材料结构与性能试题-答案

第一篇：材料结构与性能试题-答案

材料结构与性能试题

1、高分子结构特点：包括近程结构和远程结构。

近程包括原子种类和排列、结构单元链接方式、支化与交联、序列结构和构型。

原子种类和排列：碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、梯形和双螺旋形高分子、端基。

结构单元链接方式：是指结构单元在高分子链中的联结方式，如头—尾、头—头、尾—尾等。支化与交联：支化破坏了分子的规整性，故结晶度大大降低。交联是指高分子链之间通过支链连接成一个空间三维网状结构。

序列结构：以A、B两种单体单元所构成的共聚物为例，按连接方式可分为：交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物。

构型：指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。

远程结构包括高分子链的大小和形态。

高分子链的大小（质量）包括相对分子质量(分子量)和相对分子质量分布(分子量分布)。高分子链的形态(构象)：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。

工程塑料ABS：由丙稀腈，丁二烯和苯乙烯的三元接枝共聚物，因此兼具三种组分的特性：质硬、耐腐蚀、提高制品的拉伸强度和硬度。

SBS嵌段共聚物：由阴离子聚合法制得的苯乙烯与丁二烯的共聚物。聚丁二烯（PB）常温下是橡胶，聚苯乙烯（PS）则是硬性塑料，二者不相容，因此是两相结构。PB相形成连续的橡胶相，PS则形成微区分散于树脂中对PB起交联作用.丁苯橡胶SBR：是由苯乙烯与丁二烯在BPO或氧化还原引发剂作用下，按照自由基聚合机理得到的无规共聚物。

2、答:非晶态聚合物典型的热--机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。

III II 形变I

在区域I，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有胡克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻 温度 璃相似，称为玻璃态。

随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻”，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。

由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（glass temperature)，以Tg表示。

当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。

因此玻璃态、高弹态和粘流态称为无定形聚合物的力学三态。

3、答：高弹性的特点：

①弹性模量小，比其它固体物质小得多，如：钢：20000MPa(2×10）;（１公斤／m㎡=9.807MPa)，PE: 200MPa 结晶物； PS:2500MPa;橡胶: 0.2-8MPa.②形变量大。可达1000%,一般在500%左右,而普通金属材料的形变量＜1％。③弹性模量随温度上升而增大，温度升高，链段运动加剧，回缩力增大，抵抗变形的能力升高。

④高弹形变有时间依赖性——力学松弛特性，高弹形变时分子运动需要时间 ⑤形变过程有明显的热效应，橡胶：拉伸——放热；回缩——吸热

高弹性的本质：高弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。

高弹性的热力学分析： ⑴高弹形变的热力学方程

外力下发生高弹形变，除去外力后又可恢复原状，即形变是可逆的，因此可用热力学第一定律和第二定律进行分析。对轻度交联橡胶在等温（dT=0）下拉伸。物理意义:外力作用在橡胶上使橡胶的内能随伸长变化、使橡胶的熵变随伸长变化。

⑵熵弹性的分析。橡胶拉伸时，内能几乎不变，主要引起熵变，因此称高弹性为熵弹性。热力学分析得到的一条重要的结论：弹性力主要来自熵的贡献，故称橡胶弹性——熵弹性。

⑶交联橡胶的统计理论。橡胶不交联，几乎没有使用价值，因此研究交联橡胶的高弹形变具有重要的实际意义。统计理论讨论的是橡胶弹性问题的核心——形变过程中突出的熵效应，而忽略内能的贡献。

4、答：⑴室温下介电常数氯丁橡胶几乎是聚氯乙烯的3倍，因此室温下氯丁橡胶的介电常数大。⑵这些主链含极性基团或极性基团与主链硬链接的聚合物，当温度提高到玻璃化温度Tg以上时，其介电常数将大幅度地升高，聚氯乙烯的介电常数将从3.5增加到15，因此PVC的介电常数会增大。

5、答：⑴小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当粒子的尺度与光波波长、德波罗意波长及超导态的相干长度或透射深度等物理特性尺寸相当或更小时晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等均呈现新的尺寸效应。

对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。①特殊的光学性质②特殊的热学性质③特殊的磁学性质④特殊的力学性质。

⑵表面效应：球状颗粒的表面积与直径的平方成正比，体积与直径的立方成正比，故其比表面积与直径成反比。对半径为r的球状超微颗粒而言，设原子直径为a，则表面原子所占的百分比例大体上为a／r。对于普通物质，a＜＜r，表面原子所占比例很小，其呈现的性质对整个物质的性质没多大影响。而对于纳米颗粒，不能忽视表面性质。在更一般的情况下，纳米颗粒不可能是理想的球形，表面原子的影响就会更大，这就是人们所称的表面效应。

⑶量子尺寸效应（久保效应）：当粒子的尺寸降到一定值时金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立（离散）能级的现象、纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

