化学气相沉积的概念精选(九篇)

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第1篇：化学气相沉积的概念范文

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

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

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基

体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-

20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

6结束语

FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。

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第2篇：化学气相沉积的概念范文

1.1真空磁控溅射镀铝技术及方法

Al膜的制备方法依据成膜原理有3种：

（1）化学气相沉积法是某一固体表面发生气态物质化学反应而生成固态沉积物过程的方法；

（2）溶胶凝胶法是化合物或氧化物的固化，是金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶和热处理生成的方法；

（3）物理气相沉积法是基体表面沉积膜通过蒸发和溅射等使涂层材料气化的成膜方法。镀膜方法不同镀铝的效果也不同，每种方法本身又有若干种方法。磁控溅射沉积技术是低温高速的溅射方法，相对于蒸发法其优点是构成物体的个体物质容易掌控，且镀膜涂层细腻均匀，与基材体结合力强，适合材料表面薄膜生产。磁控溅射法有微波-ECR等离子体增强磁控溅射、交流反应磁控溅射、射频磁控溅射、直流反应磁控溅射和脉冲磁控溅射等，这都是由磁控溅射采用不同的离子源决定的。这里采用物理气相沉积法中的磁控溅射沉积方法，磁控溅射沉积技术通常使用的靶材为纯铝，溅射时铝靶被Ar离子轰击，这是由于通过电离Ar气并引入正交电磁场的结果，溅射出Al离子沉积到基体材料表面制备出高阻隔纳米Al膜新材料。实验观察，沉积物在基材表面运动成核或成膜只有保持较高的能量才能实现，因此，溅射是最终将基材表面原子激发出来的复杂过程，是在离子与基材表面原子碰撞过程中发生能量与动量转移的结果。

1.2镀铝瓦楞纸板制备各项必备条件

镀铝瓦楞纸板制备前实验要先选择其面纸材料，对镀铝瓦楞纸板技术要求和制备后的防护层进行处理。

1）纸基的选择。运用直流磁控溅射工艺制备纸基镀Al膜，进而制备镀铝瓦楞纸板，因此在选择镀铝膜的基材时，要综合各种因素，选择的基材要充分满足镀Al膜的质量要求。目前，较为广泛地将PET，PA，PP等塑料基材用作磁控溅射制备Al膜，实验采用的基材为纸基镀铝膜。直流磁控溅射是“低温”溅射相对二次溅射的方法，由于纸基材料的表面吸附能力弱且粗糙度高，与塑料薄膜基材比较Al膜沉积相对困难，本实验选择高强度特种纸，因高强度特种纸与Al具有较好的亲和力。为制备满足使用需要的各种规格的镀铝瓦楞纸板，对高强度特种纸纸基材料进行选择时，相对稳定的物理特性参数是各种纸基材料研究的重点，同时还要考虑提高纸基材料肌理感和质感的视觉效果。依据试验测试高强度特种纸纸基材料的物理性能，这里选择各种高强度特种纸作为纸基材料，其质量为120g～250g不等，选用纯木浆作为原材料，其表面纹理和图案不同，纸面纤维均匀、伸缩小、强度高、物理性能良好。

2）镀铝瓦楞纸板结构及材料技术要求。瓦楞纸板的结构是由面纸、里纸、芯纸和加工成波形的瓦楞纸通过黏合而成的。瓦楞纸板根据瓦楞波纹的形状、纸板的层数和瓦楞种类的不同大致分为3类[4]。由于构成瓦楞纸板的瓦楞波形分为U形、V形及UV形，楞型有A，B，C，E及其复合楞，其中复合楞AB，BC，BBC兼备了各单楞的优点。为了提高瓦楞纸板的强度，选择UV形多层复合楞瓦楞纸板为主要材料，使镀铝瓦楞纸板家具符合家具的类型、大小及主体框架结构等实用特性。同时，对瓦楞纸原纸的物理性能，如破裂强度、基重、环压强度、抗张强度、撕裂强度、防水性能等都有一定的要求。瓦楞纸板材料符合规定要求是铝纸复合的关键，也是能否取得镀铝瓦楞纸板家具新材料的关键所在。镀Al膜表面进行SiOx防护层处理。制备镀铝瓦楞纸板采取直接镀铝方法，其高阻隔性纳米铝薄膜新型材料是利用真空磁控溅射镀铝技术所获得的。必须提高铝膜表面的耐磨性、阻燃性和可擦洗性等，改变Al膜本身耐磨性较低的状况，从而改善瓦楞纸板的性能，因此这里采用和Al膜相同的工艺方法，对瓦楞纸板Al膜面纸进行Si靶二次磁控溅射。将SiOx沉积在Al膜表面并进行保护层处理，镀SiOx提高瓦楞纸板Al膜的物理性质和Al膜面纸质量，同时使其仍然保留银灰色Al膜色彩。实验采用射频磁控溅射将SiOx沉积在Al膜表面，以提高Al膜的耐磨擦性，从而获得高质量的镀铝瓦楞纸板材料。

