金属间化合物
目录
摘要 (1)
1金属间化合物的定义 (1)
2金属间化合物晶体结构 (1)
2.1 金属间化合物晶体结构分类 (1)
2.2金属间化合物晶体结构特点 (2)
2.2.1几何密排相 (2)
2.2.2拓扑密排相 (5)
2.3 金属间化合物晶体结构的稳定性 (6)
2.3.1几何密排相 (8)
2.3.2拓扑密排相 (10)
3金属间化合物的电子理论 (11)
3.1金属间化合物的结合键形式 (11)
3.2合金的基态性质 (12)
3.3金属间化合物的电子结构方法 (13)
4 总结 (16)
5 参考文献 (16)
金属间化合物晶体结构、结构稳定性和电子理论
摘要
为了促进金属间化合物在结构材料方面的应用，首先必须理解金属间化合物的晶体结构、结构稳定性及电子理论。本文从金属间化合物的定义出发，详细介绍了金属间化合物晶体结构的分类、特点和稳定性，并且为了弄清金属间化合物的结合键形式，从合金的基态性质出发介绍了两种研究金属间化合物电子结构的方法，即第一性原理和固体与分子经验电子理论。作者认为，金属间化合物的电子结构决定了结合键形式，而结合键形式又决定了结构类型。根据能量最低最稳定的原则，表征晶体结构的参数应以原子结合能为主，其它参数如原子尺寸、负电性和电子浓度均不够全面，金属间化合物的电子结构计算方法也应着重计算不同结构下的原子结合能。
关键词：金属间化合物，晶体结构，结合键，基态性质，第一性原理
1金属间化合物的定义
金属间化合物是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。金属间化合物具有金属的基本特性，如金属光泽、金属导电性及导热性等。金属间化合物的晶体结构不同于其组元，为有序的超点阵结构。组元原子各占据点阵的固定阵点，最大程度地形成异类原子之间的结合。
2金属间化合物晶体结构
2.1 金属间化合物晶体结构分类
图1为金属间化合物晶体结构的分类，粗略分为两类，即几何密排相（Geometrically Close-packed Phase）和拓扑密排相（Topologically Close-packed Phase）。几何密排相是由密排面按不同方式堆垛而成的，根据密排面上A原子和B原子的有序排列方式和密排面的堆垛方式，几何密排相又分为多种类型，常见的有以面心立方结构为基的长程有序结构、以体心立方结构为基的长程有序结构、以密排六方结构为基的长程有序结构和长周期超点阵。几何密排相有较高的对称性，位错运动滑移面较多，是有利于得到塑性的晶体结构。我们知道，等径原子最紧密堆垛的配位数只能是12，致密度为0.74。在这种紧密堆垛结构中存在四面体间隙和八面体间隙。间隙最小为四面体间隙，因此这种堆垛还不是最紧
密的。拓扑密排相是通过两种（或以上）大小不同的原子堆垛排列，形成一种配位数高于12，致密度大于0.74的密排结构。拓扑密排相是由不规则的四面体填充空间的密堆结构，特点是晶体中的间隙完全由不规则的四面体间隙组成，没有八面体间隙，原子间距极短，相邻原子间的电子交互作用强烈，对称性较低，滑移系较少，不易获得好的塑性。
图1 金属间化合物晶体结构的分类
2.2金属间化合物晶体结构特点
2.2.1几何密排相
1）以面心立方结构为基的长程有序结构
图2（a-d ）为面心立方晶胞以及以它为基础的典型晶胞。图2b 是Cu 3Au 型（L12型）结构，其化学式为A 3B 。面心立方晶胞（图2a ）的面心位置由Cu 原子占有，而其顶角位置由Au 原子占据。典型的例子有Ni 3Al ，Ni 3Mn ，Ni 3Fe 等。图2c 是CuPt 型（L11型）结构，其化学式为AB 。原面心立方的（111）面被仅由Cu 原子组成的原子面及仅由Pt 原子组成的原子面交替重叠堆垛而成。图2d 是CuAu Ⅰ型（L10型）结构，其化学式为AB 。原面心立方（001）面被仅由Cu 金属
间化
合物 几何密排相
拓扑密排相 以面心立方结构为
基的长程有序结构 以体心立方结构为
基的长程有序结构
以密排六方结构为
基的长程有序结构
长周期超点阵
Cu 3Au 型（L12型）
CuAu Ⅰ型（L10型），等
CuPt 型（L11型）
CuZn 型（B2型）
Fe 3Al 型（D03型） Cu 2MnAl 型（L21型）等
Mg 3Cd 型（D019型）等 CuAu Ⅱ型等 laves 相
σ相
χ相
Cr 3Si （β-W ）相
μ相等
MgCu 2相 MgZn 2相 MgNi 2相
原子组成的原子面及仅由Au 原子组成的原子面交替重叠堆垛而成。典型的例子有CuAu ，TiAl 等。
（a ） （b ）
（c ） （d ） 图2 以面心立方结构为基的长程有序结构
（a ）面心立方晶胞，（b ）Cu 3Au 型（L12型），
（c ）CuPt 型（L11型），（d ）CuAu Ⅰ型（L10型）
2）以体心立方结构为基的长程有序结构
图3（a-d ）为体心立方晶胞以及以它为基础的典型晶胞。图3b 是CuZn 型（B 2型）结构，化学式为AB 。Cu 原子占据体心位置，Zn 原子占据各顶角，典型例子有AlNi ，AuCd 等。图3c 是Fe 3Al 型（D03型）结构，化学式为A 3B 。Al 占据X 位置，其余位置为Fe 原子所占据；如果增加Al 含量，Al 原子将占据Y 位置，直到Al 原子占满X 和Y 点阵位置。当Al 原子占满X 和Y 位置时，就成为了B 2结构，化学式为FeAl 。典型例子有Cu 3Al ，Li 3Be ，Fe 3Si 等。图3d 是Cu 2MnAl 型（L21型）结构，其化学式为A 2BC 。Al 原子占据B 位置，Mn 原子占据C 位置，Cu 原子占据其余位置。典型例子有Cu 2MnAl ，Cu 2MnSn ，Ni 2TiAl 等。 [001]
[010]
[100]
（a）（b）
（c）（d）
图3以体心立方结构为基的长程有序结构
（a）体心立方晶胞，（b）CuZn型（B2型）
（c）Fe3Al型（D03型），（d）Cu2MnAl型（L21型）3）以密排六方结构为基的长程有序结构
图4为Mg3Cd型（D019型）结构，化学式为A3B。由4个密排六方单胞组成1个大单胞，Cd原子占据大单胞8个顶点以及1个小单胞的位置，其余点阵位置全部由Mg原子占据。典型例子有Mg3Cd，Ni3Sn，Ni3In等。
图4 Mg3Cd型（D019型）结构
4）长周期超点阵
有些长程有序结构以一定大小的区域改变其位向交替地在一维或二维周期排列，这称为长周期超结构。典型的一维长周期超结构的例子是CuAuⅡ型结构。这种超结构单胞中原子排列和CuAuⅠ型相同，但沿着[010]方向经过5个晶胞后的5个晶胞的取向是（010）面作（a+c）/2位移；然后按此方法不断重复，如图5所示。此类点阵多数是在具有AB或A3B成分的面心立方合金中出现。某些AB3合金有二维长周期超结构，它们的原子在两个方向上作周期排列。在Cu-Pd，Au-Zn，Au-Zn等合金系中皆出现这类二维长周期超点阵。
