 冷 却 速 度 在 1 0 K / s 以 下 ， 金 硅 合 金 可 制 成 非 晶 态 结 构 ， 称 为 金 属 玻 璃 。
表 面 涂 层 与 改 性 金 属 材 料 在 制 成 产 品 使 用 时 ， 除 要 求 具 有 一 定 的 整 体 性 能 外 ， 还 要 求 具 有 耐 蚀 、
耐 磨 、 隔 热 、 润 滑 、 导 电 、 隐 身 、 光 反 射 和 化 学 相 容 性 等 。 因 此 ， 金 属 材 料 的 应 用 需 要 发 展 表 面 涂 层 和
改 性 技 术 。 它 是 旨 在 改 变 金 属 基 体 材 料 的 表 面 成 分 、 结 构 、 状 态 ， 赋 予 材 料 表 面 以 新 的 性 质 ， 同 时 又 要
保 持 整 体 性 质 不 变 。 涂 层 可 用 金 属 、 合 金 、 无 机 非 金 属 、 有 机 聚 合 物 和 各 种 复 合 材 料 。 涂 层 与 改 性 的 方
法 有 3 类 ： 化 学 与 电 化 学 法 如 浸 蚀 、 电 镀 、 阳 极 氧 化 、 磷 化 等 ； 物 理 方 法 如 物 理 气 相 沉 积 、 真 空 蒸 镀 、
溅 射 和 等 离 子 镀 涂 层 和 用 离 子 束 、 激 光 束 、 电 子 束 表 面 改 性 ； 机 械 法 如 热 喷 涂 、 喷 丸 和 挤 压 强 化 等 。 超
合 金 采 用 M C r A l Y + Z r O 热 障 涂 层 可 隔 热 1 5 0 ℃ 以 上 。 离 子 注 入 可 提 高 轴 承 钢 耐 磨 性 和 疲 劳 寿 命 。 采 用 三
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束 处 理 如 激 光 束 处 理 可 使 金 属 表 面 得 到 微 晶 、 非 晶 态 ， 同 样 使 耐 磨 性 和 疲 劳 性 能 明 显 提 高 。 未 来 将 进 一
步 发 展 多 功 能 的 梯 度 复 合 涂 层 与 表 面 改 性 技 术 ， 促 进 新 型 金 属 材 料 的 发 展 与 应 用 。
7.2.1 高温合 金
航 空 发 展 史 表 明 ， 材 料 科 学 每 一 次 新 的 技 术 突 破 ， 都 给 航 空 技 术 带 来 巨 大 影 响 ， 飞 行 器 性 能 得 到 大
幅 度 提 高 ； 有 时 ， 材 料 技 术 的 滞 后 发 展 ， 会 对 航 空 技 术 的 发 展 起 到 制 约 作 用 ， 使 它 失 去 良 好 的 物 质 保 证 ，
高 温 合 金 就 是 随 航 空 技 术 的 发 展 而 应 运 而 生 的 。
高 温 合 金 一 般 指 在 6 5 0 ℃ 以 上 具 有 很 高 强 度 并 耐 腐 蚀 、 耐 冲 刷 、 抗 氧 化 、 抗 蠕 变 和 疲 劳 性 能 的 金 属 材
料 。 这 类 材 料 主 要 包 括 F e 基 、 N i 基 和 C o 基 合 金 ， 其 中 N i 基 合 金 最 重 要 ， 在 发 动 机 中 应 用 最 广 。
高 温 合 金 的 使 用 始 于 2 0 世 纪 初 。 1 9 0 6 年 出 现 了 第 一 个 镍 铬 合 金 专 利 ； 1 9 2 9 年 开 始 在 镍 铬 合 金 中 加
入 少 量 铝 和 钛 来 提 高 高 温 性 能 ； 3 0 年 代 发 展 出 了 N i m o n i c 高 温 合 金 。 中 国 于 1 9 5 6 年 开 始 试 制 高 温 合 金 ，
到 8 0 年 代 已 有 近 百 个 合 金 牌 号 。 目 前 , 高 温 合 金 使 用 温 度 已 达 到 1 1 0 0 ℃ 。
为 了 进 一 步 提 高 高 温 合 金 的 耐 热 性 ， 对 单 晶 技 术 进 行 了 大 量 研 究 。 当 前 第 二 代 单 晶 已 获 得 应 用 ， 第
三 代 单 晶 即 将 出 现 。 第 二 代 单 晶 合 金 较 之 第 一 代 具 有 两 个 特 点 ： 一 是 加 入 铼 。 赋 予 合 金 极 好 的 高 温 强 度
和 热 稳 定 性 ； 二 是 加 入 钇 ， 使 合 金 抗 蚀 性 和 抗 氧 化 性 大 幅 度 提 高 。 用 于 涡 轮 部 件 ， 可 允 许 涡 轮 前 温 度 大
为 提 高 。 第 二 代 单 晶 P W A 1 4 8 4 合 金 、 R e n e ’ N 5 、 C M S X - 4 都 将 分 别 在 不 同 发 动 机 上 应 用 。 俄 罗 斯 的 单 晶
合 金 着 重 于 低 碳 合 金 ， 据 称 无 碳 单 晶 合 金 已 普 遍 用 于 发 动 机 。 尽 管 单 晶 合 金 力 学 性 能 较 高 ， 但 叶 片 生 产
成 本 及 检 验 成 本 也 高 ， 为 解 决 此 问 题 ， 美 国 几 家 大 航 空 公 司 研 制 成 功 了 第 二 代 定 向 柱 晶 合 金 ， 已 投 产 应
用 于 几 个 先 进 发 动 机 。 正 在 研 制 的 第 三 代 单 晶 主 要 是 在 第 二 代 单 晶 合 金 的 成 分 上 作 调 整 ， 它 将 比 第 一 代
单 晶 的 耐 温 性 提 高 近 9 0 ℃ ， 比 第 二 代 单 晶 提 高 2 8 ～ 5 6 ℃ ， 能 达 到 1 1 0 0 ℃ 。
粉 末 高 温 合 金 是 发 动 机 涡 轮 盘 的 主 要 材 料 。 多 年 来 ， 为 提 高 第 一 代 粉 末 盘 合 金 的 塑 性 、 疲 劳 寿 命 、
3可 靠 性 和 重 现 性 ， 从 制 粉 工 艺 到 制 盘 工 艺 作 了 很 多 工 作 。 现 在 以 R e n e ’ 8 8 D T 为 代 表 的 第 二 代 粉 末 盘 合
金 已 经 研 制 出 。 它 具 有 优 异 的 抗 蠕 变 性 能 、 损 伤 容 限 、 抗 拉 强 度 以 及 抗 裂 纹 扩 展 速 率 。 已 用 于 C F 6 - 8 0 E 、
C F M 5 6 - 5 C 2 发 动 机 的 高 压 涡 轮 盘 ， 在 下 一 代 民 航 发 动 机 G E 9 0 上 也 被 选 用 。
超 塑 成 型 高 温 合 金 也 令 一 些 航 空 工 业 公 司 感 兴 趣 ， 它 可 用 于 发 动 机 的 消 音 组 件 和 尾 喷 管 等 。 合 金 的
超 塑 性 使 之 有 可 能 制 造 大 型 复 杂 的 几 何 轮 廓 分 明 的 部 件 。 它 主 要 是 通 过 晶 粒 细 化 及 成 分 上 的 改 进 赋 予 超
塑 性 。 这 种 合 金 被 美 国 《 研 究 与 发 展 杂 志 》 评 为 1 0 0 种 重 大 技 术 新 产 品 之 一 。 目 前 可 提 供 较 薄 板 材 （ 厚
度 为 2 m m 以 下 ） 。
镍 铝 化 合 物 比 传 统 的 镍 基 高 温 合 金 熔 点 高 、 密 度 低 、 抗 氧 化 性 好 等 ， 是 大 有 发 展 前 途 材 料 。 目 前 研
究 最 广 的 金 属 间 化 合 物 是 N i A l 和 N i A l ， 当 前 研 究 重 点 是 克 服 两 种 材 料 室 温 塑 性 低 、 高 温 强 度 不 高 的 缺
3
点 。 研 究 发 现 ， 加 入 极 少 量 铁 或 镓 等 进 行 微 合 金 化 ， 对 N i A l 单 晶 的 室 温 塑 性 有 显 著 改 善 。 采 用 组 合 强 化
方 法 可 以 提 高 合 金 的 高 温 强 度 。 至 今 ， 还 未 有 塑 性 、 蠕 变 性 能 、 韧 性 和 强 度 综 合 性 能 达 到 要 求 的 半 商 品
化 的 镍 铝 金 属 间 化 合 物 出 现 。
生 产 工 艺 高 温 合 金 常 用 的 生 产 工 艺 有 冶 金 、 定 向 凝 固 、 热 加 工 和 热 处 理 。
高 温 合 金 的 冶 炼 常 根 据 合 金 成 分 和 使 用 要 求 ， 选 择 电 弧 炉 、 感 应 炉 、 真 空 感 应 炉 . 进 行 一 次 熔 炼 ， 或
用 真 空 自 耗 炉 或 电 渣 炉 对 母 合 金 进 行 重 熔 。 正 在 开 发 应 用 的 还 有 以 电 子 束 和 低 压 等 离 子 作 为 高 能 热 源 进
行 熔 炼 的 工 艺 。 通 常 ， 合 金 化 程 度 低 的 高 温 合 金 可 采 用 非 真 空 冶 炼 ， 其 优 点 是 设 备 费 用 低 ， 生 产 量 大 ，
价 格 便 宜 ； 缺 点 是 活 泼 元 素 难 控 制 ， 夹 杂 物 多 ， 易 产 生 冶 金 缺 陷 。 真 空 熔 炼 有 利 于 脱 气 、 脱 氧 和 去 除 低
熔 点 . 杂 质 ， 能 控 制 铝 、 钛 等 活 泼 元 素 含 量 ， 减 少 合 金 性 能 波 动 ， 提 高 成 材 率 ， 改 善 热 加 工 性 能 ， 提 高 力
学 性 能 。 二 次 重 熔 是 为 了 进 一 步 降 低 气 体 和 夹 杂 物 含 量 ， 使 组 织 致 密 ， 成 分 均 匀 ， 加 工 塑 性 好 ， 但 活 泼
元 素 成 分 较 难 控 制 。
定 向 凝 固 是 在 高 温 梯 度 （ 8 0 ℃ / c m 以 上 ） 下 制 备 定 向 结 晶 、 单 晶 和 定 向 共 晶 合 金 的 工 艺 方 法 。 适 宜 地
控 制 温 度 梯 度 和 凝 固 速 度 ， 可 得 到 平 面 状 、 胞 状 或 树 枝 状 组 织 。 前 者 性 能 最 好 ， 后 者 性 能 最 差 。
高 温 合 金 热 加 工 温 度 范 围 窄 ， 难 变 形 ， 须 经 多 次 加 工 热 变 形 。 用 水 压 机 锻 造 ， 可 避 免 冲 击 压 力 ， 对
加 工 变 形 抗 力 大 ， 尺 寸 大 的 部 件 有 利 。 难 变 形 合 金 可 用 包 套 轧 制 或 挤 压 ； 可 在 玻 璃 润 滑 剂 的 协 助 下 进 行
变 形 ； 也 可 用 变 形 和 热 处 理 配 合 进 行 的 机 械 热 处 理 或 细 晶 化 工 艺 。 超 塑 性 成 型 可 使 难 变 形 的 I N 1 0 0 铸 造
镍 基 合 金 延 伸 率 达 到 1 3 3 0 % 。
高 温 合 金 的 热 处 理 主 要 有 高 温 固 溶 处 理 、 低 温 固 溶 处 理 、 稳 定 化 中 间 处 理 和 时 效 处 理 。 高 温 固 溶 处
理 使 第 二 相 溶 解 并 调 整 晶 粒 ， 可 获 得 高 的 持 久 强 度 。 涡 轮 盘 等 工 作 部 件 需 要 高 的 屈 服 强 度 和 良 好 的 低 周
疲 劳 性 能 ， 可 采 用 低 温 固 溶 处 理 ， 有 时 增 加 一 次 温 度 稍 低 的 固 溶 处 理 ， 以 控 制 晶 界 碳 化 物 析 出 。 稳 定 化
中 间 处 理 是 在 比 时 效 较 高 的 温 度 下 进 行 ， 其 目 的 是 为 了 改 善 塑 性 。 最 后 的 时 效 处 理 是 使 强 化 相 从 过 饱 和
固 溶 体 中 呈 非 常 细 小 弥 散 的 形 态 析 出 ， 以 获 得 高 的 强 度 。
种 类 高 温 合 金 种 类 繁 多 ， 通 常 按 加 工 工 艺 分 为 变 形 高 温 合 金 、 铸 造 高 温 合 金 ， 即 粉 末 冶 金 高 温 合
金 、 机 械 合 金 化 高 温 合 金 、 定 向 凝 固 高 温 合 金 、 激 冷 高 温 合 金 等 ； 按 化 学 组 成 分 为 铁 基 高 温 合 金 、 镍 基
高 温 合 金 、 钴 基 高 温 合 金 ； 按 应 用 特 性 分 为 发 散 冷 却 材 料 和 低 膨 张 系 数 高 温 合 金 。
合 金 元 素 的 作 用 高 温 合 金 中 的 主 要 合 金 元 素 有 铬 、 钴 、 铝 、 钛 、 镍 、 铁 、 钼 、 钨 、 铌 、 钽 、 铪 、
铼 、 钒 、 锰 、 硅 ， 以 及 其 他 微 量 元 素 。
（ 1 ） C r 的 作 用 ： C r 主 要 是 增 加 抗 氧 化 及 耐 蚀 能 力 。 C r 可 在 合 金 表 面 生 成 一 层 连 续 、 致 密 的 附 着 性
良 好 的 C r 2 O 3 膜 ， 起 到 保 护 作 用 。 C r 可 固 溶 于 基 体 中 ， 与 合 金 中 的 C 形 成 C r 7 C 3 或 C r 2 3 C 6 型 碳 化 物 。 C r
量 过 高 能 促 进 脆 性 的 σ 相 生 成 ， 需 要 通 过 相 计 算 控 制 有 害 相 的 析 出 。
（ 2 ） C o 的 作 用 ： C o 在 镍 基 合 金 中 主 要 分 布 于 固 溶 体 中 ， 少 量 进 入 γ ’ 相 ， 可 降 低 层 错 和 蠕 变 速 率 。
C o 减 少 A l 和 T i 的 溶 解 度 ， 增 加 γ ’ 相 量 ， 并 增 加 C 的 固 溶 度 ， 减 少 C r 的 碳 化 物 析 出 。 C o 可 改 善 镍 基
合 金 的 塑 性 和 热 加 工 性 能 ， 但 如 果 控 制 不 当 也 会 促 进 有 害 相 的 析 出 。
（ 3 ） A l 和 T i 的 作 用 ： A l 和 T i 是 铁 基 和 镍 基 合 金 中 最 基 本 的 合 金 元 素 ， 可 形 成 重 要 的 强 化 相 γ ’ —
N i ( A l 、 T i ) 。 A l 和 T i 含 量 过 高 时 ， 会 生 成 对 性 能 不 利 的 β — N i A l 和 η — N i A l 相 ， 通 过 交 互 作 用 ， 促 进
3 3
其 他 有 害 相 的 析 出 。
4（ 4 ） N i 的 作 用 ： N i 在 铁 基 合 金 中 能 稳 定 γ ’ 相 ， 抑 制 β 和 η 相 的 析 出 ， N i 也 是 稳 定 α — C o 的 元 素 。
（ 5 ） F e 的 作 用 ： F e 在 镍 基 合 金 中 会 降 低 γ ’ 相 量 ， 导 致 合 金 强 度 和 塑 性 降 低 。 F e 强 烈 稳 定 α — C o ，
但 也 有 形 成 σ 相 的 倾 向 。
（ 6 ） M o 和 W 的 作 用 ： 加 入 镍 基 合 金 中 的 M o 和 W 进 入 基 体 ， 可 提 高 原 子 间 结 合 力 ， 扩 散 激 活 能
和 再 结 晶 温 度 ， 从 而 改 善 合 金 的 热 强 性 。 它 们 也 不 同 程 度 进 入 γ ’ 相 ， 提 高 γ ’ 相 及 其 热 稳 定 性 。 W 优
先 分 布 在 枝 晶 轴 上 ， 而 M o 则 集 中 于 枝 晶 界 。 M o 和 W 又 是 碳 化 物 形 成 元 素 ， 过 量 加 入 会 降 低 抗 氧 化 腐
蚀 性 能 和 增 加 析 出 T C P 相 的 倾 向 。 W 是 钴 基 合 金 的 基 本 强 化 元 素 之 一 ， W 和 C o 可 形 成 C o W 、 W C o
3 6 7
中 间 相 ， 并 进 入 碳 化 物 。
（ 7 ） N b 和 T a 的 作 用 ： N b 、 T a 与 C 有 很 大 亲 合 力 ， 形 成 稳 定 的 N b C 、 T a C ， 其 余 绝 大 部 分 进 入 γ ’
相 ， 置 换 其 中 一 部 分 A l 和 T i ， 提 高 其 热 稳 定 性 。 N b 和 T a 也 能 与 N i 分 别 形 成 N i N b 和 N i T a 。 N b 在 铁
3 3
基 合 金 中 形 成 γ ’ — N i N b ， 在 6 5 0 ℃ 以 下 对 强 度 有 利 。 加 T a 能 增 加 抗 氧 化 和 耐 蚀 能 力 ， 但 加 N b 却 有 相
3
反 的 作 用 。
（ 8 ） H f 的 作 用 ： H f 进 入 γ ’ 相 和 M C 相 ， 改 变 它 们 的 形 态 ， 同 时 使 晶 界 扭 曲 ， 阻 止 晶 界 滑 移 ， 提
高 力 学 性 能 ， 特 别 是 改 善 定 向 凝 固 镍 基 合 金 的 横 向 持 久 性 能 。
（ 9 ） R e 的 作 用 ： 在 单 晶 镍 基 合 金 中 加 入 R e ， 使 其 占 据 γ ’ 相 中 的 A l 的 位 置 ， 并 在 基 体 中 形 成 高
R e 的 原 子 团 簇 ， 这 有 利 于 提 高 合 金 的 强 度 和 持 久 寿 命 ， 增 强 合 金 的 抗 氧 化 和 耐 腐 蚀 性 能 。
（ 1 0 ） V 的 作 用 ： 加 V 的 目 的 是 改 善 合 金 热 加 工 塑 性 ， V 也 进 入 碳 化 物 相 。
（ 1 1 ） M n 和 S i 的 作 用 ： M n 和 S i 往 往 不 是 合 金 化 元 素 ， 而 且 S i 是 形 成 有 害 的 G - N i 1 3 T i 8 S i 6 的 关 键 元
素 ， 损 害 合 金 的 持 久 性 能 。 但 S i 可 提 高 抗 氧 化 腐 蚀 性 能 ， M n 可 稳 定 奥 氏 体 。
( 1 2 ) 微 量 元 素 的 作 用 ： 微 量 元 素 可 分 为 两 大 类 。 一 类 有 害 ， 一 类 有 益 。 作 为 有 害 杂 质 的 有 低 熔 点 元
素 硫 、 磷 、 铅 、 锡 、 锑 、 铋 、 砷 、 银 、 碲 、 铊 、 硒 、 镉 、 镓 、 锗 、 钠 、 汞 、 铟 、 钾 等 和 气 体 元 素 氢 、 氧 、
氮 ， 它 们 都 严 重 降 低 合 金 的 力 学 性 能 ， 要 严 格 控 制 其 含 量 。 研 究 发 现 ， 在 最 后 凝 固 区 ， 如 果 把 P 含 量 降
低 到 几 个 p p m ， 可 提 高 初 熔 温 度 ， 减 少 偏 析 ， 抑 制 镍 基 合 金 中 非 平 衡 （ γ + γ ’ ） 共 晶 和 铁 基 合 金 中 L a v e s
相 的 析 出 ， 提 高 持 久 强 度 。 有 益 元 素 有 碳 、 硼 、 锆 、 镁 、 钙 、 钇 、 铈 等 ， 起 到 晶 界 强 化 等 作 用 ， 单 加 入
量 要 合 适 。 研 究 发 现 ， M g 偏 聚 在 晶 界 、 相 界 面 和 γ ’ 相 内 ， 可 改 变 晶 界 形 态 ， 提 高 持 久 强 度 和 塑 性 ， 改
善 缺 口 敏 感 性 。
7.2.2 钛合金
元 素 钛 以 氧 化 物 形 式 发 现 于 1 7 8 9 年 ， 这 是 由 英 国 矿 物 爱 好 者 W ? 格 雷 戈 尔 在 黑 磁 铁 矿 砂 中 找 到 的 ，
称 之 为 “ 墨 纳 兴 ” 。 1 7 9 5 年 ， 德 国 化 学 家 M ? 克 拉 普 罗 特 在 研 究 矿 物 金 红 石 时 发 现 这 是 一 种 新 元 素 的 氧 化
物 ， 二 年 后 证 实 此 化 合 物 即 为 “ 墨 纳 兴 ” ， 并 命 名 组 成 此 氧 化 物 的 新 元 素 为 钛 （ T i t a n i u m ） 。 1 9 1 0 年 ，
亨 特 （ M . A . H u n t e r ） 使 用 前 人 的 实 验 方 法 ， 用 钠 还 原 高 纯 四 氯 化 钛 第 一 次 制 取 了 钛 （ 在 热 状 态 下 具 有 延
性 ， 而 在 冷 状 态 时 是 脆 性 的 ） 。 1 9 2 5 年 ， V ? 阿 尔 克 耳 （ V a n A r k e l ） 和 D ? 布 尔 （ D e B o e r ） 用 四 碘 化 钛 在
热 钨 丝 上 分 解 的 方 法 ， 制 取 了 完 全 可 延 性 （ 无 论 在 热 或 冷 状 态 ） 的 金 属 钛 。 1 9 3 8 年 ， 克 洛 尔 发 展 了 钛 的
制 取 技 术 ， 他 发 明 了 用 惰 性 气 体 氩 作 保 护 气 氛 以 防 止 钛 重 新 氧 化 的 镁 还 原 法 （ 用 镁 还 原 四 氯 化 钛 ） 。 美
国 自 1 9 4 8 年 由 杜 邦 公 司 开 始 以 该 方 法 工 业 规 模 生 产 海 绵 钛 ， 当 时 日 产 量 约 为 4 5 k g （ 合 年 产 量 1 6 t ） ， 以
后 随 着 钛 合 金 在 军 事 领 域 的 应 用 （ 如 现 代 作 战 飞 机 ） ， 其 产 量 逐 年 增 加 ， 1 9 4 8 年 为 1 6 t ， 1 9 5 7 年 为 1 0 0 0 0 t 。
前 苏 联 自 1 9 5 0 年 开 始 生 产 海 绵 钛 ， 日 本 自 1 9 5 2 年 开 始 生 产 海 绵 钛 。
钛 在 地 壳 中 的 质 量 分 数 为 0 . 6 0 % 。 其 分 布 序 列 为 第 九 位 ， 按 金 属 计 为 第 七 位 ， 如 按 结 构 金 属 计 为 第 四
位 ， 仅 次 于 铝 、 铁 、 镁 。 钛 由 于 具 有 比 强 度 高 、 耐 腐 蚀 等 一 系 列 优 良 特 性 ， 在 现 代 工 业 及 科 学 技 术 领 域
内 日 益 成 为 引 人 瞩 目 的 新 材 料 。
钛 由 矿 石 到 结 构 件 需 要 以 下 环 节 ： 矿 石 — — （ 冶 炼 ） — — 海 绵 钛 — — （ 成 形 工 艺 ） — — 结 构 件 。 随
着 冶 炼 技 术 的 提 高 ， 海 绵 钛 的 生 产 成 本 不 断 降 低 ， 这 为 钛 合 金 的 广 泛 应 用 奠 定 了 基 础 。 我 国 对 钛 及 钛 合
金 的 研 究 始 于 5 0 年 代 后 期 ， 经 过 几 十 年 的 研 究 发 展 ， 对 钛 的 合 金 化 、 组 织 、 性 能 有 了 深 入 的 认 识 ， 实 现
了 工 业 的 开 发 及 应 用 ， 在 国 民 经 济 生 活 中 逐 渐 得 到 重 视 。 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 节 约 能 源 、 减 少 环 境 污
5染 意 识 的 增 强 ， 钛 合 金 的 应 用 必 将 产 生 质 的 飞 跃 。
一 般 钛 合 金 使 用 温 度 不 超 过 5 0 0 ℃ ， 因 而 限 制 了 它 在 动 力 装 置 中 高 温 部 位 的 应 用 。 为 了 扩 大 钛 合 金 在
发 动 机 上 的 应 用 ， 可 以 通 过 合 金 化 手 段 来 提 高 钛 合 金 的 使 用 温 度 ， 最 典 型 的 事 例 是 以 钛 铝 金 属 间 化 合 物
作 为 高 温 结 构 材 料 进 行 的 研 究 及 应 用 。 金 属 间 化 合 物 的 研 究 已 具 有 悠 久 的 历 史 ， 但 将 其 作 为 高 温 结 构 材
料 进 行 研 究 是 近 2 0 年 的 事 。 在 广 泛 的 金 属 间 化 合 物 中 有 近 3 0 0 种 具 有 高 熔 点 及 高 的 比 性 能 ， 它 们 有 希 望
成 为 高 温 结 构 材 料 。 其 中 T i - A l 系 金 属 间 化 合 物 以 其 优 异 的 高 温 比 性 能 及 良 好 的 环 境 稳 定 性 而 最 有 希 望
成 为 高 温 结 构 材 料 。 美 国 N A S P 制 定 了 “ 综 合 高 性 能 透 平 发 动 机 技 术 （ I H P T E T ） ” 大 纲 ， 计 划 将 钛 铝 化
合 物 及 其 复 合 材 料 作 为 尖 端 重 点 I H P T E T 的 候 选 材 料 ， 日 本 I S I J 每 年 举 办 关 于 金 属 间 化 合 物 的 春 季 、 秋
季 学 术 会 议 ， 以 促 进 金 属 间 化 合 物 的 研 究 开 发 。
飞 机 用 钛 合 金 从 1 9 5 0 年 开 始 ， 首 先 在 美 国 F - 8 6 及 法 国 秃 鹰 I I 号 等 飞 机 上 少 量 应 用 ， 主 要 用 于 随 发
动 机 热 影 响 的 非 承 重 构 件 ， 以 后 逐 渐 转 向 减 轻 结 构 质 量 、 提 高 结 构 可 靠 性 、 改 善 飞 机 机 动 性 和 延 长 使 用
寿 命 。 我 国 在 飞 机 上 采 用 钛 合 金 是 从 J 7 上 开 始 的 ， 主 要 用 于 发 动 机 舱 的 隔 热 结 构 。 早 期 用 于 J 8 原 型 机 ，
Y 7 、 Y 8 用 钛 也 是 如 此 ， 其 应 用 情 况 见 表 7 - 0 1 。
表 7 - 0 1 钛 合 金 在 某 些 飞 机 上 的 应 用
机 型 材 料 牌 号 实 际 用 量
J 7 T A 2 T A 3 T C 4 9
J 8 T A 2 T A 3 T C 3 T C 4 6 8
Y 7 T C 1 5 6 . 8
Y 8 T A 2 T C 4 5 6 . 5
从 1 9 8 0 年 起 ， 开 始 进 行 研 制 飞 机 用 T C 4 钛 合 金 的 大 规 格 棒 材 和 受 力 构 件 。 通 过 几 年 努 力 ， 相 继 研 制
出 J 8 I I 飞 机 5 8 框 垂 尾 接 头 等 重 要 受 力 构 件 ， 并 顺 利 通 过 各 种 实 验 ， 经 受 了 飞 行 考 验 。 J 8 I I 采 用 T C 4 后 减
轻 质 量 1 7 . 6 9 k g ， 机 身 用 钛 量 从 2 . 8 6 % 提 高 到 3 . 9 7 % 。
在 作 战 飞 机 上 ， 整 流 器 壳 体 主 要 承 受 轴 向 力 、 气 动 钮 矩 、 机 匣 自 重 、 转 子 支 点 分 力 和 飞 机 机 动 飞 行
时 产 生 的 陀 螺 力 矩 的 分 力 。 此 外 ， 转 子 的 惯 性 力 和 惯 性 力 矩 也 通 过 支 承 传 递 到 整 流 器 壳 体 上 。 壳 体 承 受
的 负 荷 从 前 端 到 后 端 逐 渐 增 大 ， 工 作 温 度 逐 渐 升 高 。 低 压 第 二 、 第 三 级 壳 体 承 受 的 负 荷 较 小 ， 工 作 温 度
不 超 过 3 5 0 ℃ ， 高 压 第 四 ～ 第 五 、 六 ～ 七 级 壳 体 承 受 的 负 荷 较 大 ， 工 作 温 度 不 超 过 5 0 0 ℃ 。 各 级 整 流 器 壳
体 要 求 具 有 足 够 的 强 度 和 良 好 的 刚 度 ， 以 避 免 机 匣 与 转 子 叶 片 相 磨 擦 ， 保 证 压 气 机 长 期 、 可 靠 地 工 作 。
整 流 器 壳 体 是 7 0 0 m m 的 圆 环 件 。 若 用 变 形 钛 合 金 制 造 这 样 的 环 形 件 毛 坯 ， 必 须 经 过 铸 锭 、 开 坯 、 锻 造 、
冲 孔 ， 最 后 加 工 成 环 形 件 ， 工 艺 复 杂 ， 生 产 周 期 长 ， 毛 坯 加 工 余 量 大 ， 投 料 比 2 0 : 1 ， 材 料 利 用 率 仅 达 7 % ，
其 成 本 很 高 。 而 铸 造 钛 合 金 可 直 接 铸 出 环 形 件 ， 工 艺 简 单 ， 生 产 周 期 短 ， 毛 坯 大 大 精 化 ， 可 节 省 机 加 工
工 序 3 0 % ， 投 料 比 降 到 8 : 1 ， 材 料 利 用 率 可 达 3 0 % ， 相 对 而 言 其 成 本 较 低 。 Z T 4 （ T i - 6 A l - 4 V ） 工 作 温 度 在
3 5 0 ℃ 以 下 ， Z T 3 （ T i - 5 A l - 5 M o - 2 S n - 0 . 2 5 S i - 0 . 0 2 C e ） 工 作 温 度 在 5 0 0 ℃ 以 下 ， 它 们 属 ? ? ? 型 铸 造 钛 合 金 。 美
国 钛 铸 件 产 量 持 续 增 长 ， 原 因 是 熔 模 铸 造 工 艺 生 产 的 精 密 铸 件 的 用 量 迅 速 增 加 。 飞 机 喷 气 发 动 机 的 框 架
和 进 气 罩 等 部 位 ， 正 在 用 铸 造 的 组 装 件 代 替 传 统 的 锻 造 和 焊 接 组 合 件 。 美 国 空 军 与 精 密 铸 件 公 司 计 划 开
发 的 巡 航 导 弹 发 动 机 铸 造 转 子 组 装 件 ， 与 传 统 的 锻 造 或 机 加 工 工 艺 相 比 ， 可 节 约 费 用 4 5 % 左 右 。 1 9 8 6 年
以 来 ， 精 密 钛 铸 件 的 需 求 量 以 2 0 % 的 年 增 长 率 迅 速 增 加 。 1 9 8 6 年 的 需 求 量 由 1 9 8 0 年 的 1 7 0 吨 增 至 5 0 0
吨 。 精 密 铸 造 — — 热 等 静 压 技 术 的 联 合 使 用 ， 使 精 密 钛 铸 件 成 功 地 应 用 于 航 空 工 业 。 我 国 在 钛 合 金 铸 造
技 术 方 面 也 进 行 了 深 入 研 究 。 但 钛 合 金 铸 件 在 我 国 还 没 有 得 到 大 量 应 用 ， 这 是 因 为 钛 及 钛 合 金 的 熔 炼 技
术 复 杂 ， 成 本 昂 贵 。 但 随 着 经 济 的 发 展 ， 科 技 水 平 的 提 高 ， 我 国 钛 铸 造 技 术 的 发 展 迎 来 了 新 机 遇 。
德 国 材 料 研 究 所 K . W a g n e r 用 熔 模 精 密 铸 造 方 法 制 成 ? - T i A l 基 合 金 发 动 机 叶 片 ， 在 汽 轮 机 工 作 条 件 下
6（ 7 0 0 ℃ ， 1 6 , 0 0 0 r / m i n ） 成 功 地 进 行 了 旋 转 试 验 。 日 本 川 崎 重 工 和 大 同 特 殊 钢 公 司 宣 布 ， 用 精 密 铸 造 方 法
生 产 的 ? - T i A l 基 合 金 叶 轮 比 耐 热 合 金 叶 轮 达 到 1 1 0 , 0 0 0 r / m i n 的 时 间 缩 短 约 1 6 % ， 达 到 1 7 0 , 0 0 0 r / m i n 所 需 的
?