⑷宏观量子隧道效应：微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。近年来科学家们发现，一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以贯穿宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。

6、陶瓷材料加工主要分粉体合成、成型和烧结三步。

制备粉体的方法主要有液相法、固相法和气相法三种。液相法的缺点是：存在硬团聚、粒径大小不均匀、纯度低以及性能不稳定。固相法的缺点是：反应只在相界面进行，随后扩散过程困难；难得到纯相体系；反应容器污染容器。

成型方法分干法成型、塑性成型和料浆成型。干法又分为干压和等静压成型。干压的缺点是：各向异性；不适于尺寸大、形状复杂制品的设计；设备、模具费用较高。等静压成型缺点是：工艺效率较低，设备昂贵。先进陶瓷塑性成型方法主要有注射成型和挤出成型两种。注射成型缺点是：生产周期长、金属模具设计困难、费用昂贵等。挤出成型缺点是：物料强度低、容易变形；表面凹坑和起泡；开裂及内部裂纹；模具制造成本高；导致烧结收缩大。料浆成型主要分为注浆成型和流延成型两种。注浆成型缺点是：成型形状粗糙；注浆时间较长，劳动强度大；不易实现自动化；缺陷多，外观尺寸精度低。流延成型缺点是：有机溶剂具有一定的毒性，使生产条件恶化并造成环境污染；生产成本较高。

烧结方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、SPS和反应烧结。热压烧结缺点是：热压炉非常昂贵，而且难以实现连续化大批量生产。微波烧结的缺点是：设备昂贵，需要专门设计；难于维持某个精确温度；有时会与不希望的杂质反应或与绝热层相污染；微波透明型材料很难被加热，不良热导体内部会形成大的温度梯度导致非均匀加热。SPS和热等静压烧结的缺点都是成本太高。反应烧结的缺点是：工艺过程复杂；成本高；素坯易开裂。

7、答：高分子不是由单一分子量的化合物所组成，即使是一种“纯粹”的高分子，也是由化学组成相同、分子量不等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不

一、参差不齐）的特性，就称为分子量的多分散性。

高分子分子量多分散性的表示方法：

①以分子量分布指数表示，即质均分子量与数均分子量的比值，Mw / Mn

Mw / Mn 分子量分布情况 1 均一分布

接近1(1.5-2）分布较窄

远离 1(20-50)分布较宽 ②以分子量分布曲线表示。以被分离的各级分的质量分率对平均分子量作图，得到分子量质量分率分布曲线。可通过曲线形状，直观判断分子量分布的宽窄。绿线：分子量分布较宽，即分散程度大；红线：分子量分布较窄，即分散程度小。影响：分子量分布是影响聚合物性能的因素之一，分子量过高的部分使聚合物强度增加，但加工成型时塑化困难;低分子量部分使聚合物强度降低，但易于加工;不同用途的聚合物应有其合适的分子量分布:合成纤维是分子量分布易窄，而塑料薄膜和橡胶则分子量分布较宽。

第二篇：材料结构与性能

材料结构与性能报告(1)

论文题目：块状非晶合金材料的研究进展

姓名： 学号： 学科专业： 指导教师： 入学日期： 报告日期： 报告地点：

王楚 31605051 材料工程 林莉 2016.11

研究生院制表

材料结构与性能报告(1)1概述

一般认为，凝聚态的物质大致可以分为三类：晶态物质、准晶态物质和非晶态物质。非晶态合金是指固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围保持这种状态相对稳定的合金。最早有关非晶态合金的文献是由融Kamer于1934年首次报道的。而后，1960年，Duwez[1]等首先采用喷枪法在Au．Si合金中获得非晶态合金，从而开创了材料研究的新领域一非晶态合金材料。非晶合金具有优异的物理性能、化学性能和力学性能，特别是优良的软磁性能，在许多领域中己得到应用。一般说来，非晶态合金均需要通过熔体快淬的方法来获得，它需要非常高的冷却速率(10 6 /s 以上)。由于临界冷却速率的限制，非晶态合金的三维尺寸受到很大的限制，只能获得很薄或很细的片、丝和粉末状非晶合金。

大块非晶合金材料是近年来采用现代冶金技术合成的一种具有特殊性能的新型先进金属材料。对大块非晶的研究无论在理论上还是在应用上都有重要意义。首先，大块非晶体系是一些全新的多组元体系，其合金熔体具有极大的热力学过冷度，过冷液体的动力学行为类似于氧化物玻璃，这使得人们重新思考传统的非晶形成理论。另外，大块非晶合金大都具有明显的玻璃转变和宽的过冷液相区，这为深人研究非晶合金的玻璃转变特征和过冷液态的结构和物性提供了理想材料。在应用上，由于具有奇特的物理、力学及化学性能, 适合于用来制造电子器件、磁性器件、精密光学器件、精密机械结构件、电池材料、体育用品、生物医学植人物以及军工先进武器构件(如穿甲武器、飞行器的构件、装甲板等)等。块状非晶合金的发展历程

