材料制备技术
第二章
1、火法冶金：利用高温加热从矿石中提取金属或其他化合物的方法
2、火法冶金存在问题：污染环境（缺点），效率高成本低（优点）
3、火法冶金的基本过程3个：1.矿石准备
2.冶炼
3.精炼
4、主要方法4个：1.提炼冶金2.氯化冶金3.喷射冶金4.真空冶金
5、湿法冶金：利用一些溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程
6、过程4个：1.浸取2.固—液分离3.溶液的富集4.从溶液中提取金属或化合物
7、湿法冶金优点：1.对环境污染小2.处理低品位的矿石
8、电冶金：利用电能从矿石或其他原料中提取、回收或精炼金属的冶金过程
9、生铁冶炼
1.炼铁：从矿石中提取铁的过程；2.高炉：进行冶炼的炉子
10、铁矿石常用的预处理方法：1.破碎2.筛分3.选矿4.烧结5.造块
11、高炉生产过程：
1.进入高炉的有：铁矿石、焦炭、溶剂
2.热空气经环风管催乳高炉，焦炭既是燃料又是还原剂，有少部分与铁化合。
3.炉顶温度大概200℃
12、高炉冶炼理化过程：
1.燃料的燃烧（1600℃—1750℃）
2.铁的还原（CO）
3.铁的增碳
4.其他元素的还原
5.去硫
6.造渣
13、炉前处理目的：改变或改善铁水凝固后的组织，除普通灰口铸铁铁水出炉后直接进行浇注外，绝大多数铸铁材料的铁水要在炉前进行变质处理
14、炉前处理方法工艺：1.孕育处理
2.球化处理：生产球墨铸铁的关键技术，通过向铁水中加入球化剂使铁水凝固成为具有球状石墨组织的铸铁
15、铝合金的提取步骤：1.氧化铝的制备2.氧化铝的电解
16、制备氧化铝方法：湿碱法（拜尔法）、干碱法（碱石灰烧结法）
17、镁合金制备（保护方法）：1.溶剂保护2.气体保护
1.溶剂保护：使用的溶剂为碱金属和碱土金属的氯化物和氟化物，以及某些不活泼的氧化物，如：MgCl
2、KCl、NaCl、CaF2、BaCl
2、MaO。
2.溶剂在熔体表面形成一层连续完整的覆盖层，隔绝空气，防止镁合金被进一步氧化。（熔剂保护具有精炼）1.操作简单、效果可靠2.但溶剂易在浇筑时卷入金属液造成铸件的熔剂夹杂
3.气体保护：常用的保护气体SF
6、CO2与空气的混合气体
4.气体与溶剂比较：避免造成熔剂夹渣并改善生产环境，不具有精炼作用，且SF6是严重污染大气的气体
5.精炼目的：除去镁溶液中的氧化镁等夹杂物，使熔体净化。常用的精炼剂（MgCl2）
第四章
1、半固态铸造法：1.流变铸造、2.触变铸造
2.半固态铸造工艺原理：将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下时对合金进行搅拌。在搅拌作用下，合金中析出的树枝状晶被破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成卵球状的颗粒，分布在整个液态金属中。
3、半固态铸造的特点：1.应用范围广
2.铸件质量高、力学性能好、尺寸精度高
3.减小了对成形装置的热冲击，节约资源
4.便于实现自动化，提高了劳动生产率
5.生产成本低
4、触变性：指在一定的时间范围内浆料的黏度随剪切率的增加而减小的特性
5、流变性：合金在半凝固状态下表现的这种类似液体可以流动的、带有黏性的特性
6、流变铸造：利用半固态金属制备器批量制备或连续制备糊状的合金材料，直接进行铸造（挤压、轧制、模锻）的方法
7、触变铸造：
1.技术原理：将用浆料连续制备器生产的半固态浆料铸成一定形状的铸锭，重新加热到半固态温度范围后，将其装入成型机进行铸造成型（挤压、轧制、模锻）
2.工艺过程：首先要进行半固态合金坯料的部分重熔，重熔的程度依据合金的成分和成型工艺不同而有所不同。A.重熔到液相体积百分比占35%—50% ，形态类似“黄油”。B.重熔到液相体积百分比占50%—60%，形态类似“粥”
第五章
1、快速凝固技术：通过提高凝固冷却速度的方法来提高凝固过冷度和凝固速度
2、快速凝固的结构特点：
a.凝固速度快，溶质产生非平衡分配，是无溶质分配的凝固，无偏析或少偏析，固液界面的稳定性增加，凝固形成了平面，无偏析的等轴晶，某些合金可以获得完全均匀的组织