时 间 缩 短 2 6 % ， 充 分 地 体 现 了 - T i A l 基 合 金 的 比 性 能 优 势 。
根 据 钛 合 金 的 应 用 背 景 可 将 其 分 为 高 温 钛 合 金 、 结 构 钛 合 金 、 功 能 钛 合 金 等 等 。
高 温 钛 合 金 ： 研 制 高 温 钛 合 金 的 目 的 主 要 是 为 满 足 高 性 能 发 动 机 的 需 要 ， 即 用 钛 合 金 制 造 发 动 机 的
压 气 机 盘 、 叶 片 及 机 匣 等 部 件 。 这 类 部 件 要 求 合 金 具 有 良 好 的 高 温 强 度 、 蠕 变 强 度 和 高 温 热 稳 定 性 、 抗
疲 劳 性 能 ， 它 们 的 使 用 温 度 在 4 0 0 ～ 5 0 0 ℃ 范 围 内 ， 如 T i - 5 A l - 3 S n - 3 Z r - 1 N b - 0 . 3 M o - 0 . 3 S i - 0 . 2 G d ( T i 6 6 3 G ) ，
T i - 6 . 5 A l - 2 . 2 S n - 1 . 2 Z r - 2 M o - 2 . 2 N b - 0 . 2 S i - B - C e
- ( T i 7 7 1 5 c ) , T i - 5 . 5 A l - 4 . 2 S n - 2 . 2 Z r - 1 . 2 M o - 0 . 3 S i - N b （ T i 5 5 ） 。 ? ， ? 钛 合 金 的 使 用 温 度 很 难 超 过 6 0 0 ℃ ， 在 如
此 高 的 温 度 下 只 有 钛 铝 系 金 属 间 化 合 物 ， 如 T i A l 基 合 金 和 T i A l 基 合 金 才 能 胜 任 。 ? - T i A l 基 合 金 不 仅 高
3
温 比 性 能 高 ， 而 且 抗 氧 化 能 力 比 普 通 钛 合 金 、 ? - T i A l 基 合 金 高 ， 如 表 7 - 0 2 所 示 ， 是 理 想 的 高 温 结 构 材
2 3
料 。
? ?
表 7 - 0 2 - T i A l 基 合 金 与 - T i A l 基 合 金 、 T i 基 合 金 、 N i 基 合 金 的 性 能 比 较
2 3
? - T i A l ? - T i A l
2 3
性 能 T i 基 合 金 N i 基 合 金
基 合 金
基 合 金
密 度 4 . 5 4 4 . 1 5 ～ 4 . 7 3 . 7 6 ～ 3 . 9 8 . 3
弹 性 模 量 ， G P a 9 6 ～ 1 1 0 1 1 0 ～ 1 4 5 1 6 0 ～ 1 8 0 2 0 7
蠕 变 极 限 温 度 ， ℃ 5 4 0 7 3 0 1 0 3 8 1 0 9 0
氧 化 极 限 温 度 ， ℃ 5 9 0 7 0 5 1 0 3 8 1 0 9 0
室 温 塑 性 ， % 1 5 2 . 4 1 ～ 3 3 ～ 1 0
高 温 塑 性 ， % / ℃ 1 5 ～ 5 0 1 0 ～ 2 0 / 6 6 0 1 0 ～ 6 0 0 / 8 7 0 2 0 ～ 8 0 / 8 7 0
9 0 0 ℃ 弹 性 模 量 ， G p a - 9 0 ～ 1 1 0 1 4 0 1 4 0 ～ 1 5 0
断 裂 寿 命 ， H r
（ 2 7 0 M p a / 7 6 0 ℃ ） - 2 0 7 5 ～ 2 6 0 6 0
抗 拉 强 度 ， M P a 4 8 0 ～ 1 2 0 0 8 0 0 ～ 1 1 4 0 4 5 0 ～ 7 0 0 1 2 5 0 ～ 1 4 5 0
屈 服 强 度 ， M P a 3 8 0 ～ 1 1 5 0 7 0 0 ～ 9 0 0 4 0 0 ～ 6 3 0 8 0 0 ～ 1 2 0 0
结 构 钛 合 金 ： 一 般 指 强 度 比 较 高 而 使 用 温 度 低 于 4 0 0 ℃ 的 钛 合 金 。 随 着 大 容 量 汽 轮 机 组 的 发 展 ， 末 级
叶 片 的 长 度 在 不 断 增 加 ， 叶 身 自 重 也 相 应 增 加 ， 使 叶 轮 的 离 心 力 大 幅 度 提 高 ， 以 至 接 近 或 超 过 合 金 钢 叶
轮 的 许 用 应 力 ， 故 钢 制 叶 片 的 长 度 和 质 量 受 到 限 制 。 钛 合 金 具 有 高 的 比 强 度 ， 可 以 在 这 方 面 大 显 身 手 。
现 在 结 构 钛 合 金 牌 号 很 多 ， 如 T C 4 ， T C 6 ， T i - 1 0 V - 2 F e - 3 A l （ T i - 1 0 2 3 ） ， T i - 4 . 5 A l - 5 M o - 1 . 5 C r （ T i - 4 5 1 ） ，
T i - 1 5 V - 3 C r - 3 A l （ T i - 1 5 - 3 ） ， T i - 1 0 M o - 8 V - 1 F e - 3 . 5 A l （ T i - 2 2 ） ， T i - 5 M o - 5 V - 8 C r - 3 A l （ T B 2 ） 等 。
7 .2.3 非晶态 合金
人 类 进 入 青 铜 器 时 代 之 后 便 已 开 始 研 究 金 属 材 料 的 性 质 ， 以 求 更 有 效 地 利 用 它 。 3 0 0 0 多 年 来 ， 人 类
已 经 对 很 多 种 金 属 材 料 有 了 较 为 深 刻 的 认 识 ， 对 于 金 属 材 料 的 理 解 和 应 用 也 在 不 断 地 向 更 深 更 广 的 方 向
发 展 。 在 科 学 技 术 发 展 的 漫 长 历 程 中 ， 人 们 曾 经 一 直 认 为 在 固 体 状 态 下 具 有 一 定 的 晶 体 结 构 是 金 属 材 料
的 一 个 重 要 特 征 。 但 是 ， 直 到 本 世 纪 5 0 年 代 ， 人 们 从 电 镀 的 金 属 膜 中 发 现 了 非 晶 态 金 属 的 存 在 。 到 6 0
年 代 ， 在 美 国 喷 气 推 进 研 究 所 材 料 研 究 部 从 事 金 属 材 料 研 究 工 作 的 美 国 加 州 大 学 教 授 杜 崴 兹 （ D u w e z ） ，
在 一 次 将 熔 融 的 金 硅 合 金 液 滴 喷 溅 到 铜 板 上 时 ， 由 于 冷 却 速 度 极 高 ， 液 态 合 金 来 不 及 形 成 结 晶 就 凝 固 了 ，
结 果 获 得 了 如 同 玻 璃 一 样 没 有 晶 体 结 构 的 非 晶 态 合 金 ， 所 以 也 有 人 称 之 为 金 属 玻 璃 ， 不 过 它 并 不 是 像 玻
璃 那 样 透 明 的 材 料 ， 而 是 一 种 在 本 质 上 与 原 来 的 晶 态 金 属 完 全 不 同 的 新 物 质 — — 原 子 无 规 则 排 列 的 金 属 。
7这 样 ， 基 于 原 子 排 列 的 这 一 特 点 而 显 示 出 的 非 晶 态 合 金 的 低 矫 顽 力 和 高 透 磁 率 ， 同 时 兼 有 机 械 性 能 好 、
电 阻 高 、 耐 腐 蚀 性 能 优 异 等 特 点 ， 使 非 晶 态 合 金 成 为 新 型 金 属 磁 性 材 料 。
非 晶 态 合 金 发 展 的 初 期 只 限 于 生 产 很 薄 的 条 带 、 薄 膜 、 丝 材 和 粉 末 ， 近 年 来 非 晶 态 合 金 块 状 材 料 的
生 产 技 术 也 取 得 了 重 大 进 展 ， 为 非 晶 态 合 金 开 辟 了 广 阔 的 应 用 前 途 。 目 前 最 典 型 的 块 状 非 晶 合 金 制 取 方
法 有 爆 炸 成 型 法 ， 即 利 用 爆 炸 的 冲 击 波 将 非 晶 态 合 金 粉 末 冲 压 成 规 定 形 状 的 非 晶 制 品 ， 例 如 日 本 电 气 公
司 （ N E C ） 把 粒 度 差 异 较 大 的 两 组 非 晶 态 合 金 粉 末 混 合 物 装 入 低 碳 钢 容 器 内 密 封 后 进 行 爆 炸 成 型 后 烧 结 ，
即 可 获 得 实 际 密 度 达 理 论 密 度 9 9 % 以 上 的 大 块 非 晶 合 金 制 品 。
非 晶 态 合 金 通 过 改 变 所 配 比 的 金 属 种 类 和 元 素 组 合 ， 可 获 得 特 别 优 异 的 性 能 ， 如 高 磁 导 率 、 宽 磁 滞
伸 缩 范 围 、 低 铁 损 、 高 电 阻 和 低 温 度 敏 感 系 数 、 小 热 膨 胀 系 数 、 高 机 械 强 度 、 极 好 的 耐 腐 蚀 性 以 及 高 度
的 耐 放 射 线 辐 射 损 伤 性 等 等 ， 用 途 十 分 广 泛 ， 应 用 效 益 惊 人 。 目 前 的 典 型 应 用 主 要 有 ：
磁 性 器 件 : 从 生 产 、 应 用 开 发 和 产 业 化 发 展 看 ， 美 国 、 日 本 和 中 国 已 初 步 形 成 规 模 ， 并 且 各 具 特 色 。
在 制 作 电 子 器 件 方 面 ， 软 磁 非 晶 和 纳 米 晶 合 金 更 适 于 晶 态 玻 莫 合 金 和 软 磁 铁 氧 体 之 间 的 工 作 频 率 范 围 。
几 十 年 来 的 应 用 实 践 证 明 ， 经 合 理 设 计 成 分 、 制 备 和 处 理 ， 绝 大 多 数 非 晶 合 金 的 性 能 稳 定 性 已 能 满 足 对
磁 稳 定 性 的 要 求 。 但 是 ， 决 定 非 晶 合 金 命 运 的 另 一 个 关 键 是 其 价 格 。 例 如 ， 在 工 频 变 压 器 铁 芯 方 面 铁 基
非 晶 合 金 取 代 硅 钢 的 努 力 一 直 未 果 ， 价 格 是 一 个 突 出 问 题 。 然 而 ， 在 高 频 电 子 器 件 方 面 ， 相 对 于 其 他 材
料 ， 其 低 价 格 却 是 一 大 优 势 。 日 本 在 电 子 元 件 和 磁 头 方 面 的 研 究 和 应 用 居 世 界 领 先 地 位 。 美 国 开 发 研 究
的 主 流 方 向 一 直 是 电 力 变 压 器 铁 芯 ， 最 近 才 开 始 转 向 电 子 器 件 领 域 。 我 国 在 漏 电 保 护 开 关 互 感 器 和 高 频
逆 变 弧 焊 机 电 源 变 压 器 用 铁 芯 方 面 的 应 用 具 有 特 色 。
电 力 变 压 器 : F e 基 非 晶 软 磁 合 金 的 重 要 工 业 应 用 领 域 一 直 是 在 小 型 电 力 变 压 器 铁 芯 方 面 ， 人 们 一 直 欲
以 之 取 代 部 分 硅 钢 片 的 地 位 。 对 电 力 需 求 的 大 幅 增 长 和 世 界 性 能 源 短 缺 的 日 趋 严 重 ， 也 正 给 节 电 非 晶 变
压 器 的 开 发 提 供 一 个 良 好 的 契 机 ， 促 进 了 其 商 品 化 进 程 。 2 0 世 纪 8 0 年 代 以 来 ， 美 国 大 力 开 展 非 晶 配 电 电
力 变 压 器 的 工 业 化 生 产 ， 并 得 到 实 际 应 用 。 非 晶 变 压 器 的 铁 损 仅 为 硅 钢 片 变 压 器 的 三 分 之 一 左 右 ， 空 载
损 耗 降 低 6 0 % ， 激 励 功 率 降 低 一 半 。 长 期 使 用 性 能 稳 定 ， 可 满 足 使 用 要 求 。 但 由 于 能 源 危 机 的 缓 解 和 非
晶 合 金 的 价 格 ， 再 加 上 硅 钢 片 性 能 的 不 断 改 进 ， 使 非 晶 配 电 变 压 器 市 场 的 发 展 同 1 9 8 6 年 的 乐 观 估 计 相 差
甚 远 ， 同 硅 钢 片 变 压 器 竞 争 仍 有 困 难 。
大 功 率 高 频 逆 变 电 源 : 我 国 近 年 来 发 展 起 来 的 新 型 高 频 逆 变 弧 焊 机 中 ， 电 源 单 端 脉 冲 变 压 器 采 用 纳 米
晶 软 磁 合 金 制 作 。 这 种 变 压 器 再 配 以 非 晶 高 频 电 感 制 成 的 焊 机 ， 不 仅 体 积 小 、 重 量 轻 、 可 靠 性 高 、 便 于
携 带 ， 而 且 电 弧 稳 定 、 飞 溅 小 、 效 率 高 及 动 态 特 性 好 。 例 如 用 纳 米 晶 软 磁 合 金 制 成 的 2 0 k H z 下 3 1 5 A 逆
变 式 焊 机 的 整 机 重 量 只 有 2 5 k g ， 与 传 统 的 硅 钢 铁 芯 焊 机 相 比 ， 一 年 可 节 省 电 费 达 人 民 币 7 0 0 0 元 ， 达 到 焊
机 本 身 的 成 本 价 。
开 关 电 源 变 压 器 用 铁 芯 : 开 关 电 源 中 使 用 的 磁 性 器 件 很 多 ， 有 功 率 变 压 器 、 饱 和 电 抗 器 、 滤 波 器 和 电
流 互 感 器 。 随 着 开 关 电 源 向 小 型 化 、 低 噪 声 、 高 速 反 应 、 高 可 靠 性 发 展 ， 开 关 电 源 的 频 率 不 断 增 高 。 对
于 频 率 为 3 0 k H z 、 功 率 2 k W 的 开 关 电 源 ， 纳 米 晶 软 磁 合 金 变 压 器 铁 芯 仅 重 3 0 0 g ， 体 积 仅 为 铁 氧 体 的 五 分
之 一 ， 电 源 效 率 可 达 9 6 % 。
漏 电 开 关 零 序 电 流 互 感 器 : 多 年 来 ， 已 采 用 纳 米 晶 或 F e - N i 基 非 晶 软 磁 合 金 代 替 晶 态 坡 莫 合 金 制 作 漏
电 保 护 开 关 互 感 器 的 铁 芯 ， 具 有 价 格 低 反 应 快 的 优 点 。
软 磁 元 件 的 小 型 化 : 小 型 化 在 军 工 、 航 空 航 天 、 交 通 运 输 等 领 域 具 有 重 要 意 义 ， 既 可 节 省 能 源 又 可 节
约 大 量 原 材 料 和 放 置 空 间 ， 所 以 元 件 和 电 源 的 小 型 化 一 直 是 人 们 所 追 求 的 目 标 。 小 型 化 的 最 重 要 和 最 有
效 的 途 径 是 采 用 高 频 技 术 。 非 晶 软 磁 合 金 以 及 纳 米 晶 软 磁 合 金 的 问 世 ， 由 于 其 优 异 的 高 频 软 磁 性 能 ， 给
高 频 小 型 化 增 添 了 不 少 光 彩 。 例 如 利 用 溅 射 法 研 制 成 功 的 C o - Z r - N b 非 晶 薄 膜 已 经 商 品 化 ， 主 要 用 于 制 作
V T P 磁 头 。
用 导 电 纤 维 与 磁 致 伸 缩 系 数 为 零 的 非 晶 磁 性 合 金 线 可 以 制 造 编 织 感 应 体 和 编 织 变 压 器 。 在 相 邻 的 非
晶 磁 性 纤 维 内 流 过 反 向 磁 通 ， 漏 磁 极 小 ， 仅 在 其 端 部 周 围 有 少 量 漏 磁 。 因 此 与 普 通 磁 元 件 比 较 ， 它 有 更
高 的 电 磁 性 能 ， 更 便 于 在 基 板 上 固 定 ， 也 有 利 于 集 成 化 的 要 求 。 增 加 绕 组 后 可 以 得 到 编 织 变 压 器 。
利 用 薄 膜 技 术 和 光 刻 法 制 作 各 种 平 面 线 圈 、 磁 性 膜 及 绝 缘 膜 来 构 成 薄 膜 电 感 ， 要 求 磁 性 膜 的 磁 性 能 ，
8特 别 是 导 磁 率 要 高 。 由 于 线 圈 与 磁 性 材 料 紧 密 相 接 ， 可 等 到 优 良 的 频 率 特 性 。 非 晶 薄 膜 元 件 可 以 用 到 兆
赫 兹 。 超 薄 非 晶 带 （ 5 ～ 1 5 ? m ） 可 用 作 5 0 0 k H z ～ 1 M H z 的 软 磁 元 件 ， 已 制 成 内 径 小 于 1 m m 的 小 磁 芯 线 圈 。
传 感 器 : 高 精 度 、 高 稳 定 性 、 高 可 信 度 的 非 接 触 式 磁 性 传 感 器 件 已 得 到 日 益 广 泛 的 应 用 。 2 0 世 纪 9 0
年 代 ， 日 本 开 发 了 以 非 晶 软 磁 合 金 丝 为 主 的 传 感 器 。 非 晶 扁 丝 用 于 超 级 市 场 及 图 书 馆 的 防 盗 系 统 ， 具 有
很 大 的 市 场 。 F e 基 和 C o 基 非 晶 金 属 丝 除 优 良 的 软 磁 性 能 外 ， 其 电 磁 特 性 主 要 还 表 现 在 它 的 巨 磁 阻 抗 效
应 （ G M I ） 、 高 磁 弹 性 、 大 巴 克 豪 效 应 （ B a r k h o u s e n e f f e c t ） 和 高 的 迈 悌 欧 斯 效 应 （ M s t t e u c c i e f f e c t ） ， 因
而 对 于 小 的 磁 场 变 化 ， 具 有 快 速 响 应 和 稳 定 性 高 的 特 点 。
具 有 零 磁 致 伸 缩 系 数 的 C o - F e 基 非 晶 丝 ， 已 被 应 用 于 变 压 器 型 心 脏 磁 起 搏 器 和 人 工 心 脏 、 睡 眠 脑 磁
图 计 、 眼 睑 疲 劳 和 瞌 睡 程 度 检 测 计 、 心 动 计 或 微 位 移 计 传 感 器 、 通 讯 用 脉 冲 相 位 调 制 器 、 低 转 速 的 速 度
传 感 器 等 等 。 例 如 ， 非 晶 丝 制 作 的 双 铁 芯 桥 路 微 位 移 传 感 器 ， 其 测 量 灵 敏 度 可 达 0 . 1 ? m 。 C o 基 或 F e 基 非
晶 丝 由 于 大 迈 悌 欧 斯 效 应 ， 在 缓 波 动 的 交 变 磁 场 中 可 感 生 无 颤 动 的 尖 锐 脉 冲 电 动 势 。 例 如 ， 在 8 A / m 的 微
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小 磁 场 和 0 . 0 1 ～ 4 . 0 k H z 频 率 范 围 内 ， 可 获 感 应 脉 搏 冲 电 压 约 7 5 0 V / A ? m 转 和 7 . 5 ? 1 0 V / A ? m 的 尖 锐 脉 冲
电 压 值 ， 可 以 做 高 谐 波 脉 冲 元 件 。 F e - S i - B 非 晶 丝 是 优 秀 的 磁 弹 性 波 传 播 媒 体 ， 它 传 播 的 5 0 0 k H z 磁 弹 性
波 的 衰 减 系 数 大 约 为 0 . 1 6 7 / m 。 利 用 磁 伸 非 晶 丝 内 纵 向 弹 性 波 的 传 播 可 以 制 作 位 移 传 感 器 ， 现 已 获 得 8 m
的 位 移 测 量 范 围 ， 可 望 达 到 1 5 m 的 位 移 测 量 范 围 。
非 晶 丝 的 高 G M I 效 应 使 其 在 磁 记 录 头 和 传 感 器 技 术 中 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力 。 例 如 ， 将 一 根 折 叠 的
F e - C o - S i - B 非 晶 丝 制 成 的 磁 阻 抗 元 ， 可 以 应 用 到 非 接 触 型 旋 转 编 码 器 中 ， 提 高 了 编 码 的 准 确 性 和 控 制 精
度 ， 用 F e 4 . 3 5 C o 6 8 . 1 5 S i 1 2 . 5 B 1 5 非 晶 丝 磁 阻 抗 元 作 为 自 振 荡 调 制 型 场 传 感 器 ， 对 交 流 场 的 测 量 精 度 为
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5 3
7 . 9 ? 1 0 A / m ， 对 直 流 场 为 7 . 9 ? 1 0 A / m 。
7.2.4 形状记 忆合金
形 状 记 忆 合 金 ， 是 一 种 性 质 与 过 去 的 金 属 材 料 变 形 情 况 完 全 不 同 的 合 金 。 众 所 周 知 ， 金 属 材 料 质 地
较 硬 ， 具 有 热 稳 性 ， 若 变 形 超 过 弹 性 极 限 ， 则 形 状 永 久 不 能 回 复 。 但 是 ， 形 状 记 忆 合 金 容 易 变 形 ， 通 过
加 热 其 形 状 可 以 复 原 ， 因 此 可 被 用 于 过 去 想 象 不 到 的 方 向 去 ， 如 美 国 国 家 航 空 航 天 局 （ N A S A ） 所 开 发 的
宇 宙 火 箭 用 天 线 ， 即 月 面 天 线 计 划 。 1 9 7 0 年 美 国 将 该 合 金 预 先 压 缩 成 紧 凑 的 一 团 而 安 装 于 运 载 火 箭 上 ，
待 运 载 火 箭 发 射 到 月 球 表 面 时 受 到 太 阳 光 照 射 加 热 使 合 金 升 温 ， 当 温 度 达 至 一 定 值 时 ， 被 折 叠 成 球 状 的
合 金 丝 团 就 自 动 完 全 打 开 ， 成 为 原 先 定 形 的 抛 物 凸 状 天 线 。 这 样 ， 就 可 以 认 为 如 果 汽 车 的 车 身 也 采 用 这
种 记 忆 合 金 制 造 ， 那 么 即 使 遭 受 碰 撞 变 形 也 能 够 用 热 水 等 稍 微 加 热 的 方 式 即 可 恢 复 原 状 ， 可 使 汽 车 外 形
“ 青 春 常 驻 ” 。
形 状 记 忆 合 金 之 所 以 具 有 这 种 神 奇 的 功 能 就 因 为 其 具 有 形 状 记 忆 效 应 。 比 如 T i N i 合 金 丝 较 高 温 度 时
具 有 一 定 形 状 （ 如 密 排 弹 簧 ） ， 在 低 温 时 ， 使 其 变 形 （ 弹 簧 变 长 ） ， 外 力 去 除 后 ， 其 变 形 保 留 ， 但 若 将
其 加 热 到 一 定 的 温 度 ， 则 合 金 丝 能 自 动 地 恢 复 到 原 先 的 形 状 （ 密 排 弹 簧 ） ， 这 就 是 最 简 单 的 形 状 记 忆 效
应 。 再 如 ， 而 某 些 记 忆 材 料 如 T i N i 及 C u 基 记 忆 合 金 经 过 一 定 的 特 殊 处 理 后 ， 材 料 可 以 “ 记 忆 ” 高 温 时
形 态 ， 又 可 “ 记 忆 ” 住 低 温 时 的 形 状 。 当 温 度 在 高 温 和 低 温 之 间 往 返 变 化 时 ， 材 料 可 自 行 在 两 种 形 状 间
变 换 ， 这 种 现 象 可 称 为 双 向 记 忆 效 应 。 另 外 ， 另 有 一 种 特 异 的 现 象 ， 总 是 遵 循 相 同 的 形 态 变 化 规 律 ， 即
记 忆 了 中 间 过 程 ， 只 要 在 两 温 度 之 间 进 行 加 热 — — 冷 却 循 环 过 程 ， 则 重 复 两 者 温 度 之 间 的 变 化 形 状 ， 且
在 形 状 变 化 过 程 中 高 温 形 状 与 低 温 开 头 可 完 全 相 反 倒 置 ， 这 种 记 忆 效 应 可 称 为 全 方 位 形 状 记 忆 效 应 。