非晶合金的发展大致经历了两个阶段。第l阶段为1960年(Duwez首次采用快淬方法制得Au70Si30非晶合金薄带)-1989年。这段时期，人们主要通过提高冷却速率(>104列s)来获得非晶合金，因而得到的基本是非晶合金薄膜、薄带或粉末。所研究和制备的主要是二元合金。主要研究体系可分为3大合金系：第l类合金系由过渡族金属或贵金属与类金属组成，如Pd2Si、Fe2B等。；类金属的含量为10%-30%,恰好在低共晶点组分附近。2类合金系是以LTM-ETM为基的体系，其中ETM和LTM分别代表前、后过渡族金属，LTM包括Fe、Co、Ni、Pd和Cu等，ETM包括Ti、Zr、Nb、Ta、Hf等。LTM的含量一般在20％-40％，如Zr70(Ni、Fe、Co、Pd、Rh)30、Nb60Rh40等，该体系可以在非常宽的低共晶组分范围内形成非晶，这类非晶合金发现得比较晚，1977年才首次发现属于这一类的合金,以后又逐步发现了在Ca或Sr中加入AI、Zn等组成的非晶合金[2,3]。第3类为以A族金属元素(Mg、Ca、Sr)为基体，B族金属元素(Al、Zn、Ga)为溶质的

块状非晶合金的研究进展

少冷却过程中的非均匀形核, 因而各种制备方法都有以下两个共同持征：(1)对合金母材反复熔炼, 以提高熔体的纯度, 消除非均匀形核点。(2)采用高纯惰性气体保护，尽量减少氧含量。目前，大块非晶态合金的制备方法主要有以下几类：

(l)悬浮熔炼： 将试样置于特定的线圈中，线圈中的电磁场使试样产生与外界相反的感生电动势，该感生电动势与外磁场间的斥力与重力相抵消，从而使试样悬浮在线圈中。同时, 试样中的涡流使自身加热熔化。再向试样吹人惰性气体，使其冷却、凝固；或利用通电极板间的静电场使试样悬浮，用激光加热熔化，当激光停止照射时，试样于原位冷却。试样温度可用非接触法测量。悬浮熔炼的优点是试样没有在容器中熔炼，避免了容器壁引起的非均质形核，可减小临界冷却速度。其缺点是，试验的悬浮与加热是同时通过试样中的涡流实现的，当试样冷却时也必须处于悬浮状态，即试样在冷却时还必须克服悬浮涡流带来的热量，所以冷却速度不可能很快, 增加了制备难度，制备的块状非晶合金尺寸较小。

(2)深过冷液淬法：此方法是将试样用低熔点氧化物(如B2O3)包裹起来，在石英管中感应加热熔化，最后淬入水中得到非晶态合金试样。低熔点氧化物的作用一是用来吸取合金冶炼中的杂质颗粒，避免这些颗粒成为形核的核心，二是将合金熔液与容器壁隔离开来。由于包裹物始点低于熔体熔点，因而可避免合金母材与容器壁直接接触，最大限度地避免了非均质形核。

(3)高压模铸法：该方法是将母合金放人套筒内，在高频感应线圈中熔化，再用高 压快速将合金液压人铜模内，铜模外通水使试样快速冷却。由于该方法的冷却速率很大，可以获得较大体积的非晶态合金。

此外还有定向凝固、射流成形、压实成型等多种大块非晶合金制备工艺。国内关于大块非晶合金的研究开展不多，主要采用落管、氧化物包裹、磁悬浮、射流成形及水淬 等技术制备大块非晶合金。国内制备的大块非晶合金的最大直径为90mm。由于目前制备的非晶合金的尺寸较小，影响了非晶合金作为结构材料的使用范围。块状非晶合金的微观结构

非晶合金的原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过4-5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别，短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。

材料结构与性能报告(1)4.1化学短程有序

非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于近邻原子，因此一般用近邻组分与平均值之差作为化学短程有序参数，对于二元A-B体系为：

up=1-ZAB/(ZcB)=1-ZBA/(ZcA)其中ZAu和ZuA分别代表A(或B)原子近邻的B(或A)原子配位数，Z是原子总配位数。cA和cu分别是A与B原子在合金中的平均浓度。当A和B两种原子直径明显不同时，A原子的总本位数ZA与B原子的总配位数Zi3不再相同，ZA≠Ze，这时短程有序另一种定义。

4.2拓扑短程有序

指围绕某一原子的局域结构的短程有序。常用几种不同的结构参数描述非晶态与合金的结构特征，主要有原子分布函数、干涉函数、近邻原子距离与配位数和质量密度。原子分布函数，设非晶态结构是各向同性的均匀结构，其平均原子密度Po为--定体积y中包含的原子数N:

Po=N/V 描述某一原子附近的密度变化可用径向分布函数RDF(r):

RDF(r)=4*3.14xr2p(r)

其中r是距某中心原子的距离，p(r)是距离r处的密度，由上式可知，RDF(r)dr代表以某个原子为中心，在半径r处、厚度为dr的球壳内的原子数，从而RDF(r)=dN/dr表示原子数目(密度)随距离增加的变化。

定义约化径向分布函数G(r)为:

G(r)=4x3.14*r[p(r)-po] 几种过渡金属-类金属非晶态合金的约化径向分布函数如图8-1所示，函数值随着与中心原子的距离增大而呈有规律的起伏。此外，还定义双体分布函数g(r): z(r)=p(r)/p。

当合金中包含几种不同类原子时，引入偏径向密度函数pii(r)、偏双体分布函数gii(r)、偏约化径向分布函数GO(r)等参数描述原子之间的结构关系。例如，pji(r)指与某个第i类踩子的距离为r处，单位体积中第j类原子的数目。上述各个原子分布函数中，原子密度p(r)和原子径向分布函数RDF(r)有明确物理意义，G(r)的物理意义虽然不明确，但它同RDF(r)一样能反映非晶态结构特征，对体系作x射线衍射测量得到结构因数S(Q)，块状非晶合金的研究进展

外壳等商业产品由于大块非晶中不存在晶体中的滑移位错，在较低温度下具有很好的粘滞流动性，可以较好地发生超塑应变利用这个特性，可以把大块非晶合金进行各种塑性加工，制成所需的各种形状由于其优异的力学性能和较好的热稳定性，大块非晶合金在军事方面也得到了应用，可以用来制造反坦克的动能穿甲弹。

Zr基大块非晶合金具有很高的弹性实验表明,用其做成的小球与同样大小的钢球在量筒中从相同高度(15m左右)自由落下后做弹性来回运动，前者比后者的弹动时间足足长了大块非晶合金具有很高的强度和强度-密度比，以及很好的弹性能，因而具有很好的应用潜力。基大块非晶合金由于抗拉强度高、延展性好、弹性能高、冲击断裂性能高和抗腐蚀性高，且具有非常好的能量传递性能，已被用来制作高尔夫球杆和其击球部位(球头)，使用该材料做成的高尔夫球头能够将99％的能量传递到球上。

在化学方面，由于大块非晶具有抗腐蚀、储存能量(吸氢和析氢)和高催化特性，将有可能在海洋业和能源方面得到应用。块体非晶合金在结构上是原子长程无序而近程有序排列的亚稳材料，每个短程有序的原子团可以视为一个高活性点，而这种高活性、高耐蚀性材料是最理想的电极催化材料。如果使用这种材料制作电极, 其催化活性将提高以上，可大大提高制碱工业的生产效率，降低生产成本，由此所产生的经济效益是十分巨大的。

由于新型基非晶合金具有低饱和磁致伸缩，使得它们的软磁性能可与传统的Fe-Si-B非晶合金相比拟，甚至更优。日本研制的Fe基大块非晶合金软磁材料的磁导率，比硅钢片材料及传统晶体结构的磁性材料15倍，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室也已经制备出了直径达到以上的低磁能损耗的大块基软磁产品专家预测,大块非晶合金软磁材料制品将很快应用于电子信息，如计算机、通讯设备和工业自动化等高技术产业和电力等传统产业另外，硬磁性大块非晶合金也将是一种很有潜力的永磁材料。

6结束语

非晶合金，因特殊的结构和优异的性能自产生以来一直是材料学界的热点研究领域之一。近年来对非晶合金进行了广泛的研究，取得了很大的进展，已突破昔日贵金属的限制, 许多日常重要的工程合金系统如Fe、Co、NiCu 等都可制备出块体非晶合金，这为其实际应用创造了条件，如今工程应用也已逐步兴起。但作为一类新型的材料, 非晶合金仍处于研究探索阶段，在基础理论、制备工艺和实际应用中还有许多问题亟待解决，主要体现在以下几个方面。

还没有一套完整的理论或成熟的物理模型用来指导块体非晶的研制，目前对于合金系统组元的选择还只能凭经验规律，但这些规律都不具备普适性。这主要是由于还没有充分理解非晶合金形成的本质, 因此需要加强对非晶合金物理转变过程的研究。

材料结构与性能报告(1)(2)目前所制备的块体非晶尺寸还不够大，只有Zr基、Pd基等少数几种合金体系可达较大尺寸，这在很大程度上限制了这种新型结构材料的广泛应用，因而需要我们在理解非晶合金形成本质的基础上，改进目前块体非晶制备所需的苛刻工艺条件。因机械合金化在制备非晶合金上的独特优势，目前可以优先发展机械合金化工艺。