图5 CuAuⅡ型长周期超结构
2.2.2拓扑密排相
拓扑密排相是由不规则的四面体填充空间的密堆结构。拓扑密排相典型结构类型有Laves相，σ相，Cr3Si（β-W）相，χ相和μ相等。下面重点介绍Laves 相
Laves相结构是以面心立方、体心立方和密排六方为基础的结构，并且广泛存在的典型结构，化学式为AB2。其典型代表分别为MgCu2，MgZn2和MgNi2，分别称为C14型、C15型和C36型结构，其中最简单的是六方晶系MgZn2结构，结构如图6所示。图6a为原子半径大的Mg原子排列，图6b为原子半径小的Zn原子排列。原子半径小的Zn原子形成四面体，原子半径大的Mg原子占据四面体间隙之中，本身构成一个四面体骨架。每个Zn原子与6个Mg原子和6个Zn原子相邻，Zn原子的配位数为12；每个Mg原子与4个Zn原子和12个Mg 原子相邻，Mg原子的配位数为16。它可看作由配位数为12的多面体（见图7）和配位数为16的多面体（见图8）相互堆垛起来的。
（a）（b）
图6 MgZn2（Laves相，六方晶系）单胞结构
（a）Mg原子排列，（b）Zn原子排列
图7配位数为12的多面体（（a）及其投影（b）
图8 配位数为16的多面体（c）及其投影（d）
2.3 金属间化合物晶体结构的稳定性
相结构的影响因素包括外在因素和内在因素，外在因素有温度和压强，内在因素有原子百分比，结合能因素（吉布斯自由能），原子尺寸因素，原子序数因素，电化学因素（负电性Electronegativities），价电子因素（电子浓度Electron density）。内在因素相互关联并非独立参量。图9为金属间化合物的吉布斯自由能曲线。按照“相平衡时系统总的吉布斯自由能最低”这一原则，由原子百分比
和各相的吉布斯自由能曲线这两个因素，则可确定金属间化合物的相结构。其它内在因素揭示了不同原子之间的相互作用关系，但也是相互关联，例如原子序数决定了原子的外层电子排布，因而影响负电性和电子浓度。目前，人们只是通过一些容易计算的参量来判断相结构，例如赝势半径（Pseudo potential radii）、负电性或电子浓度1。显然，这一做法并不全面。
图9 金属间化合物的吉布斯自由能曲线
（a）金属间化合物具有一定浓度范围，（b）金属间化合物具有固定不变的成分最近，牛津大学的D. G. Pettifor引入了另一个独立因素μ（Chemical Scale），并利用这个因素将所有已知二元化合物的相结构进行排序2，引起了材料设计者的极大兴趣。设计思路如下：
第一、利用门捷列夫的元素周期表，略加修改后将每个元素排序，序号即为独立因素μ，也称为门捷列夫序数（the Mendeleev number），如图10
所示。因素μ为纯粹的由实验得到的3，但它基本符合元素周期表的排列
顺序，因此它包含了原子大小及原子外层电子的排布规律。
第二、然后将所有已知二元化合物写成A1-x B x的形式，例如Ti3Al化合物写成Ti1-0.75Al0.25，x为0.25；TiAl化合物写成Ti1-1Al1，x为1。x值相同的
所有二元化合物编为一组，建立直角坐标系，其中横坐标为A元素对应
的门捷列夫序数（μA值），纵坐标为B元素对应的门捷列夫序数（μB
值），坐标系内的点对应A1-x B x的相结构。图11为TiAl化合物及附近元
素的相结构图（Pettifor Structure Maps）。
从以上设计思路可知，Pettifor为了判断金属间化合物的相结构，设置了两个独立的因素，即门捷列夫序数和原子百分比。然而，这种方法只是一种将已知二元化合物的相结构的事实积累，并非一种科学规律的提炼，尽管它为揭示内在规律、
预测未知化合物的相结构提供了有益的参考。值得肯定的是，Pettifor也只用了两个独立因素就确定了相结构，因此可以预言，金属间化合物的相结构极有可能只需要两个独立因素就可确定，而且其中之一为原子百分比。考虑外在因素（温度和压强），相结构是温度，压强，原子百分比和表示原子之间相互作用能的参数的函数，即：
=
(,,,)
W f P Tωα
其中：W为相结构参数，P为压强，T为温度，ω为原子百分比，α表示原子之间相互作用能，与原子的结构有关，受原子尺寸、负电性和电子浓度等因素的影响。
图10 所有元素的排列顺序及序号（也称门捷列夫序数，μ值）（Pettifor，1988）
A1-x B x
图11 TiAl化合物及附近元素的相结构图（Pettifor Structure Maps）4
2.3.1几何密排相
几何密排相是由密排面堆垛而成的，根据密排面上原子排列方式和堆垛方式的不同，又分为多种结构形式。下面以CuAu，CuPd，CuPt和CuRh为例进行说
明。
CuAu，CuPd，CuPt和CuRh的化学式均为AB，A，B原子的原子百分比分别为50%，50%。CuAu的晶体结构为L10型，CuPt的晶体结构为L11型，CuPt 的晶体结构为B2型，CuRh化合物不存在（室温下它自动分解为Cu和Rh）。Cu-Au，Cu-Pd，Cu-Pt和Cu-Rh二元平衡相图如图12所示。相同的原子百分比呈现不同的晶体结构形式。显然，这一结果与原子的结构有关。
图12 Cu-Au，Cu-Pd，Cu-Pt和Cu-Rh二元平衡相图表1列出了CuAu，CuPd，CuPt和CuRh原子结构有关的一些参量，包括原子尺寸相对差、形成能、外层电子s、d轨道能量差和负电性差。这些参数并不能直接给出晶体结构，例如比较CuRh和CuPt的一些参数，负电性和s，d轨道的能量差并没有多大区别，但最终的晶体结构却明显不同。目前，采用第一性原理计算晶体结构的电子结构和基态性能，为解释晶体结构的选择倾向上取得一定的成果。图13给出了Cu-Au，Cu-Pd和Cu-Pt二元合金形成的化合物在基态时的结合能。根据结合能最低，结构最稳定的原则，由图可知，当两种原子的原子百分比均为50%时，稳定的晶体结构分别为L10，B2和L11。
表1 CuAu，CuPd，CuPt和CuRh原子结构有关的一些参量5
注：原子尺寸相对差△α/α=2(αA- αB)/(αA- αB)；结合能为△H；s轨道能量差为εs(A)- εs(B)；d轨道能量差为εd(A)- εd(B)；负电性差为χA-χB。
图13 Cu-Au，Cu-Pd和Cu-Pt二元合金形成的化合物在基态时的形成能5
横坐标为原子百分含量，纵坐标为结合能
2.3.2拓扑密排相
拓扑密排相只有四面体间隙，没有八面体间隙。为了得到这种只有纯四面体
间隙的长程规则排列，必须要有两种大小不同的原子，所以原子尺寸因素是拓扑
密排相的主要形成条件。此外拓扑密排相的原子间距极短，原子的外层电子之间
相互作用强烈，可以产生电子迁移，电子浓度因素往往也起着重要作用。下面以