形 状 记 忆 合 金 制 造 是 以 由 高 纯 电 介 镍 与 海 绵 钛 作 原 料 ， 采 用 高 频 感 应 炉 与 自 耗 炉 （ 电 弧 熔 炼 法 ） 或
等 离 子 体 与 电 弧 熔 炼 法 获 得 镍 钛 合 金 铸 锭 。 随 后 在 7 0 0 ～ 8 0 0 ℃ 进 行 多 次 退 火 ， 并 根 据 元 件 需 要 可 进 行 单
向 记 忆 效 应 、 双 向 记 忆 效 应 和 全 方 位 记 忆 效 应 的 记 忆 处 理 来 完 成 。
形 状 记 忆 合 金 作 为 新 型 功 能 材 料 家 族 中 的 一 员 ， 尽 管 其 问 世 以 来 仅 有 三 十 多 年 历 史 ， 但 由 于 其 功 能
特 异 可 以 制 作 小 巧 玲 珑 、 高 度 自 动 化 、 性 能 可 靠 的 元 器 件 而 引 起 人 们 高 度 重 视 并 获 得 广 泛 的 应 用 。
形 状 记 忆 合 金 在 当 今 社 会 的 应 用 很 多 ， 仅 以 表 7 - 0 2 可 以 看 出 ， 形 状 记 忆 合 金 可 以 作 为 许 多 零 部 件 在
工 业 和 医 疗 上 得 到 应 用 。
9表 7 - 0 3 形 状 记 忆 合 金 的 典 型 应 用 例
工 业 上 形 状 恢 复 的 一 次 利 用 工 业 上 形 状 恢 复 的 反 复 利 用 医 疗 上 形 状 恢 复 的 利 用
紧 固 件 温 度 传 感 器 消 除 凝 固 血 栓 用 过 滤 器
管 接 头 调 节 室 内 温 度 用 恒 温 器 脊 椎 矫 正 棍
宇 宙 飞 行 器 用 天 线 温 室 窗 开 闭 器 脑 瘤 手 术 用 夹 子
白 炽 灯 灯 丝 汽 车 散 热 器 风 扇 的 离 合 器 人 造 心 脏 ， 人 造 肾 的 瓣 膜
火 灾 报 警 器 热 能 转 变 装 置 骨 折 部 固 定 夹 板
印 刷 电 器 板 的 结 合 热 电 继 电 器 的 控 制 元 件 矫 正 牙 排 用 拱 形 金 属 线
集 成 电 路 的 焊 接 记 录 器 用 笔 驱 动 装 置 人 造 牙 根
电 路 的 连 接 器 夹 板
密 封 环
7 . 2 . 4 . 1 连 接 件 与 紧 固 件
形 状 记 忆 合 金 做 成 连 接 件 和 紧 固 件 使 用 性 能 无 比 优 越 。 美 国 雷 伊 姆 公 司 最 早 发 明 了 形 状 记 忆 合 金 管
接 头 ， 即 首 先 把 形 状 记 忆 合 金 加 工 成 内 径 稍 小 于 欲 接 管 外 径 的 套 管 （ 管 接 头 ） ， 在 使 用 前 将 此 套 管 在 低
温 下 加 以 机 械 扩 管 ， 使 其 内 径 稍 大 于 欲 接 管 的 外 径 ， 把 管 接 头 套 在 欲 连 接 的 两 根 管 子 接 头 处 ， 然 后 在 常
温 下 自 然 升 温 或 加 热 即 由 于 形 状 记 忆 效 应 而 恢 复 至 扩 管 前 的 口 径 ， 从 而 将 两 根 管 子 牢 固 而 紧 密 地 连 接 在
一 起 。 此 种 连 接 方 法 的 优 点 在 于 接 触 紧 密 ， 紧 固 力 很 大 ， 可 防 渗 漏 ， 装 配 时 间 短 ， 操 作 方 便 ， 特 别 是 没
有 焊 接 所 引 起 的 那 些 问 题 （ 如 焊 后 变 脆 等 ） 。 目 前 在 连 接 件 与 紧 固 件 上 所 使 用 的 形 状 记 忆 合 金 几 乎 都 为
镍 钛 合 金 ， 但 是 价 格 较 贵 ， 由 于 作 为 连 接 件 一 般 采 用 单 向 性 形 状 记 忆 合 金 制 造 ， 所 以 应 该 说 铁 基 合 金 ，
特 别 是 形 状 记 忆 不 锈 钢 的 应 用 是 也 颇 有 前 途 的 。 美 国 已 把 这 种 连 接 方 法 广 泛 用 于 F 1 4 型 喷 气 战 斗 机 和 核
潜 艇 的 液 压 管 路 系 统 等 军 工 方 面 ， 至 今 几 十 万 件 的 应 用 实 例 尚 无 一 例 失 败 的 报 道 。 另 外 ， 还 可 以 把 这 种
管 接 头 制 成 L 型 或 T 型 套 管 ， 最 近 还 制 成 了 内 壁 带 有 牙 子 的 管 接 头 ， 使 得 连 接 效 果 大 为 提 高 。 另 外 ， 许
多 紧 固 器 材 如 铆 钉 、 夹 紧 装 置 、 衬 套 等 都 能 利 用 形 状 记 忆 合 金 的 记 忆 效 应 以 适 应 特 殊 的 应 用 ， 如 用 于 危
险 场 所 或 操 作 人 员 不 可 靠 近 的 地 点 进 行 遥 控 接 合 或 连 接 ， 例 如 在 宇 宙 空 间 、 海 底 以 及 其 它 狭 窄 地 点 进 行
遥 控 操 作 。
7 . 2 . 4 . 2 热 敏 感 驱 动 器
利 用 形 状 记 忆 合 金 制 造 热 敏 感 驱 动 器 是 世 界 各 国 形 状 记 忆 合 金 应 用 开 发 的 重 点 ， 由 于 形 状 记 忆 合 金
具 有 感 温 和 驱 动 双 重 功 能 ， 系 统 所 需 要 的 热 能 可 以 直 接 取 自 工 作 环 境 ， 所 以 记 忆 合 金 元 件 本 身 就 构 成 了
一 个 完 整 的 控 温 体 系 ， 可 以 取 代 感 温 — — 处 理 — — 驱 动 的 传 统 控 温 系 统 ， 对 自 动 控 温 器 的 小 型 化 、 轻 量
化 、 无 声 化 、 节 能 、 提 高 效 率 、 降 低 成 本 都 非 常 有 利 。 利 用 记 忆 合 金 制 作 的 驱 动 器 能 产 生 压 力 也 能 产 生
拉 力 ， 同 时 还 能 加 以 控 制 ， 包 括 电 控 式 和 热 控 式 。 电 控 式 是 通 电 快 速 加 热 对 动 作 进 行 控 制 ， 在 成 本 、 节
能 、 重 量 和 噪 音 等 方 面 用 来 取 代 电 磁 装 置 都 很 优 越 ， 也 可 用 于 灯 光 调 节 和 遥 控 门 窗 开 闭 等 方 面 。 热 驱 动
器 是 通 过 温 度 变 化 驱 动 的 装 置 ， 例 如 温 度 控 制 阀 当 温 度 升 高 到 超 过 规 定 温 度 时 打 开 阀 门 ， 而 温 度 降 至 规
定 温 度 时 又 会 关 闭 阀 门 ， 起 到 双 金 属 片 或 温 度 传 感 器 的 作 用 。
热 敏 感 驱 动 器 可 用 于 各 种 电 磁 控 制 装 置 ， 如 气 压 缸 和 液 压 缸 、 线 性 运 动 机 械 、 电 动 机 和 齿 轮 箱 等 等 ，
可 用 来 取 代 许 多 种 电 动 器 件 ， 并 简 化 结 构 ， 降 低 成 本 ， 例 如 用 形 状 记 忆 合 金 制 造 的 恒 温 阀 可 用 于 住 宅 热
1 0水 加 热 系 统 和 暖 气 系 统 上 ， 当 室 内 温 度 升 高 到 一 定 温 度 后 ， 记 忆 弹 簧 伸 长 ， 逐 渐 关 闭 阀 门 ， 温 度 降 低 到
一 定 温 度 时 ， 记 忆 弹 簧 缩 短 ， 则 使 阀 门 打 开 。 通 过 改 变 偏 压 弹 簧 的 压 力 可 调 节 所 控 制 的 温 度 。 这 种 恒 温
阀 的 热 反 应 性 好 ， 且 造 价 便 宜 。 汽 车 发 动 机 冷 却 风 扇 离 合 器 也 是 形 状 记 忆 合 金 最 典 型 的 应 用 ， 当 发 动 机
温 度 高 于 规 定 温 度 时 才 使 风 扇 联 上 传 动 轴 ， 对 发 动 机 进 行 冷 却 降 温 ， 这 样 就 可 缩 短 暖 机 时 间 ， 提 高 节 能
效 率 。 在 这 种 驱 动 器 上 所 用 的 形 状 记 忆 弹 簧 ， 从 可 靠 性 、 受 力 和 稳 定 性 来 讲 ， 主 要 也 采 用 镍 钛 合 金 。 目
前 也 开 始 采 用 铜 合 金 ， 由 于 铜 合 金 价 格 低 廉 且 较 易 制 造 ， 现 已 用 于 温 室 通 气 口 开 闭 器 、 喷 头 防 冻 器 、 阀
门 、 消 防 自 动 喷 水 龙 头 、 散 热 器 自 动 调 节 装 置 等 。
日 本 市 场 已 有 利 用 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 来 驱 动 五 组 关 节 六 个 自 由 度 的 机 器 人 商 品 出 售 。 这 种 机 械 人 与
采 用 步 进 电 机 驱 动 的 机 器 人 相 比 ， 具 有 轻 便 、 动 作 灵 活 等 优 点 。 这 种 机 器 人 用 普 通 弹 簧 拉 伸 直 径 为 0 . 1 5 ～
0 . 3 毫 米 、 预 先 记 忆 了 一 定 长 度 的 线 性 形 状 记 忆 合 金 丝 ， 并 在 拉 长 的 状 态 下 将 它 们 安 装 在 各 个 关 节 中 ， 当
形 状 记 忆 合 金 通 过 高 频 电 流 后 就 会 发 热 ， 在 达 到 某 一 温 度 时 便 收 缩 到 原 来 记 忆 的 长 度 ， 即 驱 动 关 节 进 行
动 作 ， 消 除 了 以 往 机 器 人 活 动 时 的 机 械 磨 擦 声 。
所 以 ， 记 忆 合 金 驱 动 器 与 常 用 的 电 磁 式 电 机 、 气 压 或 液 压 机 构 相 比 ， 具 有 构 造 简 单 ， 可 获 得 相 当 于
自 重 几 千 倍 的 力 ， 通 电 恢 复 原 形 时 在 毫 秒 级 时 间 内 即 可 迅 速 动 作 ， 富 于 柔 性 ， 吸 收 冲 击 能 力 高 ， 不 产 生
电 气 噪 音 和 磁 场 ， 不 受 温 度 以 外 的 外 界 环 境 条 件 影 响 ， 动 作 时 不 产 生 有 害 物 质 ， 清 洁 卫 生 ， 而 且 不 用 担
心 因 常 温 环 境 引 起 误 动 作 等 等 许 多 优 点 。
7 . 2 . 4 . 3 形 状 记 忆 合 金 热 机
合 金 在 产 生 形 状 记 忆 效 应 时 会 发 出 很 大 的 力 ， 例 如 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 当 加 热 回 复 原 形 时 能 产 生 每 平
方 毫 米 高 达 6 5 公 斤 那 么 大 的 力 ， 所 以 能 够 利 用 形 状 记 忆 效 应 把 热 能 转 变 为 机 械 能 ， 也 就 是 说 可 以 利 用 形
状 记 忆 合 金 制 造 成 能 量 转 换 机 械 。 以 形 状 记 忆 合 金 制 成 的 作 往 复 运 动 的 热 机 ， 与 传 统 的 热 机 相 比 ， 因 为
没 有 汽 缸 和 活 塞 之 类 笨 重 机 构 ， 所 以 有 利 于 热 机 的 小 型 化 和 轻 量 化 。
最 早 的 形 状 记 忆 合 金 热 机 ， 要 算 是 美 国 加 州 大 学 班 克 斯 1 9 7 3 年 发 明 的 偏 置 曲 柄 式 发 动 机 ， 它 是 由 2 0
根 直 径 1 . 2 毫 米 、 长 1 5 0 毫 米 的 镍 钛 记 忆 合 金 丝 构 成 ， 即 将 弯 成 U 形 的 记 忆 合 金 丝 通 过 热 水 加 热 ， 利 用
其 伸 直 时 所 产 生 的 力 来 推 动 转 子 。 此 后 该 大 学 又 相 继 发 明 了 许 多 形 式 的 热 机 ， 并 在 1 9 8 2 年 把 构 造 极 简 单
的 镍 - 钛 合 金 制 热 机 与 太 阳 能 集 热 器 配 套 ， 组 成 一 种 新 型 的 动 力 装 置 。 另 外 ， 芝 加 哥 州 立 大 学 利 用 形 状 记
忆 合 金 还 开 发 出 农 用 发 动 机 ， 在 日 本 还 有 利 用 废 水 余 热 和 地 热 作 热 源 的 形 状 记 忆 合 金 热 机 。 目 前 利 用 形
状 记 忆 合 金 做 功 所 产 生 的 动 力 ， 每 千 瓦 小 时 的 价 格 可 降 至 与 火 力 发 电 相 同 。
7 . 2 . 4 . 4 在 医 疗 器 材 上 的 妙 用
在 医 疗 手 术 中 ， 人 体 的 某 些 器 官 是 人 手 触 及 不 到 的 ， 所 以 对 这 些 器 官 进 行 手 术 比 较 复 杂 ， 如 食 道 、
血 管 内 的 手 术 ， 但 是 利 用 形 状 记 忆 合 金 制 作 的 器 械 可 简 化 操 作 ， 减 轻 病 人 痛 苦 ， 现 已 有 人 用 镍 钛 记 忆 合
金 丝 和 银 丝 制 作 成 接 合 型 夹 钳 ， 进 行 脑 动 脉 瘤 手 术 ， 并 获 得 成 功 。 另 外 ， 形 状 记 忆 合 金 也 能 被 用 于 制 作
血 液 血 栓 滤 清 器 和 血 液 内 胆 固 醇 清 除 器 ， 即 首 先 将 形 状 记 忆 合 金 丝 绕 制 成 滤 网 ， 并 加 以 形 状 记 忆 热 处 理 ，
然 后 在 较 低 温 度 下 将 该 滤 网 伸 展 成 直 线 形 状 ， 插 入 心 脏 一 侧 的 大 静 脉 血 管 内 ， 当 温 度 升 高 到 体 温 时 ， 直
线 状 的 记 忆 合 金 丝 由 于 记 忆 效 应 就 又 会 恢 复 成 为 滤 网 状 ， 可 有 效 地 清 除 血 液 中 的 血 栓 块 和 血 液 内 的 胆 固
醇 。 此 外 ， 用 于 固 定 骨 折 部 位 的 形 状 记 忆 合 金 固 定 夹 板 ， 可 将 骨 折 断 口 紧 密 地 连 接 在 一 起 ， 也 是 依 靠 体
温 使 记 忆 合 金 夹 板 升 温 ， 通 过 形 状 记 忆 效 应 恢 复 其 原 有 形 状 ， 夹 紧 骨 折 部 位 ； 还 有 用 于 治 疗 脊 椎 弯 曲 的
记 忆 合 金 矫 形 背 心 ， 也 是 首 先 将 记 忆 合 金 棒 材 制 作 成 符 合 患 者 正 常 体 形 的 脊 椎 形 状 ， 成 为 患 者 合 体 的 背
心 ， 患 者 穿 戴 这 种 背 心 可 以 获 得 比 较 自 然 舒 适 的 治 疗 效 果 。
由 于 在 众 多 形 状 记 忆 合 金 中 ， 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 与 人 体 组 织 具 有 很 好 的 相 容 性 ， 并 在 耐 腐 蚀 性 、 强
度 、 韧 性 和 抗 疲 劳 性 能 上 都 很 优 越 ， 所 以 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 也 是 用 于 骨 内 穿 钉 的 良 好 材 料 。 最 近 ， 已 成
功 地 开 发 出 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 人 造 牙 根 ， 即 首 先 将 记 忆 合 金 加 工 成 牙 根 根 部 开 阔 形 状 并 加 以 记 忆 热 处 理 ，
然 后 再 将 根 部 加 工 成 闭 合 的 形 状 （ 容 易 插 入 牙 床 内 的 形 状 ） ， 并 以 此 闭 合 形 状 插 入 牙 床 内 ， 当 形 状 记 忆
合 金 受 到 体 温 加 热 后 即 恢 复 原 来 开 阔 的 形 状 ， 从 而 牢 固 地 固 定 在 牙 床 上 。 另 外 ， 由 于 镍 钛 形 状 记 忆 合 金
1 1可 精 密 铸 造 且 耐 磨 性 好 ， 并 兼 有 形 状 记 忆 效 应 和 超 弹 性 功 能 ， 所 以 一 直 是 口 腔 医 学 中 很 出 色 的 新 材 料 ，
同 时 在 人 造 心 、 肾 等 脏 器 ， 以 及 耳 鼻 喉 科 中 都 有 其 广 阔 的 应 用 前 途 。
在 日 常 生 活 上 ， 采 用 形 状 记 忆 合 金 丝 材 制 作 的 妇 女 乳 罩 ， 穿 戴 起 来 既 能 使 人 体 感 舒 适 ， 又 能 美 化 胸
部 外 形 ， 目 前 这 种 乳 罩 在 欧 美 和 日 本 已 被 投 放 到 市 场 ， 产 品 供 不 应 求 。 另 外 ， 形 状 记 忆 合 金 在 玩 具 和 工
艺 品 制 造 业 中 也 成 为 了 重 要 的 功 能 材 料 ， 用 它 制 作 的 模 型 能 惟 妙 惟 肖 地 模 仿 爬 行 动 物 的 起 伏 、 卷 曲 、 伸
展 等 各 种 动 作 ， 而 用 它 制 成 花 朵 ， 可 随 温 度 变 化 从 含 苞 待 放 变 为 盛 开 的 “ 鲜 花 ” 。
7 . 3 新 型 无 机 非 金 属 材 料
7.3.1 新型无机 非金 属材料的 发展及作用
7 . 3 . 1 . 1 结 构 陶 瓷 的 发 展 趋 势
传 统 的 无 机 非 金 属 材 料 （ 玻 璃 、 陶 瓷 、 水 泥 、 耐 火 材 料 ） 是 以 硅 酸 盐 为 主 要 原 料 制 成 的 ， 已 有 漫 长
的 历 史 。 我 国 是 历 史 上 最 早 制 造 出 瓷 器 的 国 家 ， 陶 瓷 是 中 华 文 化 的 杰 出 成 就 之 一 。 由 于 传 统 无 机 非 金 属
材 料 对 国 民 经 济 和 人 民 生 活 有 极 其 深 刻 的 影 响 ， 至 今 仍 继 续 发 展 着 ， 新 材 料 、 新 工 艺 、 新 技 术 仍 不 断 涌
现 ， 生 产 规 模 也 日 益 扩 大 ， 直 到 今 天 ， 它 们 在 现 代 工 业 和 人 民 生 活 中 起 着 和 继 续 起 着 多 方 面 的 重 要 作 用 。
随 着 近 代 科 学 技 术 的 发 展 ， 在 无 机 非 金 属 材 料 中 出 现 了 一 个 新 的 领 域 — — 先 进 无 机 非 金 属 材 料 领 域 。 新
一 代 的 无 机 非 金 属 材 料 的 发 展 ， 将 使 它 在 高 性 能 要 求 的 领 域 发 挥 不 可 预 料 的 作 用 。 近 1 0 年 来 ， 一 些 有 远
见 的 人 士 认 为 ， 人 类 正 在 踏 入 第 二 个 “ 石 器 时 代 ” 的 边 缘 。 据 报 道 ， 无 机 材 料 需 求 量 的 增 长 居 于 各 类 材
料 之 冠 。
新 材 料 的 陆 续 出 现 和 应 用 面 的 不 断 扩 大 ， 改 变 了 原 有 传 统 无 机 非 金 属 材 料 — — 硅 酸 盐 材 料 的 面 貌 。
自 2 0 世 纪 4 0 年 代 以 来 ， 由 于 各 种 新 技 术 的 发 展 ， 在 原 由 硅 酸 盐 材 料 基 础 上 ， 相 继 研 制 出 许 多 新 型 无 机
非 金 属 材 料 ， 如 1 9 4 3 ~ 1 9 4 5 年 制 成 了 具 有 高 介 电 常 数 的 钛 酸 钡 铁 电 体 材 料 ， 在 1 9 4 6 年 制 成 了 具 有 高 导 磁
率 的 铁 氧 体 磁 性 材 料 ， 对 无 线 电 子 学 技 术 的 发 展 起 了 重 要 作 用 。 这 类 新 材 料 虽 然 是 在 原 有 硅 酸 盐 材 料 的
基 础 上 发 展 起 来 的 ， 但 它 的 成 分 中 ， 已 不 含 有 硅 酸 盐 ， 应 用 范 围 和 制 造 工 艺 也 同 原 有 硅 酸 盐 材 料 有 所 不
同 。 为 了 同 以 往 用 天 然 原 料 制 成 的 经 典 硅 酸 盐 材 料 相 区 别 ， 这 类 材 料 被 称 为 新 型 无 机 非 金 属 材 料 （ a d v a n c e d
i n o r g a n i c m a t e r i a l s ） 或 先 进 陶 瓷 （ a d v a n c e d c e r a m i c s ） 、 精 细 陶 瓷 （ f i n e c e r a m i c s ） 、 新 型 无 机 非 金 属 材 料
（ h i g h - t e c h c e r a m i c s ） 、 高 性 能 陶 瓷 （ h i g h p e r f o r m a n c e c r a m i c s ） 、 特 种 陶 瓷 （ s p e c i a l c e r a m i c s ） 、 工 程 陶
瓷 （ e n g i n e e r i n g c e r a m i c s ） 。
新 型 无 机 非 金 属 材 料 与 经 典 硅 酸 盐 材 料 的 主 要 区 别 主 要 为 ：
（ 1 ） 材 料 的 组 成 已 原 超 出 了 硅 酸 盐 的 范 围 ， 包 括 纯 氧 化 物 、 复 合 氧 化 物 、 硅 化 物 、 碳 化 物 、 硼 化 物 、
硫 化 物 以 及 各 种 无 机 非 金 属 化 合 物 、 经 特 殊 的 先 进 工 艺 制 成 的 材 料 和 单 质 。
（ 2 ） 在 应 用 上 ， 已 由 原 来 主 要 利 用 材 料 所 固 有 的 静 态 物 理 性 状 ， 发 展 到 利 用 各 种 物 理 效 应 和 微 观 现
象 的 功 能 性 ， 并 在 各 种 极 端 条 件 下 使 用 。
（ 3 ） 在 制 备 的 工 艺 方 法 方 面 有 了 重 大 的 改 进 和 革 新 ， 制 品 的 形 态 也 有 了 很 大 的 变 化 ， 由 过 去 以 块 状
为 主 的 状 态 向 着 单 晶 化 、 薄 膜 化 、 纤 维 化 、 复 合 化 的 方 向 发 展 。
进 入 2 0 世 纪 9 0 年 代 ， 陶 瓷 的 发 展 正 面 临 着 第 三 次 飞 跃 ， 即 从 先 进 陶 瓷 到 纳 米 陶 瓷 。 人 们 预 期 陶 瓷
科 学 将 在 这 方 面 取 得 重 大 突 破 ， 制 备 出 许 多 不 同 于 先 进 陶 瓷 的 纳 米 陶 瓷 材 料 。
新 型 无 机 非 金 属 材 料 主 要 是 指 用 于 各 种 结 构 部 件 ， 以 发 挥 机 械 、 热 、 化 学 和 生 物 等 功 能 的 高 性 能 陶
瓷 。 因 结 构 陶 瓷 常 在 高 温 下 使 用 ， 故 也 称 为 高 温 结 构 陶 瓷 或 工 程 陶 瓷 。
结 构 陶 瓷 若 按 使 用 领 域 分 类 可 分 为 ： ① 机 械 陶 瓷 ； ② 热 机 陶 瓷 ； ③ 生 物 陶 瓷 ； ④ 核 陶 瓷 及 其 他 。 若
按 化 学 成 分 分 类 可 分 为 ： ① 氧 化 物 陶 瓷 ； ② 氮 化 物 陶 瓷 ； ③ 碳 化 物 陶 瓷 ； ④ 硼 化 物 陶 瓷 ； ⑤ 其 他 结 构 陶
瓷 。
结 构 陶 瓷 具 有 优 异 的 性 能 ， 是 现 代 高 新 技 术 、 新 兴 产 业 和 传 统 工 业 改 造 的 物 质 基 础 ， 也 是 发 展 现 代