(3)提高块体非晶的热稳定性。由于块体非晶属亚稳态材料，在热力学上是不稳定的, 只有把这类材料加热到一定温度以上才会使其变为晶态材料。因此，必须设法提高块体非晶的热稳定性，以拓宽其应用范围。

(4)任何材料都有其自身的缺陷，虽然发现了一系列具有大塑性的块体非晶合金，但总体来说其塑性都还有待提高，而且非晶合金的拉伸塑性几乎为零。长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标，非晶合金塑性的进一步提高，必将为非晶合金的应用开辟更广阔的空间。

参考文献

[1] Duwez P Willens R.H.Continuous series of metal stable so1id solution in silver．

copper alloys．Applied Physics, 1960;31:1136-1139．

[2]Luborsky F E.Amorphous, metal lie alloys.London: Butter worth, 1983, 30(2): 45-47.[3]Jones H.RaPid,solid i of metal and alloys.London: Institution of Metallurgists.1982 ,10:78-79.[4]Inoue A, Zhang T, Masumoto T, Zr-Al-Ni amorphous alloys with the glass transition temperature and significant super cooled liquid region.Materials Transactions JIM, 1990, 3l(3):177-183．

[5] Shindo T, Waseda Y, Inoue A.Prediction of critical on Positions for bulk glass Formation in La-based, Cu-based and Zr一based tern arryallows.Materials Transactions JIM, 003, 44(3): 351-357.[6] Inoue A.Stabilization of metallic Per cooled liquid and bulk amorphous Alloys.Acta Material , 2000, 48:279-306.[7]Takeuehi A,Inoue A.Classification of Bulk Metallic Glasses by Atomic Size Difference, Heat of Mixing and Period of Constituent Elements and Its Application to Characterization of

the

Main

Alloying

Element.Materials

Transactions JIM,2005,46(12):2817-2829.[8]Inoue A,Shen B L,Chang C T.ULTRA-high strength above 5000MPa and soft magnetic

块状非晶合金的研究进展

properties of Co-Fe-Ta-B bulk glassy alloys [J].Acta Materialia, 2004, 52(14);4092-4099 [9]Lu Z P, Liu C T, Thompso N.Structural amorphous steels[J].Phys Rev Lett, 2004, 92:245503 [10]Chen Q J, Fan H B, Shen J, et al.Critical cooling rate and thermal stability of

Fe-Co-Zr-Y-Cr-Mo-B amorphous alloy[J].J Alloys Comp，2006,407(1/2):25-128 [11]Zhang B, Pan M X,Zhao D Q,et al.Soft bulk metallic glasses based on cerium [J].Appl Phys lett, 2004(85): 61-68 [12]Inoue A, Shen B L, Chang C T.Ultra-high strength above 5000MPa and soft magnetic properties of Co-Fe-Ta-B bulk glassy alloys[J].Acta Materialia, 2004, 52(14):4093-4099.[13]Qiu K Q, Wang A M, Zhang H F, et al.Mechanical properties of tungsten fiber reinforced Zr-Al-Ni-Cu-Si metallic

glass

matrix

composite[J].Intermetallics，2001, 10(11/12):1283-1288.[14] Inoue A , Gook J.S.Mater Trans[J] 1995;36: 1180 [15]Inoue A, Takeuchi A, Zhang T.Metall MaterrTans, 1998;29A: 1779 [16]井上明久.素形材[M], 1999;5: 5 [17]Inoue A.Bulk Amorphous Alloys, trans tech publisher[D], 1998 [18]Nishyama N, Inoue A.Mater.Trans[J]1996;31: 1531

第三篇：钽金属的结构与性能研究

钽金属的结构与性能研究

摘 要：钽是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料，钽以其独特的结构和性质，在骨科医学、电子工业、化学工业和冶金工业有很大的应用。这篇论文主要介绍钽金属的资源、钽金属的制备和钽金属的结构和性质及其应用。