Laves相进行说明。
Laves相的化学式为AB2，A，B原子的原子百分比分别为33.3%，66.7%。根据原子的硬球模型，理论上Laves相的A原子和B原子的半径之比为：
/ 1.225
r r==
A B
实际上这比值约在1.05~1.68范围内（A原子半径要大于B原子半径）。为了解
释Laves相中不同原子半径比与理论值的偏离，Dwight认为在不同原子之间电子的转移造成A原子和B原子的膨胀和压缩，使得实际原子半径比接近理论值。
除了尺寸因素以外，电子浓度对Laves相的结构类型和稳定性也起重要作用。Laves相的结构类型随电子浓度的变化如图14所示，电子浓度约为1.33~1.75范围为MgCu2结构，在1.8~1.9范围为MgNi2结构，在1.8~2.0范围为MgZn2结构。
电子浓度
图14 电子浓度对Laves相晶体结构的影响6
3金属间化合物的电子理论
3.1金属间化合物的结合键形式
金属间化合物介于金属和陶瓷之间的一种化合物，结合键介于金属键和共价键（或离子键）之间，主要可分为三类：
第一类金属间化合物的结合键主要是金属键，即结合键来自脱离于局部地区的公有化结合电子与原子核的交互作用。这种公有化电子密度并非各处绝对均匀的，点阵中异类原子间的电子密度要高些，但不形成定向键。典型例子有电子化合物和密排相KNa2。
第二类金属间化合物的结合键为金属键含有部分定向共价键。例如，Ni3Al 中的结合键由Ni原子3d电子部分公有化形成的金属键和Ni原子3d电子和Al 原子3p电子形成的定向共价键组成。可作为结构材料的金属间化合物大多具有这类电子结构。
第三类金属间化合物的结合键为离子键和（或）共价键，正负离子间通过电子的转移（离子键）和（或）电子的公用（共价键）而形成稳定的8电子组态ns2np6的电子结构。这类化合物又称价化合物，主要呈现非金属性质或半导体性质。典型例子有MgSe，Mg2Si。
前两类金属间化合物在化学式规定成分两侧通常具有一定的成分范围，后一类金属间化合物在化学式规定成分两侧没有成分范围。
3.2合金的基态性质
一个系统可能处于一系列量子态中的一个。这一系列的量子态依能量（能阶）高低排列，其中能量最低的量子态称为基态，具有更高能量的状态称为激发态。系统一般倾向于占据能量最低的状态，所以基态是研究一个量子系统的重要方面。合金的基态满足能量最低原理和泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle），指合金在T=0k时的状态。合金的基态性质包括形成能、结合能、电荷密度和态密度。
形成能是指原子由单质状态形成化合物时释放的能量，表示该种合金化合物熔炼形成能力的好坏。
结合能通常指孤立原子结合成稳定晶体的过程中所释放出来的能量，或把晶体分离成相距无限远的孤立原子所需的能量，表征原子之间结合的强弱，即材料的稳定性。
电荷密度（valence-electron density）是电子云在合金中空间位置上的分布情况，其值为电子波函数绝对值的平方。通过电荷密度的分析可以看到，原子在构成晶体材料过程中成键电荷的空间分布形态。图15为Ti3Al化合物（L019型）在（0001）面上的电荷密度分布。
图15 Ti3Al化合物（L019型）在（0001）面上的电荷密度分布7态密度（Density of States，DOS）表示在能带结构中单位能量间隔范围内的能级数8。大家都知道，能带结构的纵坐标是能量，假如在这个坐标轴上取ΔE 这一个很小能量范围（比如0.005000～0.005001eV这个范围），那么这个能量间隔范围内又多少个能级，或者说又多少个原子轨道（分子轨道）呢？别忘了，能
带是怎么来的，是无数个能级“压缩”而成的，而且能带是量子化的，所以在这个能量范围必然又一定数量的能级（轨道）存在。所以从这里开始，不再谈论单个的原子轨道或能级了，因为这没有什么意义。而是我们将这一能量范围内的能级作为一组来考虑，所以态密度的概念就得出来了，即E＋dE这个能量范围内的能级数，如果E＋dE这个能量范围内轨道（能级数）越多越密集，态的密度越大。图16（a）为Ti3Al化合物的态密度。为了弄清原子或电子轨道对能带的贡献大小，可以用局域态密度（Partial density of states, PDOS）来表示，如图16（b）所示中Ti原子的d轨道（实线）和Al原子的p轨道（虚线）的局域态密度。态密度主要用于表示能带结构、能带间隙和各原子或电子轨道对能带的贡献大小。
图16 （a）Ti3Al化合物（L019型）的态密度（DOS），
（b）Ti3Al化合物（L019型）的Ti原子的d轨道（实线）
和Al原子的p轨道（虚线）的局域态密度（PDOS）7
3.3金属间化合物的电子结构方法
金属间化合物的电子结构（electronic structure）决定了它的结合键形式。目前，作为高温结构材料研究的金属间化合物，其电子结构大多类似过渡元素的电子结构。这类电子化合物的电子轨迹可以相互重叠形成能带，导致复杂的能带结构和电子交换，产生各种不同的结合键，多数是金属键含有部分定向共价键，这种定向共价键来自部分局部化分布的电子。金属间化合物的电子结构计算方法有多种，如第一性原理(First-Principles)，固体与分子经验电子理论（EET），线性Muffin-tin势方法（Linear Muffin-tin orbital approach, LMTO)9，FP-LAPW等，应用比较广泛。
1）第一性原理
第一性原理计算方法也叫“从头算（ab initio ）”。第一性原理计算方法的基本思路就是将多个原子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统，然后求解这个多粒子系统的薛定谔方程组，获得描述体系状态的波函数ψ以及对应的本征能量——有了这两项结果，从理论上讲就可以推导出系统的所有性质10。它仅需采用5个基本物理常数，即电子的静止质量m 0、电子电量e 、普朗克(Plank)常数h 、光速c 和玻尔兹曼(Boltzmann)常数k ，而不需要其它任何经验或拟合的可调参数,就可以应用量子力学原理（Schr?dinger 方程）计算出体系的总能量、电子结构等。
在确定固体材料处在平衡态的电子结构时，可以认为组成固体的所有粒子(即原子核和电子)都在一个不随时间变化的恒定势场中运动，因此哈密顿（Hamilton ）算符H 与时间无关，粒子的波函数ψ也不含时间变量，使得粒子在空间的几率分布也不随时间变化。此情况类似于经典机械波中的“驻波”(standing wave)。此时，H 与ψ服从不含时间的薛定谔方程、即定态(stationary state)薛定谔方程，其表达形式为：
22()()()()22k r k U r r E r U r H m m ψψ??-?+=-?+=????