军 事 技 术 和 生 物 医 学 不 可 缺 少 的 材 料 ， 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 和 潜 在 的 巨 大 社 会 经 济 效 益 ， 受 到 各 发 达 国
家 的 高 度 重 视 ， 已 对 其 进 行 了 广 泛 的 研 究 和 开 发 ， 并 取 得 了 一 系 列 成 果 。
1 2结 构 陶 瓷 的 致 命 弱 点 是 脆 性 高 、 低 可 靠 性 和 重 复 性 。 近 一 二 十 年 来 围 绕 这 些 关 键 问 题 开 展 了 深 入 的
基 础 研 究 ， 取 得 了 突 破 性 进 展 ， 某 些 结 构 陶 瓷 的 韧 性 已 接 近 铸 铁 的 水 平 。
高 性 能 结 构 陶 瓷 有 如 下 三 个 发 展 趋 势 ：
（ 1 ） 单 相 陶 瓷 向 多 相 复 合 陶 瓷 发 展 当 前 结 构 陶 瓷 的 研 究 与 开 发 已 从 原 先 倾 向 于 单 相 和 高 纯 的 特 点
向 多 相 复 合 的 方 向 发 展 。 其 中 包 括 纤 维 （ 或 晶 须 ） 补 强 的 陶 瓷 基 复 合 材 料 ； 异 相 颗 粒 弥 散 强 化 的 复 相 陶
瓷 ； 自 补 强 复 相 陶 瓷 ， 也 称 为 原 位 生 长 复 相 陶 瓷 ； 梯 度 功 能 复 合 陶 瓷 和 纳 米 复 合 陶 瓷 。 例 如 ， C 纤 维 / 锂
0 . 5
铝 酸 盐 （ L A S ） 复 合 材 料 具 有 高 达 2 0 . 1 M P a ? m 的 断 裂 韧 性 ； S i C - T i C 纳 米 复 合 陶 瓷 的 断 裂 韧 性 可 达 1 6
0 . 5
M P a ? m ， 与 铸 铁 的 韧 性 相 当 ； A l 2 O 3 / S i C 纳 米 复 合 陶 瓷 在 1 1 0 0 ℃ 仍 保 持 1 5 0 0 M P a 的 高 强 度 。
（ 2 ） 微 米 陶 瓷 向 纳 米 陶 瓷 发 展 结 构 陶 瓷 的 研 究 与 开 发 正 在 从 目 前 微 米 级 尺 度 （ 从 粉 体 到 显 微 结 构 ）
向 纳 米 级 尺 度 发 展 。 其 晶 粒 尺 寸 、 晶 界 宽 度 、 第 二 相 分 布 、 气 孔 尺 寸 以 及 缺 陷 尺 寸 都 属 于 纳 米 量 级 ， 为
了 得 到 纳 米 陶 瓷 ， 一 般 的 制 粉 、 成 型 和 烧 结 工 艺 已 不 适 应 ， 这 必 将 引 起 陶 瓷 工 艺 的 发 展 和 变 革 ， 也 将 引
起 陶 瓷 学 理 论 的 发 展 乃 至 建 立 新 的 理 论 体 系 ， 以 适 应 纳 米 尺 度 的 需 求 。
（ 3 ） 由 经 验 式 研 究 向 材 料 设 计 发 展 由 于 陶 瓷 科 学 的 发 展 ， 高 性 能 结 构 陶 瓷 的 研 究 已 摆 脱 以 经 验 式
研 究 为 主 导 的 方 式 ， 而 步 入 按 使 用 和 性 能 上 的 要 求 对 陶 瓷 材 料 进 行 剪 裁 和 设 计 的 阶 段 。
7 . 3 . 1 . 2 新 型 无 机 非 金 属 材 料 的 地 位 和 作 用
新 型 无 机 非 金 属 材 料 之 所 以 在 世 界 范 围 内 获 得 高 度 的 重 视 和 迅 速 的 发 展 ， 是 因 为 它 在 现 代 科 技 、 现
代 经 济 和 现 代 国 防 中 有 着 十 分 重 要 的 作 用 。
（ 1 ） 新 型 无 机 非 金 属 材 料 是 许 多 新 兴 科 学 技 术 的 先 导
许 多 新 型 无 机 非 金 属 材 料 的 突 破 和 发 明 ， 已 成 为 许 多 新 兴 科 学 技 术 出 现 和 得 以 实 现 的 先 导 材 料 。 从
科 学 技 术 的 发 展 历 史 可 以 看 出 ， 许 多 新 的 科 学 技 术 是 在 划 时 代 的 新 材 料 出 现 后 产 生 的 ， 如 半 导 体 材 料 、
激 光 晶 体 、 光 导 纤 维 、 超 导 材 料 等 等 ， 都 具 有 划 时 代 的 意 义 。 可 以 说 ， 没 有 高 纯 度 的 半 导 体 材 料 ， 就 不
会 有 微 电 子 技 术 ； 没 有 激 光 晶 体 ， 就 没 有 激 光 技 术 ， 没 有 低 损 耗 的 光 导 纤 维 ， 便 不 会 出 现 光 通 讯 技 术 ；
没 有 耐 数 千 度 高 温 的 烧 蚀 材 料 ， 人 类 遨 游 太 空 的 梦 想 就 无 法 实 现 ； 这 足 以 说 明 新 型 无 机 非 金 属 材 料 在 许
多 科 学 技 术 中 的 先 导 作 用 。
（ 2 ） 新 型 无 机 非 金 属 材 料 是 许 多 现 代 科 学 技 术 和 现 代 工 业 发 展 的 基 础
科 学 技 术 的 发 展 对 材 料 提 出 了 苛 刻 的 要 求 ， 如 航 空 航 天 领 域 要 求 高 强 度 、 耐 高 温 、 耐 烧 蚀 的 材 料 ；
原 子 能 工 业 需 要 耐 辐 射 和 耐 腐 蚀 的 材 料 ； 海 洋 开 发 需 要 耐 腐 蚀 和 耐 高 压 的 材 料 ， 电 子 工 业 需 要 超 纯 、 特
薄 、 特 细 、 特 均 匀 的 电 子 材 料 ； 信 息 技 术 需 要 获 取 信 息 高 灵 敏 度 的 敏 感 材 料 、 大 容 量 传 输 信 息 的 光 导 纤
维 、 高 密 度 存 储 信 息 的 记 录 材 料 等 等 。 同 时 ， 这 些 材 料 的 研 究 和 应 用 也 促 进 相 关 技 术 的 发 展 。 由 于 结 构
陶 瓷 具 有 耐 高 温 、 耐 腐 蚀 、 耐 磨 损 、 耐 冲 刷 、 高 强 度 、 高 硬 度 等 一 系 列 优 异 性 能 ， 可 以 承 受 金 属 材 料 和
高 分 子 材 料 难 以 胜 任 的 工 作 环 境 ， 多 用 于 高 温 环 境 ， 因 此 受 到 航 空 航 天 、 能 源 、 冶 金 等 部 门 的 高 度 重 视 ，
可 用 作 航 天 飞 机 外 蒙 皮 、 各 种 新 型 热 机 陶 瓷 部 件 、 高 温 陶 瓷 换 热 器 、 磁 流 体 发 电 通 道 材 料 、 核 能 发 电 的
包 套 材 料 等 。 结 构 陶 瓷 已 成 为 这 些 工 业 部 门 发 展 的 关 键 和 基 础 。 由 于 功 能 陶 瓷 具 有 优 异 的 光 、 电 、 磁 、
声 、 热 、 弹 等 性 质 及 其 耦 合 效 应 ， 如 将 各 种 物 理 量 、 化 学 量 、 生 物 量 转 换 成 电 信 号 的 敏 感 陶 瓷 、 各 种 绝
缘 陶 瓷 、 半 导 体 陶 瓷 、 超 导 陶 瓷 、 透 明 陶 瓷 、 磁 性 陶 瓷 、 铁 电 和 压 电 陶 瓷 、 晶 体 材 料 等 等 ， 对 处 于 信 息
化 社 会 的 今 天 ， 已 成 为 信 息 、 计 算 机 、 自 动 化 生 产 及 机 器 人 等 高 技 术 和 个 工 农 业 发 展 的 基 础 。 生 物 陶 瓷
具 有 生 物 相 容 性 好 ， 耐 腐 蚀 等 优 点 ， 已 成 为 人 体 硬 组 织 材 料 和 某 些 人 工 器 官 的 关 键 材 料 ， 如 人 工 心 脏 瓣
膜 所 使 用 的 低 温 热 解 碳 ， 人 工 骨 采 用 的 钙 、 磷 陶 瓷 材 料 等 。
（ 3 ） 巩 固 国 防 ， 发 展 军 用 技 术 的 作 用
国 防 工 业 、 军 用 技 术 历 来 是 新 材 料 、 新 技 术 的 主 要 推 动 者 和 应 用 者 。 当 今 世 界 的 军 备 竞 争 早 已 不 是
着 眼 于 武 器 数 量 上 的 增 加 ， 而 是 武 器 性 能 和 军 用 技 术 的 抗 衡 。 在 武 器 和 军 用 技 术 的 发 展 上 ， 新 型 无 机 非
金 属 材 料 占 有 举 足 轻 重 的 作 用 ， 如 马 赫 数 大 于 2 的 亚 音 速 飞 机 ， 其 成 败 将 取 决 于 具 有 高 韧 性 和 高 可 靠 性
的 结 构 陶 瓷 和 陶 瓷 纤 维 补 强 的 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 成 功 研 制 和 应 用 。 陶 瓷 装 甲 可 以 抵 御 穿 甲 弹 的 破 坏 ， 已
用 于 装 备 飞 机 和 车 辆 。 各 种 导 弹 和 飞 船 的 端 头 帽 、 天 线 罩 和 它 的 窗 口 都 采 用 新 型 无 机 非 金 属 材 料 材 料 。
1 3在 武 器 装 备 日 趋 智 能 化 的 今 天 ， 微 电 子 、 光 电 子 、 传 感 等 功 能 陶 瓷 材 料 与 其 相 应 的 电 子 技 术 、 光 电 子 信
息 技 术 、 传 感 技 术 等 ， 有 着 非 常 重 要 的 作 用 ， 如 军 用 光 电 子 功 能 陶 瓷 材 料 已 广 泛 用 于 探 测 、 侦 察 、 识 别 、
测 距 、 显 示 、 寻 址 、 制 导 、 干 扰 、 通 信 和 情 报 处 理 等 。
7.3.2 氮化硅陶 瓷
1 9 世 纪 8 0 年 代 发 现 ， 2 0 世 纪 5 0 年 代 发 展 起 来 的 氮 化 硅 陶 瓷 ， 具 有 高 的 室 温 和 高 温 强 度 、 高 硬 度 、
耐 磨 性 、 抗 氧 化 性 和 良 好 的 热 冲 击 性 及 机 械 冲 击 性 ， 被 材 料 科 学 界 认 为 是 结 构 陶 瓷 领 域 中 综 合 性 能 优 良 ，
最 有 希 望 替 代 镍 基 合 金 在 高 科 技 、 高 温 领 域 中 获 得 广 泛 应 用 的 一 种 新 材 料 。 因 此 近 二 三 十 年 来 颇 受 重 视 ，
2 0 世 纪 7 0 年 代 以 来 ， 国 内 外 进 行 了 大 量 的 研 究 与 开 发 工 作 ， 并 取 得 了 很 大 进 展 。
氮 化 硅 的 晶 体 结 构 ： S i N 是 由 来 源 丰 富 的 S i 和 N 元 素 通 过 人 工 合 成 的 新 材 料 。 S i N 有 α 和 β 两 种 晶
3 4 3 4
型 ， 其 中 α 是 不 稳 定 的 低 温 型 ， β 是 稳 定 高 温 型 。 它 们 的 晶 体 结 构 均 为 六 方 晶 系 。 α — S i 3 N 4 只 是 在 硅 粉
的 氮 化 过 程 中 ， 由 于 特 殊 的 动 力 学 原 因 而 形 成 的 亚 温 定 晶 相 ， 在 1 4 0 0 ~ 1 8 0 0 ℃ 时 ， α — S i N 会 发 生 重 构
3 4
相 变 ， 转 变 为 β — S i N ， 这 种 相 变 是 不 可 逆 的 。
3 4
在 特 殊 的 工 艺 （ 如 由 有 机 聚 合 物 热 解 等 ） 条 件 下 ， 可 以 合 成 无 定 形 氮 化 硅 ， 它 经 过 热 处 理 可 以 析 出 晶
相 。
在 氮 化 硅 中 ， S i 原 子 与 周 围 的 四 个 N 原 子 形 成 共 价 键 ， 形 成 [ S i — N 4 ] 四 面 体 结 构 单 元 。 α 相 和 β 相 都
是 由 三 个 结 构 单 元 [ S i — N ] 四 面 体 共 用 一 个 N 原 子 而 形 成 三 维 网 状 结 构 。 正 是 由 于 [ S i — N ] 四 面 体 结 构 单
4 4
元 的 存 在 ， 氮 化 硅 具 有 较 高 的 硬 度 。 β 相 S i N 是 由 几 乎 完 全 对 称 的 六 个 [ S i — N ] 四 面 体 组 成 的 六 方 环 状
3 4 4
层 在 c 轴 方 向 重 叠 而 成 ， 空 间 群 P 6 / m 。 而 α 相 S i N 是 一 个 氧 氮 化 物 ， 氧 进 入 结 构 中 ， 组 成 为 S i N O ，
3 3 4 1 1 . 5 1 5 0 . 5
因 此 是 理 想 的 α — S i N 发 生 部 分 扭 曲 的 结 构 ， 对 称 性 较 差 ， 由 此 认 为 α 相 S i N 是 由 两 层 不 同 ， 且 有 形
3 4 3 4
变 的 非 六 芳 环 状 重 叠 而 成 。 α 相 结 构 的 内 部 应 变 比 β 相 大 ， α 轴 扩 大 了 一 倍 ， 故 体 系 的 自 由 能 比 β 相 高 ，
稳 定 性 较 差 ， 在 高 温 时 原 子 位 置 发 生 调 整 ， 发 生 结 构 相 变 ， 转 变 成 稳 定 的 β — S i N 。
3 4
S i N 陶 瓷 是 高 温 结 构 陶 瓷 中 最 引 人 注 目 的 一 种 材 料 。 S i N 陶 瓷 的 性 能 受 生 产 工 艺 和 显 微 结 构 的 影
3 4 3 4
响 ， 如 气 压 烧 结 S i N 时 ， 高 氮 气 压 力 能 促 进 长 柱 状 晶 粒 生 长 ， 因 而 材 料 具 有 高 的 断 裂 韧 性 ， 而 热 等 静 压
3 4
S i N 具 有 均 匀 的 细 晶 结 构 ， 材 料 的 强 度 高 。 由 于 生 产 工 艺 （ 主 要 是 烧 结 方 法 ） 不 同 ， 氮 化 硅 陶 瓷 性 能 有
3 4
很 大 差 异 ， 即 使 是 同 一 种 类 型 的 材 料 ， 其 性 能 也 有 相 当 大 的 差 异 ， 表 明 显 微 结 构 对 材 料 性 能 影 响 较 大 ，
因 此 在 进 行 组 成 设 计 的 同 时 ， 注 重 显 微 结 构 设 计 ， 才 能 获 得 具 有 所 希 望 性 能 的 材 料 。
各 种 氮 化 硅 陶 瓷 的 强 度 随 温 度 升 高 都 有 较 大 幅 度 的 下 降 ， 因 为 氮 化 硅 陶 瓷 的 高 温 性 能 在 很 大 程 度 上
受 晶 界 玻 璃 相 的 影 响 。 添 加 的 烧 结 助 剂 在 完 成 致 密 化 作 用 后 ， 大 部 分 都 残 留 在 晶 界 上 ， 在 高 温 下 晶 界 玻
璃 相 会 熔 融 软 化 ， 使 材 料 的 高 温 性 能 下 降 ， 不 利 于 高 温 应 用 。 为 解 决 此 问 题 ， 进 行 了 大 量 的 晶 界 工 程 研
究 ， 目 前 提 高 氮 化 硅 陶 瓷 晶 界 耐 火 度 的 主 要 途 径 （ 晶 界 相 设 计 及 晶 界 性 能 改 善 途 径 ） ， 主 要 有 以 下 四 个
方 面 ： ① 形 成 固 溶 体 ， 净 化 晶 界 ； ② 以 高 粘 度 、 高 熔 点 玻 璃 相 强 化 晶 界 ； ③ 促 进 玻 璃 相 结 晶 ； ④ 通 过 氧
化 扩 散 ， 改 变 晶 界 组 成 。 通 过 晶 界 工 程 研 究 ， 材 料 高 温 性 能 有 了 很 大 提 高 。 目 前 已 能 制 备 从 室 温 到 1 3 7 0 ℃
的 温 度 范 围 内 强 度 保 持 在 1 0 0 0 M P a 的 氮 化 硅 材 料 ， 为 能 在 高 温 、 高 技 术 领 域 应 用 打 下 了 良 好 基 础 。
但 是 ， 氮 化 硅 陶 瓷 的 断 裂 韧 性 仍 较 低 。 为 此 人 们 引 入 第 二 相 （ 颗 粒 、 晶 须 、 纤 维 ） 组 成 复 相 陶 瓷 ；
利 用 氮 化 硅 陶 瓷 的 自 补 强 ； 通 过 材 料 设 计 所 研 制 的 层 状 复 合 氮 化 硅 陶 瓷 材 料 ， 是 利 用 轧 模 工 艺 使 层 内 的
晶 粒 和 晶 须 作 定 向 排 列 ， 并 调 整 外 部 层 状 复 合 结 构 以 得 到 材 料 的 两 级 增 韧 效 果 ， 断 裂 韧 性 高 达 2 0 . 1 M P a 。
氮 化 硅 陶 瓷 具 有 一 系 列 独 特 优 异 的 常 温 和 高 温 的 力 学 、 化 学 等 性 能 ， 如 强 度 和 硬 度 高 、 热 膨 胀 系 数
和 蠕 变 小 、 耐 高 温 、 抗 氧 化 、 耐 磨 损 、 耐 腐 蚀 等 ， 在 高 技 术 领 域 和 现 代 工 业 中 有 广 泛 的 用 途 和 良 好 的 应
用 前 景 。 其 应 用 可 分 为 发 动 机 部 件 和 工 业 应 用 两 大 类 。 氮 化 硅 是 最 有 希 望 应 用 于 热 机 的 陶 瓷 材 料 ， 为 此
国 内 外 进 行 了 大 量 的 研 究 和 开 发 。 目 前 除 高 温 燃 气 轮 机 用 的 部 件 外 ， 在 军 用 发 动 机 部 件 中 已 有 许 多 可 替
代 现 用 的 部 件 ， 如 电 热 塞 、 预 热 燃 烧 室 镶 块 、 摇 臂 镶 块 、 透 平 转 子 、 喷 射 器 连 杆 等 ， 这 些 在 国 内 外 已 获
得 实 际 应 用 。 另 外 ， 利 用 氮 化 硅 高 温 高 强 度 等 热 特 性 以 及 它 质 量 轻 、 绝 缘 性 好 、 耐 磨 损 、 耐 腐 蚀 等 特 性 ，
可 用 于 机 械 、 冶 金 、 化 工 、 航 天 航 空 等 工 业 。
7.3.3 塞龙陶瓷
1 4塞 龙陶瓷 是 2 0 世 纪 7 0 年 代 处 日 本 的 O y a m a ( 1 9 7 1 ) 和 英 国 的 J a c k （ 1 9 7 2 ） 在 研 究 氮 化 硅 材 料 添 加 剂
中 发 现 的 一 类 材 料 ， 它 是 氮 化 硅 固 溶 体 的 总 称 。 塞 龙 是 S i 、 A l 、 O 、 N 四 个 元 素 符 号 组 合 而 成 的 译 音 ， 基
本 结 构 是 （ S i 、 A l ） （ O 、 N ） 四 面 体 。 根 据 结 构 和 组 合 ， 塞 龙 可 分 为 β — 塞 龙 、 α — 塞 龙 、 ο — 塞 龙 和
A l N 多 型 体 四 种 类 型 ， 前 三 种 分 别 简 写 为 β ’ 、 α ’ 和 ο ’ 。
日 本 的 O y a m a 和 英 国 的 J a c k 认 为 β — 塞 龙 在 S i N - A l O 的 连 线 上 ， 并 指 出 该 固 溶 体 的 分 子 式 为 ：
3 4 2 3
S i A l O N 。 随 着 研 究 的 深 入 ， 英 国 L u m b y 等 提 出 β — 塞 龙 仅 存 在 于 S i N - A l O · A l N 连 线 上 ，
6 - 3 / 4 x 2 / 3 x x 8 - x 3 4 2 3
纠 正 了 塞 龙 是 S i N - A l O 系 固 溶 体 的 概 念 ， 并 提 出 固 溶 体 的 新 分 子 式 ： S i A l O N ， 称 为 z 分 子 式 ， 式
3 4 2 3 6 - 3 z z 8 - z
中 ， z 表 示 S i 被 A l 的 取 代 量 ， z 值 的 变 化 范 围 为 0 ~ 4 . 2 ， 即 真 正 的 β — 塞 龙 单 相 固 溶 体 应 该 是 当 A l 2 O 3 和
A l N 以 物 质 的 量 比 为 1 : 1 同 时 加 入 到 S i N 中 （ 保 持 金 属 离 子 与 非 金 属 离 子 之 比 3 : 4 时 ） ， 实 现 A l — N 和
3 4
A l — O 键 对 S i — N 的 取 代 （ 当 反 应 物 为 A l N 和 S i O 时 ， 应 为 A l — N 和 S i — O 键 对 S i — N 的 取 代 ） 后 才
2
形 成 的 。
塞 龙 陶 瓷 具 有 较 低 的 热 膨 胀 系 数 、 较 高 耐 腐 蚀 性 、 高 的 红 硬 性 、 优 良 的 耐 热 冲 击 性 能 ， 优 异 的 高 温
强 度 和 硬 度 等 特 点 ， 其 应 用 范 围 比 氮 化 物 更 广 ， 主 要 领 域 有 ： ① 热 机 材 料 ： 用 于 汽 车 发 动 机 的 针 阀 和 挺
杆 垫 片 ； ② 切 削 工 具 ： 塞 龙 陶 瓷 的 红 硬 性 比 C o - W C 合 金 和 氧 化 铝 高 ， 当 刀 尖 温 度 达 1 0 0 0 ℃ 时 仍 可 进 行
高 速 切 削 ； ③ 塞 龙 硬 度 高 、 耐 磨 性 好 ， 可 用 作 轴 承 等 滑 动 及 磨 损 件 ， 如 车 辆 底 盘 上 的 定 位 销 ， 常 用 的 淬
7
硬 钢 销 可 进 行 的 操 作 次 数 为 7 0 0 0 次 ， 相 当 于 一 个 工 作 日 ， 而 塞 龙 销 操 作 次 数 可 超 过 5 × 1 0 次 ， 即 使 用 寿
命 为 1 年 ， 且 无 磨 损 痕 迹 ； ④ 可 用 作 轧 钢 辊 、 有 色 合 金 冶 炼 成 型 材 料 ， 如 挤 压 模 内 衬 、 拉 管 子 的 模 子 和
芯 棒 、 金 属 浇 铸 和 金 属 喷 雾 设 备 中 的 部 件 以 及 热 电 偶 保 护 套 管 、 坩 埚 等 ， 也 可 用 作 拉 磷 化 镓 单 晶 舟 等 。
7.3.4 碳化硅陶 瓷
碳 化 硅 （ S i C ） 陶 瓷 是 以 S i C 为 主 要 成 分 的 陶 瓷 ， S i C 在 自 然 界 中 几 乎 不 存 在 ， 只 在 陨 石 中 偶 有 发 现 。
1 8 9 3 年 美 国 人 A c h e s o n 最 早 用 S i O 碳 还 原 法 （ S i O + 3 C → S i C + 2 C O ↑ ） 人 工 合 成 S i C 粉 末 ， 该 法 至
2 2
今 仍 是 碳 化 硅 粉 体 合 成 及 材 料 制 备 的 主 要 方 法 ， 其 后 又 建 立 了 硅 — 硅 直 接 合 成 法 、 气 相 沉 积 法 、 激 光 法 、
有 机 前 驱 体 法 等 。
随 着 现 代 科 学 技 术 的 发 展 ， 尤 其 是 共 价 键 材 料 烧 结 理 论 的 建 立 ， 从 2 0 世 纪 6 0 年 代 以 来 ， S i C 作 为 结
构 材 料 使 用 ， 在 此 之 前 主 要 用 于 磨 料 、 耐 火 材 料 和 发 热 元 件 使 用 。 1 9 7 4 年 美 国 科 学 家 P r o c h a z k a 首 先 成
功 地 采 用 亚 微 米 级 β - S i C 和 少 量 的 B 、 C 添 加 剂 作 原 料 ， 通 过 无 压 烧 结 工 艺 制 得 了 致 密 的 碳 化 硅 陶 瓷 。
从 此 ， S i C 陶 瓷 成 为 非 常 重 要 的 高 温 结 构 材 料 ， 已 形 成 一 个 新 兴 产 业 。
S i C 是 共 价 键 很 强 的 化 合 物 ， 离 子 键 约 占 1 2 % ， 其 晶 体 结 构 的 基 本 单 元 是 相 互 穿 插 的 S i C 和 C S i 四
4 4
