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關鍵詞：粉末冶金；發(fā)展；探究
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.011
1 粉末冶金的起源c概述
1.1 粉末冶金的起源
在1930年代，螺旋磨削后還原鐵粉，因此鐵粉和碳粉制成的鐵基粉末冶金方法的機械零件獲得快速發(fā)展。 第二次世界大戰(zhàn)后，粉末冶金技術就得到了快速發(fā)展，新的生產(chǎn)技術和技術設備，許多新材料和產(chǎn)品可以衍生出一些特殊材料的制造領域，成為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分。
1.2 粉末冶金的概述
粉末冶金是一項能將金屬粉末或金屬粉末（或金屬粉末和非金屬粉末的混合物）作為原料燒結，制造出金屬材料、復合材料以及各種類型的產(chǎn)品技術。粉末冶金方法和生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，都是粉末燒結技術的一部分，因此，一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術的優(yōu)點，它已成為解決問題的關鍵性新材料，在整個工程系統(tǒng)領域的發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。但是從定義上說粉末冶金產(chǎn)品往往是遠超出了材料和冶金的范圍，通常跨越多個學科（材料、冶金、機械、力學等）的技術。特別是現(xiàn)代金屬粉末3 d打印技術，集機械工程、AUTOCAD、逆向工程技術，分層制造技術、數(shù)控技術、材料科學、激光技術共同與粉末冶金產(chǎn)品技術進入一個更全面的現(xiàn)代技術的學科。
2 我國粉末冶金面臨的技術難題
我國冶金技術目前的困難，是如何積極培育自己的核心競爭力的團隊已成為國家和企業(yè)急需的解決問題。我們都知道汽車零部件核心技術的價值所在，高價值主要包括：發(fā)動機進排氣閥，發(fā)動機連桿，傳動齒輪同步器錐環(huán)和泵在主從動齒輪等等。在這些零部件中，主流技術，粉末冶金技術。如：連桿是發(fā)動機的重要部件之一，許多進口車型的繪圖規(guī)則都有連桿疲勞試驗載荷，而且載荷下的載荷疲勞循環(huán)次數(shù)每年超過500多萬次。而國產(chǎn)汽車發(fā)動機連桿鍛造鋼連桿和連桿疲勞鑄造用途大多數(shù)次大于500000周以上是比較困難的，因為汽車鋼部件的連桿沒有切割，微小缺陷對連桿的疲勞壽命影響較大。國外主流主要采用粉末鍛造，如：別克汽車，德國的寶馬，GNK公司制造的連桿甚至達到了1041MPa的抗拉強度。因此，要培養(yǎng)自己的核心競爭力，首先必須加強對粉末冶金技術的發(fā)展，加強國內零部件的競爭力，從技術薄弱為突破點。
3 粉末冶金在我國工業(yè)家族中的布局與現(xiàn)狀
3.1 布局
根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，34家企業(yè)有國內大中型粉末冶金生產(chǎn)（占全國64%），53家企業(yè)數(shù)量累計產(chǎn)量長期53家企業(yè)生產(chǎn)比重高達85% ，大多數(shù)都是粉末冶金部件制造商有34家公司專注于進行改革發(fā)展。 在過去十年中，我國受益于汽車生產(chǎn)的增長，汽車用粉末冶金零件的需求也呈現(xiàn)快速增長的局面。 未來，除了汽車工業(yè)本身的成長，粉末冶金部件的需求也將從雙重替代進口替代和加工零件更換中受益，粉末冶金用量將得到明顯改善，保護傳統(tǒng)粉末冶金汽車備件的需求將保持穩(wěn)定增長。自2008年以來，從行業(yè)發(fā)展趨勢，由于價格優(yōu)勢，世界粉末冶金生產(chǎn)焦點逐漸轉向中國，日本的生產(chǎn)，有明顯的下降。根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會在34家粉末冶金企業(yè)生產(chǎn)基地，2009/2010/2011粉末冶金自行車用量分別為3.1 / 3.6 / 3.76 kg / m，消費增長趨勢明顯，2011年略有下降，2012年并恢復到3.71 kg / m的水平。行業(yè)信息網(wǎng)絡認為，考慮到車輛節(jié)能，產(chǎn)品輕便和精確的吸引力，隨著中國粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)的未來規(guī)模大，技術加強的成本優(yōu)勢仍強，進口替代粉末冶金零件在需求增長的趨勢下將繼續(xù)發(fā)生。