，其中 多粒子系统（电子+核）的薛定谔方程的哈密顿算符H 如下：
2222
22,,,0001
1128284p i p p q i i j i p p p q i j i p Z e e Ze H m R R m r r r r πεπεπε=-?++-?+----∑∑∑∑∑ 等式右边的第一项、第二项表示核与核的相互作用，第三项、第四项表示电子与电子的相互作用，第五项表示电子与核的相互作用。为了有效求解多粒子系统的薛定谔方程，在第一性原理计算中隐含有三个基本近似，即非相对论近似、绝热近似与单电子近似。非相对论近似指第一性原理将电子的质量固定为静止质量m 0，这只有在非相对论的条件下才能成立。绝热近似指将多原子体系的核运动与电子运动方程分开处理，电子可看成是一组准静态原子核的平均势场下运动。单电子近似主要为了简化计算，指多电子之间的相互作用通过变换看成单个电子作用的叠加，在这个变换过程中运用到了Hartree-Fock 近似、Hohenberg-kohn 定理、Kohn-Sham 方程和密度泛函理论（DFT ）。具体参见第一原理的相关书籍。
2）固体与分子经验电子理论（EET ）
1978年，余瑞璜提出“固体与分子经验电子理论”（Empirical Electron Theory of Solid and Molecules, EET）计算电子结构的“键距差(Bond Length Difference, BLD)法”11。EET通过构造原子态来确定价键电子数，再由价键电子数求键长。该理论从“经验背景”出发，首先构造两个原子态，即head(h)和tail(t)态，然后根据杂阶公式求得原子的一系列杂化态，再求出各种电子数；借助晶体空间群资料，将价键电子分配到一些特定的方向（键）上。然后使用修改后的Pauling公式计算键长，得到理论键距。另一方面，根据晶格常数计算各种近邻距离，得出实验键距。最后将实验键距和理论键距进行对比，如果两者之差小于定数（0.05?，也称0.05判据），则认为构造的原子态（电子结构）是合理的，否则重新构造，重新计算，直到理论键距和实验键距之差符合判据。文献[11]给出了EET杂阶公式的量子力学背景，但是，EET的h态和t态的构造完全凭借经验12。图17为EET计算流程图。
图17 EET计算流程图
对于点阵参数已知的晶体结构，固体与分子经验电子理论能给出晶体中键络上的电子分布和原子所处的状态，用来计算晶体的结合能、熔点、高压相变和转变压强、合金相图等，都与实际符合得很好。1987~1990年间，刘志林又对固体与分子经验电子理论进行了发展，提出了点阵参数不确定的合金相—合金奥氏体、合金马氏体的电子结构计算模型，解决了EET不能计算点阵参数未知的晶体结构的困难。这只是余氏理论的演绎结论，仍需要在实践中得到更多的验证。
4 总结
本文从金属间化合物的定义出发，详细介绍了金属间化合物晶体结构的分类、特点和稳定性，并且为了弄清金属间化合物的结合键形式，从合金的基态性质出发介绍了两种研究金属间化合物电子结构的方法，即第一性原理和固体与分子经验电子理论。作者认为，金属间化合物的电子结构决定了结合键形式，而结合键形式又决定了结构类型。根据能量最低最稳定的原则，表征晶体结构的参数应以原子结合能为主，其它参数如原子尺寸、负电性和电子浓度均不够全面，金属间化合物的电子结构计算方法也应着重计算不同结构下的原子结合能。
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11(a)余瑞璜．固体与分子经验电子理论[J]．科学通报，1978，23(4)：217-224．（b）张瑞林．固体与分子经验电子理论[M]．长春：吉林科学技术出版社，1993。12（a）李世春. 晶体价键理论和电子密度理论的沟通[J]. 自然科学进展, 1999, 9 (3): 229-235.（b）李世春, 张磊. TFDC模型和元素晶体结合能[J]. 自然科学进展, 2004, 14 (6): 705-708.
金属间化合物
1、什么是金属间化合物，性能特征？ 答：金属间化合物：金属与金属或金属与类金属之间所形成的化合物。 由两个或多个的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。 金属间化合物的性能特点：力学性能：高硬度、高熔点、高的抗蠕变性能、低塑性等；良好的抗氧化性；特殊的物理化学性质：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料、磁性材料等等。 2、含有金属间化合物的二元相图类型及各自特点？ 答：熔解式金属间化合物相：在相图上有明显的熔化温度，并生成成分相同的液相。通常具有共晶反应或包晶反应。化合物的熔点往往高于纯组元。 分解式金属间化合物相：在相图上没有明显的熔解温度，当温度达到分解温度时发生分解反应，即β＜＝＞L+α。常见的是由包晶反应先生成的。化合物的熔点没有出现。 固态生成金属间化合物相：通过有序化转变得到的有序相。经常发生在一定的成分区间和较无序相低的温度范围。通过固态相变而形成的金属间化合物相，可以有包析和共析两种不同的固态相变。 3、金属间化合物的溶解度规律特点？ 答：（1）由于金属间化合物的组元是有序分布的，组成元素各自组成自己的亚点阵。固溶元素可以只取代某一个组成元素，占据该元素的亚点阵位置，也可以分布在不同亚点阵之间，这导致溶解度的有限性。 （2）金属间化合物固溶合金元素时有可能产生不同的缺陷，称为组成缺陷（空位或反位原子）。但M元素取代化合物中A或B时，A和B两个亚点阵中的原子数产生不匹配，就会产生组成空位或组成反位原子（即占领别的亚点阵位置）。 （3）金属间化合物的结合键性及晶体结构不同于其组元，影响溶解度，多为有限溶解，甚至不溶。表现为线性化合物。 （4）当第三组元在金属间化合物中溶解度较大时，第三组元不仅可能无序取代组成元素，随机分布在亚点阵内，而且第三组元可以从无序分布逐步向有序化变化，甚至生成三元化合物。 4、金属间化合物的结构类型及分类方法？（未完） 答：第一种分类方法：按照晶体结构分类（几何密排相（GCP相）和拓扑密排相（TCP相））。第二种分类方法：按照结合键的特点分类：a结合键性和其金属组成元素相似，主要是金属键。b结合键是金属键含有部分定向共价键。c具有强的离子键结合。d具有强的共价键结合。 第三种分类方法：按照影响其结构稳定性的主要因素分类（类型：价电子化合物、电子化合物（电子相）、尺寸因素化合物） 第四种分类方法：按照化学元素原子配比的特点分类。 5、什么是长程有序和短程有序度，举例说明长程有序度随温度变化规律？ 答：长程有序度σ定义为： Pαα为α原子占据α亚点阵的几率（α=A或B），Cα0为α原子的当量成分。
金属基复合材料的现状与展望
金属基复合材料的现状与 展望 学院：萍乡学院 专业：无机非金属材料 学号：13461001 姓名：蒋家桐
摘要综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合 涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况. 同时报道了目前本领域研究存在的问 题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景. 关键词颗粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料 随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展[1 ] . 复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC) 是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料. 这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60 年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支. 目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料. 1 进展情况 目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al , Mg ,Ti 等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体. 增强 纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳化硅、氧化铝、硼 化物和碳化物等. 用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种,但实际上 只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种目前尚看不到其应用 前景[2 ] . 1. 1 纤维增强金属基复合材料 纤维增强金属基复合材料,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优 点,而成为复合材料的主要类型. 1. 2 颗粒增强金属基复合材料 由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,从而未能得以大规模工业应用,只有美国、 日本等少数发达国家用于军事工业. 为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗粒增强金属 基复合材料的研究上. 这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单, 成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用. 可见,颗粒增强金属基复 合材料是非常有发展前途的. 金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强