面 体 。 四 面 体 共 边 形 成 平 面 层 ， 并 以 顶 点 与 下 一 个 叠 层 四 面 体 相 连 形 成 三 维 结 构 ， 由 于 四 面 体 堆 积 次 序
的 不 同 ， 可 形 成 不 同 的 结 构 ， 至 今 已 发 现 几 百 种 变 体 ， 常 见 的 晶 型 有 六 方 晶 系 的 α - S i C 和 立 方 晶 系 的 β
- S i C 。
α - S i C 有 上 百 种 变 体 ， 其 中 最 主 要 的 是 4 H 、 6 H 、 1 5 H 等 。 4 H 、 6 H 属 于 六 方 晶 系 ， 在 2 1 0 0 ℃ 和 2 1 0 0 ℃
以 上 是 稳 定 的 ； 1 5 R - S i C 为 菱 面 （ 斜 方 六 面 ） 晶 系 ， 在 2 0 0 0 ℃ 以 上 是 稳 定 的 。 H 和 R 代 表 六 方 和 斜 方 六
面 型 。
3
β - S i C 只 有 一 种 ， 属 立 方 晶 系 ， 密 度 为 3 . 1 2 5 g / m 。 β - S i C 在 2 1 0 0 ℃ 以 下 是 稳 定 的 ， 高 于 2 1 0 0 ℃ 时 ，
β - S i C 开 始 转 变 为 α - S i C ， 转 变 速 率 很 慢 ， 到 2 4 0 0 ℃ 转 变 迅 速 ， 这 种 转 变 在 一 般 情 况 下 是 不 可 逆 的 ， 在
2 0 0 0 ℃ 以 下 合 成 的 S i C 主 要 是 β 型 ， 在 2 2 0 0 ℃ 以 上 合 成 的 主 要 是 α - S i C ， 而 且 以 6 H 为 主 。
S i C 陶 瓷 具 有 高 温 强 度 高 、 抗 蠕 变 、 硬 度 高 、 耐 磨 、 耐 腐 蚀 、 抗 氧 化 、 高 导 热 、 高 导 电 和 热 稳 定 性
等 一 系 列 优 异 的 性 能 。 S i C 陶 瓷 材 料 的 性 能 与 其 制 备 工 艺 和 组 成 密 切 相 关 。
特 别 是 S i C 陶 瓷 有 最 好 的 高 温 力 学 性 能 （ 高 强 度 、 抗 蠕 变 、 抗 氧 化 ） ， 温 度 到 1 6 0 0 ℃ 时 抗 弯 强 度 基
本 与 室 温 相 同 ， 是 高 温 燃 气 轮 机 重 要 的 候 选 材 料 ， 它 有 最 好 的 稳 定 性 ， 耐 各 种 酸 碱 腐 蚀 ， 抗 氧 化 性 优 越 ，
是 极 好 的 耐 腐 蚀 材 料 ， 它 还 有 高 的 硬 度 ， 莫 氏 硬 度 高 达 9 . 2 ~ 9 . 5 ， 是 仅 次 于 金 刚 石 、 立 方 B N 等 的 高 耐 磨
材 料 。
S i C 优 异 的 性 能 ， 在 众 多 的 工 业 领 域 和 高 技 术 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 如 表 7 - 0 4 所 示 。
1 5表 7 - 0 4 S i C 陶 瓷 的 应 用
领 域 使 用 环 境 用 途 主 要 优 点
石 油 工 业 高 温 、 高 压 （ 液 ） 研 磨 物 喷 嘴 、 轴 承 、 密 封 件 、 阀 耐 磨 、 导 电
微 电 子 工 业 质 门 高 导 电 、 高 绝 缘
化 学 工 业 大 功 率 散 热 封 装 材 料 、 基 片 耐 磨 损 、 耐 腐 蚀 、 气 密 性
强 酸 、 强 碱 、 高 温 氧 化 密 封 、 轴 承 、 泵 部 件 、 热 好 、 高 温 耐 腐 蚀
交 换 器 、 气 化 管 道 、 热 电
汽 车 、 拖 拉 机 、 飞 机 、 宇
低 摩 擦 、 高 强 度 、 低 惯 性
偶 保 温 管
航 火 箭 燃 烧 （ 发 动 机 ）
负 荷 、 耐 热 冲 击 性
燃 烧 器 部 件 、 涡 轮 增 压
气 、 涡 轮 叶 片 、 燃 气 轮 机
激 光
高 刚 度 、 稳 定 性
叶 片 、 火 箭 喷 嘴
大 功 率 、 高 温
喷 砂 器
耐 磨 损
反 射 屏
高 速 研 削
造 纸 工 业
耐 热 、 耐 腐 蚀 、 气 密 性 好
喷 嘴
纸 浆 废 液 、 （ 5 0 % ） N a O H
密 封 、 套 管 、 轴 承 衬 底
钢 铁 工 业 纸 浆
耐 热 、 耐 腐 蚀 、 气 密 性 好
高 温 气 体 、 金 属 液 体
热 电 偶 保 温 管 、 辐 射 管 、
矿 业
耐 磨 损 性
热 交 换 器 、 燃 烧 管 、 高 炉
原 子 能 研 削
耐 放 热 性
材 料
其 他 含 硼 高 温 水
耐 磨 、 耐 腐 蚀 性
内 衬 、 泵 部 件
塑 性 加 工
密 封 、 轴 套
拉 丝 、 成 型 模 具
7.3.5 氧化锆陶 瓷
氧 化 锆 （ Z r O ） 陶 瓷 是 以 稳 定 的 立 方 型 氧 化 锆 为 主 晶 相 的 陶 瓷 。 2 0 世 纪 7 0 年 代 利 用 氧 化 锆 相 变 特 性
2
发 展 起 来 的 氧 化 锆 增 韧 陶 瓷 ， 具 有 优 异 的 力 学 （ 最 高 的 断 裂 韧 性 ） 和 热 力 学 等 性 能 ， 是 一 类 很 有 发 展 前
途 的 新 型 结 构 陶 瓷 材 料 ， 已 在 众 多 领 域 中 得 到 广 泛 应 用 。
纯 Z r O 2 有 三 种 同 素 异 形 体 结 构 ： 立 方 结 构 （ c 相 ） ， 立 方 结 构 （ t 相 ） 及 单 斜 结 构 （ m 相 ） ， 三 种 晶
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型 的 相 变 关 系 为 ： m - Z r O — — t - Z r O — — c - Z r O ， 三 种 晶 型 密 度 分 别 为 ： m 相 5 . 5 6 g / c m ， t 相 6 . 1 0 g / c m ，
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3
c 相 6 . 2 g / c m 。 整 个 相 变 过 程 是 可 逆 的 ， 即 使 升 温 和 冷 却 速 率 很 快 ， 也 无 法 阻 止 。 纯 Z r O 烧 结 冷 却 时 发
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生 的 t → m 相 变 为 无 扩 散 相 变 ， 具 有 典 型 的 马 氏 体 相 变 特 征 ， 并 伴 随 产 生 约 7 % 的 体 积 膨 胀 和 相 当 大 的 剪
应 切 变 （ 约 8 % ） ； 相 反 ， 在 加 热 时 ， 由 m → t 相 变 ， 体 积 收 缩 。 由 于 纯 Z r O 制 品 在 加 热 、 冷 却 过 程 中 要
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发 生 晶 型 转 变 ， 引 起 体 积 效 应 （ 热 缩 、 冷 胀 ） ， 易 使 制 品 开 裂 ， 因 此 纯 Z r O 2 难 以 烧 结 成 致 密 的 块 状 陶 瓷
材 料 ， 所 以 要 采 取 稳 定 晶 型 的 措 施 。
4 +
为 防 止 相 变 引 起 的 开 裂 ， 通 常 在 纯 Z r O 中 加 入 与 它 结 构 相 似 （ 立 方 晶 型 ） 和 阳 离 子 半 径 与 Z r 相 近
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（ 半 径 差 < 4 % ） 的 氧 化 物 作 稳 定 剂 。 在 高 温 烧 结 时 ， 它 们 将 与 Z r O 形 成 立 方 固 溶 体 ， 冷 却 后 仍 能 保 持 稳
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定 的 立 方 型 固 溶 体 ， 消 除 了 单 斜 相 与 四 方 相 的 转 变 ， 没 有 体 积 效 应 ， 可 避 免 Z r O 陶 瓷 开 裂 。 加 入 适 量 的
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c - Z r O 2 稳 定 剂 ， 可 在 室 温 下 获 得 c - Z r O 2 单 相 材 料 。 经 过 这 种 稳 定 处 理 的 Z r O 2 称 为 完 全 稳 定 Z r O 2 ， 用 F S Z
表 示 。 在 进 行 稳 定 化 时 ， 随 稳 定 剂 不 同 ， 其 最 小 用 量 也 不 同 。
然 而 完 全 稳 定 化 的 Z r O 力 学 性 能 仍 很 低 ， 尤 其 是 抗 热 震 性 能 差 。 如 果 减 少 加 入 氧 化 物 的 数 量 （ 小 于
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上 面 的 数 值 ） ， 不 使 全 部 氧 化 物 都 呈 稳 定 的 立 方 相 ， 而 使 一 部 分 以 四 方 相 的 形 式 存 在 ， 由 于 这 种 含 四 方
相 的 材 料 只 使 一 部 分 氧 化 锆 亚 稳 到 室 温 ， 所 以 叫 做 部 分 稳 定 氧 化 锆 ， 用 P S Z 表 示 。 由 于 稳 定 剂 含 量 、 烧
结 和 热 处 理 工 艺 的 不 同 ， 室 温 下 可 获 得 c + t 、 t + m 双 相 或 c + t + m 三 相 组 织 的 P S Z 。 稳 定 的 Z r O 2 陶 瓷 全 部
为 t - Z r O 的 单 相 多 晶 陶 瓷 时 ， 叫 四 方 氧 化 锆 多 晶 陶 瓷 ， 用 T Z P 表 示 。
2
四 方 Z r O 析 出 物 粒 子 在 冷 却 到 ≤ 1 0 0 0 ℃ 时 是 否 转 变 单 斜 相 是 决 定 力 学 性 能 的 关 键 。 四 方 相 能 否 保 持
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到 室 温 决 定 于 稳 定 剂 的 含 量 和 晶 粒 大 小 。 研 究 表 明 ， Z r O - 3 % （ 摩 尔 分 数 ） Y O 的 热 膨 胀 行 为 与 钢 中 的
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奥 氏 体 （ A ） — — 马 氏 体 （ M ） 相 变 相 似 。 随 Y O 等 稳 定 剂 含 量 的 增 加 ， Z r O 的 M s （ t — m 相 变 开 始 点 ）
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1 6降 低 ， 即 Y O 含 量 高 时 ， 残 留 t 相 增 多 ， 甚 至 有 c 相 被 稳 定 到 室 温 ， 一 般 发 生 t → m 相 变 的 t 相 含 Y O
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为 0 ~ 4 % （ 摩 尔 分 数 ） 。
四 方 相 能 否 保 持 到 室 温 不 仅 决 定 于 稳 定 剂 的 含 量 ， 还 取 决 于 晶 粒 尺 寸 的 大 小 。 在 稳 定 剂 含 量 相 同 时 ，
t 相 的 晶 粒 尺 寸 是 影 响 t → m 相 变 的 一 个 重 要 因 素 ， M s 点 随 晶 粒 尺 寸 的 减 少 而 降 低 。 实 际 材 料 中 晶 粒 尺 寸
并 非 均 匀 ， 而 是 有 一 个 尺 寸 分 布 范 围 。 室 温 时 的 显 微 组 织 中 存 在 一 个 临 界 晶 粒 直 径 d , 直 径 d > d 的 晶 粒 室
c c
温 下 已 转 变 m 相 ， d > d 的 晶 粒 冷 却 到 室 温 仍 保 留 t 相 。 所 以 ， 只 有 d < d 的 晶 粒 才 有 可 能 （ 但 不 一 定 ） 产
c c
生 相 变 韧 化 作 用 。 因 此 ， 室 温 下 t 相 含 量 的 多 少 对 提 高 韧 性 有 直 接 影 响 。 有 人 认 为 ， Z r O 增 韧 陶 瓷 的 断
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裂 韧 性 正 比 于 材 料 中 的 四 方 相 Z r O 2 含 量 ， 从 这 个 意 义 上 讲 ， T Z P （ 全 是 四 方 相 ） 应 是 相 变 韧 性 效 果 最 好
的 ， 实 际 上 只 有 可 相 变 的 t 相 才 能 对 相 变 有 贡 献 ， 而 并 非 所 有 t 相 在 承 载 时 都 发 生 相 变 。 研 究 表 明 ， 就 力
学 性 能 而 言 ， 在 Y - T Z P 中 存 在 一 个 最 佳 晶 粒 尺 寸 范 围 。 当 Z r O 晶 粒 尺 寸 在 最 佳 尺 寸 范 围 内 时 ， 由 于 Z r O
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晶 粒 相 互 之 间 的 抑 制 ， 所 有 的 晶 粒 都 保 持 四 方 相 ， 当 材 料 中 Z r O 平 均 晶 粒 尺 寸 大 于 或 小 于 该 最 佳 尺 寸 范
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围 时 ， 一 部 分 四 方 Z r O 会 相 变 为 单 斜 Z r O 2 ， 导 致 材 料 强 度 和 韧 性 下 降 。 临 界 尺 寸 的 大 小 受 许 多 因 素 制 约 ，
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故 控 制 烧 成 工 艺 十 分 重 要 ， 通 常 采 用 超 细 粉 体 ， 并 在 适 宜 的 温 度 下 烧 结 ， 通 过 控 制 晶 粒 生 长 速 率 以 获 得
细 晶 陶 瓷 。
有 的 研 究 者 认 为 ， Z r O 增 韧 陶 瓷 正 比 于 材 料 中 四 方 相 Z r O 的 含 量 。 也 有 研 究 表 明 ， Z r O 增 韧 陶 瓷
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的 断 裂 韧 性 正 比 于 材 料 中 可 相 变 的 四 方 相 Z r O 的 含 量 ， 因 有 相 当 部 分 的 四 方 相 并 不 相 变 为 单 斜 相 。 同 时
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力 学 性 能 还 受 粉 料 和 制 品 晶 粒 大 小 的 影 响 。 Y O - Z r O 粉 料 平 均 颗 粒 尺 寸 越 小 ， 其 中 t - Z r O 含 量 越 高 ； Y O
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含 量 越 高 ， t - Z r O 2 含 量 越 高 ； t - Z r O 2 含 量 越 高 ， 可 相 变 的 t - Z r O 2 体 积 分 数 亦 越 高 ， 强 度 、 韧 性 就 越 好 。 晶
粒 尺 寸 对 t - Z r O 的 含 量 和 力 学 性 能 有 更 大 影 响 。 最 高 的 t - Z r O 含 量 只 处 于 很 窄 的 晶 粒 尺 寸 范 围 内 ， 而 且
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存 在 临 界 晶 粒 尺 寸 ， 会 自 发 相 变 导 致 强 度 和 韧 性 下 降 。 这 些 可 通 过 组 成 工 艺 控 制 来 获 得 Z r O 增 韧 陶 瓷 的
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最 佳 性 能 ， 满 足 各 种 应 用 需 要 。
应 用 广 泛 的 Y - T Z P 陶 瓷 的 弱 点 是 随 着 使 用 温 度 的 升 高 ， 其 抗 弯 强 度 和 断 裂 韧 性 显 著 降 低 。 为 克 服 这
一 缺 点 ， 材 料 科 学 家 做 了 很 多 研 究 ， 如 在 Y - T Z P 中 分 散 A l 2 O 3 ， 即 使 在 1 0 0 0 ℃ 也 保 持 着 6 0 0 ~ 1 0 0 0 M P a 的
强 度 。 此 外 ， 加 入 高 温 强 度 好 的 S i C 、 S i N 的 晶 须 或 颗 粒 、 莫 来 石 与 第 二 相 物 质 来 改 善 高 温 力 学 性 能 ，
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已 取 得 了 相 当 大 的 进 展 ， 同 时 以 Z r O 为 分 散 相 的 增 韧 陶 瓷 也 取 得 了 很 好 的 增 强 增 韧 效 果 ， 并 获 得 了 广 泛
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应 用 。
在 陶 瓷 中 部 分 稳 定 Z r O 陶 瓷 具 有 最 高 的 断 裂 韧 性 和 很 高 的 抗 弯 强 度 ， 有 的 部 分 稳 定 Z r O 的 平 均 抗
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0 . 5
弯 强 度 已 达 2 4 0 0 M P a ， 达 到 了 高 强 度 合 金 钢 的 水 平 ， 断 裂 韧 性 可 达 1 7 M P a ? m ， 相 当 于 铸 铁 和 硬 质 合 金
水 平 ， 因 而 有 陶 瓷 钢 的 美 称 。
由 于 部 分 稳 定 Z r O 陶 瓷 具 有 优 异 的 力 学 性 能 ， 同 时 也 有 较 好 的 耐 磨 和 耐 腐 蚀 性 ， 再 加 上 热 传 导 系 数
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小 ， 隔 热 性 很 好 ， 而 热 膨 胀 系 数 又 比 较 大 ， 比 较 容 易 与 金 属 部 件 匹 配 ， 所 以 在 目 前 研 制 的 陶 瓷 发 动 机 中
用 于 汽 缸 内 壁 、 活 塞 顶 、 缸 盖 、 气 门 座 和 气 门 杆 等 ， 其 中 某 些 部 件 是 与 金 属 复 合 而 成 的 。 由 于 陶 瓷 发 动
机 处 于 研 制 阶 段 ， 尚 有 许 多 问 题 有 待 解 决 。
此 外 ， 部 分 稳 定 Z r O 陶 瓷 还 可 用 作 无 润 滑 轴 承 、 拉 丝 模 、 冲 挤 压 模 、 弹 簧 、 刀 具 、 量 具 、 各 种 喷 嘴 、
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陶 瓷 阀 及 衬 套 、 机 械 密 封 材 料 、 球 磨 件 、 各 种 剪 刀 、 无 磁 改 锥 以 及 生 物 陶 瓷 材 料 等 。
氧 化 锆 增 韧 陶 瓷 由 于 其 优 良 的 性 能 ， 已 经 得 到 了 相 当 广 泛 的 应 用 ， 其 应 用 领 域 不 断 扩 大 ， 今 后 在 电
子 信 息 、 航 空 、 航 天 、 国 防 等 部 门 将 发 挥 更 大 的 作 用 。
7 . 4 现 代 复 合 材 料
材 料 的 复 合 化 是 材 料 发 展 的 必 然 趋 势 之 一 。 古 代 就 出 现 了 原 始 型 的 复 合 材 料 ， 如 用 草 茎 和 泥 土 作 建
筑 材 料 ； 砂 石 和 水 泥 基 体 复 合 的 混 凝 土 也 有 很 长 历 史 。 1 9 世 纪 末 复 合 材 料 开 始 进 人 工 业 化 生 产 ， 2 0 世 纪
6 0 年 代 由 于 高 技 术 的 发 展 ， 随 着 对 材 料 性 能 的 要 求 日 益 提 高 ， 单 质 材 料 很 难 满 足 性 能 的 综 合 要 求 和 高 指
标 要 求 ， 复 合 材 料 因 具 有 可 设 计 性 的 特 点 受 到 各 发 达 国 家 的 重 视 ， 因 而 发 展 很 快 ， 开 发 出 许 多 性 能 优 良
的 先 进 复 合 材 料 （ 成 为 航 空 。 航 天 工 业 的 首 要 关 键 材 料 ） ， 各 种 基 础 性 研 究 也 得 到 发 展 ， 使 复 合 材 料 与 金
属 、 陶 瓷 、 高 聚 物 等 材 料 并 列 为 重 要 材 料 。 有 人 预 言 ， 2 1 世 纪 将 是 进 入 复 合 材 料 的 时 代 。
1 77.4.1 复合材料 及其分类
7 . 4 . 1 . 1 复 合 材 料 的 概 念 与 分 类
（ 1 ） 概 念 复 合 材 料 是 由 两 种 或 两 种 以 上 异 质 、 异 形 、 异 性 的 材 料 复 合 形 成 的 新 型 材 料 。 一 般 由 基
体 组 元 与 增 强 体 或 功 能 组 无 所 组 成 。 复 合 材 料 可 经 设 计 ， 即 通 过 对 原 材 料 的 选 择 ， 各 组 分 分 布 设 计 和 工
艺 条 件 的 保 证 等 ， 使 原 组 分 材 料 优 点 互 补 ， 因 而 呈 现 了 出 色 的 综 合 性 能 。
（ 2 ） 分 类 复 合 材 料 按 性 能 高 低 分 为 常 用 复 合 材 料 和 先 进 复 合 材 料 。 先 进 复 合 材 料 是 以 碳 、 芳 纶 、
陶 瓷 等 纤 维 和 晶 须 等 高 性 能 增 强 体 与 耐 高 温 的 高 聚 物 、 金 属 、 陶 瓷 和 碳 （ 石 墨 ） 等 构 成 的 复 合 材 料 。 这
类 材 料 往 往 用 于 各 种 高 技 术 领 域 中 用 量 少 而 性 能 要 求 高 的 场 合 。
复 合 材 料 按 用 途 可 分 为 结 构 复 合 材 料 和 功 能 复 合 材 料 ， 目 前 结 构 复 合 材 料 占 绝 大 多 数 ， 而 功 能 材 料
有 广 阔 的 发 展 前 途 。 预 计 2 1 世 纪 会 出 现 结 构 复 合 材 料 与 功 能 复 合 材 料 并 重 的 局 面 ， 而 且 功 能 复 合 材 料 更
具 有 与 其 他 功 能 材 料 竞 争 的 优 势 。
结 构 复 合 材 料 主 要 用 作 承 力 和 次 承 力 结 构 ， 要 求 质 量 轻 、 强 度 和 刚 度 高 ， 且 能 耐 受 一 定 温 度 ， 在 某
种 情 况 下 还 要 求 有 膨 胀 系 数 小 、 绝 热 性 能 好 或 耐 介 质 腐 蚀 等 其 他 性 能 。