关键字：钽金属；战略原料；资源；制备；结构；应用

0 引言

钽是由瑞典化学家埃克贝里在1802年发现的，按希腊神话人物Tantalus（坦塔罗斯）的名字命名tantalum。1903年德国化学家博尔顿（W.von Bolton)首次制备了塑性金属钽,用作灯丝材料。1940年大容量的钽电容器出现，并在军用通信中广泛应用。第二次世界大战期间，钽的需要量剧增。50年代以后，由于钽在电容器、高温合金、化工和原子能工业中的应用不断扩大，需要量逐年上升，促进了钽的提取工艺的研究和生产的发展。中国于60年代初期建立了钽的冶金工业。美国是钽消费量最大的国家，1997年消费量达500吨，其中60%用于生产钽电容器。日本是钽消费的第二大国，消费量为334吨。21世纪初，随着电容器生产的发展迅速，市场供不应求。预计，世界钽电容器的生产量达2.50亿件，需消费钽1000吨。据美国地质调查局的统计，世界钽探明储量14000吨。其中，澳大利亚4500吨、尼日利亚3200吨、民主刚果1800吨、加拿大1800吨、巴西1400吨。中国资源量，主要分布在江西、福建、新疆、广西、湖南等省。从未来发展的需求看，电容器仍是钽的主要应用领域。如果按储量基础24000吨计算，也只能保证24年的需求。尽管如此，钽资源的前景仍然是看好的。首先，在世界十分丰富的铌矿床中，伴生有大量的钽资源。其中，格陵兰南部加达尔铌、钽矿的钽资源量就达100万吨。其次，西方已开始利用含Ta2O53%以下的大量锡炉渣。此外，代用品的研究和利用也有了很快的发展，如铝和陶瓷在电容器领域代替钽；硅、锗、铯可在电子仪器用途上，代替钽制造整流器等。

在郑州大学先进靶材料实验室的李庆奎老师的团队主要做的是高纯钽金属靶材，做出的金属靶材通过磁控溅射等工艺形成的薄膜广泛应用于电子信息产业。为了更深层次的探究谈金属，我对钽金属的资源、制备、结构、性能和应用进行了探究。钽金属的资源

资源钽和铌的物理化学性质相似，因此共生于自然界的矿物中。划分钽矿或铌矿主要是根据矿物中钽和铌的含量。钽铌矿物的赋存形式和化学成分复杂,其中除钽、铌外，往往还含有稀土金属、钛、锆、钨、铀、钍和锡等。钽的主要矿物有：钽铁矿[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]、重钽铁矿、细晶石和黑稀金矿等。炼锡的废渣中含有钽，也是钽的重要资源。已查明世界的钽储量(以钽计)约为134000短吨，扎伊尔占首位。1979年世界钽矿物的产量(以钽计)为 788短吨(1短吨＝907.2公斤)。中国从含钽比较低的矿物中提取钽的工艺，并且取得了巨大的成就。钽金属的制备

冶炼方法：钽铌矿中常伴有多种金属，钽冶炼的主要步骤是分解精矿，净化和分离钽、铌，以制取钽、铌的纯化合物，最后制取金属。矿石分解可采用氢氟酸分解法、氢氧化钠熔融法和氯化法等。钽铌分离可采用溶剂萃取法〔常用的萃取剂为甲基异丁基铜(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙酰胺等〕、分步结晶法和离子交换法。分离：首先将钽铌铁矿的精矿用氢氟酸和硫酸分解钽和铌呈氟钽酸和氟铌酸溶于浸出液中，同时铁、锰、钛、钨、硅等伴生元素也溶于浸出液中，形成成分很复杂的强酸性溶液。钽铌浸出液用甲基异丁基酮萃取钽铌同时萃入有机相中,用硫酸溶液洗涤有机相中的微量杂质，得到纯的含钽铌的有机相洗液和萃余液合并,其中含有微量钽铌和杂质元素，是强酸性溶液，可综合回收。纯的含钽铌的有机相用稀硫酸溶液反萃取铌得到含钽的有机相。铌和少量的钽进入水溶液相中然后再用甲基异丁基酮萃取其中的钽,得到纯的含铌溶液。纯的含钽的有机相用水反萃取就得到纯的含钽溶液。反萃取钽后的有机相返回萃取循环使用。纯的氟钽酸溶液或纯的氟铌酸溶液同氟化钾或氯化钾反应分别生成氟钽酸钾(K2TaF7)和氟铌酸钾(K2NbF7)结晶，也可与氢氧化铵反应生成氢氧化钽或氢氧化铌沉淀。钽或铌的氢氧化物在900～1000℃下煅烧生成钽或铌的氧化物。

钽的制取：①金属钽粉可采用金属热还原（钠热还原）法制取。

在惰性气氛下用金属钠还原氟钽酸钾：K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。反应在不锈钢罐中进行，温度加热到900℃时,还原反应迅速完成。此法制取的钽粉，粒形不规则，粒度细，适用于制作钽电容器。金属钽粉亦可用熔盐电解法制取：用氟钽酸钾、氟化钾和氯化钾混合物的熔盐做电解质把五氧化二钽(Ta2O5)溶于其中，在750℃下电解,可得到纯度为99.8～99.9%的钽粉。②用碳热还原Ta2O5亦可得到金属钽。还原一般分两步进行:首先将一定配比的Ta2O5和碳的混合物在氢气氛中于1800～2000℃下制成碳化钽(TaC)，然后再将TaC和Ta2O5按一定配比制成混合物真空还原成金属钽。金属钽还可采用热分解或氢还原钽的氯化物的方法制取。致密的金属钽可用真空电弧、电子束、等离子束熔炼或粉末冶金法制备。高纯度钽单晶用无坩埚电子束区域熔炼法制取。钽金属的结构与性质