3.2 現(xiàn)狀
根據(jù)中國研究結果，2017年我國粉末冶金產(chǎn)品的平均自行車用量至少為8公斤，這個差異不從國外計算粉末冶金用量（進口或部分裝配件）的發(fā)動機，這部分進口替代需求構成了粉末冶金部件未來需求增長的一部分。我們保守估計，未來車輛本地化的粉末冶金的更換率約為自行車用量的7% - 9%。研究及相關原材料，輔助材料，各種粉末制備，燒結設備制造設備的生產(chǎn)。 產(chǎn)品包括軸承，齒輪，硬質合金刀具，模具，摩擦產(chǎn)品等。 軍事企業(yè)，采用粉末冶金技術生產(chǎn)鎧裝穿刺魚雷，制動副坦克等飛機的重型武器裝備。 粉末冶金汽車零部件近年來已成為粉末冶金工業(yè)在中國最大的市場，約60%的汽車零件用于粉末冶金零件。
4 粉末冶金在我國的發(fā)展前景
4.1 發(fā)展
粉末冶金工業(yè)在中國已經(jīng)有近十幾年的快速發(fā)展，但與國外工業(yè)仍存在差距如：企業(yè)規(guī)模小，經(jīng)濟效益遠，與國外企業(yè)長距離。 各種產(chǎn)品交叉，企業(yè)競爭激烈。況且大多數(shù)企業(yè)缺乏技術支持，研發(fā)能力，產(chǎn)品規(guī)模低，難以與國外競爭。加工設備及配套設施落后。產(chǎn)品的出口貿(mào)易渠道常被限制。
4.2 前景
隨著中國加入了世界貿(mào)易組織，上述問題已顯著經(jīng)改善，因為加入世界貿(mào)易組織后，國際市場將逐漸使粉末冶金市場將進一步得到擴大的機會。與此同時，越來越多的企業(yè)在引入粉末冶金和相關技術水平的外國資本和技術，我國冶金項目有就是這樣得到改善和發(fā)展的。依據(jù)目前的數(shù)據(jù)，我國的粉末冶金零件與各項產(chǎn)值超過55.1億人民幣，占全球市場份額非常的小，根據(jù)我國國粉末冶金制造業(yè)在2014年和2018年生產(chǎn)報告和銷售記錄預測出轉型的升級空間等。中國粉末冶金行業(yè)中的54家企業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2013年我國粉末冶金零部件的生產(chǎn)總值實現(xiàn)了主營業(yè)務收入484.11億元，增長40左右同比增長了2個百分點，利潤為7.6億元人民幣，是去年同期的兩倍左右。在生產(chǎn)粉末冶金零部件行業(yè)里頭實現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)值突破了57億多元人民幣，其中新產(chǎn)品的產(chǎn)值達到了7.3億RMB，新產(chǎn)品（新產(chǎn)品輸出/工業(yè)產(chǎn)值）所占比例為14.4%。且行業(yè)銷售產(chǎn)值達到57.73億元RMB，其中出口價值8.28億元RMB，出付價值/工業(yè)銷售價值的21.62%。從生產(chǎn)規(guī)模和銷售規(guī)模分析，根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年中國粉末冶金零部件的行業(yè)產(chǎn)量2.61142億噸，增長49.31%；銷售了182萬噸左右，增長63.75%。先后通過引進了國外的先進技術和自主發(fā)展創(chuàng)新，在我國粉末冶金工業(yè)的新技術的表現(xiàn)和快速發(fā)展的趨勢下，在各種我國的機械通用零部件行業(yè)里，粉末冶金行業(yè)是這一年增長和發(fā)展得最快的一個產(chǎn)業(yè)，我國家的GDP增長率是36.12%。當下全球制造業(yè)迅速轉移到中國的步伐正在加速，各種汽車工業(yè)和高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展都離不開粉末冶金的各項技術，因此。粉末冶金行業(yè)的發(fā)展給各種行業(yè)的發(fā)展帶來了一個個有利的機會和良好的市場空間。所以，我國將粉末冶金產(chǎn)業(yè)列為了我國優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)，并鼓勵外企和投資公司對其進行大力發(fā)展。