金属间化合物
目录 摘要 (1) 1金属间化合物的定义 (1) 2金属间化合物晶体结构 (1) 2.1 金属间化合物晶体结构分类 (1) 2.2金属间化合物晶体结构特点 (2) 2.2.1几何密排相 (2) 2.2.2拓扑密排相 (5) 2.3 金属间化合物晶体结构的稳定性 (6) 2.3.1几何密排相 (8) 2.3.2拓扑密排相 (10) 3金属间化合物的电子理论 (11) 3.1金属间化合物的结合键形式 (11) 3.2合金的基态性质 (12) 3.3金属间化合物的电子结构方法 (13) 4 总结 (16) 5 参考文献 (16)
金属间化合物晶体结构、结构稳定性和电子理论 摘要 为了促进金属间化合物在结构材料方面的应用，首先必须理解金属间化合物的晶体结构、结构稳定性及电子理论。本文从金属间化合物的定义出发，详细介绍了金属间化合物晶体结构的分类、特点和稳定性，并且为了弄清金属间化合物的结合键形式，从合金的基态性质出发介绍了两种研究金属间化合物电子结构的方法，即第一性原理和固体与分子经验电子理论。作者认为，金属间化合物的电子结构决定了结合键形式，而结合键形式又决定了结构类型。根据能量最低最稳定的原则，表征晶体结构的参数应以原子结合能为主，其它参数如原子尺寸、负电性和电子浓度均不够全面，金属间化合物的电子结构计算方法也应着重计算不同结构下的原子结合能。 关键词：金属间化合物，晶体结构，结合键，基态性质，第一性原理 1金属间化合物的定义 金属间化合物是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。金属间化合物具有金属的基本特性，如金属光泽、金属导电性及导热性等。金属间化合物的晶体结构不同于其组元，为有序的超点阵结构。组元原子各占据点阵的固定阵点，最大程度地形成异类原子之间的结合。 2金属间化合物晶体结构 2.1 金属间化合物晶体结构分类 图1为金属间化合物晶体结构的分类，粗略分为两类，即几何密排相（Geometrically Close-packed Phase）和拓扑密排相（Topologically Close-packed Phase）。几何密排相是由密排面按不同方式堆垛而成的，根据密排面上A原子和B原子的有序排列方式和密排面的堆垛方式，几何密排相又分为多种类型，常见的有以面心立方结构为基的长程有序结构、以体心立方结构为基的长程有序结构、以密排六方结构为基的长程有序结构和长周期超点阵。几何密排相有较高的对称性，位错运动滑移面较多，是有利于得到塑性的晶体结构。我们知道，等径原子最紧密堆垛的配位数只能是12，致密度为0.74。在这种紧密堆垛结构中存在四面体间隙和八面体间隙。间隙最小为四面体间隙，因此这种堆垛还不是最紧
金属基复合材料的种类与性能
金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。
金属间化合物增强陶瓷基体复合材料论文(完成)
金属间化合物增强陶瓷基复合材料 研究现状及发展前景 摘要：陶瓷材料由于具有强度高、抗氧化、耐高温、热膨胀系数低和密度小等优良性能，因而在许多方面的应用是一般金属材料和高分子材料无法替代的。但是它的致命弱点——大脆性却大大限制了其更广泛的应用。因此，改善陶瓷的韧性已成为陶瓷材料获得进一步应用的核心问题。由于金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性，其使用温度介于金属超硬合金和陶瓷之间。金属间化合物相对于金属是脆性材料，而相对于陶瓷又具有一定的塑性，其性能介于金属和陶瓷之间，制备金属间化合物/陶瓷基复合材料可使金属和陶瓷各自的缺点通过彼此的优点所弥补。 关键字：金属间化合物陶瓷基复合材料性能应用 0.引言 金属间化合物的性能介于金属和陶瓷之间，其结构与性能不同于其金属组元，而是一种长程有序的超点阵结构，因而具有许多特殊的物理化学性能和力学性能。与金属材料相比，金属间化合物密度小、抗氧化性能好、熔点高、硬度高、抗蠕变和抗疲劳性能好，并具有许多特殊的物理化学性能和力学性能，特别是一些金属间化合物的强度在特定温度范围内随温度升高而升高。金属间化合物的种类非常多，近年来国内外主要集中于对 Ti-Al、Ni-Al、Fe-Al 等含铝金属间化合物的研究[1]。Fe-Al金属间化合物中最受关注是Fe 3 Al与FeAl合金［2］。Fe-Al 金属间化合物室温脆性大、塑性差，改善其室温脆性，提高其强度是重要的研究 方向。目前研究最多的是Ni 3 -Al金属间化合物，尤其是对于其在中间温度时的 反常流变应力做了较深入的探索。许多Ni 3 -Al基合金已应用于铸造、锻压和高温熔炼。 NiAl合金比目前的Ni基高温合金质量轻，且具有高熔点、优良的抗氧化性能以及高的热导率，但是由于其低温下的断裂韧性差以及高温强度低、抗蠕变能力差，使其在结构材料方面的应用受到限制。许多文献报道，由于NiAl合金熔点高、密度低、热导率大，抗氧化和抗腐蚀性能优异，多年来一直用作高温合金零件的表面防护涂层。陶瓷材料由于具有强度高、抗氧化、耐高温、热膨胀系数低和密度小等优良性能，因而在许多方面的应用是一般金属材料和高分子材料无法替代的。但是它的致命弱点—脆性却大大限制了其更广泛的应用。因此，改善陶瓷的韧性已成为陶瓷材料获得进一步应用的核心问题。由于金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性，其使用温度介于金属超硬合金和陶瓷之间。金属间化合物相对于金属是脆性材料，而相对于陶瓷又具有一定的塑性，其性能介于金属和陶瓷之间，制备金属间化合物/陶瓷复合材料可使金属和陶瓷各自的缺点通过彼此的优点所弥补。本文主要介绍金属间化合物/陶瓷复合材料的发展现状及趋向。 1.发展历史 1.1 NiAl/Al 2O 3 及Ni 3 -Al/Al 2 O 3 复合材料的发展历程 在最近几十年内，有很多研究工作者对金属相增韧增强Al 2O 3 陶瓷材料进行
先进金属基复合材料制备科学基础
项目名称：先进金属基复合材料制备科学基础首席科学家：张荻上海交通大学 起止年限：2012.1-2016.8 依托部门：上海市科委
一、关键科学问题及研究内容 针对国家空天技术、电子通讯和交通运输领域等对先进金属基复合材料的共性重大需求和先进金属基复合材料的国内外发展趋势，本项目以克服制约国内先进金属复合材料制备科学的瓶颈问题为出发点，针对下列三个关键科学问题开展先进金属基复合材料制备科学基础研究： (1). 先进金属基复合材料复合界面形成及作用机制 界面是是增强相和基体相连接的“纽带”，也是力学及其他功能，如导热、导电、阻尼等特性传递的桥梁，其构造及其形成规律将直接影响复合材料的最终的组织结构和综合性能。因此，界面结构、界面结合及界面微区的调控是调控金属复合材料性能的最为关键的一环。揭示基体成分、添加元素、增强体特性复合工艺对复合过程中的界面的形成、加工变形、服役过程中的界面结构、特征的演变规律和效应，以及在多场下的组织演变规律和对复合材料的性能变化极为关键。复合效应的物理基础正是源于金属基体与增强体的性质差异，而在金属基复合材料复合制备过程中，二者的差异无疑会直接或间接地影响最终的复合组织和界面结构。因此，要想建立行之有效的金属基复合材料组分设计准则和有效调控先进金属基复合材料的结构与性能，就必须从理论上认识先进金属基复合材料的复合界面形成及作用机制。 (2). 先进金属基复合材料复合制备、加工成型中组织形成机制及演化规律 金属基复合材料的性能取决于其材料组分和复合结构，二者的形成不仅依赖于复合制备过程，还依赖于包括塑性变形、连接、热处理等后续加工和处理过程。只有在掌握金属基复合材料的组织结构演变规律的基础上，才有可能通过优化工艺参数精确调控微观组织，进而调控复合材料的性能。 (3). 使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制 先进金属基复合材料中，由于增强体与金属基体的物理和力学性能之间存在巨大差异，造成在界面点阵分布不均匀，同时近界面基体中由于热错配，残余应力等导致晶体学缺陷含量较高。因此，在使役过程中，先进金属基复合材料的力学性能不仅取决于其材料组分，更加取决于增强体在基体中的空间分布模式、界面结合状态和组织与性能之间的耦合响应机制。只有揭示使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制，才能真正体现先进金属基复合材料中增强体与基体的优势互补，充分利用其巨大潜力，也才可能优化复合和界面结构设计。
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能 第一节材料的机械性能 一、强度、塑性及其测定 1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。 2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。 二、硬度及其测定 硬度是衡量材料软硬程度的指标。 目前，生产中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。此时硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力。因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系。 三、疲劳 机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的能力。 四、冲击韧性及其测定 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性。。为评定材料的性能，需在规定条件下进行一次冲击试验。其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。 五、断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。它是材料本身的特性。 六、磨损 由于相对摩擦，摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。 按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大基本类型。