b.快速凝固能形成组织特殊的晶态合金，产生微晶及纳米晶，尺寸可小于0.1um，显著加大了溶质元素的固溶极限，保持高度过饱和固溶；平衡相的析出可能被抑制而析出非平衡相，包括新相和亚稳定相
c.非晶态组织的形成；当冷却速度极高（107K/s以上）时，结晶过程被完全抑制，而获得非晶态的固体，他是一种类似液态结构的金属材料 d.准晶态组织的形成；他是介于晶态和非晶态之间的一种新组织
3、快速凝固的工艺途径：1.第一种是“动力学”的方法；实现技术称为“急冷凝固技术”
2.第二种是“热力学”的方法；实现技术称为“大过冷技术”
4、急冷凝固技术的两个基本条件：
a.减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热 b.提高凝固过程中的传热速度
5、雾化技术（三类方法）
a.双流雾化b.离心雾化c.机械雾化
6、水雾化法制得的粉末形状不规则；气体雾化法制得的粉末形状规则
7、大过冷凝固技术有两类：小体积大过冷凝固法、较大体积大过冷凝固法
8、小体积大过冷凝固法：a.乳化法b.熔滴—基底法c.落管法
a.乳化法：将熔融的金属弥撒在某种不与之互熔的载流体中，通过高速机械搅拌，使其破碎成小乳滴，然后凝固成粉末。载体流通常有：有机油、熔盐
9、大体积大过冷凝固法：a.玻璃体包裹法b.二相区法c.电磁悬浮法 a.用流体形式存在的无机玻璃体把大块熔体与容器壁分隔开来，使其凝固时不受容器壁的影响
b.又称为嵌入熔体法，把合金加热到固液两相区，控制温度使熔体体积占20%，停止加热使两相彼此温度达到平衡，然后将样件淬火凝固。
c.将直径为几毫米的块状合金放入电磁线圈中，依靠电磁场的悬浮力，使样品始终处于悬浮态，并在惰性气氛中感应熔化和断电后凝固
第七章
1、复合材料的定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料
2、满足条件：
1.复合材料必须是人造的
2.复合材料必须有两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分 3.复合材料必须保持各组分材料性能的优点
3、增强物分类金属基复合材料
1.连续纤维增强金属基复合材料，连续纤维增强金属基是复合材料的主要承载体。
2.非连续纤维增强金属基复合材料
4、金属基材料选用规则
1.制造过程中要使增强物按设计要求在金属基体中均匀分布 2.制造过程中不造成增强物和金属基体原有性能的下降 3.制造过程中应避免各种不利的反应发生
4.制造方法应适合于批量生产，尽可能直接制造成接近最终形状尺寸的金属基复合材料的零件
5、制备金属基复合材料的主要困难
1.金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应、氧化反应等有害反应
2.金属基体与增强物之间浸润性差，甚至不浸润
3.将增强物按设计要求的含量、分布、方向、均匀地分布在金属基体中是制造金属基复合材料的另外一个难点 解决方法 a增强物的表面处理
1.有效防止基体金属与增强物之间的界面反应、相互扩散、溶解，避免损伤增强物和生成物有害物质
2.有效改善基体金属与增强物之间的浸润性
3.优化界面结构和性能，形成能充分发挥增强物和基体特征的金属基复合材料
b加入合适的合金元素优化合金成分。可以有效改善金属熔体与增强物之间的沁润性有效的防止界面反应。
7、金属基复合材料的制备工艺： 1.固态法 2.液态金属法
3.自生成法及其他制备法
第八章
1、单晶：由结构基元（原子、原子团、离子等）在三维空间内按长程有序排列而成的固态物质
2、单晶体的基本性质：
1.均匀性2.各向异性3.自限性4.对称性5.最小内能和最大稳定性
3、晶体生长是由——结晶物质的性质决定的
4、单晶的生长方法
1.固相—固相平衡的晶体生长
a.应变退火法b.烧结生长c.同素异构转变 2液相—固相平衡的晶体生长
a.定向凝固法b.籽晶法c.引上法d.区域熔化法 3.气相—固相平衡的晶体生长 a.升华法b.溅射法
5、单组份液相—固相平衡生长
1.控制凝固生长的目的：控制成核
6、必要条件——过冷
7、驱动力——过冷度
8、晶体生长发生在——体系的固—液（或晶—液）界面上