2镀铝瓦楞纸板家具的商业化应用

2.1镀铝瓦楞纸板家具特点

镀铝瓦楞纸板家具以其鲜明的特点受到人们的喜爱。首先，镀铝瓦楞纸板所用原料和辅助材料都是无毒、无气味的，有效避免了如人造板家具中甲醛等有毒气体的挥发。镀铝瓦楞纸板家具其原材料有极少的铝材料，容易处理，瓦楞纸板可降解和循环利用。其次，镀铝瓦楞纸板材料表面韧性好、耐折。和木质家具比起来，优越的阻隔性使其表面无龟裂现象。第三，镀铝瓦楞纸板具有防止家具氧化及防水、防潮等特点，镀铝防止其受潮和吸水，有效地改善了镀铝瓦楞纸板材料的物理性能，比涂饰保护漆的普通纸板家具表面具有更好的防潮耐水性。第四，镀铝瓦楞纸板材料的金属光泽及肌理效果本身就具有装饰性，镀铝时可根据不同家具的需要，将其表面加工成各种式样图案，或各具特色的镂花使家具更加宜人。

2.2镀铝瓦楞纸板在概念家具设计中的应用

不同学者对概念家具设计有不同的解释，但常见的观点是强调新的设计理念和新材料的使用，主张在设计家具时注重生产的可行性并采用先进技术，产品使用安全，造型美观，经济合理。现代家具设计中的概念家具的魅力就在于，设计师根据当时特定的物质技术条件与时尚审美的需求，对某种家具提出概念或设想，并转化为实际产品投入市场，这不仅推动了新技术、新材料与新工艺的进步，还缩短了家具更新周期。狭义的概念家具设计是对新的家具设计潮流，即对现代主义家具设计的研究，其设计是个性化的，新思维和新风格集中运用，设计产品从结构、材料、功能、装饰、技术等对艺术拓展和产品开发有重要作用，体现后现代主义设计流派新的设计风格。广义的概念家具设计是以探求个性化开发和新风格组合，以及新的理念为目的，其创新性和探索性为以后的家具设计提供有益参考。概念家具设计是创新的材料设计、别致的造型设计、时尚的理念设计和多功能互动性设计等，因此涉及到设计外延的不断扩大，设计内涵的不断延伸，设计的立体表达中交叉融合了社会学、历史学、经济学、工程学、工艺学和美学等学科。无论是概念家具还是实用家具，均可使用镀铝瓦楞纸板进行设计与开发，生产的家具产品首先要具有良好的使用性，然后是时尚、耐用等其他需要。由于镀铝瓦楞纸板的材料特性，其家具开发可广泛应用于易更换、价格低、重量轻、便于回收的中小型轻便家具，如钟表、灯饰、凳子及小型书架等，适合用于时尚新颖的家居家具，如餐桌、茶几、电视柜、椅子等，也可用于较厚重的现代家具，如橱柜、书柜、立柜大型板式家具及轻巧绿色能够重复利用的办公家具，如文件柜、办公桌椅、书立、档案盒等，还可用于承重性较强、结构简单的大型家具，如展示柜、工作台，大型运动场馆使用的媒体桌和服务台等，以及探索开发美观、实用、环保性强的儿童家具、休闲家具等，或者用于承载较大质量的家具支撑底座，模块或零部件等，还可根据不同群体和对象研制其他家具产品，满足不同的消费需要。

2.3镀铝瓦楞纸板概念家具设计

根据家具设计意图，对所获得的镀铝瓦楞纸板材料进行分切和加工，可将其制备成各种中小型轻便镀铝瓦楞纸板家具产品。折叠结构形式、层叠结构形式、插接结构形式和组合结构形式及其工艺方法是镀铝瓦楞纸板概念家具设计的常用形式[13-15]。同时使用不同的镀铝瓦楞纸板制作家具时，应根据家具特性确定其成形工艺，构思结构和进行不同的造型设计。镀铝瓦楞纸板是由多层纸板复合而成的，如使用三层板制作家具，家具设计及加工工艺可根据特定需要，对镀铝瓦楞纸板进行模切标准压痕后通过折叠来实现，如镀铝瓦楞纸板插接结的构凳子和桌子见图1-2，采取折叠结构形式，将镀铝瓦楞纸板面材模切成按照设计意图事先设定好的造型，通过折叠构成立体形态家具。

3镀铝瓦楞纸板概念家具拓展设计

3.1概念家具拓展设计创意思路

随着科技的发展，创新材料和设计已成为各国研发的主题，设计师力图采用不同类型的材料进行创新设计，富有想象力的设计构思会形成具有生命力的家具。按此思路使用镀铝瓦楞纸板作为新型材料，采用模块化家具组合的设计方法，应用于镀铝瓦楞纸板概念家具设计。组合家具是由标准零部件或若干个标准化模块组合而成的，家具的整体功能可划分为若干个子功能，整体功能通过不同的模块或零部件组合来实现，现代家具特别是板式家具的模块化结构，拆装灵活，用途多样，容易组合。模块化组合家具可通过灵活切换模块转换功能，产生各种不同的使用方法或衍生新型家具来满足需求差异，其制作过程应注意标准化、组合化、通用性等特征。组合模块家具的种类众多，如桌凳、茶几、床等，家具的形态变得更加丰富多样，功能性也得到更大程度的拓展。