第二节材料的物理化学性能 1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。不同用 途的机械零件对物理性能的要求也各不相同。 2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能 力。 第三节材料的工艺性能 一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。 二、可锻性能：可锻性是指材料在受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力。 三、焊接性能：焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。 四、切削加工性能：切削加工性能是指材料是否易于切削。 五、热处理性能：人处理是改变材料性能的主要手段。热处理性能是指材料热处理的难易 程度和产生热处理缺陷的倾向。 第二章材料的结构 第一节材料的结合键 各种工程材料是由不同的元素组成。由于物质是由原子、分子或离子结合而成，其结合键的性质和状态存在的区别。 一：化学键 1：共价键 2：离子键 3：金属键 4：范德。瓦尔键 二：工程材料的键性 化学键：组成物质整体的质点(原子、分子、离子)间的相互作用力，成为化学键。 1：共价键：有些同类原子，例如周期表Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族中大多元素或电负性相差不大的原子相互接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键，如金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。 2：离子键：大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不导电的，熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤素元素的原子)相互靠
金属基复合材料综述
金属基复合材料综述 专业： 学号： 姓名： 时间：
金属基复合材料综述 摘要：新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。其中复合材料，特别是金属基复合材料在新材料技术领域中占有重要的地位。金属基复合材料对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用，因此倍受人们重视。本文概述了金属基复合材料的发展历史及研究现状，对金属基复合材料的分类、性能、应用、制备方法、等进行了综述，提出了金属基复合材料研究中存在的问题，探讨了金属基复合材料的发展趋势。 关键词：金属基复合材料；分类；性能；应用；制备；发展趋势 Abstract: The research development and application of new composites are one of the important matters in modern high science and technology. This paper summarizes the met al matrix composites and the development history of the present situation and the classific ation of the metal matrix composites, performance, application and preparation methods, w as reviewed, and put forward the metal matrix composites the problems existing in the res earch, discusses the metal matrix composites trend of development. Keywords: Metal matrix composites; Classification; Performance; Application; Preparation; Development trend. 1.引言 复合材料是继天然材料，加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料。按通常的说法，复合材料是指两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同的复合方法所得到的宏观多相材料。随着现代科学技术的迅猛发展，对材料性能的要求日益提高。常希望复合材料即具有良好的综合性能，又具有某些特殊性能。金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能材料之一，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。相信随着科学技术的不断发展，新的制造方法的出现，高性能增强物价格的不断降低，金属基复合材料在各方面将有越来越广阔的应用前景。
金属基复合材料
14.3.2金属-非金属复合材料 14.3.2.1金属基复合材料的性能特征 金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高的比弹性模量、小的热膨胀系数和良好的抗磨损性能。与聚合物基复合材料相比，不仅剪切强度高、对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁脉冲、抗阻尼，膨胀系数低、导电和导热性好。由于上述特点，使金属基复合材料更适合空间环境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潜在的应用前景。 14.3.2.2金属基复合材料的研究与应用 表14.101 和表14.102简要概述了各类金属基复合材料在航空航天领域的应用概况。金属基复合材料(MMC)的研究始于20世纪60年代，美国和俄罗斯在航空航天用金属基复合材料的研究应用方面处于领先的地位。20世纪70年代，美国把B/Al复合材料应用到航天飞机轨道上，该轨道器的主骨架是采用89种243根重150g的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减重145g。美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，并通过了实验，其减重效果达20%～66%。苏联的B/AL复合材料与80年代达到实用阶段，研制了多种带有接头的管材和其他型材，并成功地制造出能安装三颗卫星的支架。由于B纤维的成本高，因此自70年代中期美国和苏联又先后开展C/AL复合材料的研究，在解决了碳纤维与铝之间不湿润的问题以后，C/AL复合材料得到应用。美国用C/AL制造的卫星用波导管具有良好的刚性和极低的热膨胀系数，比C/环氧复合材料轻30%.。随着SiC纤维和Al2O3纤维的出现，连续纤维增强的金属基复合材料得到进一步发展，其中研究和应用较多的是SiC/AL 复合材料。连续纤维增强金属基复合材料的制造工艺复杂、成本高，因此美国又率先研究发展晶须增强的金属基复合材料，主要用于对刚度和精度要求较高的航天构件上。美国海军武器中心研制的SiC p/Al复合材料导弹翼面已经进行了发射试验，卫星的抛物面天线、太空望远镜的光学系统支架也采用了SiC p/Al复合材料，其刚度比铝大70%，显著提高了构件的精度。 MMC对航天器的轻质化、小型化和高性能化正在发挥越来越重要的作用。 MMC在航空器上的应用也有很大潜力，英国研制了SCS-6/Ti的发动机叶片，大幅度提高了其承载能力和刚度，优化了气动载荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐热钢制造的RB211发动机的压气机静子，可使该构件减重40%；采用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作压气机叶环结构转子，可是该部件减重80%；SiC f/Ti 也可望代替不锈钢在F-22试验型飞机制作活塞杆。 表14.101 B/Al复合材料的应用 表14.102 其他MMC的应用背景
B2型FeAl金属间化合物的制备及性能研究进展