晶体结构：晶胞为体心立方晶胞，每个晶胞含有2个金属原子。晶胞参数： a=330.13pm，b=330.13pm，c=330.13pm，α= 90°，β = 90°，γ = 90°，莫氏硬度：6.5，熔点：2996℃。钽的质地十分坚硬，硬度可以达到6-6.5。它的熔点高达2996℃，仅次于碳，钨，铼和锇，位居第五。钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百万分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。

物理性质：质地十分坚硬、富有延展性。化学性质：钽还有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。但钽在热的浓硫酸中能被腐蚀，在150℃以下，钽不会被浓硫酸腐蚀，只有在高于此温度才会有反应，在175度的浓硫酸中1年，被腐蚀的厚度为0.0004毫米，将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。在250度时，腐蚀速度有所增加，为每年被腐蚀的厚度为SDS毫米，在300度时，被腐蚀的速度则更加快，浸泡1年，表面被腐蚀1.368毫米。在发烟硫酸（含15%的SO3）腐蚀速度比浓硫酸中更加严重，在130度的该溶液里浸泡1年，表面被腐蚀的厚度为15.6毫米。钽在高温下也会被磷酸腐蚀，但该反应一般在150度以上才发生，在250度的85%的磷酸中，浸泡1年SS，表面被腐蚀20毫米，另外，钽在

氢氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解，在氢氟酸中也能被溶解。但是钽更害怕强碱，在110度40%浓度的烧碱溶液里，钽会被迅速溶解，在同样浓度的氢氧化钾溶液中，只要100度就会被迅速溶解。除上面所述情况外，一般的无机盐在150度以下一般不能腐蚀钽。实验证明，钽在常温下，对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟酸和热浓硫酸作用下有所反应。这样的情况在金属中是比F较罕见的。元素用途

钽在酸性电解液中形成稳定的阳极氧化膜，用钽制成的电解电容器，具有容量大、体积小和可靠性好等优点，制电容器是钽的最重要用途，70年代末的用量占钽总用2/3以上。钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材料。钽制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。钽易加工成形，在高温真空炉中作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽可作骨科和外科手术材料。碳化钽用在250℃于制造硬质合金。钽的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子能工业中的释热元件和液态金属包套材料。氧化钽用于制造高级光学玻璃和催化剂。1981年钽在美国各部门的消费比例约为:电子元件73%,机械工业19%，交通运输6%，其他2%。性质用途

钽的线胀系数在0～100℃之间为6.5×10-6K-1，超导转变临界温度为4.38K,原子的热中子吸收截面为21.3靶恩。

在低于150℃的条件下钽是化学性质最稳定的金属之一。与钽能起反应的只有氟、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液和三氧化硫。在室温下与浓碱溶液反应，并且溶于熔融碱中。致密的钽在200℃开始轻微氧化，在280℃时明显氧化。钽有多种氧化物，最稳定的是五氧化二钽(Ta2O5)。

钽和氢以上生成脆性固溶体和金属氢化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。在800～1200℃的真空下，氢从钽中析出钽又恢复塑性。钽和氮在300℃左右开始反应生成固溶体和氮化合物；在高于2000℃和高真空下，被吸收的氮又从钽中析出。钽与碳在高于2800℃下以三种物相存在:碳钽固溶体、低价碳化物和高价碳化物。钽在室温下能与氟反应,在高于250℃时能与其他卤素反应，生成卤化物。

[2]杨铸生，段惠敏，王秀京.四川攀西地区铌钽矿床的地质特征及找矿方向[J].四川地质学报.2007(04)[3]鄢明才，迟清华等.中国不同岩石类型花岗岩类元素丰度及特征[J].物探化探计算技术.Liang Peng(Henan Industrial Technology Research Institute of Resources and Materies Zhengzhou University, Zhengzhou

450001 China)Abstract: Tantalum is indispensable strategic raw materials to electronic industry and space technology development.with its unique structure and properties ,tantalum in the orthopedic medical, electronic industry, chemical industry and metallurgical industry has a great application.This paper mainly introduces the preparation of tantalum metal resources, tantalum metal and the structure and properties of tantalum metal and its application.Keywords: tantalum metal;Strategic raw materials;Resources;Preparation;Structure;application 参考文献

[1]陈宝泉.福建南平西坑铌钽矿区玉帝庵矿段含矿伟晶岩特征[J].福建地质.2008（03）

The Structure And Performance Study Of Tantalum Metal

第四篇：城镇道路路基结构与性能要求

城镇道路路基结构与性能要求

城镇道路路基结构与性能要求：

1.路基既为车辆在道路上行驶提供基础条件，也是道路的支撑结构物，对路面的使用性能有重要影响。路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承，即路基在环境和荷载作用下不产生不均匀变形。