3.2镀铝瓦楞纸板与其他材料的组合设计

镀铝瓦楞纸板制作的标准模块，根据使用需要，配合其他材料，如设计镀铝瓦楞纸板模块组合餐桌，这种设计充分发挥两种不同材料的优势互补作用，餐桌上部分桌面使用玻璃材料，餐桌下部分底座采用镀铝瓦楞纸板模块。玻璃面材具有坚硬、光滑、耐磨、耐烫、容易清洗的特点，镀铝瓦楞纸板塑造成各种所需形状模块的底座，具有较强的支撑作用。另外可根据设计餐桌面板大小自行决定底座标准模块配置的多少。餐桌面板材质、形状和规格可依据消费者需要，利用造型要素交合法提取造型要素，灵活派生多种设计方案。家具模块化设计的实践方法，可开发研制新功能模块与部分通用模块形成新家具，可用通用模块和接口结构组合成新家具，可通过部分通用模块改型形成新家具，可以以通用为主与部分专用模块构成新家具，还可采用如木材、塑料、金属、玻璃等不同质地的材料进行模块组合成形。

3.3模块化的应用组合

模块化是设计模块作为标准化、通用化的零部件灵活组成多种新家具的设计方法。以镀铝瓦楞纸板制作的标准模块，还可按对家具不同使用价值的需求，来制作不同种类和规格的镀铝瓦楞纸板的标准化模块，并配合其他材料设计制作中小型家具。根据设计意图，结合镀铝瓦楞纸板制作的标准模块，可选用层叠结构形式的镀铝瓦楞板模块，组合形成茶几、长条桌等家具。利用镀铝瓦楞纸板制作的标准模块为主要造型材料，结合多种其他材料，创造性地设计多种变化造型。选用镀铝瓦楞纸板和其他材料共同构成概念家具时，可充分利用两种材料各自的优势特点进行设计，推进镀铝瓦楞纸板新材料的应用。可将其应用于制备各种中小型轻便纸板家具产品中。

4结语

第3篇：化学气相沉积的概念范文

【关键词】电子技术 无损检测技术 应用

最近几年，电力电子技术、计算机技术、微电子技术等的飞速发展，推动了各行各业的信息化进程。在工业生产、建筑工程等领域，经常需要对产品的质量进行检测，传统的破坏性检测虽然可以获得准确的结果，但是其本身的破坏性不仅会导致成本的增加，而且注定只能采用抽样检测的方法，在这种情况下，无损检测技术得到了越来越多的关注。

1 无损检测技术概述

无损检测，是指在尽可能避免对被检测对象造成损伤，不破坏其内部组织，不影响其使用性能的前提下，结合物理化学手段以及现代化的仪器设备，针对检测对象的内部结构、性质等进行检测，及时发现其中存在的缺陷和问题。无损检测是在工业化进程不断加快的背景下，基于电力电子技术而产生和发展起来的，可以在一定程度上反映出国家的工业发展水平，其重要性不容忽视。

无损检测的目标并非单纯的分析被检测对象的质量和完整性，还可以为工艺技术的和改进提供有效指导，进一步提升产品的质量及安全，同时，通过分阶段的无损检测，可以及时发现产品生产环节存在的问题，及时进行处理，缩短了问题处理的时间和消耗，能够有效降低成本。

无损检测技术具备几个比较显著特点：

1.1 非破坏性

这也是无损检测最为重要的特征，可以在有效剔除不合格产品的同时，避免损失，因此不会受到很大的限制，可以根据实际需求选择抽样检测或者全面检测，更加灵活，更加可靠。

1.2 动态性

无损检测可以针对正在使用中的产品进行检验，同时可以针对产品运行期的累计影响进行定期考察，明确机构的失效机理。

1.3 严格性

无损检测需要专业的设备和人员，依照规范的流程进行操作，才能保证检测结果的准确性。

1.4 检测结果分歧性

简单来讲，就是在针对同一个试件进行检测时，不同检测人员可能会得到不同的结果，在这种情况下，需要通过“会诊”的方式，对结果进行统一。

2 基于电子技术下的无损检测技术应用

无损检测技术在许多领域中都有着广泛的应用，可以将其分为两种不同的类型：

（1）常规无损检测技术，包括超声检测、渗透检测、磁粉检测、射线检测等，

（2）非常规无损检测技术，包括红外热成像、导波检测、声发射、微波检测以及光全息照相等。

在实际应用中，需要根据具体的需求以及检测对象，选择合适的检测方法。这里主要针对两种比较常见的无损检测技术进行简要分析。

2.1 激光检测技术

在无损检测中，激光检测技术的应用相对较晚，不过由于其本身的独特性能，发展速度较快，应用范围也在持续扩大，逐步形成了许多全新的无损检测技术，推动了无损检测的发展和繁荣。

2.1.1 激光全息无损检测

这种技术是激光技术在无损检测领域最初的应用，也是最为广泛的应用，可以针对被检测物体施加外部荷载，检测其不同部位的形变量，通过外部荷载加载前后的全息图像叠加，发现结构内部是否存在缺陷。