结 构 复 合 材 料 基 本 上 由 增 强 体 与 基 体 组 成 。 增 强 体 承 担 结 构 使 用 中 的 各 种 载 荷 ， 基 体 则 起 到 粘 接 增
强 体 予 以 赋 形 并 传 递 应 力 和 增 韧 的 作 用 。 复 合 材 料 所 用 基 体 主 要 是 有 机 聚 合 物 ， 也 有 少 量 金 属 、 陶 瓷 、
水 泥 及 碳 （ 石 墨 ） 。 结 构 复 合 材 料 通 常 按 不 同 的 基 体 来 分 类 ， 在 某 些 情 况 下 也 以 增 强 体 的 形 状 来 分 类 ， 这
种 分 类 适 用 于 各 种 基 体 。
7 . 4 . 1 . 2 复 合 材 料 的 增 强 体
增 强 体 是 高 性 能 结 构 复 合 材 料 的 关 键 组 分 ， 在 复 合 材 料 中 起 着 增 加 强 度 、 改 善 性 能 的 作 用 。 增 强 体
按 来 源 区 分 有 天 然 与 人 造 两 类 。 但 天 然 增 强 体 已 很 少 使 用 。 按 形 态 区 分 则 有 颗 粒 状 （ 零 维 ） 、 纤 维 （ 一 维 ） 、
片 状 （ 二 维 ） 、 立 体 编 织 物 （ 三 维 ） 等 。 一 般 按 化 学 特 征 来 区 分 ， 即 无 机 非 金 属 类 （ 共 价 键 ） 、 有 机 聚 合
物 类 （ 共 价 键 、 高 分 子 链 ） 和 金 属 类 （ 金 属 键 ） 。 虽 然 可 用 作 增 强 体 的 材 料 品 目 繁 多 ， 但 是 ， 先 进 复 合 材
料 必 须 用 高 性 能 纤 维 以 及 用 这 些 纤 维 制 成 的 二 维 、 三 维 织 物 作 为 增 强 体 。 在 各 类 增 强 体 中 ， 高 强 度 碳 纤
维 和 高 模 量 碳 纤 维 是 出 类 拔 革 的 ， 碳 化 硅 纤 维 、 硼 纤 维 和 有 机 聚 合 物 的 聚 芳 酞 胺 ， 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 与
聚 苯 并 双 晤 哇 等 纤 维 也 具 有 很 好 的 力 学 性 能 。
下 面 简 单 介 绍 几 种 典 型 的 高 性 能 纤 维 增 强 体 。
（ 1 ） 碳 纤 维
碳 纤 维 是 先 进 复 合 材 料 最 常 用 的 增 强 体 。 一 般 采 用 有 机 先 驱 体 进 行 稳 定 化 处 理 ， 再 在 1 0 0 0 ℃ 以 上 高
温 和 惰 性 保 护 气 氛 下 碳 化 ， 成 为 具 有 六 元 环 碳 结 构 的 碳 纤 维 。 这 样 的 碳 纤 维 强 度 很 高 但 还 不 是 完 整 的 石
墨 结 构 ， 即 虽 然 六 元 环 平 面 基 本 上 平 行 于 纤 维 轴 向 ， 但 石 墨 晶 粒 较 小 。 碳 纤 维 进 一 步 在 保 护 气 氛 下 经 过
2 8 0 0 ℃ ～ 3 0 0 0 ℃ 处 理 ， 就 可 以 提 高 结 构 的 规 整 性 ， 晶 粒 长 大 为 石 墨 纤 维 ， 此 时 纤 维 的 弹 性 模 量 进 一 步 提
高 但 强 度 却 有 所 下 降 。 商 品 碳 纤 维 的 强 度 可 达 3 . 5 G P a 以 上 ， 模 量 则 为 2 0 0 G P a 以 上 ， 最 高 可 达 9 2 0 G P a 。
（2 ） 高 强 有 机 纤 维
高 强 、 高 模 有 机 纤 维 通 过 两 种 途 径 获 得 。 一 是 由 分 子 设 计 并 借 助 相 应 的 合 成 方 法 制 备 具 有 刚 性 棒 状
分 子 链 的 聚 合 物 。 例 如 ， 聚 芳 酚 胺 、 聚 芳 脂 和 芳 杂 环 类 聚 合 物 （ 聚 对 苯 撑 双 晤 哩 ） 经 过 干 湿 法 液 晶 纺 丝
法 制 成 分 子 高 度 取 向 的 纤 维 。 另 一 途 径 是 合 成 超 高 分 子 量 的 柔 性 链 聚 合 物 ， 如 聚 乙 烯 。 由 分 子 中 的 C — C
链 伸 直 ， 提 供 强 度 和 模 量 。 这 两 类 有 机 纤 维 均 有 批 量 产 品 ， 其 中 以 芳 酞 胺 产 量 最 大 。 芳 酞 胺 的 性 能 以 K e v 1 a
— 4 9 为 例 （ 杜 邦 公 司 生 产 ） ， 强 度 为 2 . 8 G P a ， 模 量 为 1 0 4 G P a 。 虽 然 比 不 上 碳 纤 维 ， 但 由 于 其 密 度 仅 为 1 . 4 5 g
3 3 3
／ c m ， 比 碳 纤 维 的 1 . 8 g ／ c m ～ 1 . 9 9 g / c m 低 ， 因 此 在 比 强 度 和 比 模 量 上 略 有 补 偿 。 超 高 分 子 聚 乙 烯 纤 维
3
也 有 一 定 规 模 的 产 量 ， 而 且 力 学 性 能 较 好 ， 强 度 为 4 . 4 G P a 、 模 量 为 1 5 7 G P a 。 密 度 为 0 . 9 7 g ／ c m ， 但 其 耐
温 性 较 差 ， 影 响 了 它 在 复 合 材 料 中 的 广 泛 使 用 。 最 近 开 发 的 芳 杂 环 类 的 聚 对 苯 撑 双 晤 哩 纤 维 ， 尚 处 于 试
产 阶 段 ， 其 性 能 具 有 吸 引 力 ， 它 的 强 度 高 达 5 . 3 G P a 。 模 量 为 2 5 0 G P a 。 密 度 为 1 . 5 8 g ／ c m 3 ， 且 耐 6 0 0 ℃ 高
温 。 但 是 这 类 纤 维 和 芳 酞 胺 一 样 均 属 液 晶 态 结 构 ， 都 带 有 抗 压 性 能 差 的 缺 点 ， 有 待 于 改 善 。 然 而 从 发 展
的 角 度 来 看 ， 这 种 纤 维 有 应 用 前 景 ， 受 到 关 注 。
1 8（3 ） 无 机 纤 维
无 机 纤 维 的 特 点 是 高 熔 点 ， 特 别 适 合 与 金 属 基 、 陶 瓷 基 或 碳 基 形 成 复 合 材 料 。 中 期 工 业 化 生 产 的 是
硼 纤 维 ， 它 借 助 化 学 气 相 沉 积 （ C V D ） 的 方 法 ， 形 成 直 径 为 5 0 μ m ～ 3 1 5 μ m 的 连 续 单 丝 。 硼 纤 维 强 度 为
3
3 . 5 G p a 、 模 量 约 4 0 0 G P a ， 密 度 约 2 . 5 g ／ c m 。 这 种 纤 维 由 于 价 格 昂 贵 而 暂 时 停 止 发 展 。 取 而 代 之 的 是 碳
化 硅 纤 维 ， 它 也 用 C V D 法 生 产 ， 但 其 芯 材 已 由 钨 丝 改 用 碳 丝 ， 形 成 直 径 为 1 0 0 μ m ～ 1 5 0 μ m 的 单 丝 ， 其
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强 度 为 3 . 4 G P a 。 模 量 为 4 0 0 G P a 。 密 度 为 3 . 1 g ／ c m 。 另 一 种 碳 化 硅 纤 维 是 用 有 机 体 的 先 驱 纤 维 烧 制 成 的 ，
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该 种 纤 维 直 径 仅 为 1 0 μ m ～ 1 5 μ m ， 强 度 为 2 . 5 G P a ～ 2 . 9 G P a 。 模 量 为 1 9 0 G P a 、 密 度 为 2 ． 5 5 g ／ c m 。 无
机 纤 维 类 还 有 氧 化 铝 纤 维 、 氮 化 硅 纤 维 等 ， 但 产 量 较 小 。
7.4.2 聚合物基 复合 材料
聚 合 物 基 复 合 材 料 是 目 前 复 合 材 料 的 主 要 品 种 ， 其 产 量 远 远 超 过 其 他 基 体 的 复 合 材 料 。 习 惯 上 常 把
橡 胶 基 复 合 材 料 划 入 橡 胶 材 料 中 ， 所 以 聚 合 物 基 体 一 般 仅 指 热 固 性 聚 合 物 （ 树 脂 ） 与 热 塑 性 聚 合 物 。 热
固 性 树 脂 是 由 某 些 低 分 子 的 合 成 树 脂 （ 固 态 或 液 态 ） 在 加 热 、 固 化 剂 或 紫 外 光 等 作 用 下 ， 发 生 交 联 反 应
并 经 过 凝 胶 化 阶 段 和 固 化 阶 段 形 成 不 熔 、 不 溶 的 固 体 ， 因 此 必 须 在 原 材 料 凝 胶 化 之 前 成 型 ， 否 则 就 无 法
加 工 。 这 类 聚 合 物 耐 温 性 较 高 ， 尺 寸 稳 定 性 也 好 ， 但 是 一 旦 成 型 后 就 无 法 重 复 加 工 。 热 塑 性 聚 合 物 即 通
称 的 塑 料 ， 该 种 聚 合 物 （ 基 本 上 是 线 形 聚 合 物 ） 在 加 热 一 定 温 度 时 可 以 软 化 甚 至 流 动 ， 从 而 在 压 力 和 模
具 的 作 用 下 成 形 ， 并 在 冷 却 后 硬 化 固 定 。 这 类 聚 合 物 一 般 软 化 点 较 低 （ 目 前 也 有 高 软 化 点 的 品 种 ） ， 容 易
变 形 ， 但 可 再 加 工 使 用 。
7 . 4 . 2 . 1 热 固 性 聚 合 物 基 复 台 材 料
热 固 性 树 脂 在 初 始 阶 段 流 动 性 很 好 ， 容 易 浸 透 增 强 体 ， 同 时 工 艺 过 程 比 较 容 易 控 制 ， 因 此 这 类 复 合
材 料 成 为 当 前 的 主 要 品 种 。 热 固 性 树 脂 早 期 有 酚 醛 树 脂 ， 随 后 有 不 饱 和 聚 酯 树 脂 和 环 氧 树 脂 ， 近 来 又 发
展 了 性 能 更 好 的 双 马 树 脂 和 聚 酞 亚 胺 树 脂 。 这 些 树 脂 几 乎 适 合 于 各 种 类 型 的 增 强 体 。 它 们 虽 可 以 湿 法 成
型 （ 即 浸 渍 后 立 即 加 工 成 型 ） ， 但 通 常 都 先 制 成 预 浸 料 （ 包 括 预 浸 丝 、 布 、 带 、 片 状 和 块 状 模 塑 料 等 ） ，
使 浸 增 强 体 的 树 脂 处 于 半 凝 胶 化 阶 段 ， 在 低 温 保 存 条 件 下 限 制 固 化 反 应 的 发 展 ， 并 应 在 一 定 期 间 内 进 行
加 工 。 所 用 的 加 工 工 艺 有 手 工 铺 设 法 、 模 压 法 、 缠 绕 法 、 挤 拉 法 、 热 压 罐 法 、 真 空 袋 法 以 及 最 近 才 发 展
的 树 脂 传 递 模 塑 法 （ R T M ） 和 增 强 式 反 应 注 射 成 型 法 （ R R I M ） 等 。 各 种 热 固 性 树 脂 的 固 化 反 应 机 理 各 不
相 同 ， 根 据 使 用 要 求 的 差 异 ， 采 用 的 固 化 条 件 也 有 很 大 差 别 。 一 般 的 固 化 条 件 有 室 温 固 化 。 中 温 固 化 （ 1 2 0 ℃
左 右 ） 和 高 温 固 化 （ 1 7 0 ℃ 以 上 ） 。 目 前 正 在 发 展 一 类 树 脂 体 系 （ 包 括 固 化 剂 、 促 进 剂 等 助 剂 ） 可 以 低 温
成 型 ， 然 后 在 脱 离 模 具 的 自 由 状 态 下 加 热 后 固 化 定 型 ， 受 到 巨 大 关 注 。
下 面 简 要 介 绍 几 种 重 要 的 树 脂 基 体 。
（ 1 ） 环 氧 树 脂 ： 环 氧 树 脂 是 目 前 聚 合 物 基 复 合 材 料 中 最 普 遍 使 用 的 树 脂 基 体 。 环 氧 的 种 类 很 多 ， 适
合 作 为 复 合 材 料 基 体 的 有 双 酚 A 环 氧 树 脂 。 多 官 能 团 环 氧 树 脂 和 酚 醛 环 氧 树 脂 三 种 。 其 中 多 官 能 团 环 氧
树 脂 的 玻 璃 化 温 度 较 高 ， 因 而 耐 温 性 好 ； 酚 醛 环 氧 固 化 后 的 交 联 密 度 大 ， 因 此 力 学 性 能 较 好 。 环 氧 树 脂
与 增 强 体 的 粘 接 力 强 。 固 化 时 收 缩 少 ， 基 本 上 不 放 出 低 分 子 挥 发 物 ， 因 此 尺 寸 稳 定 性 好 。 但 环 氧 树 脂 的
耐 温 性 不 仅 取 决 于 本 身 结 构 ， 很 大 程 度 上 还 依 赖 于 使 用 的 固 化 剂 和 固 化 条 件 。 例 如 ， 用 脂 肪 族 多 元 胺 作
为 固 化 剂 可 在 低 温 下 固 化 ， 但 耐 温 性 很 差 ； 如 果 用 芳 香 族 多 元 胺 和 酸 酥 作 固 化 剂 ， 并 在 高 温 下 固 化
（ 1 0 0 ℃ ～ 1 5 0 ℃ ） 和 后 固 化 （ 1 5 0 ℃ ～ 2 5 0 ℃ ） ， 则 最 高 可 耐 2 5 0 ℃ 的 温 度 。 这 表 明 耐 温 性 也 取 决 于 固 化 温
度 。 实 际 上 环 氧 基 复 合 材 料 可 在 - 5 5 ℃ ～ 1 7 7 ℃ 温 度 范 围 内 使 用 ， 并 有 很 好 的 耐 化 学 品 腐 蚀 性 和 电 绝 缘 性 。
（ 2 ） 热 固 性 聚 酚 亚 胺 树 脂 ： 聚 酚 亚 胺 聚 合 物 有 热 塑 性 和 热 固 性 两 种 ， 均 可 作 为 复 合 材 料 基 体 。 目 前
已 正 式 付 之 应 用 的 。 耐 温 性 最 好 的 是 热 固 性 聚 酚 亚 胺 基 体 的 复 合 材 料 。 热 固 性 聚 酞 亚 胺 经 固 化 后 与 热 塑
性 聚 合 物 一 样 在 主 链 上 带 有 大 量 芳 杂 环 结 构 ， 此 外 ， 由 于 其 分 子 链 端 头 上 带 有 不 饱 和 链 而 发 生 加 成 反 应 ，
变 成 交 联 型 聚 合 物 ， 这 样 就 大 大 提 高 了 其 耐 温 性 和 热 稳 定 性 。 聚 酚 亚 胺 聚 合 物 是 用 芳 香 族 四 梭 酸 二 酥 （ 或
二 甲 酯 ） 与 芳 香 族 二 胺 通 过 酞 胺 化 和 亚 胺 化 获 得 的 。 热 固 性 聚 酚 亚 胺 则 是 在 上 述 合 成 过 程 中 加 入 某 些 不
饱 和 二 竣 酸 酥 （ 或 单 脂 ） 作 为 封 头 的 链 端 基 制 成 的 。 最 近 用 N - 炔 丙 基 作 为 端 基 的 树 脂 （ A L 一 6 0 0 ） 制 成
的 复 合 材 料 ， 可 在 3 1 6 ℃ 时 保 持 7 6 ％ 的 弯 曲 强 度 。 这 类 树 脂 基 的 复 合 材 料 可 供 2 6 0 ℃ 以 下 长 期 使 用 。 但 是
1 9该 种 复 合 材 料 需 在 高 压 （ 1 . 0 M P a ～ 1 . 5 M P a ） 和 高 温 （ 2 7 0 ℃ ～ 3 4 0 t ） 下 进 行 长 时 间 的 固 化 ， 使 用 受 到 限 制 ，
是 目 前 努 力 改 善 的 方 问 。
7 . 4 . 2 . 2 ． 热 塑 性 聚 合 物 基 复 合 材 料
热 塑 性 聚 合 物 基 复 合 材 料 发 展 较 晚 ， 从 目 前 产 量 来 看 ， 似 乎 远 比 不 上 热 固 性 复 合 材 料 ， 但 这 类 复 合
材 料 具 有 不 少 热 固 性 材 料 所 不 具 备 的 优 点 ， 一 直 在 快 速 增 长 。 首 先 是 聚 合 物 本 身 的 断 裂 韧 性 好 ， 提 高 了
复 合 材 料 的 抗 冲 击 性 能 ； 其 次 是 吸 湿 性 低 ， 可 改 善 复 合 材 料 的 耐 环 境 能 力 ； 最 突 出 的 是 可 以 重 复 再 加 工 ，
而 且 工 艺 过 程 短 ， 成 型 效 率 高 。
可 以 作 复 合 材 料 基 体 的 热 塑 性 聚 合 物 品 种 很 多 ， 包 括 各 种 通 用 塑 料 （ 如 聚 丙 氯 乙 烯 等 ） 、 工 程 塑 料 （ 如
尼 龙 、 聚 碳 酸 酯 等 ） 以 及 特 种 耐 高 温 的 聚 合 物 （ 如 聚 醚 酮 、 聚 醚 矾 和 杂 环 类 聚 合 物 ） 。 热 塑 性 聚 合 物 基 复
合 材 料 必 须 先 将 聚 合 物 基 体 与 各 种 增 强 体 制 成 连 续 的 片 （ 布 ） 状 、 带 状 和 粒 状 预 浸 料 ， 才 能 进 一 步 加 工
成 各 种 形 状 的 复 合 材 料 构 件 。 特 别 是 粒 状 预 浸 料 可 使 用 塑 料 加 工 设 备 ， 如 挤 出 机 和 注 射 成 型 机 。 然 而 由
于 热 塑 性 聚 合 物 在 熔 融 状 态 下 的 粘 度 也 很 高 ， 因 此 带 来 预 浸 的 难 度 。 现 用 的 预 浸 方 法 有 ： ① 薄 膜 法 ， 将
聚 合 物 膜 与 增 强 体 无 纬 布 、 织 物 、 毡 等 交 替 层 叠 ， 再 用 热 滚 筒 或 热 履 带 热 压 成 连 续 片 材 ； ② 溶 液 法 ， 用
溶 剂 溶 解 聚 合 物 后 浸 渍 增 强 体 ， 然 后 将 溶 剂 挥 发 制 成 预 浸 料 ； ③ 熔 融 法 ， 以 聚 合 物 熔 体 对 增 强 体 进 行 浸
渍 ； ④ 粉 未 法 ， 将 聚 合 物 磨 细 ， 以 流 态 床 法 或 静 电 吸 附 法 将 其 附 着 在 增 强 体 周 围 ， 然 后 再 热 压 使 之 熔 化
浸 渍 ； ⑤ 纤 维 法 ， 将 聚 合 物 先 纺 成 纤 维 再 与 增 强 体 交 织 ， 然 后 热 压 ； ③ 造 粒 法 ， 螺 杆 挤 出 机 的 螺 杆 将 聚
合 物 熔 体 与 切 短 的 增 强 体 混 合 ， 由 模 口 挤 出 细 条 状 ， 再 切 成 粒 料 。 重 要 品 种 叙 述 如 下 。
（ 1 ） 聚 丙 烯 基 复 合 材 料 : 聚 丙 烯 是 通 用 大 品 种 塑 料 ， 产 量 很 大 ， 有 较 好 的 使 用 和 加 工 性 能 。 用 作 复
合 材 料 基 体 的 聚 丙 烯 一 般 为 有 规 立 构 并 为 半 结 晶 的 结 构 体 ， 熔 点 为 1 7 6 ℃ ； 所 用 的 增 强 体 主 要 是 廉 价 的 玻
璃 纤 维 ， 有 时 也 加 入 一 些 无 机 填 料 ， 以 满 足 性 能 价 格 比 的 要 求 。 采 用 造 粒 法 制 备 预 浸 料 （ 纤 维 体 积 分 数
一 般 低 于 4 0 ％ ） ， 制 成 的 复 合 材 料 比 未 增 强 塑 料 的 相 应 性 能 提 高 一 倍 左 右 ， 同 时 制 品 收 缩 率 低 。 热 稳 定 性
明 显 提 高 （ 变 形 温 度 可 达 1 5 0 ℃ ） 。 由 于 该 种 复 合 材 料 原 料 来 源 丰 富 ， 力 学 及 电 学 性 能 良 好 ， 特 别 因 价 格
相 对 低 廉 。 加 工 方 便 ， 受 到 汽 车 、 家 电 、 仪 表 等 工 业 的 青 睐 。
（ 2 ） 聚 酚 胺 基 复 合 材 料 : 聚 酞 胺 商 品 名 尼 龙 ， 是 常 用 的 工 程 塑 料 ， 具 有 半 结 晶 结 构 。 聚 酞 胺 类 的 品
种 较 多 ， 用 于 复 合 材 料 的 为 尼 龙 6 6 （ 己 二 胺 和 己 二 酸 的 缩 合 物 ） 。 它 可 以 与 各 种 增 强 体 进 行 复 合 ， 多 数 仍
是 玻 璃 纤 维 布 和 毡 （ 特 别 是 连 续 毡 ） 。 用 熔 融 法 制 成 片 材 （ G M T ） 可 以 冲 压 成 型 。 聚 酞 胺 塑 料 本 身 就 具 有
良 好 的 强 韧 性 ， 且 有 耐 磨 自 润 滑 性 能 ， 特 别 是 耐 油 。 抗 化 学 腐 蚀 性 很 强 。 制 成 复 合 材 料 后 能 进 一 步 提 高
力 学 性 能 和 耐 热 性 并 保 留 其 他 优 点 ， 因 此 特 别 适 合 于 制 造 汽 车 车 壳 部 件 和 油 箱 ， 此 外 也 可 采 用 造 粒 法 制
造 中 小 型 齿 轮 和 机 械 零 件 。
（ 3 ） 聚 醚 醚 酮 基 复 合 材 料 : 聚 醚 醚 酮 是 近 来 发 展 的 典 型 耐 高 温 工 程 塑 料 。 它 是 一 种 结 晶 度 较 高 的 聚
合 物 ， 各 种 性 能 均 很 好 ， 特 别 是 耐 温 性 。 它 适 合 制 备 高 性 能 复 合 材 料 制 品 ， 基 本 上 是 与 碳 纤 维 或 芳 酞 胺
纤 维 采 用 薄 膜 叠 层 法 复 合 制 成 预 浸 料 ， 然 后 经 剪 裁 放 人 模 具 中 热 压 成 形 。 复 合 材 料 的 热 变 形 温 度 为 3 0 0 ℃ ，
在 2 0 ℃ 以 上 能 保 持 良 好 的 力 学 性 能 ， 例 如 用 6 0 ％ 单 向 碳 纤 维 增 强 ， 强 度 可 达 1 . 8 G P a ， 模 量 为 1 2 0 G P a ；
另 外 还 具 有 阻 燃 性 和 抗 辐 射 性 。 该 种 复 合 材 料 适 合 于 航 空 、 航 天 用 制 件 ， 如 机 翼 、 天 线 部 件 、 雷 达 罩 等 。
7.4.3 金属基复 合材 料
金 属 基 复 合 材 料 是 2 0 世 纪 6 0 年 代 未 才 发 展 起 来 的 。 它 的 出 现 弥 补 了 聚 合 物 基 复 合 材 料 的 不 足 ， 如
耐 温 性 较 差 （ 一 般 不 能 超 过 3 0 0 ℃ ） ， 在 高 真 空 条 件 下 （ 例 如 太 空 ） 容 易 释 放 小 分 子 而 污 染 周 围 的 器 件 ，
以 及 不 能 满 足 材 料 导 电 和 导 热 需 要 等 。 迄 今 为 止 ， 金 属 基 复 合 材 料 由 于 加 工 工 艺 尚 不 够 完 善 。 成 本 较 高 ，
还 没 有 形 成 大 规 模 批 量 生 产 ， 但 是 仍 有 很 大 的 发 展 潜 力 和 应 用 前 景 。
金 属 基 复 合 材 料 一 般 按 增 强 体 形 式 来 分 类 ， 如 颗 粒 增 强 、 短 纤 维 与 晶 须 增 强 以 及 连 续 纤 维 增 强 等 。
下 面 简 述 一 些 已 经 应 用 和 发 展 前 景 很 好 的 典 型 品 种 。
7 . 4 . 3 . 1 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料
颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 是 金 属 基 复 合 材 料 中 最 成 熟 的 一 个 品 种 ， 国 外 （ 如 美 国 、 加 拿 大 ） 已 有 小 批
2 0量 生 产 。 该 种 复 合 材 料 所 用 的 增 强 体 主 要 为 碳 化 硅 和 氧 化 铝 ， 亦 有 少 量 氧 化 钛 和 硼 化 钛 等 颗 粒 （ 粒 径 一