5 結束語
粉末冶金工業(yè)是機械工業(yè)在重要零部件制造中的基礎。 近年來，中國自行發(fā)展通過不斷引進國外先進技術和創(chuàng)新，粉末冶金工業(yè)和技術在中國的組合顯示出了快速發(fā)展的趨勢，是中國機械通用部件行業(yè)增長最快的行業(yè)之一。 在中國經(jīng)濟的快速發(fā)展中，特別是在中國汽車工業(yè)發(fā)展勢頭強勁的推動下，中國粉末冶金行業(yè)增長強勁。 粉末冶金汽車配件占45%以上，粉末冶金汽車配件成為中國粉末冶金行業(yè)最大的市場。
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新材料是指新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的、具有傳統(tǒng)材料所不具有的優(yōu)異性能的材料。與傳統(tǒng)材料相比，新材料產(chǎn)業(yè)技術高度密集、更新?lián)Q代快、研究與開發(fā)投入高、保密性強、產(chǎn)品的附加值高、生產(chǎn)與市場具有強烈的國際性、產(chǎn)品的質量與特定性能在市場中具有決定作用。
綜觀全世界，新材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟、國防建設和社會生活的各個領域，支撐著一大批高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有舉足輕重的作用，成為各個國家搶占未來經(jīng)濟發(fā)展制高點的重要領域，其研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志。
現(xiàn)今世界上各種新材料市場規(guī)模每年已超過4000多億元，由新材料研究產(chǎn)生的新技術和由新技術制成的新產(chǎn)品則有著更大的市場。
隨著我國社會經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，特別是城市化、工業(yè)化進程的加快，新材料的應用領域將進一步拓寬，產(chǎn)業(yè)波及效應逐步提高，新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊。國家為促進新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后出臺了多種優(yōu)惠政策，并給予了大力支持。
長治市具有先天的資源優(yōu)勢。白云巖、鎂、鋁、鐵等礦產(chǎn)儲量非常豐富，僅黎城縣已探明的鐵礦儲量就有7000萬噸，遠景儲量在1億噸以上，全鐵品位達30.6％，磁性鐵平均品位22.79％，礦石主要成分國內稀有，被專家稱為“黑色金子”，經(jīng)北京科技大學和長沙礦冶研究院檢測表明，各種元素含量均符合生產(chǎn)超純精礦粉要求，是目前國內最好的粉末冶金原料。
經(jīng)過多年的發(fā)展，長治的新材料產(chǎn)業(yè)已有建設的基礎。其中鎂及鎂合金材料、納米材料、新型紡織材料、釹鐵硼永磁材料、鑄造用環(huán)保材料已順利啟動，粉末冶金材料、精密工程結構陶瓷材料已具有相當規(guī)模。
著眼新材料發(fā)展要求，圍繞新材料循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，長治重點建設“以長治鋼鐵集團H型建筑鋼、常平集團高速線材為龍頭的鐵礦－煉鐵－鋼材－高爐煤氣余熱發(fā)電和冶金礦渣綜合利用－材鏈”、“以黎城粉末冶金、亞瑞粉末冶金、華特公司釹鐵硼永磁材料為龍頭的鐵礦石－精礦粉－粉末冶金－壓鑄件和磁性材料鏈”、“以武鄉(xiāng)同翔鎂業(yè)、晉王鎂業(yè)、潞城大祥金屬鎂為龍頭的白云石－鎂－鎂合金鏈”、“以霍家工業(yè)公司等為龍頭的石灰石－電石乙炔－PVC鏈”、“以開發(fā)硅礦－工業(yè)硅－多晶硅一單晶硅鏈”五大循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，并逐漸成為長治新的重要經(jīng)濟增長點。
鐵－鋼－材－特種鋼材產(chǎn)業(yè)鏈。重點推動以長鋼為龍頭的6+1方案的鋼鐵企業(yè)聯(lián)合重組，聯(lián)合建設1080高爐，加快長鋼中型H型鋼、長信150萬噸新線、常平100萬噸高線、興寶線材等優(yōu)勢產(chǎn)品的建設和生產(chǎn)。并支持高爐煤氣、余熱、余壓發(fā)電、污水回收利用和冶金渣綜合利用項目配套建設，推廣煉鐵、轉爐煉鋼煤氣作燃料和噴吹煤技術，形成冶金循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。