2.1.2 激光超声无损检测

相比较传统的超声无损检测，激光超声检测的具有几个明显的优势，

（1）可以在不接触被检测对象的情况下，实现一定距离之外的检测，因此不存在匹配和耦合等问题；

（2）结合超短激光脉冲，能够得到较高的时间分辨率和超短声脉冲，实现宽带检测；

（3）聚焦简单，可以提升扫描和成效的效率。我国对于激光超声无损检测的研究起步较晚，目前可以实现高温条件、放射环境、特殊工件等的检测，而国外已经将其应用到复合材料检测、化学气相沉积等的实时检测方面，表明该技术具备良好的发展前景。

2.2 超声检测技术

超声检测技术具有适用范围广、检测深度大、灵敏度高、定位准确、成本低廉等优点，几乎在所有的工业部门中都有着一定的应用，工作频率在0.4-5MHz之间，在一些特殊情况下，还可以被应用到频率要求在10-50MHz的特殊领域中，同样能够取得良好的检测效果。

2.2.1 超声导波技术

超声导波技术在目前被用于大型固体、火箭客壳体以及航空结构件的无损检测，相比较传统的超声检测技术更加快速，结果也更加可靠。

2.2.2 声发射技术

这是一种被动式的检测技术，材料或者构件在内力或者外力的作用下，自主发出声波或者超声波，通过对声波的接收和评价，判断结构的完整性。声发射技术是一种比较新颖的超声检测技术，常被用于材料及构件裂缝的监测分析、泄漏的检测与定位以及构件失效报警等。

2.2.3 非接触超声换能技术

常规的超声检测采用的均为接触式换能，在实际应用中存在着一定的局限性，而伴随着技术的持续发展，非接触超声换能技术不断涌现，如静电耦合法、电磁声法、空气耦合法以及激光超声法等，前两种方法在实验室环境以及特殊的工业生产中有着良好的适用性，换能器与被检测对象的距离较近，后两种方法则可以进一步拉大换能器与被检测对象之间的距离，实现中距离甚至长距离的无损检测。

3 结语

总而言之，伴随着社会的持续发展，做好各种产品的质量检测非常重要，无损检测技术可以在保证被检测对象使用性能和完整性的同时，实现对其内部结构的准确检测，发现其中存在的缺陷和问题，不仅避免了不合格产品进入市场，还可以降低成本，推动工艺技术的改革发展。近年来，伴随着电子技术的发展，无损检测技术也出现了许多全新的变化，检测效率和检测精度大大提高，受到了越发广泛的重视。

参考文献

[1]张向阳.基于电子技术的埋地管道无损检测的相关检测办法分析[J].电子技术与软件工程，2015（02）：144.

[2]隋延兵.无损检测技术的应用与发展[J].民营科技，2014（08）：59.

[3]迟文升.基于电子技术的无损检测技术应用研究[J].电子技术与软件工程，2014（22）：109.

作者简介

卢威（1980-），男，江西省永S县人。大学本科学历。现为江西现代职业技术学院信息工程学院讲师。研究方向为电子与通信工程。

第4篇：化学气相沉积的概念范文

一、电极

锂离子电池纳米电极存在一些潜在的优缺点。

优点：（i）更好地释放锂嵌入和脱嵌过程中的应力，提高循环寿命；（ii）可发生在块体材料中不可能出现的反应；（iii）更高的电极/电解液接触面积提高了充/放电速率；（iv）短的电子输运路径（允许在低电导或高功率下使用）；（v）短的锂离子传输路径（允许在低锂离子传导介质或高功率下使用）。

缺点：（i）高比表面积带来的不可预期的电极/电解液反应增加，导致自放电现象，差的循环性能及寿命；（ii）劣等的颗粒包装技术使其体积能量密度很低，除非开发出一种特殊的压缩工艺，否则会限制它的应用；（iii）电极合成过程可能会更加复杂。

认识了这些优缺点，人们已经加大在负极材料及最近展开的正极材料的研发力度。

二、负极

储锂金属存在的问题

储锂金属可部分重复地、在低电压（相对于锂）下进行储锂反应，它提供了比传统石墨大得多的比容量。例如，锂硅合金，饱和状态下的分子式为Li4.4Si，理论上可以达到4200mAh/g的比容量，而金属锂为3600mAh/g，石墨只有372mAh/g。但是，锂的嵌入再加上相变会导致体积发生巨大的变化，产生的应力致使金属电极断裂破碎，电阻增大，存储电荷的能力骤降。尽管在合金化反应中结构的变化是很正常的，但人们依然努力去降低这一效应以保持电极的完整性。

活泼/惰性纳米复合（active/inactivecomposite）概念

该方法包含了两种材料的混合，一种与锂反应，另一种作为惰性的局域缓冲。在这种复合材料中，活泼相纳米级金属团簇被包裹在惰性非晶相基体中，在嵌锂过程中很好地消除了产生的内应力，从而提高了合金化反应的可逆性。将这一概念应用到不同的体系中，结果显示这些电极极大地提高了锂电池的循环性能。

1999年ouMao等[2]发现机械合金化得到的Sn基复合材料Sn-Fe-C存在Sn2Fe和SnFe3C两相，前一相中的Sn可以与Li发生反应因而被称为活泼相，而后一相却几乎不发生嵌锂反应因而被称为惰性相。在两相的协调作用下，循环80次容量几无降低。