9、热量运输的必要条件——温度梯度的存在
10、提拉法原理
1.要生长的结晶物质材料在坩埚中熔化而不分解，不与周围环境反应 2.籽晶预热后旋转着下降与熔体液面接触，同时旋转籽品，这一方面为了获得热对称性，另一方面也搅拌了熔体。待籽晶微熔后再缓慢向上提拉
3.降低坩埚温度或熔体温度梯度，不断提拉，使籽晶直径变大（即放肩阶段），然后保持合适的温度梯度和提拉速度使晶体直径不变（即等径生长阶段）
4.当晶体达到所需长度后，在提拉速度不变的情况下升高熔体的温度或在温度不变的情况下加快拉速使晶体脱离熔体液面
5.对晶体进行退火处理，以提高晶体均匀性和消除可能存在的内部应力
11、提拉法的准则
1.晶体（或晶体加掺杂）熔化过程中不能分解，否则有可能引起反应物和分解产物分别结晶
2.晶体不得与坩埚或者周围气氛反应，可在密闭的设备中充满惰性、氧化性、还原性气氛
3.炉子或者加热元件要保证能加热到熔点，该熔点要低于沿用的熔点 4.要能够建立足以形成单晶材料的提拉速度与热梯度相匹配的条件
12、区域熔化技术——半导体提纯的主要技术。目的是为了得到——单晶（在生长界面附近产生一个温度梯度
13、浮区法的技术要点与步骤
1.将多晶料棒紧靠籽晶
2.射频感应加热，使多晶料棒靠近籽晶一端形成一个熔化区，并使籽晶微熔，熔化区靠表面张力支持而不流淌
3.同速度向下移动多晶料棒和晶体，相当于熔化区向上移动，单晶逐渐长大，而料棒不断缩短，直至多晶料棒全部转化为单晶体
14、常温溶液法
1.溶液法晶体生长的必要条件——只有溶液的浓度大于该温度下的平衡浓度（即饱和浓度）
15、溶液状态分析关键——把溶液状态控制在“亚稳定区内”
16、助熔剂的选择条件（9个）：
1.助熔剂对结晶物质有足够大的溶解度，并在生长温度内有合适的溶解度温度系数
2.与溶质的反应是可逆的，不形成其他稳定化合物，所要的晶体是唯一稳定的物相
3.应具有尽可能高的沸点和尽可能低的熔点，以便有较宽的生长温度范围供选择
4.助熔剂应尽可能含有与结晶物质相同的离子，避免过多的杂质引入晶体 5.应具有较小的粘滞性以利于溶质扩散和能量托运 6.具有很小的挥发性和毒性 7.对坩埚材料无腐蚀性
8.在熔融状态时，其密度应尽量与结晶物质相近，以利于溶液均匀 9.有适当的溶剂或溶液可溶解，而不腐蚀晶体
第九章
1、薄膜：是由离子、原子、分子在沉积过程中形成的二维材料。采用一定方法，
使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）的基团以物理或者化学方式附着在某种物质（衬底材料）表面，在衬底材料表面形成一层性的物质
1.薄膜包括：固态、液态、气态 2.具有——二维延展性
2、真空蒸发镀膜的三个基本过程：
1.被蒸发材料的加热蒸发
2.气态原子或分子由蒸发源到衬底的输送 3.衬底表面的沉积过程
3、对于化合物与合金材料常用的蒸发方法
1.闪蒸蒸发 2.多元蒸发 3.反应蒸发
4、溅射基本原理：利用气体放电产生的正离子，在电场作用下加速成为高能粒子，撞击固体靶表面，进行能量和动量交换后，固体表面的原子分子在轰击下离开表面，利用固体表面被溅射出来的物质沉积成膜的过程
5、溅射镀膜的特点：
1.镀膜过程中没有相变现象，使用的薄膜材料非常广泛 2.沉积粒子能量大，并对衬底有清洗作用，薄膜附着性好 3.薄膜密度高、杂质少 4.膜厚可控性好和重复性好 5.可以制备大面积薄膜
6.设备复杂，需要高压，沉积速率低
6、CVD薄膜生长过程5个阶段：
1.反应气体向衬底表面的输送扩散 2.反应气体在衬底表面的吸附
3.衬底表面气体间的化学反应，生成固态和气态物质，固态生成物粒子经表面扩散成膜
4.气态生成物由内向外的扩散和表面解吸 5.衬底表面有足够的反应气体供应
7、影响CVD沉积的因素3个：
1.沉积温度 2.反应气体配比 3.衬底的影响
第十章
1、非晶态材料在微观结构上具有以下三个基本特征：
1.只存在小区间内的短程有序，在近邻或次近邻原子间的键合具有一定的规律性，而没有任何长程有序
2.它的衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态的任何斑点和条纹