礦石－精礦粉－粉末冶金－壓鑄件產(chǎn)業(yè)鏈。重點圍繞黎城古寺頭40萬鐵礦、黎城粉末冶金10萬噸還原鐵粉、沁縣亞華20萬噸還原鐵、開發(fā)區(qū)福萬達1萬噸粉末冶金零部件和平順億通10萬噸鑄件項目建設。
硅礦－化學級工業(yè)硅－多晶硅－單晶硅－太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈。依托平順、黎城豐富優(yōu)質的硅礦資源，以潞安集團、天順達公司為實施主體，建設山西潞安多晶硅項目，依托天脊集團建設5萬噸級甲基氯硅烷等有機硅單體項目，抓好高新區(qū)高純硅工業(yè)研發(fā)中心建設，形成以平順、黎城硅礦資源地的工業(yè)硅園、潞安集團東古電化工的多晶硅園、高新區(qū)集研發(fā)、生產(chǎn)太陽能電池件系列的光伏工程園以及潞城店上有機硅材料園等四個工業(yè)園區(qū)。
白云石－鎂－鎂合金－制品鏈。重點支持郊區(qū)潤德鎂制造有限公司鎂鋁合金型材、武鄉(xiāng)鎂業(yè)有限公司2萬噸擴能改造、山西華寶集團利用焦爐煤氣建設1.2萬噸鎂及鎂合金等項目建設。
石灰石－水泥熟料粉煤灰(礦渣)水泥－水泥制品鏈。加快推廣新型干法水泥生產(chǎn)技術，扶持日產(chǎn)4500噸以上的新型干法水泥生產(chǎn)線和60萬噸以上的水泥粉磨站項目。重點扶持華泰水泥熟料有限公司100萬噸水泥粉磨站、75萬噸水泥熟料生產(chǎn)線二期、黎城上海國大集團兩條日產(chǎn)4500噸水泥生產(chǎn)線、沁源康廈公司60萬噸粉煤灰水泥等項目。
鋼鐵龍頭企業(yè)長鋼的固體廢棄物主要有尾礦、高爐渣、鋼渣、粉煤灰、含鐵塵泥(灰)等，過去廢棄堆積，成了名副其實的垃圾和污染源。近年來，通過發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，延長產(chǎn)業(yè)鏈，這些昔日的“垃圾”已成為當前寶貴生產(chǎn)資源。對高爐渣，采用INBA水渣處水處理系統(tǒng)處理，通過建設120萬t／a礦渣水泥生產(chǎn)線，每年利用水渣44萬噸、煤矸石8－5萬噸。對煉鋼尾渣，則通過鋼渣加工業(yè)三種方式再利用：建設制磚生產(chǎn)線；冶金渣微粉項目基地：用鋼渣做路基回填料。
襄煤集團不僅是長治煤電循環(huán)鏈的龍頭企業(yè)，更是新材料產(chǎn)業(yè)循環(huán)鏈的示范性企業(yè)。在該集團總投資24－8億元人民幣，年產(chǎn)能60萬噸聚氯乙烯樹脂項目的建設工地，記者看到一派熱火朝天的繁忙景象，成套的設備已經(jīng)整齊的排列在廣場，工人們正在緊張地搬運機械、安裝設備，整個工程已進入最后的沖刺階段。
集團安礦長介紹說，該項目由天津渤海集團化工規(guī)劃設計院設計，工程采用先進的離子膜電解工藝、塔式氣提脫析氯乙烯技術、70立方米聚合釜等溫密閉進料技術、自動化控制技術，項目不僅符合國家產(chǎn)業(yè)政策，而且生產(chǎn)工藝全國領先。
當前一期投資9－98億元，建設年產(chǎn)聚氯乙烯20萬噸、年產(chǎn)離子膜燒堿20萬噸，再過些天，這里就可以投入試車生產(chǎn)，屆時煤炭生產(chǎn)的下游產(chǎn)品和一些廢料就可轉化為潔白如玉的聚氯乙烯。項目完成后，年可實現(xiàn)銷售收入16億元，利稅3－5億元，并使企業(yè)形成以“原煤－精煤－發(fā)電－冶煉－化工－建材”為主的新型產(chǎn)業(yè)鏈條。
由于襄煤集團已在煤炭下游建成了電石、發(fā)電企業(yè)，而且生產(chǎn)聚氯乙烯的蒸汽也可由企業(yè)自給，該項目具有明顯的成本比較優(yōu)勢，也成為襄煤集團實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的重點項目，并被列為山西省產(chǎn)業(yè)結構調整的重點工程項目。通過建設循環(huán)經(jīng)濟體系，園區(qū)形成大循環(huán)，公司形成小循環(huán)，建設成一個循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)園區(qū)，襄垣煤礦集團取得良好的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。