第27卷第5期2009年10月 粉末冶金技术Powder M et a llurgy Technology Vol 127,No 15 Oct 12009 B 2型Fe A l 金属间化合物的制备及性能研究进展 3 宋海霞 1),2)33 吴运新 1)333 巩前明1) 袁帅 1) 1)(清华大学机械工程系,北京 100084)2)(陆军航空兵学院机械工程系,北京 101123) 摘 要: 对B 2型FeA l 合金的制备和性能研究现状进行了综述和分析。Fe A l 合金的制备工艺主要包括熔铸 法和粉末冶金两种。Fe A l 合金的室温韧性可以通过合金化、细化晶粒、热处理和复合韧化等方法改善。合金化对提高Fe A l 高温强度和蠕变抗力有效,通过引入第二相粒子实现沉淀强化和弥散强化的效果最好,合金的使用温度有望提高到700℃以上。 关键词:FeA l 金属间化合物;制备;韧化;高温强度;蠕变抗力 Research advances i n prepara ti on and properti es of FeA l (B 2)i n ter m et a lli cs Song Ha i x i a 1),2) ,W u Y unx i n 1),Gong Q i a nm i n g 1),Y uan Shua i 1) 1)(Depart m ent of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China )2)(Depart m ent of M echanical Engineering,A r my Aviati on I nstitute of P LA,Beijing 101123,China ) Abstract:The research advances in p reparati on and p r operties of Fe A l (B 2)inter metallics were revie wed 1Casting and powder metallurgy are maj or methods f or Fe A l p reparati on 1Effective t oughening of FeA l can be achieved by all oying,gain 2size refine ment,heat treat m ent and incor porating int o composites 1A ll oying als o hel p s t o increase the high te mperature strength and creep resistance by intr oducing secondary 2phase particles f or p reci p itati on hardening and dis persi on strengthening,and the service te mperature of Fe A l is expected t o be above 700℃1Key words:Fe A l inter metallics;p reparati on;t oughening;high 2te mperature strength;creep resistance 3国家自然科学基金资助项目(50574052)33宋海霞(1975-),女,硕士研究生。333通讯作者:吴运新,男,教授。收稿日期:2008-06-05 Fe 2A l 金属间化合物(Fe A l 和Fe 3A l )原料丰富、 成本低廉、密度低、比强度高、耐磨性好、抗氧化(硫化)、抗腐蚀性优异,作为新一代中高温结构材料和不锈钢替代材料,在熔炉装置、热交换管道、汽车阀门、熔盐设备构件等高温恶劣环境中的应用有着广 阔前景[1] 。B 2型Fe A l 合金由于含A l 量高,其抗腐蚀性、抗氧化(硫化)能力较Fe 3A l 优异,密度更低,仅为其它铁基或镍基合金的30%～40%[1-6] 。但是,迄今为止,Fe A l 合金尚未实现大规模的工业应用,主要原因在于铁铝金属间化合物的两大缺点尚 未得到根本解决[5] ,即:室温脆性大,且A l 含量越 高,由晶界弱化造成的脆性越严重,加工困难;温度超过600℃后强度急剧下降,抗蠕变性能差,高温应用极限不高。近年来,Fe A l 合金的研究主要集中在改进制备工艺和合金化方面,以提高其力学性能。 1 FeA l 合金的制备工艺 111 熔铸法 熔铸法制备Fe A l 合金必须考虑到其与传统熔 铸合金的不同之处[4] :Fe A l 合金中A l 含量远远高于传统合金,A l 与Fe 的熔点相差较大;Fe A l 合金的形成过程具有反应放热的特点,致使熔池温度急剧
金属基复合材料性能的影响因素
金属基复合材料性能的影响因素 摘要：金属基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优点，近年来发展非常迅速。但其性能一致性差的问题制约了其应用，因此复合材料的性能设计受到了普遍的关注。本文综述了基体、增强体、基体与增强体相容性、工艺、界面等因素对金属基复合材料性能的影响。 关键词：金属基复合材料性能影响因素设计 1 引言 金属基复合材料被誉为21世纪的材料, 它兼有金属的塑性和韧性，以及其它材料如陶瓷的高强度和高刚度，而且比重小，因此具有较高的比强度、比刚度和更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等优点，从而在机械、汽车、航空航天、兵器、电子等许多领域得到了应用[1~3]。 尽管金属基复合材料在过去的30年里在世界范围内得到了广泛的研究和发展，但是还没有在工业上得到广泛的应用，其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相对较低的稳定性和大的性能波动、不可回收利用、环境污染等几个障碍[4~5]。目前在国内发展复合材料，关键是要实现低成本、高性能、一致性好、稳定的制备技术和根据力学原理以及使用者的期望设计出令用户满意的性价比的材料。这就涉及到复合材料的设计问题，而性能决定了复合材料在工程上的应用，所以性能的影响因素一直是研究的热点。但是由于金属基复合材料的强化机理不明确，至今在金属基复合材料的设计理论上还存在着较大的盲目性。因此对复合材料性能的影响因素的研究是一个使金属基复合材料走出低谷获得突破的重要课题。 2 影响金属基复合材料的因素 2.1 基体的影响 不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。但并不是基体强度越高，复合材料的强度越高，而是存在一个最佳匹配[6]。姜龙涛等[7]对AlN颗粒在不同铝合金中的增强行为的研究表明，在低强度的L3纯铝上可以得到最大的增强率，而在高强度的LY12合金上没有得到高的增强率，相比之下具有良好塑性和较高强度的LD2合金作为基体时，具有较高的强度。而康国政等[8]认为基体本身的强度较低时，复合材料中基体的强度将有较大幅度的提高，因此对基体本身强度较低的复合材料通过基体原位性能的大幅度提高使复合材料抗拉强度的提高十分明显。这些研究都说明基体同增强体之间存在着优化选择、合理匹配的问题。
金属间化合物
1、什么是金属间化合物，性能特征 答：金属间化合物：金属与金属或金属与类金属之间所形成的化合物。 由两个或多个的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。 金属间化合物的性能特点：力学性能：高硬度、高熔点、高的抗蠕变性能、低塑性等；良好的抗氧化性；特殊的物理化学性质：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料、磁性材料等等。 2、含有金属间化合物的二元相图类型及各自特点 答：熔解式金属间化合物相：在相图上有明显的熔化温度，并生成成分相同的液相。通常具有共晶反应或包晶反应。化合物的熔点往往高于纯组元。 分解式金属间化合物相：在相图上没有明显的熔解温度，当温度达到分解温度时发生分解反应，即β＜＝＞L+α。常见的是由包晶反应先生成的。化合物的熔点没有出现。 固态生成金属间化合物相：通过有序化转变得到的有序相。经常发生在一定的成分区间和较无序相低的温度范围。通过固态相变而形成的金属间化合物相，可以有包析和共析两种不同的固态相变。 3、金属间化合物的溶解度规律特点 答：（1）由于金属间化合物的组元是有序分布的，组成元素各自组成自己的亚点阵。固溶元素可以只取代某一个组成元素，占据该元素的亚点阵位置，也可以分布在不同亚点阵之间，这导致溶解度的有限性。 （2）金属间化合物固溶合金元素时有可能产生不同的缺陷，称为组成缺陷（空位或反位原子）。但M元素取代化合物中A或B时，A和B两个亚点阵中的原子数产生不匹配，就会产生组成空位或组成反位原子（即占领别的亚点阵位置）。 （3）金属间化合物的结合键性及晶体结构不同于其组元，影响溶解度，多为有限溶解，甚至不溶。表现为线性化合物。 （4）当第三组元在金属间化合物中溶解度较大时，第三组元不仅可能无序取代组成元素，随机分布在亚点阵内，而且第三组元可以从无序分布逐步向有序化变化，甚至生成三元化合物。
金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料的制备方 法 Newly compiled on November 23, 2020