般 为 1 0 μ m 左 右 ） 。 基 体 可 以 是 纯 铝 ， 但 大 多 数 为 各 种 铝 合 金 （ 包 括 高 性 能 的 铝 钾 合 金 ） 。 颗 粒 增 强 铝 基
复 合 材 料 的 成 型 方 法 有 两 种 。 一 是 粉 未 冶 金 法 ， 即 将 颗 粒 与 铝 合 金 粉 混 合 ， 按 常 规 粉 未 冶 金 法 加 工 ， 特
点 是 工 艺 和 制 品 质 量 易 控 制 和 复 合 材 料 中 颗 粒 的 体 积 含 量 高 ， 但 是 成 本 较 高 ， 影 响 了 发 展 ； 其 次 是
各 种 液 相 复 合 法 ， 该 方 法 （ 特 别 是 搅 拌 法 ） 可 以 规 模 生 产 ， 成 本 相 对 较 低 ， 但 颗 粒 体 积 分 数 一 般 不 超 过
2 5 ％ ， 工 艺 过 程 控 制 较 难 ， 且 制 品 质 量 稳 定 性 也 较 粉 未 冶 金 法 差 ， 此 种 复 合 材 料 的 性 能 比 原 基 体 合 金 有
明 显 提 高 ， 例 如 ， 以 2 0 ％ 的 碳 化 硅 颗 粒 增 强 6 0 6 1 铝 合 金 ， 其 强 度 从 原 合 金 的 3 1 0 M P a 提 高 到 4 9 6 M P a ，
模 量 则 从 6 8 G P a 增 至 1 0 3 G P a ， 但 断 裂 伸 长 率 却 从 原 来 的 1 2 ％ 降 至 5 . 5 % ； 此 外 ， 耐 磨 性 。 尺 寸 稳 定 性 。
耐 热 性 也 比 原 合 金 有 很 大 改 善 。 该 种 复 合 材 料 已 经 在 超 大 规 模 集 成 电 路 基 板 。 各 种 结 构 型 材 和 耐 磨 部 件
（ 如 车 辆 的 刹 车 环 ） 方 面 获 得 满 意 的 使 用 效 果 。
7 . 4 . 3 . 2 晶 须 增 强 铝 基 复 合 材 料
晶 须 不 仅 本 身 的 力 学 性 能 优 越 ， 而 且 有 一 定 的 长 径 比 ， 因 此 比 颗 粒 对 金 属 基 体 的 增 强 效 果 更 显 著 。
所 用 的 晶 须 主 要 为 碳 化 硅 晶 须 ， 其 性 能 虽 然 好 但 价 格 昂 贵 。 最 近 发 展 的 硼 酸 铝 晶 须 ， 性 能 与 碳 化 硅 晶 须
相 当 而 价 格 仅 为 其 1 ／ 1 0 ， 但 须 改 善 其 与 铝 基 体 产 生 反 应 的 问 题 （ 尤 其 铝 合 金 中 含 镁 时 更 为 严 重 ） 。 晶 须
增 强 铝 合 金 复 合 材 料 的 制 备 工 艺 ， 可 用 上 述 粉 未 冶 金 法 和 液 态 复 合 法 的 挤 压 铸 造 和 真 空 一 压 力 浸 渗 工 艺 ，
使 晶 须 在 复 合 材 料 中 分 布 均 匀 。 晶 须 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 性 能 以 2 0 ％ 碳 化 硅 晶 须 增 强 6 0 6 1 铝 合 金 为 例 ，
其 强 度 为 6 0 8 M P a 。 模 量 为 1 2 2 G P a ， 可 以 看 出 其 增 强 效 果 比 颗 粒 强 。
7 . 4 . 3 . 3 纤 维 增 强 钛 合 金 及 其 金 属 间 化 合 物 基 复 合 材 料
航 空 航 天 技 术 需 要 有 一 定 耐 温 性 与 轻 质 高 强 的 材 料 ， 如 制 造 喷 气 发 动 机 风 扇 叶 片 等 高 温 结 构 件 。 目
前 用 碳 芯 碳 化 硅 连 续 纤 维 （ S C S 型 ） 增 强 钛 及 钛 、 铝 金 属 间 化 合 物 已 进 入 实 用 阶 段 。 该 种 复 合 材 料 采 用
等 离 子 喷 涂 工 艺 把 金 属 熔 喷 在 已 排 列 好 的 纤 维 上 ， 制 成 单 层 片 的 复 合 材 料 ， 然 后 把 层 片 按 设 计 需 要 铺 设
叠 层 再 用 热 等 静 压 法 成 型 。 这 种 工 艺 的 制 品 质 量 可 靠 ， 成 本 也 较 合 适 ， 性 能 令 人 满 意 。 例 如 以 S C S 一 6
碳 化 硅 纤 维 增 强 α 十 β 钛 合 金 ， 其 强 度 可 达 1 . 9 G P a ， 模 量 为 2 4 0 G P a 。 另 外 ， 以 S C S 一 6 纤 维 增 强 的 钛
基 金 属 间 化 合 物 T i A l - 2 1 N b ， 从 室 温 到 1 1 5 0 ℃ 的 比 强 度 超 过 形 变 高 温 合 金 和 镍 基 单 晶 合 金 ， 由 于 纤 维 的
3
存 在 也 明 显 改 善 了 金 属 间 化 合 物 的 脆 性 。
7 .4.4 陶瓷基 基复合材料
无 机 非 金 属 基 复 合 材 料 包 括 陶 瓷 基 复 合 材 料 、 碳 基 复 合 材 料 和 水 泥 基 复 合 材 料 。 尽 管 这 些 材 料 目 前
产 量 尚 不 大 ， 但 陶 瓷 基 和 碳 基 复 合 材 料 是 耐 高 温 及 高 力 学 性 能 的 首 选 材 料 ， 碳 / 碳 复 合 材 料 是 目 前 耐 温 最
高 的 材 料 。 水 泥 基 复 合 材 料 则 在 建 筑 材 料 中 越 来 越 显 示 其 重 要 性 ， 可 以 预 计 将 会 有 可 观 的 产 量 。
陶 瓷 基 复 合 材 料 的 基 体 包 括 陶 瓷 、 玻 璃 和 玻 璃 陶 瓷 。 虽 然 各 种 增 强 体 均 可 应 用 ， 但 由 于 工 艺 条 件 关
系 ， 主 要 使 用 的 增 强 体 是 晶 须 和 颗 粒 。 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 耐 温 性 ， 以 高 温 多 晶 （ 或 非 晶 ） 陶 瓷 为 基 体 的
最 高 （ 1 0 0 0 ℃ ～ 1 4 0 0 ℃ ） ， 玻 璃 和 玻 璃 陶 瓷 为 基 体 的 复 合 材 料 则 不 能 超 过 1 0 0 0 ℃ 。 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 复 合
工 艺 有 下 列 几 种 ： ① 类 似 传 统 的 陶 瓷 成 型 工 艺 ， 即 原 料 混 合 、 压 制 和 烧 结 ， 但 由 于 增 强 体 的 存 在 ， 影 响
了 材 料 的 致 密 化 ， 因 此 必 须 使 用 热 压 和 热 等 静 压 来 促 进 致 密 化 。 这 种 工 艺 仅 适 合 于 颗 粒 、 晶 须 、 晶 片 和
短 纤 维 。 ② 适 合 于 连 续 纤 维 增 强 的 方 法 为 有 机 先 驱 体 法 ， 即 将 纤 维 增 强 体 与 含 无 机 元 素 的 聚 合 物 先 驱 体
（ 如 聚 碳 硅 烷 ） 复 合 ， 再 在 保 护 气 氛 下 高 温 烧 成 陶 瓷 （ 如 碳 化 硅 ） 。 由 于 有 机 先 驱 体 分 解 并 放 出 部 分 小 分
子 ， 必 然 造 成 体 积 收 缩 和 形 成 疏 松 结 构 ， 因 此 常 在 液 态 先 驱 体 内 加 入 一 定 的 陶 瓷 粉 体 加 以 改 善 。 这 种 方
法 设 备 投 资 小 。 能 够 达 到 净 形 成 型 效 果 。 工 艺 能 耗 低 ， 是 很 有 发 展 前 景 的 工 艺 方 法 ， 问 题 在 于 如 何 完 善
工 艺 和 合 成 各 种 适 用 的 有 机 先 驱 聚 合 物 。 ③ 气 相 浸 渗 法 和 原 位 生 长 法 等 。 下 面 举 例 说 明 这 类 复 合 材 料 的
特 点 。
7 . 4 . 4 . 1 碳 化 硅 晶 须 补 强 氮 化 硅 复 合 材 料
氮 化 硅 是 一 种 性 能 很 好 的 高 温 陶 瓷 ， 以 其 为 基 体 制 成 碳 化 硅 晶 须 补 强 复 合 材 料 可 提 高 韧 性 。 由 于 其
原 子 扩 散 系 数 小 ， 所 以 致 密 化 很 困 难 ， 需 要 在 热 等 静 压 条 件 下 进 行 烧 结 。 致 密 化 可 使 密 度 大 于 9 9 ％ ， 在
2 11 3 0 ℃ 下 的 强 度 可 达 6 0 0 M P a ～ 7 0 0 M P a （ 保 持 室 温 强 度 的 7 0 ％ 以 上 ） ， 模 量 为 3 1 0 G P a ～ 3 3 0 G P a ， 特 别 是
0 . 5 0 . 5
断 裂 韧 性 达 到 9 . 0 M P a · m ～ 1 2 . 0 M P a · m 。 可 以 制 作 应 用 于 1 3 5 0 ℃ 左 右 的 喷 气 涡 轮 发 动 机 转 子 和 定 子
叶 片 ， 以 及 其 他 陶 瓷 发 动 机 部 件 、 刀 具 、 拉 丝 模 具 和 轴 承 等 。
7 . 4 . 4 . 2 碳 化 硅 纤 维 补 强 碳 化 硅 复 合 材 料
碳 化 硅 陶 瓷 具 有 优 异 的 高 温 力 学 性 能 、 热 稳 定 性 和 化 学 稳 定 性 ， 但 是 由 于 韧 性 差 而 影 响 应 用 ， 如 果
用 碳 化 硅 纤 维 进 行 增 强 ， 则 可 明 显 改 善 韧 性 。 目 前 已 经 采 用 化 学 气 相 浸 渗 工 艺 成 功 地 制 成 碳 化 硅 纤 维 补
强 碳 化 硅 基 复 合 材 料 ， 并 取 得 应 用 的 成 果 。 用 N i c a 1 o n 碳 化 硅 纤 维 单 向 增 强 碳 化 硅 基 体 的 复 合 材 料 ， 强
0 . 5 0 . 5
度 为 1 0 0 0 M P a ， 断 裂 韧 性 高 达 1 0 M P a · m ～ 3 0 M P a · m ， 且 在 1 5 0 0 ℃ 时 尚 有 一 定 强 度 ， 可 作 为 高 温 热
交 换 器 。 燃 气 轮 机 的 燃 烧 室 材 料 和 航 天 器 的 防 热 材 料 等 。
7 . 4 . 4 . 3 碳 基 复 合 材 料
碳 基 复 合 材 料 是 以 碳 为 基 体 、 碳 或 其 他 物 质 为 增 强 体 组 合 成 的 复 合 材 料 。 主 要 的 碳 ／ 碳 复 合 材 料 是
耐 温 最 高 的 材 料 ， 其 强 度 随 温 度 升 高 而 增 加 ， 在 2 5 0 0 ℃ 左 右 达 到 最 大 值 ， 同 时 它 有 良 好 的 抗 烧 蚀 性 能 和
抗 热 震 性 能 。 但 是 ， 碳 ／ 碳 复 合 材 料 不 能 在 氧 化 性 气 氛 下 耐 受 高 温 ， 因 此 它 的 抗 氧 化 措 施 是 当 前 研 究 的
重 点 。 碳 / 碳 复 合 材 料 的 成 型 工 艺 分 为 气 相 沉 积 法 和 浸 渍 法 ， 后 者 容 易 致 密 化 。 其 性 能 主 要 取 决 于 增 强 体 ，
所 用 的 增 强 体 为 碳 纤 维 的 三 维 编 织 物 ， 但 也 用 二 维 布 层 叠 后 穿 刺 或 用 碳 毡 。 碳 / 碳 复 合 材 料 目 前 主 要 应 用
于 导 弹 头 部 的 热 防 护 、 固 体 发 动 机 喷 管 和 飞 机 刹 车 片 等 方 面 。
7.4.5 层状复 合材料——S H S 陶瓷内衬复合 管技术
层 状 复 合 材 料 包 括 很 薄 的 涂 层 、 较 厚 的 保 护 性 表 面 层 、 包 覆 层 、 双 金 属 层 、 层 压 板 及 大 量 其 它 材 料 。
很 多 层 状 复 合 材 料 被 设 计 为 在 保 持 低 价 格 、 高 强 度 、 轻 重 量 等 优 点 的 同 时 ， 又 具 有 优 异 的 物 理 与 化 学 性
能 ， 因 而 层 状 复 合 材 料 研 究 得 到 世 界 各 国 广 泛 重 视 ， 其 开 发 出 的 产 品 也 被 广 泛 应 用 。
按 层 状 复 合 材 料 的 成 分 ， 可 以 将 其 分 为 ： 金 属 / 金 属 复 合 材 料 、 金 属 / 陶 瓷 复 合 材 料 、 陶 瓷 / 陶 瓷 复 合
材 料 、 高 聚 物 / 高 聚 物 复 合 材 料 、 金 属 / 高 聚 物 复 合 材 料 、 陶 瓷 / 高 聚 物 复 合 材 料 。
下 面 重 点 介 绍 陶 瓷 内 衬 复 合 管 技 术 。 陶 瓷 内 衬 复 合 管 是 一 种 用 自 蔓 延 高 温 合 成 （ S e l f - p r o p a g a t i n g
H i g h - t e m p e r a t u r e S y t h e s i s 简 称 S H S ） 技 术 制 备 的 金 属 / 陶 瓷 层 状 复 合 材 料 。 离 心 S H S 法 陶 瓷 内 衬 复 合 管 优
良 的 耐 蚀 、 耐 热 、 隔 热 及 耐 磨 性 能 使 得 它 在 很 多 工 业 部 门 都 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 主 要 的 工 业 部 门 有 ： 化
学 、 海 洋 、 石 油 、 能 源 、 冶 金 、 机 械 、 交 通 运 输 、 造 纸 、 酿 酒 以 及 采 矿 、 选 矿 业 等 。
S H S 技 术 并 不 着 眼 于 将 金 属 氧 化 物 还 原 成 金 属 ， 而 是 着 眼 于 反 应 产 生 的 高 温 环 境 及 自 蔓 延 特 性 ， 将
传 统 铝 热 技 术 中 当 作 熔 渣 处 理 的 氧 化 物 产 物 作 为 陶 瓷 材 料 加 以 利 用 ， 这 样 通 过 对 S H S 过 程 产 生 的 高 温 多
相 熔 体 采 取 不 同 的 液 相 分 离 技 术 ， 相 继 出 现 了 S H S - 离 心 法 和 S H S - 重 力 分 离 法 制 备 陶 瓷 内 衬 复 合 管 技 术 。
7 . 4 . 5 . 1 S H S 铝 热 - 离 心 技 术
早 在 1 9 7 5 年 前 苏 联 科 学 院 的 化 学 物 理 研 究 所 就 开 发 了 S H S 铝 热 - 离 心 技 术 ， M e r z h a n o v 等 在 1 9 7 6 年
曾 举 出 9 4 种 铝 热 反 应 体 系 与 离 心 力 结 合 制 备 材 料 的 实 例 。 上 个 世 纪 8 0 年 代 初 日 本 的 小 田 原 · 修 等 对 S H S
铝 热 - 离 心 法 制 备 陶 瓷 内 衬 复 合 钢 管 技 术 进 行 了 比 较 系 统 的 研 究 ， 并 首 次 将 陶 瓷 内 衬 复 合 钢 管 应 用 于 输 送
铝 液 和 地 下 热 水 。 我 国 于 2 0 世 纪 8 0 年 代 末 也 开 展 了 这 方 面 的 研 究 ， 如 北 京 科 技 大 学 、 南 京 轻 工 业 电 光
源 研 究 所 等 ， 目 前 已 实 现 了 该 技 术 的 产 业 化 ， 可 对 内 径 3 0 0 m m 左 右 ， 长 度 不 超 过 5 m 的 钢 管 进 行 内 衬 陶
瓷 涂 覆 ， 现 国 内 已 有 3 0 余 家 生 产 厂 进 行 这 项 产 业 工 作 ， 年 产 量 已 达 1 0 , 0 0 0 吨 ， 总 产 值 近 亿 元 。
用 S H S 铝 热 - 离 心 法 制 备 陶 瓷 内 衬 复 合 钢 管 是 基 于 下 列 反 应 实 现 的 ：
F e O + A l → F e + A l O + Q （ 1 ）
2 3 2 3
F e O + A l → F e + A l O + Q （ 2 ）
3 4 2 3
其 基 本 原 理 如 图 7 - 0 1 所 示 ： 将 烘 烤 过 的 一 定 粒 度 的 F e O （ 或 F e O ） 和 A l 粉 按 一 定 的 计 量 比 混 匀
2 3 3 4
成 铝 热 剂 ， 将 一 定 量 的 铝 热 剂 装 入 将 被 涂 覆 的 钢 管 内 ， 并 将 涂 覆 管 系 统 置 于 高 速 离 心 机 上 ， 沿 着 管 子 中
心 轴 高 速 旋 转 ， 粉 料 较 紧 密 地 附 着 于 钢 管 内 壁 ； 在 管 的 一 端 点 火 ， 铝 热 反 应 即 被 引 发 ， 并 沿 着 图 1 所 示
2 2的 方 向 自 行 蔓 延 燃 烧 。 在 足 够 的 离 心 力 作 用 下 ， 反 应 所 生 成 的 呈 熔 融 态 的 F e 与 A l O 即 被 分 离 ， 随 着 冷
2 3
却 过 程 进 行 ， 比 重 较 大 的 F e 紧 挨 着 钢 管 内 壁 凝 固 形 成 中 间 层 ， 而 比 重 较 小 的 A l O 则 在 管 内 表 面 形 成 均
2 3
匀 致 密 的 陶 瓷 涂 层 。 最 终 形 成 由 A l O 陶 瓷 层 、 金 属 过 渡 层 、 钢 管 三 层 结 构 的 复 合 管 。
2 3
钢 管
钢 管
铝 热 剂
铁 素 体
陶 瓷 层
图 7 - 0 1 S H S 铝 热 - 离 心 法 示 意 图
目 前 研 究 表 明 ， 足 够 的 离 心 力 是 使 铝 热 反 应 产 物 分 离 ， 形 成 致 密 均 匀 的 陶 瓷 层 的 必 要 条 件 。 离 心 力
2
过 高 或 过 低 均 不 利 于 复 合 管 的 质 量 ， 所 以 重 力 系 数 （ ω r / g ） 一 般 确 定 在 1 5 0 ～ 2 0 0 范 围 内 ， 使 复 合 管 呈
现 明 显 的 陶 瓷 层 、 还 原 铁 中 间 层 和 原 始 管 组 合 层 。 此 外 ， 控 制 铝 热 剂 中 的 铝 含 量 及 在 铝 热 剂 中 加 入 适 量
的 S i O 均 有 利 于 得 合 管 的 性 能 提 高 。
2
然 而 ， 该 项 技 术 由 于 受 到 制 备 原 理 和 离 心 力 的 限 制 ， 仅 适 用 于 对 大 口 径 直 管 的 陶 瓷 涂 覆 ， 而 对 小 口
径 直 管 、 渐 缩 管 ， 尤 其 对 作 为 物 料 输 送 系 统 中 关 键 部 位 的 弯 管 难 以 实 现 陶 瓷 涂 覆 。 所 以 ， 在 S H S 铸 造 技
术 领 域 中 ， S H S 铝 热 - 重 力 分 离 技 术 应 运 而 生 。
7 . 4 . 5 . 2 S H S 铝 热 - 重 力 分 离 技 术
2 0 世 纪 8 0 年 末 ， 日 本 的 佐 多 延 博 开 始 了 “ 反 应 熔 融 附 着 法 ” 制 备 陶 瓷 内 衬 复 合 管 的 研 究 。 1 9 9 6 年 ，
中 国 人 民 解 放 军 军 械 工 程 学 院 在 研 究 用 S H S 铝 热 - 离 心 法 制 备 陶 瓷 内 衬 复 合 钢 管 、 陶 瓷 内 衬 复 合 球 墨 铸 铁
管 的 基 础 上 ， 开 发 了 S H S 铝 热 - 重 力 分 离 技 术 ， 并 成 功 地 为 国 内 两 大 型 钢 铁 公 司 生 产 出 高 炉 煤 粉 喷 枪 陶 瓷
内 衬 复 合 枪 管 ， 产 品 获 得 广 泛 应 用 ， 取 得 了 较 大 的 社 会 和 经 济 效 益 。
S H S 铝 热 - 重 力 分 离 技 术 的 显 著 特 点 是 所 制 备 的 管 件 无 需 高 速 旋 转 ， 在 制 备 过 程 中 处 于 竖 直 状 态 ， 物
料 引 燃 后 借 助 铝 热 自 蔓 延 过 程 和 燃 烧 反 应 产 生 的 A l O - F e 复 相 熔 体 重 力 分 离 特 性 ， 在 燃 烧 过 程 中 同 时 实
2 3
现 对 钢 管 内 壁 的 陶 瓷 涂 覆 ， 从 而 获 得 了 由 A l O 陶 瓷 层 、 钢 管 两 层 结 构 的 陶 瓷 内 衬 复 合 管 ， 如 图 7 - 0 2 所
2 3
示 。
钢 管
陶 瓷 复 合 钢 管
铝 热 剂
燃 烧 波
陶 瓷 层
图 7 - 0 2 S H S 铝 热 - 重 力 分 离 法 示 意 图
研 究 表 明 ， S H S 铝 热 - 重 力 分 离 技 术 的 关 键 是 反 应 体 系 物 料 的 设 计 ： （ 1 ） 添 加 S i O ， 可 以 通 过 增 加
2
2 3低 熔 点 相 来 提 高 陶 瓷 层 的 密 度 与 性 能 ， 但 添 加 量 过 多 会 大 大 降 低 反 应 温 度 ， 反 而 不 利 于 陶 瓷 层 密 度 与 性
能 的 提 高 ； （ 2 ） 以 C r O 部 分 取 代 F e O ， 可 以 通 过 提 高 反 应 温 度 来 提 高 陶 瓷 层 的 密 度 与 性 能 ， 但 C r O
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含 量 过 高 会 加 速 A l 的 汽 化 ， 反 而 降 低 陶 瓷 涂 层 的 密 度 和 性 能 ； （ 3 ） 适 当 提 高 反 应 物 料 的 预 热 温 度 ， 可
以 通 过 增 加 热 量 而 提 高 陶 瓷 涂 层 的 相 对 密 度 和 性 能 ； （ 4 ） 采 取 适 当 的 保 温 冷 却 方 式 ， 有 利 于 提 高 陶 瓷 涂
层 的 相 对 密 度 和 性 能 。
目 前 ， 中 国 人 民 解 放 军 军 械 工 程 学 院 又 利 用 该 技 术 结 合 旋 转 工 艺 ， 使 复 合 弯 管 ， 取 代 了 过 去 那 种 单
纯 依 靠 离 心 S H S 复 合 管 按 角 度 切 割 、 拼 合 焊 接 的 复 合 弯 管 生 产 工 艺 ， 使 复 合 弯 管 的 生 产 效 率 明 显 提 高 ，
生 产 成 本 大 幅 度 降 低 ， 弯 头 的 耐 磨 、 耐 腐 蚀 性 能 显 著 提 高 ， 在 某 钢 铁 公 司 高 炉 喷 煤 系 统 中 得 到 了 成 功 应
用 。 复 合 弯 管 的 生 产 工 艺 如 图 7 - 0 3 所 示 ， 首 先 将 加 压 充 填 了 铝 热 剂 的 弯 管 安 装 在 转 动 装 置 上 ， 一 端 保 持
水 平 位 置 ， 然 后 对 上 部 的 铝 热 剂 点 火 引 燃 ， 沿 燃 烧 界 面 推 移 方 向 的 反 方 向 慢 慢 转 动 弯 管 ， 使 反 应 界 面 在
推 移 过 程 中 始 终 保 持 水 平 ， 从 而 满 足 A l 2 O 3 - F e 液 相 重 力 分 离 和 陶 瓷 液 膜 附 着 条 件 ， 使 液 态 陶 瓷 随 着 转 动
被 连 续 地 涂 覆 于 弯 管 内 壁 上 。 经 冷 却 凝 固 后 ， 获 得 了 陶 瓷 内 衬 复 合 弯 管 。
图 7 - 0 3 S H S 陶 瓷 内 衬 复 合 弯 合 成 过 程 示 意 图