Si-C纳米复合材料亦有类似功能[3,4]，2004年Novak,P等[5]在日本召开的锂电池会议中宣布其Si-C纳米复合材料电极循环100次后比容量仍高达1000mAh/g，因而受到了非常的注目。

纳米形貌特征对循环性能的贡献

2005年3月份，AdvancedMaterials发表了对TiO2-B纳米管或纳米线的研究成果（B表示TiO2的类型而非硼元素）[6]。这种材料可由简单的水相合成途径大量合成，直径在40-60nm之间，长度可达数微米。多晶TiO2-B纳米管是一种优秀的锂嵌入载体，插锂电位在1.5-1.6V，形成Li0.91TiO2-B（305mAh/g），具有优异的可逆循环容量（循环100次后容量几无降低）。有意思的是，它的比容量要优于同种相的直径跟纳米线直径相仿的纳米粒子。

2003年Green,M等[7]发现表面纳米柱磁电极因尺寸限制改变了颗粒的形变行为，减少了断裂的产生，同样显示了优异的可逆容量（循环50次后大部分柱状结构仍保持原样）。

人们研究发现纳米碳管的充放电容量可以超过石墨嵌锂化合物理论容量的一倍以上。Z.H.Yang[8]发现用化学气相沉积法制备的纳米碳管容量可达700mAh/g，Frackowia[9]用Co/硅胶为催化剂在900℃下催化分解乙炔气体得到的纳米碳管的首次嵌锂容量达到952mAh/g。但同时也发现与其它碳材料相比,纳米碳管作为负极材料不仅存在电位滞后,而且存在明显的双电层效应。

颗粒度的降低拓宽了人们对电极材料的选择范围

纳米尺寸研究上的突破可能会迅速地改变人们对无机材料的化学/电化学反应原有的认识，原以为不满足传统锂插层标准而被否决的材料现在却值得重新思考了。这来自于2003年Larcher,D等所做的关于宏观&纳米级赤铁矿颗粒与锂的反应活性的对比实验[10]。纳米级赤铁矿颗粒（直径20nm）在可逆插锂过程中容量达0.6LiperFe2O3，而无相变发生；大颗粒赤铁矿（直径1-2um）当插锂容量达到0.03LiperFe2O3时便发生不可逆相变。

三、正极

纳米正极材料使用中的稳定性问题仍待解决

人们对正极材料的研究远不如纳米负极材料研究得透彻。传统正极材料如LiCoO2，LiNiO2以及它们的固溶体纳米粒子的使用致使与电解液的反应大大增强，特别是在高温区，从而出现了在微米级别正极材料的使用中未尝遇到过的安全性问题，如Mn的溶解，Jahn-Teller效应，极化增大等。为了解决这些问题，研究人员进行了大量的研究，其研究方向主要有：优化设计合成方法、掺杂、进行表面改性、优化电解液来改善LiMn2O4和电解液的相容性等。郑雪萍等在今年的《稀有金属快报》上对LiMn2O4循环稳定性衰减的原因进行了分析并对当然的解决办法作了较好的综述[11]。

调整电极材料形貌是增强电极容量的重要途径

2000年Dong,W等[12]报道的V2O5气溶胶（无规非晶高孔容材料）比多晶无孔的V2O5粉末具有更大的电活性容量。这些气溶胶与电解液有很大的接触面积，可以支持高频工作，尽管由于过程中结构的改变或非常易发生反应的表面官能团导致循环性能成为一个问题。

插锂反应并不排斥相变的发生

传统观点认为要保持锂电池快速可逆的电极反应，必须使用插层化合物作为电极，而且，插锂过程中不能发生相变，即插锂过程是连续的固溶过程。然而，有越来越多的例子表明，尽管有相变的发生，锂的嵌入仍是很容易的，如LiCoO2和Li4Ti5O12，特别是最终两相有较强的结构相似性时（如，只有Li的排序不同）。

2001年Robertson,A.D.等[13]发现具有α-NaFeO2结构的层状LiMnO2发生相变转变为立方尖晶石结构时具有很好的循环性能，有>99.9%的容量恢复。该体系是靠开发出的具有纳米结构的微米级颗粒的相变来释放应力的。尖晶石纳米畴在立方和四方结构之间来回转变，所产生的应力则由畴壁的滑移而释放。纳米畴是在层状到尖晶石结构转变时形成。后来人们发现这样的纳米结构可以通过研磨的方法来实现到尖晶石结构的相变，也同样得到了循环性能的增强[14]。

此外，碳包裹纳米粒子的制备使所选择的材料不再需要好的电导性能，也不再需要高的锂扩散系数，从而进一步拓宽了电极材料的选择范围[15]。

四、电解液

锂离子电池的进展不仅需要电极性能的提高，也需要依靠电解液性能的增强。固态聚合物电解质代表了电池所需性能的终极形式。最理想的聚合物电解质是那些无溶剂薄膜形成的，如聚乙烯（乙烯氧化物），PEO和锂盐（LiX），如LiPF6或LiCF3SO3。然而这些材料在室温下差的离子传导性使之无法实现那么高的期望。