3.当温度连续增高时，在某个很窄的温度区内，会发生明显的结构相变，是一种亚稳态材料
2、制备非晶态合金的方法3类
1.通过蒸发、电解、辐射等方法使金属原子或离子凝聚和沉积而成 2.由熔融合金通过急冷快速固化而形成粉末、丝、条、带 3.利用激光、离子注入、喷镀、爆炸等方法使表面层结构无序化
第十一章
1、纳米材料：指特征维度尺寸在1—100um范围内的一类固体材料，包括晶态、非晶态和准晶态的金属、陶瓷、复合材料等
2、纳米材料的分类：零维、一维、二维
3、纳米材料的特征5个：
1.小尺寸效应 2.表面与界面效应 3.量子尺寸效应 4.介电限域效应 5.宏观量子隧道效应
4、纳米材料制备方法3类
1.根据制备原料状态分为固相法、液相法、气相法 2.按反应物状态分为干法和湿法 3.物理法、化学法、综合法
5、纳米材料制备过程中的主要问题及解决方法
1.纳米粒子的分散
2.纳米粒子的污染
a.物理分散
b.化学分散
6、物理法制备纳米材料
1.高能机械球磨法（机械合金化）：是利用球磨机的转动或震动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把合金和金属粉碎成纳米微粒的方法。
该方法具有的特点：产量高、操作简单、可制备用常规方法难以制备的高熔点的单质或合金纳米材料 2.气体冷凝法
3.深度塑性变形法：原材料在准静态力的作用下，如等径角挤压，发生严重的塑性变形，而使材料的尺寸细化到纳米量级
该方法具有的特点：纯度高、粒度可控，但对设备要求高
7、化学法制备纳米材料
1.溶胶—凝胶法：是以金属醇盐为前驱物，在有机介质中进行水解、缩聚反应，使溶液经溶胶化过程得到水溶胶，水溶胶在经加热干燥，然后烧结形成超细粉体。
该方法的特点：纯度高、粒度小、颗粒分布均匀、温度低、反应易于控制，使副反应大幅度减小、工艺操作简单，溶容易实现工业化 2.化学气相沉积法 3.沉淀法 4.微乳液法
5.水热法：是指在高温高压的水溶液或蒸汽等流体中，使物质进行反应，再经过分离和热处理而合成纳米粒子的一种无机制备方法
该方法的特点：合成温度低，条件温和，体系稳定，制品纯度高，分散性好，粒度分布窄
第十三章
1、陶瓷材料性能：具有熔点高、耐高温、硬度高、耐磨损、化学稳定性高、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、弹性模量大、强度高
2、陶瓷性能决定因素：a.物质结构 b.微观结构
3、陶瓷的结合键是：a.离子键 b.共价键
4、陶瓷的原料：a.石英 b.长石 c.黏土（a.塑性原料 b.非塑性原料）
5、坯料制备：a.可塑法成形坯料 b.注浆法成形坯料
6、成形工序：a.干燥 b.上釉 c.烧成
7、陶瓷成形方法：
1.可塑法成形 2.注浆法成形 3.干压法成形
8、陶瓷坯体高干燥：借助热能使坯料中的水分汽化，并干燥介质带走的过程（干燥到1%—2%
9、上釉：附着在陶瓷坯体表面的连续玻璃质层，具有与玻璃相类似的物理和化学性质。
10、施釉的方法：a.浸釉法 b.喷釉法 c.浇釉法 d.刷釉法
11、烧成过程的四个阶段：
1.蒸发期（室温—300℃）：主要是排除在干燥中没有除掉的残余水分。 2.氧化分解和晶型转化期（300—950℃）：坯体内部发生交复杂的物理化学变化，黏土结构中的水得到排除，碳酸盐分解，有机物、碳和硫化物被氧化，石英晶型转化
3.玻化成瓷期（950℃—烧成温度）：玻化成瓷期是整个烧成过程的关键，最大的特点：釉层玻化、坯体瓷化
液相对坯体的成瓷作用主要表现在两个方面：
a.起着致密化的作用
b.促进晶体的生长（莫来石、莫来石晶体）
4.冷却期（止火温度—室温）：冷却至玻璃相由塑性状态转变为固态时的临界温度必须切实注意，一般为750℃—550℃
12、新型陶瓷高温材料制成的发动机具有以下优点4个：
1.由于发动机的工作温度提高，发动机的效率可大大提高
2.由于燃烧温度提高，燃料得到充分燃烧，排放的废弃中污染成分大幅度下降，不仅降低了能源消耗，并且减少了环境污染
3.陶瓷材料与金属材料相比，具有低的了热传导性，这使发动机内的热量不易散逸，节省了能源的消耗
4.陶瓷材料在高温下具有高的高温强度和热稳定性，因此可以期望使用寿命会有所延长