金属基复合材料的制备技术 摘要：现代科学技术的发展和工业生产对材料的要求日益提高，使普通的单一材料越来越难以满足实际需要。复合材料是多种材料的统计优化，集优点于一身，具有高强度、高模量和轻比重等一系列特点。尤其是金属基复合材料(MMCs)具有较高工作温度和层间剪切强度，且有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列的金属特性，是一种优良的结构材料。 Abstract: The development of modern science and technology and industrial production of materials requirements increasing, the ordinary single material is more and more difficult to meet the actual needs. Composite material is a variety of statistical optimization, set merit in a body, has the advantages of high strength, high modulus and light specific gravity and a series of characteristics. Especially the metal matrix composite ( MMCs ) has the high working temperature and interlaminar shear strength, and a conductive, thermal conductivity, wear resistance, moisture, do not bleed, dimensional stability, aging and a series of metal properties, is a kind of structural material. 关键词：复合材料(Composite material)、发展概况(Development situation)、金属基复合材料(Metal base composite materia l)、发展前景(Development prospect) 正文： 一：复合材料简介 复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。②夹层复合材料。③细粒复合材料。④混杂复合材料。[1] 二：金属基复合材料简介
Ti-Al金属间化合物的研究进展
Ti-Al基金属间化合物的研究进展 课程：新型金属结构材料 学院：材料学院 学号：2009200615 姓名：王永福
Ti-Al基金属间化合物的研究进展 摘要: 因密度、比刚度、高温比强度和阻燃性等方面的优势，Ti-Al基金属间化合物被认为是最有应用潜力的新一代航空及高温结构材料。本文在介绍Ti-Al基金属化合物基本性质及组织的基础上，讨论γ-TiAl基金属化合物力学性质与显微组织的关系。指出γ-TiAl基金属化合物存在的室温脆性，高温氧化性不足等问题，并提出合金化，材料复合化等相应的解决方法。 关键词: TiAl, γ-TiAl, 金属间化合物 随着航空航天技术的不断发展，为了提高发动机的热效率和减轻零部件的自重，并满足材料在航空航天中的服役条件，要求使用的材料具有高的高温强度、良好的抗蠕变性和抗氧化性以及低的密度。TiAl基金属间化合物具备以上提出的性能要求，与目前使用的Ni基超合金相比较，除了室温塑性较低之外，TiAl基合金其他方面的力学性能与Ni基超合金相当。然而，TiAl基合金的密度却不及Ni基超合金的一半。与钛合金相比，TiAl基合金的高温性能高出许多[1]。所以TiAl基合金作为高温结构材料的最大优势在于，在具有良好的高温性能的前提下，密度很低。所以TiAl基金属间化合物所具有的特性，使其作为一种理想的、有待开发的新型航空航天用高温结构材料一直倍受研究者的重视。 1 Ti-Al基化合物性质及α2+γ双相合金常见组织特征 1.1 Ti-Al基金属间化合物的基本性质 TiAl基合金密度低，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力。经过第1代TiAl 基合金（Ti48Al4V0.1C）以及第2代TiAl基合金（Ti48Al2(Cr，Mn)2Nb）的发展，在此基础上，近年来，研究者又开发出了第3、4代合金，通过合金化和组织控制使拉伸性能、断裂韧性，蠕变性能以及抗氧化性能等都得到普遍提高[2]。随着对Ti-Al基金属化合物研究的深入，目前得到的大家比较公认的Ti-Al二元相图如图1所示[3]：
金属基复合材料强度的影响因素
金属基复合材料强度的影响因素 摘要:过去30 年里金属基复合材料虽然得到了广泛的研究与发展,但其性能一致性差的问题制约了其应用,因此复合材料的性能设计受到了普遍的关注。强度是材料在工程应用上重要的衡量指标,对强度影响因素的研究对复合材料的性能设计至关重要。本文着重分析了复合材料中基体合金化、增强体、基体与增强体的相容性、界面、工艺等因素对强度的影响。 关键词:金属基复合材料(MMCs) ;强度;影响因素;相容性;材料设计 1 引言 国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从合成材料的时代进入复合材料时代,因为要想合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的。金属基复合材料(MMCs) 具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优异的性能,可广泛应用于民用工业和军事、航空、航天领域,近年来部分产品已经开始工业化生产。尽管金属基复合材料在过去的30 年里在世界范围内得到了广泛的研究和发展,但是还没有在工业上得到广泛的应用,一般只应用于军事领域,其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相对较低的稳定性和大的性能波动、不可回收利用、环境污染等几个障碍。而且目前用现成的无机非金属磨料与已成熟的铝合金相复合的一贯做法显然不符合百年前的合金设计原理,也不是性能的最佳搭配。目前在国内发展复合材料,关键是要实现低成本、高性能、一致性好、稳定的制备技术和根据力学原理以及使用者的期望设计出令用户满意的性价比的材料。这就涉及到复合材料的设计问题,而强度是复合材料在工程应用上的一个重要的衡量指标,所以强度的影响因素以及复合材料的强化机理、强度预报一直是研究的热点。但是由于金属基复合材料的强化机理不明确,至今在金属基复合材料的设计理论上还存在着较大的盲目性。因此对复合材料强度的影响因素的研究是一个使金属基复合材料走出低谷获得突破的重要课题。 2 影响复合材料强度的因素 2.1.1 基体对金属基复合材料强度的影响 不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。但并不是基体强度越高,复合材料的强度越高, 而是存在一个最佳匹配，基体同增强体之间存在着优化选择、合理匹配的问题。 2.1.2 增强体对金属基复合材料强度的影响 增强体的加入可以通过对基体金属的显微组织,如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及材料密度等的改变,改善和弥补基体金属性能上的不足。增强体的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用。从表1可以看出,加入增强体后,材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高。
金属材料基础知识汇总
《金属材料基础知识》 第一部分金属材料及热处理基本知识 一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面： 1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。 2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。 工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。 二，材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。 承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。 1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加安全系数。2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。 伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度L1---试件拉断后的长度 断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100% A0----试件原来的截面积A1---试件拉断后颈缩处的截面积 断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。 对必须承受 强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。 3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。 工程中常用的硬度测试方法有以下四种 （1）布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4）里氏硬度HL 4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。 材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。 在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。 三金属学与热处理的基本知识 1，金属的晶体结构--物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。 晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：