1998年，Croce,F.等[16]在Nature上宣告将纳米级无机填充物分散于无溶剂、聚醚基的电解质中，可以使其传导性增加数个量级。电解质输运性能提高的原因可用Maier开发出的不同种类掺杂模型来解释。可能与无机纳米粒子的表面状态跟聚合物链或锂盐阴离子之间发生的路易斯酸基交互作用有关。事实上，人们也在开发其它可以达到高导率的聚合物电解质。与这方面相关的有聚合物-盐纳米结构和离子液体的控制[17]。

在30年里，人们一直相信聚合物电解质中的离子导电只可能发生在非晶相，于玻璃态转变温度Tg之上。晶态的聚合物电解质被认为是绝缘的。但是现在的研究发现并不是这样的。按6：1比例复合的PEO5：LiXF6晶态复合体（X=P，As,Sb）显示出了离子导电性[18,19]。这说明在电解质中，就像前面提到的电极材料中一样，控制材料维度使之达到纳米级别会对其性能产生深远的影响。最近又有报道发现如果用其它一价或二价阴离子部分取代XF6离子，可以使晶态聚合物电解质的离子电导率提高两个数量级[20]。

五、商业应用现状[22]

正负极及电解液材料

国内外锂电池生产企业

国内的中信国安盟固利、余姚金和、杉杉科技、国泰华荣等厂商在正极材料、负极材料、电解液市场竞争力逐渐增强，而在隔离膜市场还需奋起直追。在下游锂电池市场，深圳比亚迪、深圳比克、深圳邦凯科技、TCL金能等厂商已在全球锂电池市场占据相当大的市场份额。中国已形成锂电池相对完整的产业链，在锂电池材料的配套方面占有一定的优势。

参考文献

[1]吴宇平等著，锂离子电池，化学工业出版社，2004

[2]Mao,O.&Dahn,J.R.MechanicallyalloyedSn-Fe(-C)powdersasanodematerialsforLiionbatteries.III.Sn2Fe:SnFe3Cactive/inactivecomposites.J.Electrochem.Soc.146,423-427(1999).

[3]Graetzetal.Highlyreversiblelithiumstorageinnanostructuredsilicon.Electrochem.Solid-StateLett.6,A194-197(2003).

[4]Yang,J.etal.Si/Ccompositesforhighcapacitylithiumstoragematerials.Electrochem.Solid-StateLett.6,A154-156(2003).

[5]Novak,P.etal.inInt.MeetingLiBatteriesIMLB12Nara,JapanAbstract9(2004).

[6]Armstrong,A.R.etal.LithiumintercalationintoTiO2-Bnanowires.Adv.Mater.17,862-865(2005)

[7]Green,M.etal.Structuredsiliconanodesforlithiumbatteryapplications.Electrochem.Solid-StateLett.6,A75-79(2003).

[8]YangZH,WuHQ.[J].ChemicalPhysiscLetters,2001,343:235-240.

[9]FrackowiaKE,GautieRS,GarcheRH,etal.[J].Carbon,1999,37,61-69.

[10]Larcher,D.etal.Effectofparticlesizeonlithiumintercalationintoα-Fe2O3.J.Electrochem.Soc.150,A133-139(2003).

[11]郑雪萍，曲选辉，锂离子电池正极材料LiMn2O4研究现状，稀有金属快报，2005.

[12]Dong,W,etal.Electrochemicalpropertiesofhighsurfaceareavanadiumoxidesaerogels.Electrochem.SolidStateLett.3,457-459(2000)

[13]Robertson,A.D.etal.LayeredLixMnyCo1-yO2intercalationelectrodes:inßuenceofionexchangeoncapacityandstructureuponcycling.Chem.Mater.13,2380-2386(2001).

[14]Kang,S.H.etal.Effectofball-millingon3Vcapacityoflithiummanganeseoxospinelcathodes.Chem.Mater.13,1758-1764(2001).

[15]Huang,H.,Yin,S.-C.&Nazar,L.F.ApproachingtheoreticalcapacityofLiFePO4atroomtemperatureandhighrates.Electrochem.Solid-StateLett.4,A170-172(2001).

[16]Croce,F.etal.Nanocompositepolymerelectrolytesforlithiumbatteries.Nature394,456-458(1998).

[17]Hawett,P.C.,MacFarlane,D.R.&Hollenkamp,A.F.HighlithiummetalcyclingefÞciencyinaroom-temperatureionicliquid.Electrochem.Solid-StateLett.7,A97-101(2004).

[18]MacGlashan,G.etal.Thestructureofpoly(ethyleneoxide)6:LiAsF6.Nature398,792-794(1999).

[19]Gadjourova,Z.etal.Ionicconductivityincrystallinepolymerelectrolytes.Nature412,520-523(2001).