2.性能主要指标沃玛网和蚂蚁网是一个老板

导致路基失稳。承载力，就会造成路堤沉陷；有可能造成坡体坍塌破坏。因此，必须保证路基在不利的环境（地质、不均匀变形，会导致因

供参考，如有问题请

第五篇：《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

《聚合物结构与性能测试 》实验教学大纲

一、课程简介

本课程为高分子材料与工程本科专业的限选课。主要内容包括聚合物材料的光谱分析、热分析、力学性能分析、分子量测定及其电性能测试技术。课程不但讲授各类分子测试方法的基本原理、实验技术、主要用途及局限性等。同时介绍这些方法的最新进展和发展趋势等。拟通过本课程的学习，使学生掌握了解材料特别是高分子材料的结构与性能的各种研究测试方法。

二、课程实验教学目的与要求

本课程的目的是让学生在理论课程学习的同时，了解和掌握各种现代化的聚合物材料的微观结构和各种分析测试手段方法。使学生系统地掌握分析测试实验的原理、实验基本知识和技能，为以后学习和从事高分子学科内的工作打下基础。本课程基本要求：理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程；掌握各种仪器的使用，了解其性能参数、适用范围及注意事项等。

三、试验项目

四、实验一：红外光谱再聚合物结构鉴定中的应用

【实验目的、任务】

通过本实验了解红外光谱仪的结构特点及操作规程；掌握红外样品的制备方法；掌握红外光谱分析的原理和图谱分析。

【实验内容】

使用红外光谱鉴定聚合物中的红外基团。

【实验原理】

红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行结构测定。

【实验难重点】

1.重点：红外光谱分析的基本原理

2.难点：红外光谱的解析

实验二：聚合物材料的热分析

【实验目的、任务】

通过本实验掌握聚合物TG、DSC的分析原理和应用。了解热分析仪的结构及操作程序。

【实验内容】

使用热分析仪测量聚合物的热转变

【实验原理】

在加热或冷却过程中，随着物质的结构、相态（如Tg）和化学性质的变化都会

伴有相应的物理性质的变化，聚合物热的分析就是在程序温度下测量并记录物质的这些物质性质和温度的关系从而测得物质的结构、相态及化学性质的转变过程。

【实验难重点】

1.重点：TG、DSC、DTA的工作原理和图谱分析

2.难点：TG、DSC、DTA的区别

实验三：聚合物材料的力学性能测试

【实验目的、任务】

通过本实验了解万能试验机的结构特点及操作程序；掌握试样的制作方法。

【实验内容】

使用万能试验测量聚合物样品的力学性能。

【实验难重点】

1.重点：万能试验机的操作方式及力学性能指标

实验四：高分子材料表面电阻，体积电阻的测定

【实验目的、任务】

使用高阻计测量聚合物材料表面电阻和体积电阻的测定原理和计算方法。了解高阻计的结构和操作程序。

【实验内容】

使用高阻计测量聚合物材料表面电阻和体积电阻。

【实验原理】

将试样的微弱电流经过放大后，推动指示仪表，故可测量较高的绝缘电阻。

【实验重难点】

重难点：聚合物材料表面电阻和体积电阻的测试原理和计算方法。

实验五：稀溶液粘度法测定聚合物分子量

【实验目的、任务】

通过本实验了解掌握难度法测定聚合物分子量的基本原理及计算方法。测定聚乙烯醇水溶液的特性粘度，并计算其平均分子量。

【实验内容】

使用乌氏粘度计测量聚乙二醇样品的年均分子量。

【实验原理】

线性高分子溶液的基本特性之一是粘度比较大，并且粘度值与平均分子量有关，因此可以利用这一特性测定侧其分子量。

【实验重难点】

1.重点：粘度法测定聚合物分子量的原理和计算方法

2.难点：实验操作的准确掌握。

四、实验项目学时分配表

1.题目与要求

2.实验内容（试验原理、操作步骤等）

3.实验过程、计算及结果

4.问题分析和试验讨论

六、成绩评定办法及标准

综合学习态度、实验操作情况和试验报告给出成绩。成绩评定分为优秀、良好、中等、及格和不及格。

七、教材及参考书

教材： 《聚合物近代仪器分析（第二版）》主编：汪昆华，罗传秋，周啸 出版

社：清华大学出版社

参考书：《高聚物结构、性能与测试》 主编：焦剑、雷渭缓 出版社：化学工业

出版社

《聚合物结构分析》 主编 ：朱诚身，杨向萍 出版社：科学出版社

《聚合物材料表征与测试》主编：杨万泰 出版社：中国轻工业出版社《高分子实用材料剖析技术》 主编：董炎明 出版社：中国石化出版社