需 要 指 出 的 是 ， 目 前 S H S 铝 热 - 重 力 分 离 技 术 所 制 备 的 陶 瓷 内 衬 复 合 管 尺 寸 较 小 ， 内 径 通 常 在 2 0 0 m m
以 下 ， 这 在 一 定 程 度 上 限 制 了 它 的 应 用 。
7 .4.6 复合材 料的用 途
除 陶 瓷 基 复 合 材 料 尚 处 在 研 究 开 发 阶 段 ， 并 有 少 量 应 用 外 ， 聚 合 物 、 金 属 碳 基 和 混 凝 土 基 复 合 材 料
已 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 中 。
7 . 4 . 6 . 1 机 械 工 业 的 应 用
复 合 材 料 在 机 械 工 业 主 要 用 于 阀 、 泵 、 齿 轮 、 风 机 、 叶 片 、 轴 承 及 密 封 件 等 。 用 酚 醛 玻 璃 钢 和 纤 维
增 强 聚 丙 烯 制 成 的 阀 门 使 用 寿 命 比 不 锈 钢 阀 门 的 长 ， 且 价 格 便 宜 ， 玻 璃 钢 不 仅 重 量 轻 而 且 耐 腐 蚀 ， 常 用
于 泵 壳 、 叶 轮 、 凤 机 机 壳 及 叶 片 。 铸 铁 泵 一 般 重 几 十 公 斤 ， 而 玻 璃 钢 泵 仅 几 公 斤 ， 并 且 耐 腐 蚀 性 好 。 S i C
纤 维 ／ S i N 陶 瓷 制 造 的 涡 轮 叶 片 使 用 温 度 可 高 于 1 5 0 0 ℃ 。 碳 纤 维 增 强 塑 料 耐 磨 性 好 ， 摩 擦 系 数 低 ， 质 轻
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噪 音 低 ， 可 用 于 照 相 机 齿 轮 。 碳 / 碳 复 合 材 料 耐 高 温 ， 摩 擦 系 数 低 ， 常 用 于 机 械 密 封 件 。
7 . 4 . 6 . 2 在 汽 车 工 业 及 交 通 运 输 的 应 用
要 使 汽 车 提 高 速 度 ， 必 须 减 轻 汽 车 的 重 量 ， 汽 车 重 量 减 轻 还 可 节 省 燃 料 ， 降 低 污 染 。 用 高 强 钢 代 替
普 通 钢 ， 重 量 可 降 低 2 0 ～ 3 0 ％ ， 用 铝 合 金 代 替 普 通 钢 ， 重 量 可 降 低 5 0 ％ ， 但 价 格 高 出 8 0 ％ 。 复 合 材 料 应
用 最 活 跃 的 领 域 是 汽 车 工 业 ， 聚 合 物 基 复 合 材 料 可 用 作 车 身 、 驱 动 轴 、 操 纵 杆 、 方 向 盘 、 客 舱 隔 板 、 底
盘 、 结 构 梁 、 发 动 机 罩 、 散 热 器 罩 等 部 件 。 在 国 外 聚 合 物 基 复 合 材 料 已 广 泛 用 于 制 作 各 种 汽 车 外 壳 、 摩
托 车 外 壳 以 及 高 速 列 车 车 厢 厢 体 ， 近 两 年 北 京 街 头 出 现 的 “ 火 箭 头 ” 出 租 车 的 外 壳 和 看 似 笨 重 的 黑 色 车
轮 自 行 车 均 为 聚 合 物 基 复 合 材 料 所 制 。 尽 管 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 的 比 刚 度 比 金 属 低 ， 但 石 墨 纤 维 增 强 复 合
2 4材 料 的 比 刚 度 比 金 属 要 高 ； 聚 合 物 基 复 合 材 料 的 优 点 是 质 量 轻 ， 比 强 度 大 （ 比 钢 和 铝 高 ） ； 比 刚 度 大 ， 比
疲 劳 强 度 高 ， 耐 腐 蚀 ， 并 可 整 体 成 型 。
7 . 4 . 6 . 3 在 化 学 工 业 的 应 用
化 学 工 业 存 在 的 主 要 问 题 是 腐 蚀 严 重 ， 因 此 往 往 用 非 金 属 取 代 金 属 制 做 零 部 件 。 玻 璃 钢 的 出 现 给 化
学 工 业 带 来 了 光 明 的 前 景 ， 目 前 玻 璃 钢 主 要 用 于 各 种 槽 、 罐 、 釜 、 塔 、 管 道 、 泵 、 阀 、 风 机 等 化 工 设 备
及 其 配 件 ， 玻 璃 钢 的 特 点 是 耐 腐 蚀 、 强 度 高 、 使 用 寿 命 长 、 价 格 远 比 不 锈 钢 低 廉 。 但 玻 璃 钢 仅 能 用 于 低
压 或 常 压 情 况 下 ， 并 且 温 度 不 宜 超 过 1 2 0 ℃ 。
7 . 4 . 6 . 4 在 航 空 宇 航 领 域 的 应 用
碳 / 碳 复 合 材 料 、 碳 纤 维 或 硼 纤 维 增 强 聚 合 物 复 合 材 料 及 硼 纤 维 增 强 铝 合 金 复 合 材 料 常 用 于 飞 机 、 火
箭 和 宇 宙 飞 船 的 零 部 件 。 国 外 许 多 先 进 固 体 发 动 机 都 采 用 高 强 中 模 量 碳 纤 维 缠 绕 壳 体 ， 如 三 叉 戟 Ⅱ （ D 5 ）
导 弹 和 侏 儒 导 弹 三 级 发 动 机 以 及 其 它 宇 航 发 动 机 和 航 天 飞 机 助 推 器 改 性 外 壳 等 。 碳 / 碳 复 合 材 料 由 于 重 量
轻 、 耐 烧 蚀 、 耐 高 温 和 耐 摩 擦 等 性 能 好 ， 已 被 用 于 军 用 飞 机 和 大 型 民 用 客 机 的 减 速 板 和 刹 车 装 置 、 阿 波
罗 宇 宙 飞 船 控 制 舱 的 光 学 仪 器 热 防 护 罩 、 内 燃 机 活 塞 、 X - 2 0 飞 行 器 的 鼻 锥 、 喷 嘴 材 料 、 机 翼 和 尾 翼 等 。
飞 机 采 用 碳 / 碳 复 合 材 料 刹 车 片 ， 通 常 可 节 约 重 量 6 K g ， 寿 命 提 高 近 5 倍 ， 刹 车 性 能 也 明 显 高 于 钢 刹 车 装
置 ： 碳 纤 维 增 强 酚 醛 复 合 材 料 已 用 于 固 体 火 箭 的 外 壳 和 喷 嘴 。 2 0 世 纪 8 0 年 代 后 期 ， 金 属 基 复 合 材 料 也 开
始 用 于 内 燃 机 活 塞 、 连 杆 、 发 动 机 汽 缸 套 等 。 金 属 基 复 合 材 料 如 氧 化 铝 纤 维 增 强 铝 合 金 具 有 良 好 的 高 温
强 度 和 热 稳 定 性 、 抗 咬 合 、 疲 劳 强 度 高 等 优 点 ， 同 时 人 造 卫 星 上 也 用 了 大 量 的 新 型 复 合 材 料 。 1 9 9 7 年 7
月 1 日 在 香 港 回 归 祖 国 的 伟 大 历 史 时 刻 ， 中 国 人 民 解 放 军 驻 港 空 军 驾 驶 着 由 哈 尔 滨 飞 机 制 造 公 司 生 产 的
直 — 9 型 直 升 飞 机 进 驻 香 港 ， 这 种 飞 机 上 使 用 的 复 合 材 料 也 超 过 了 6 0 ％ 。 法 国 宇 航 公 司 （ A e r o s p a t i a l e ）
已 将 碳 化 物 纤 维 或 玻 璃 纤 维 / 环 氧 树 脂 （ 部 分 纤 维 缠 绕 ） 复 合 材 料 制 作 的 应 力 传 输 轴 用 于 机 场 支 架 ， 此 传
输 轴 压 强 可 达 3 0 吨 以 上 ， 拉 力 可 达 2 5 吨 ， 比 用 金 属 重 量 减 轻 3 0 ％ 。
7 . 4 . 6 . 5 在 建 筑 领 域 的 应 用
在 建 筑 业 ， 玻 璃 钢 已 广 泛 用 于 冷 却 塔 、 储 水 塔 、 卫 生 间 的 浴 盆 浴 缸 、 桌 椅 门 窗 、 安 全 帽 、 通 风 设 备
等 。 玻 璃 纤 维 、 碳 纤 维 增 强 混 凝 土 复 合 材 料 具 有 优 异 的 力 学 性 能 、 在 强 碱 中 的 化 学 稳 定 性 、 尺 寸 稳 定 性 、
在 盐 水 介 质 中 耐 腐 蚀 等 特 点 ， 作 为 高 层 建 筑 墙 板 等 的 应 用 日 趋 广 泛 。 近 年 来 国 外 在 建 筑 物 领 域 中 还 采 用
碳 纤 维 增 强 聚 合 物 复 合 材 料 来 修 补 加 固 钢 筋 混 凝 土 桥 板 、 桥 墩 等 ， 如 日 本 用 碳 纤 维 增 强 聚 合 物 复 合 材 料
片 修 补 加 固 了 由 板 神 大 地 震 造 成 损 坏 的 钢 筋 混 凝 土 桥 墩 板 桥 ， 修 复 工 作 取 得 了 突 破 性 进 展 。 英 国 也 曾 用
碳 纤 维 复 合 材 料 来 增 强 伦 敦 地 下 隧 道 的 铸 铁 粱 和 增 加 石 油 平 台 壁 的 耐 冲 击 波 性 能 等 。
7 . 4 . 6 . 6 在 其 它 领 域 的 应 用
在 船 舶 业 ， 用 玻 璃 钢 制 成 的 船 体 具 有 抗 海 生 物 吸 附 和 耐 海 水 腐 蚀 的 特 性 。
在 生 物 医 学 方 面 ， 由 于 碳 / 碳 复 合 材 料 具 有 良 好 的 生 物 相 容 性 ， 现 已 作 为 牢 固 的 材 料 用 作 高 应 力 使 用
的 外 科 植 入 物 、 牙 根 植 入 体 以 及 人 工 关 节 。
碳 纤 维 增 强 聚 合 物 复 合 材 料 由 于 比 强 度 高 、 比 模 量 大 也 广 泛 用 于 制 造 网 球 拍 、 高 尔 夫 球 棒 、 钓 鱼 杆 、
赛 车 赛 艇 、 滑 雪 板 、 乐 器 等 文 体 用 品 。 采 用 团 状 模 塑 料 工 艺 （ B M C ） ， 将 3 ~ 1 2 m m 短 切 纤 维 与 树 脂 混 合 后
还 可 用 于 制 作 家 用 品 。
从 上 可 知 ， 复 合 材 料 不 仅 可 用 于 航 空 航 天 等 高 科 技 领 域 ， 而 且 在 我 们 的 日 常 生 活 中 也 广 泛 使 用 复 合
材 料 。 但 是 ， 尽 管 复 合 材 料 已 被 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 ， 由 于 仍 存 在 一 些 问 题 ， 如 价 格 太 贵 ， 特 别 是 碳 纤
维 和 硼 纤 维 增 强 的 高 级 复 合 材 料 ； 同 时 复 合 材 料 组 元 间 的 结 合 以 及 复 合 材 料 的 连 接 技 术 仍 也 是 人 们 在 致
力 解 决 的 问 题 。
7. 4. 7 未来复 合材料 的发展
确 定 下 世 纪 复 合 材 料 发 展 的 新 领 域 ， 首 先 应 看 领 域 的 科 学 性 ， 其 次 要 依 据 时 代 的 需 求 ， 最 后 是 考 察
能 否 充 分 体 现 复 合 材 料 的 特 色 和 优 势 。 根 据 这 些 原 则 ， 以 下 领 域 具 备 作 为 未 来 发 展 重 点 的 要 求 。
过 去 复 合 材 料 主 要 用 于 结 构 ， 其 实 它 的 设 计 自 由 度 大 的 特 点 更 适 合 于 发 展 功 能 复 合 材 料 ， 特 别 在 由
功 能 一 多 功 能 一 机 敏 一 智 能 复 合 材 料 ， 即 从 低 级 形 式 到 高 级 形 式 的 过 程 中 体 现 出 来 。 设 计 自 由 度 大 是 由
2 5于 复 合 材 料 可 以 任 意 调 节 其 复 合 度 、 选 择 其 连 接 形 式 和 改 变 其 对 称 性 等 因 素 ， 以 期 达 到 功 能 材 料 所 追 求
的 高 优 值 。 此 外 ， 复 合 材 料 所 特 有 的 复 合 效 应 更 提 供 了 广 阔 的 设 计 途 径 。
7 . 4 . 7 . 1 功 能 复 合 材 料 ： 已 经 提 到 的 功 能 复 合 材 料 目 前 已 有 不 少 品 种 得 到 应 用 ， 但 从 发 展 的 眼 光 看
还 远 远 不 够 。 功 能 复 合 材 料 涉 及 的 范 围 非 常 宽 。 在 电 功 能 方 面 有 导 电 、 超 导 、 绝 缘 、 吸 波 （ 电 磁 波 ） 、 半
导 电 、 屏 蔽 或 透 过 电 磁 波 、 压 电 与 电 致 伸 缩 等 ； 在 磁 功 能 方 面 有 永 磁 、 软 磁 、 磁 屏 蔽 和 磁 致 伸 缩 等 ； 在
光 功 能 方 面 有 透 光 、 选 择 滤 光 、 光 致 变 色 、 光 致 发 光 、 抗 激 光 。 X 线 屏 蔽 和 透 X 光 等 ； 在 声 学 功 能 方 面 有
吸 声 、 声 纳 、 抗 声 纳 等 ； 在 热 功 能 方 面 有 导 热 、 绝 热 与 防 热 、 耐 烧 蚀 、 阻 燃 、 热 辐 射 等 ； 在 机 械 功 能 方
面 则 有 阻 尼 减 振 、 自 润 滑 、 耐 磨 、 密 封 、 防 弹 装 甲 等 ； 在 化 学 功 能 方 面 有 选 择 吸 附 和 分 离 、 抗 腐 蚀 等 。
其 他 不 一 一 列 举 ， 总 之 在 上 述 各 种 功 能 中 ， 复 合 材 料 均 能 够 作 为 主 要 材 料 或 作 为 必 要 的 辅 助 材 料 而 发 挥
作 用 。 可 以 预 言 ， 不 远 的 将 来 会 出 现 功 能 复 合 材 料 与 结 构 复 合 材 料 并 驾 齐 驱 的 局 面 。
7 . 4 . 7 . 2 多 功 能 复 合 材 料 ； 复 合 材 料 具 有 多 组 分 的 特 点 ， 因 此 必 然 会 发 展 成 多 功 能 的 复 合 材 料 ， 首
先 是 形 成 兼 具 功 能 与 结 构 的 复 合 材 料 。 这 一 点 已 经 在 实 际 应 用 中 得 到 证 实 。 例 如 ， 美 国 的 军 用 飞 机 具 有
自 我 保 存 的 隐 身 功 能 ， 即 在 飞 机 的 蒙 皮 上 应 用 了 吸 收 电 磁 波 的 功 能 复 合 材 料 来 躲 避 雷 达 跟 踪 ， 而 这 种 复
合 材 料 又 是 高 性 能 的 结 构 复 合 材 料 。 目 前 正 在 研 制 兼 有 吸 收 电 磁 波 、 红 外 线 并 且 可 以 作 为 结 构 的 多 功 能
复 合 材 料 。 可 以 说 向 多 功 能 方 向 发 展 是 发 挥 复 合 材 料 优 势 的 必 然 趋 势 。
7 . 4 . 7 . 3 机 敏 复 合 材 料 ： 人 类 一 直 期 望 着 材 料 具 有 能 感 知 外 界 作 用 而 且 作 出 适 当 反 应 的 能 力 。 目 前
已 经 开 始 试 将 传 感 功 能 材 料 和 具 有 执 行 功 能 的 材 料 通 过 某 种 基 体 复 合 在 一 起 ， 并 且 连 接 外 部 信 息 处 理 系
统 ， 把 传 感 器 给 出 的 信 息 传 达 给 执 行 材 料 ， 使 之 产 生 相 应 的 动 作 。 这 样 就 构 成 了 机 敏 复 合 材 料 及 其 系 统 。
它 能 够 感 知 外 部 环 境 的 变 化 ， 做 出 主 动 的 响 应 ， 其 作 用 可 表 现 在 自 诊 断 、 自 适 应 和 自 修 复 的 能 力 上 。 预
计 机 敏 复 合 材 料 将 会 在 国 防 尖 端 技 术 、 建 筑 、 交 通 运 输 、 水 利 、 医 疗 卫 生 、 海 洋 渔 业 等 方 面 有 很 大 的 应
用 前 景 ， 同 时 也 会 在 节 约 能 源 、 减 少 污 染 和 提 高 安 全 性 上 发 挥 很 大 的 作 用 。
7 . 4 . 7 . 4 智 能 复 合 材 料 ： 智 能 复 合 材 料 是 功 能 类 材 料 的 最 高 形 式 。 实 际 上 它 是 在 机 敏 复 合 材 料 基 础
上 向 自 决 策 能 力 上 的 发 展 ， 依 靠 在 外 部 信 息 处 理 系 统 中 增 加 的 人 工 智 能 系 统 ， 对 信 息 进 行 分 析 ， 给 出 决
策 ， 指 挥 执 行 材 料 做 出 优 化 动 作 。 这 样 就 对 材 料 的 传 感 部 分 和 执 行 部 分 的 灵 敏 度 、 精 确 度 和 响 应 速 度 提
出 更 高 的 要 求 。 尽 管 难 度 很 大 但 具 有 重 要 的 意 义 ， 是 2 1 世 纪 追 求 的 目 标 。
7 . 4 . 7 . 5 纳 米 复 合 材 料 : 当 材 料 尺 寸 进 入 纳 米 范 围 时 ， 材 料 的 主 要 成 分 集 中 在 表 面 。 例 如 直 径 为 2 n m
的 颗 粒 其 表 面 原 子 数 将 占 有 整 体 的 8 0 ％ 。 巨 大 的 表 面 所 产 生 的 表 面 能 使 具 有 纳 米 尺 寸 的 物 体 之 间 存 在 极
强 的 团 聚 作 用 而 使 颗 粒 尺 寸 变 大 。 如 果 能 将 这 些 纳 米 单 元 体 分 散 在 某 种 基 体 之 中 构 成 复 合 材 料 ， 使 之 不
团 聚 而 保 持 纳 米 尺 寸 的 单 个 体 （ 颗 粒 或 其 他 形 状 物 体 ） ， 则 可 发 挥 其 纳 米 效 应 。 这 种 效 应 的 产 生 是 来 源 于
其 表 面 原 子 呈 无 序 分 布 状 态 而 具 有 特 殊 的 性 质 ， 表 现 为 量 子 尺 寸 效 应 、 宏 观 量 子 隧 道 效 应 、 表 面 与 界 面
效 应 等 。 由 于 这 些 效 应 的 存 在 使 纳 米 复 合 材 料 不 仅 具 有 优 良 的 力 学 性 质 而 且 会 产 生 光 学 、 非 线 性 光
学 、 光 化 学 和 电 学 的 功 能 作 用 。
( 1 ) 有 机 一 无 机 纳 米 复 合 材 料 ： 目 前 有 机 — 无 机 分 子 间 存 在 相 互 作 用 的 纳 米 复 合 材 料 发 展 很 快 ， 因 为
该 种 材 料 在 结 构 与 功 能 两 方 面 均 有 很 好 的 应 用 前 景 ， 而 且 具 备 工 业 化 的 可 能 性 。 有 机 — 无 机 分 子 间 的 相
互 作 用 有 共 价 键 型 、 配 位 键 型 和 离 子 键 型 ， 各 种 类 型 的 纳 米 复 合 材 料 均 有 其 对 应 的 制 备 方 法 。 例 如 制 备
共 价 键 型 纳 米 复 合 材 料 基 本 上 采 用 凝 胶 溶 胶 法 。 该 种 复 合 体 系 中 的 无 机 组 分 是 用 硅 或 金 属 的 烷 氧 基 化 合
物 经 水 解 、 缩 聚 等 反 应 形 成 硅 或 金 属 氧 化 物 的 纳 米 粒 子 网 络 ， 有 机 组 分 则 以 高 分 子 单 体 引 入 此 网 络 并 进
行 原 位 聚 合 形 成 纳 米 复 合 材 料 。 该 材 料 能 达 到 分 子 级 的 分 散 水 平 ， 所 以 能 赋 予 它 优 异 的 性 能 。 关 于 配 位
型 纳 米 复 合 材 料 ， 是 将 有 功 能 性 的 无 机 盐 溶 于 带 配 合 基 团 的 有 机 单 体 中 使 之 形 成 配 位 键 ， 然 后 进 行 聚 合 ，
使 无 机 物 以 纳 米 相 分 散 在 聚 合 物 中 形 成 纳 米 复 合 材 料 。 该 种 材 料 具 有 很 强 的 纳 米 功 能 效 应 ， 是 一 种 有 竞
争 力 的 功 能 复 合 材 料 。 新 近 发 展 迅 速 的 离 子 型 有 机 — 无 机 纳 米 复 合 材 料 是 通 过 对 无 机 层 状 物 插 层 来 制 得
的 ， 因 此 无 机 纳 米 相 仅 有 一 维 是 纳 米 尺 寸 。 由 于 层 状 硅 酸 盐 的 片 层 之 间 表 面 带 负 电 ， 所 以 可 先 用 阳 离 子
交 换 树 脂 借 助 静 电 吸 引 作 用 进 行 插 层 ， 而 该 树 脂 又 能 与 某 些 高 分 子 单 体 或 熔 体 发 生 作 用 ， 从 而 构 成 纳 米
复 合 材 料 。 研 究 表 明 ， 这 种 复 合 材 料 不 仅 能 作 为 结 构 用 也 可 作 为 功 能 材 料 ， 并 且 已 显 示 出 具 有 工 业 化 的
可 能 。
2 6( 2 ) 无 机 - 无 机 纳 米 复 合 材 料 ： 无 机 — 无 机 纳 米 复 合 材 料 虽 然 研 究 较 早 ， 但 发 展 较 慢 。 原 因 在 于 无 机
的 纳 米 粒 子 容 易 在 成 型 过 程 中 迅 速 团 聚 或 晶 粒 长 大 ， 因 而 丧 失 纳 米 效 应 ， 目 前 正 在 努 力 改 善 之 中 。 采 用
原 位 生 长 纳 米 相 的 方 法 可 以 制 备 陶 瓷 基 纳 米 复 合 材 料 和 金 属 基 纳 米 复 合 材 料 ， 它 们 的 性 能 有 明 显 改 善 。
这 类 方 法 存 在 的 问 题 是 难 以 精 确 控 制 由 原 位 反 应 生 成 的 增 强 体 含 量 和 生 成 物 的 化 学 组 成 ， 尚 有 待 改 进 。
7 . 4 . 7 . 6 仿 生 复 合 材 料 ： 天 然 的 生 物 材 料 基 本 上 是 复 合 材 料 。 仔 细 分 析 这 些 复 合 材 料 可 以 发 现 ， 它
们 的 形 成 结 构 、 排 列 分 布 非 常 合 理 。 例 如 ， 竹 子 以 管 式 纤 维 构 成 ， 外 密 内 疏 ， 并 呈 正 反 螺 旋 形 排 列 ， 成
为 长 期 使 用 的 优 良 天 然 材 料 。 又 如 ， 贝 壳 是 以 无 机 质 成 分 与 有 机 质 成 分 呈 层 状 交 替 叠 层 而 成 ， 既 具 有 很
高 的 强 度 又 有 很 好 的 韧 性 。 这 些 都 是 生 物 在 长 期 进 化 演 变 中 形 成 的 优 化 结 构 形 式 。 大 量 的 生 物 体 以 各 种
形 式 的 组 合 来 适 应 自 然 环 境 的 考 验 ， 优 胜 劣 汰 ， 为 人 类 提 供 了 学 习 借 鉴 的 途 径 。 为 此 ， 可 以 通 过 系 统 分
析 和 比 较 ， 吸 取 有 用 的 规 律 并 形 成 概 念 ， 把 从 生 物 材 料 学 习 到 的 知 识 结 合 材 料 科 学 的 理 论 和 手 段 来 进 行
新 型 材 料 的 设 计 与 制 造 。 因 此 逐 步 形 成 新 的 研 究 领 域 — — 仿 生 复 合 材 料 。 正 因 为 生 物 界 能 提 供 的 信 息 非
常 丰 富 ， 以 现 有 水 平 还 无 法 认 识 其 机 理 ， 所 以 具 有 很 强 的 发 展 生 命 力 。 目 前 虽 已 经 开 展 了 部 分 研 究 并 建
立 了 模 型 ， 进 行 了 理 论 计 算 ， 但 距 离 真 正 掌 握 自 然 界 生 物 材 料 的 奥 秘 还 有 很 大 差 距 ， 可 以 肯 定 这 是 复 合
材 料 发 展 的 必 由 之 路 ， 而 且 前 景 广 阔 。
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