第5篇：化学气相沉积的概念范文

第一节钢的热处理原理

热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）

1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；

2、表面热处理：包括表面淬火、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等；

3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

热处理的三阶段：加热、保温、冷却

一、钢在加热时的转变

加热的目的：使钢奥氏体化

（一）奥氏体（A）的形成

奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则Wc＝0.0218％（体心立方晶格F）Wc＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T上升到Ac1后Wc＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A在铁素体和渗碳体的相界面上形成。有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。

珠光体向奥氏体转变示意图

a)形核b)长大c)剩余渗碳体溶解d)奥氏体均匀化

（二）奥氏体晶粒的长大

奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。分为00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1～10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。

影响A晶粒粗大因素

1、加热温度越高，保温时间愈长，奥氏体晶粒越粗大。因此，合理选择加热和保温时间。以保证获得细小均匀的奥氏体组织。（930～950℃以下加热，晶粒长大的倾向小，便于热处理）

2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。

二、钢在冷却时的转变

生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却

（一）过冷奥氏体的等温转变

A在相变点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相。

1、共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能

共析钢过冷奥氏体等温

转变曲线的建立示意图

1）高温珠光体型转变：A1～550℃

（1）珠光体（P）A1～650℃粗层状约0.3μm<25HRC

（2）索氏体（S）650～600℃细层状0.1～0.3μm，25～35HRC

（3）屈氏体（T）600～550℃极细层状约0.1μm，35～40HRC

2）中温贝氏体型转变：550℃～Ms

（1）上贝氏体（B上）550～350℃羽毛状40～45HRC脆性大，无使用价值

（2）下贝氏体（B下）350~Ms黑色针状45～55HRC韧性好，综合力学性能好

（3）低温马氏体型转变：Ms～Mf当A被迅速过冷至Ms以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。（当Wc＜0.2％时，呈板条状，当Wc＞1.0％呈针片状，当Wc＝0.2％～1.0％时，呈针片状和板条状的混合物）

（二）过冷奥氏体的连续冷却转变

1．共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能

（1）随炉冷P170～220HBS（700～650℃）

（2）空冷S25～35HRC（650～600℃）

\共析碳钢连续冷却转变曲线应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变

2．马氏体转变

当冷速>马氏体临界冷却速度VK时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体，称为M（马氏体）。

1）转变特点：M转变是在一定温度范围内进行（Ms～Mf）,M转变是在一个非扩散型转变(碳、铁原子不能扩散）,M转变速度极快（大于Vk）,M转变具有不完全性（少量的残A）,M转变只有α－Fe、γ－Fe的晶格转变.

（2）M的组织形态

Wc（％）M形态σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC

0.1-0.25板条状1020－1530820－13309－1760－18030－50

0.77片状2350204011066

(3)M的力学性能

①M的强度与硬度随C的上升M的硬度、强度上升

②M的塑性与韧性：低碳板条状M良好；板条状M具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能；针片状M比板条M具有更高硬度，但脆性较大，塑、韧性较差。

第二节钢的退火

1、概念：将钢件加热到适当温度(Ac1以上或以下)，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。

2、目的：

（1）降低硬度，提高塑性，

（2）细化晶粒，消除组织缺陷

（3）消除内应力

（4）为淬火作好组织准备

3、类型：根据加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。

（1）完全退火：

1）概念：将亚共析钢（Wc＝0.3％～0.6％）加热到AC3+（30～50）℃，完全奥氏体化后，保温缓冷（随炉、埋入砂、石灰中），以获得接衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。

2）目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。

3）工艺：完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部看到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

4）适用范围：中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等。

（2）球化退火

1）概念：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。

2）工艺：一般球化退火工艺Ac1+(10～20)℃随炉冷至500～600℃空冷。

3）目的：降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。

4）适用范围：主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等。

（3）均匀化退火（扩散退火）

1）工艺：把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150～100℃，保温10～15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

2）目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

3）适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。

4）注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。

（4）去应力退火

1)概念：为去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。

2)工艺：将工件缓慢加热到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保温一定时间（1～3h）后随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。

钢的一般在500～600℃；铸铁一般在500～550℃超过550℃容易造成珠光体的石墨化；焊接件一般为500～600℃。

3）适用范围：消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。

第三节钢的正火

1、概念：将钢件加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后；在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。

2、目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。

3、组织：共析钢P、亚共析钢F+P、过共析钢Fe3CⅡ＋P

4、工艺：正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。

5、应用范围：

1）改善钢的切削加工性能。碳的含量低于0.25％的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状P，使硬度提高，改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。

2）消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。

3）消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。

4）提高普通结构零件的机械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。

第四节钢的淬火

1、定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间。然后以适当速度冷却获得M或B组织的热处理工艺。2、目的：显著提高钢的强度和硬度。

3、淬火温度的选择

1）碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe3C相图来确定，其目的是为了①淬火后得到全部细小的M；②淬火后希望硬度高。

①亚共析钢Ac3+(30～50)℃,可获得细小的均匀的M，如温度过高则有晶粒粗化现象，淬火后获得粗大的M，使钢的脆性增大；如温度过低则淬火后M+F，有铁素体出现，淬火硬度不足。

②共析钢与过共析钢Ac1+(30～50)℃，由于有高硬度的渗碳体和M存在，能保证得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm将会使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。

2）合金钢

①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果.

②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如Mn等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。

理想冷却速度：650℃以上应当慢冷，以尽量降低淬火热应力。650～400℃之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。400以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得M组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。

4、淬火介质

淬火介质：钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质。常用的有三种：

水：650～400℃范围内冷却速度较小，不超过200℃/s，但在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又太大，在340℃最大冷却速度高达775℃/s，很容易引起工件变形和开裂。此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过30℃，加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。水虽不是理想淬火介质，但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。

油：在650～550℃内冷却较慢，不适用于碳钢，300～200℃范围内冷很慢，有利于淬火工件的组织应力，减少工件变形和开裂倾向。与水相反，提高油温可以降低粘度，增加流动性，故可以提高高温区的冷却能力。但是油温过高易着火，一般应控制在60～80℃。适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢。

水与油作为淬火介质各有优缺点，但均不是属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油冷却特性较好，但其冷却能力又低。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附剂、0.1％防泡剂的淬火介质，以及国内使用比较广泛的新型淬火介质有过饱和硝盐水溶液等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间，接近于理想淬火介质。主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。

5、淬火方法（常用的淬火方法：单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火）

1、单介质淬火

优点：操作简单、易实现机械化、应用广泛。

缺点：水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。

2、双介质淬火

优点：减少热应力与相变应力，从而减少变形、防止开裂。

缺点：工艺不易掌握，要求操作熟练。

适用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。

3、局部淬火

为了避免工件其它部分产生变形或开裂，即可用局部淬火。

4、马氏体分级淬火

优点：使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。

缺点：只适用于尺寸较小的零件，否则淬火介质冷却能力不足，温度也难于控制。

5、马氏体等温度淬火优点：下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能较好，应用广泛。

6、钢的淬透性与淬硬性

（一）淬透性：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即应该是全淬成马氏体的深度。

1.影响淬透性因素

（1）钢的化学成分。除Co以外的合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体稳定性，降低马氏体临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。

（2）奥氏体化条件。提高奥氏体的温度，延长保温时间，使奥氏体晶粒粗大，成分均匀，残余渗碳体和碳化物的溶解彻底，使过冷奥氏体起稳定，使C曲线越向右移，马氏体临界冷却速度就越小，则钢的淬透性越好。

2.淬透性表示方法。常用临界直径大小来定理的比较不同钢种的淬透性大小。临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体（或50％马氏体）组织的最大直径。用Dc表示。在同一冷却介质中，钢的临界直径越大，其淬透性越好；但同一钢种在冷却能力大的介质中，比冷却能力小的介质中所得的临界直径要大些。

牌号临界直径/mm

淬水淬油

4513～16.55～9.5

20Cr12～196～12

3.淬透性的实用意义：

1）淬透——性能均匀一致

2）未淬透——韧性降低

（二）钢的淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。

值得注意的：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬透性好的钢其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的钢也可能是具有高的淬透性。

7、钢的淬火缺陷及其防止措施

1.淬火工件的过热和过烧

过热：工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。

由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹，因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。

过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界局部熔化或者发生氧化的现象。

过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧无法补救，只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。

2.淬火加热时的氧化和脱碳

淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止氧化和脱碳现象。在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。

3.淬火时形成的内应力

有两种情况：①工作在加热或冷却时，引起的热应力。

②由于热处理过程中各部位冷速的差异引起的相变应力。

当两力相复合超过钢的屈服强度时，工件就变形；当复合力超过钢的抗拉强度时，工件就开裂。

解决办法：①工件在加热炉中安放时，要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；

②对形状复杂或导热性差的高合金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少加热中产生的热应力；

③选择合适的淬火冷却介质和淬火方法，以减少冷却中热应力和相变应力。

但淬火不是最终热处理，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。钢淬火后再经回火，是为了使工件获得良好的使用性能，以充发挥材料的潜力。所以淬火和回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。

第五节钢的回火

1、定义：钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

2、目的：

1）稳定组织，消除淬火应力

2）调整硬度、强度、塑性、韧性

3、淬火钢在回火时组织的转变

1）马氏体的分解（＞100℃）

2）残余奥氏体的转变（200～300℃）

3）碳化物的转变（250～450℃）

4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（＞450℃）

4、钢在回火时性能变化

1）回火方法：

（1）低温回火（150～250℃），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度为58～64HRC，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。

（2）中温回火（350～500℃），组织为回火屈氏体，对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消除。硬度为35～50HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。

（3）高温回火（500～650℃），组织为回火索氏体，硬度为220～330HBS。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。钢经正火后和调质后的硬度很相近，但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同情况下，经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火，尤其塑性和韧性更为突出。

2）回火时间：一般为1～3h

3）回火冷却：一般空冷。一些重要的机器和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢的冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。

5、回火脆性

第一类回火脆性：300℃左右，无法消除，低温回火脆性。产生这类回火脆性的原因，一般认为在此回火温度范围内碳化物以断续的薄片沿马氏体片或马氏体条的界面析出，这样硬而脆的薄片与马氏体间结合较弱，降低了马氏体晶界处强度，因而使冲击韧性降低。

第二类回火脆性：400～500℃，，高温回火脆性。产生这类原因是由于经高温回火后缓冷通过脆化温度区所产生的脆性。办法：快冷；提高钢的纯洁度，减少有害元素的含量等。