我國發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)的資源條件優(yōu)越、需求旺盛，長治堅持體制創(chuàng)新與科技創(chuàng)新的方針，在繼續(xù)加大政府支持力度的基礎上，建立以企業(yè)為主體的研發(fā)與生產(chǎn)模式，加強產(chǎn)學研聯(lián)合，重視人才培養(yǎng)，建立健全有效的激勵約束機制，積極推進新材料領域科技成果產(chǎn)業(yè)化，長治未來新材料產(chǎn)業(yè)必將得到快速發(fā)展。
長治新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃
加強五大循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈建設，擴大粉末冶金生產(chǎn)規(guī)模，引導企業(yè)向附加值高的下游產(chǎn)品粉末冶金零部件行業(yè)發(fā)展，建設全國重要的粉末冶金零部件生產(chǎn)基地。
【關鍵詞】激光焊接焊接特性 應用
中圖分類號：E933.43文獻標識碼：A 文章編號：
激光焊接技術是集激光技術、焊接技術、自動化技術、材料技術、機械制造技術及產(chǎn)品設計為一體的綜合技術。激光焊以其高能量密度、深穿透、高精度、適應性強等優(yōu)點，在工業(yè)中充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活的加工特點，不僅在生產(chǎn)率方面高于傳統(tǒng)焊接方法，而且焊接質量也得到了顯著的提高。激光焊接技術發(fā)展到今天，其逐步取代電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接方法的趨勢已不可逆轉。在21世紀中，激光焊接技術在材料連接領域必將起到至關重要的作用。
一、激光焊接的基本特征
1、激光焊接屬非接觸加工，與接觸焊工藝相比，無電極、工具等的磨損消耗，不需對工件加壓和進行表面處理，無加工噪聲，對環(huán)境無污染。
2、焊點小、能量密度高、適合于高速焊接加工，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1。
3、焊接時間短，既對外界無熱影響，又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合焊接高熔點、高硬度的特種材料。
4、焊接時無需屏蔽或真空環(huán)境，能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。
5、激光焊縫力學性能好，力學性強于母材。焊縫強度高、焊接速度快、焊縫窄且表面狀態(tài)好，免去焊后清理等工作。
6、極適合于精密件、箱體件和有密封要求焊接件的加工。
7、對帶絕緣層的導體可直接進行焊接，對性能相差較大的異種金屬也可焊接，實現(xiàn)自動化。可焊接難熔材料如鈦、石英等，效果良好。
8、通過光纖實現(xiàn)遠距離、可焊接難以接近的部位，實施非接觸遠距離焊接；光束易于控制、焊接定位精確，很容易搭載到自動機、機器人裝置上。
二、常見金屬材料的激光焊接特性
激光焊接適用于多種材料的焊接，激光的高功率密度及高焊接速度，使得激光焊縫、熱影響區(qū)都很小。掌握好一些變化規(guī)律，就可以根據(jù)對焊縫組織的不同要求來調整焊縫的化學成分，通過控制焊接條件來獲得最佳的焊縫性能。
1、碳鋼
低碳鋼和低合金鋼都具有教好的焊接性，但是采用激光焊接時，材料的含碳量（碳當量）不應高于0.25%。對于碳當量超過0.3%的材料，焊接冷裂紋傾向會加大，設計中考慮到焊縫的一定收縮量，有利于降低焊縫和熱影響區(qū)的殘余應力和裂紋傾向。
碳當量大于0.3%的材料和碳當量小雨0.3%的材料在一起焊接時，采用偏置焊縫形式有利于限制馬氏體的轉變，減少裂紋的產(chǎn)生。材料碳當量超過0.3%時，減小淬火速度也可以減小裂紋傾向。
表面經(jīng)過滲碳處理的鋼由于其表面的含碳量較高，極易在滲碳層產(chǎn)生凝固裂紋，通常不適用激光焊接。
2、不銹鋼
奧氏體不銹鋼的導熱系數(shù)只有碳鋼的1/3，吸收率比碳鋼高。因此，奧氏體不銹鋼可獲得比普通碳鋼深一點的焊接熔深。激光焊接熱輸入量小，焊接速度高，非常適合于Ni-Cr系列不銹鋼的焊接。
馬氏體不銹鋼的焊接性差，焊接接頭通常硬而脆，并由冷裂紋傾向。在焊接含碳量大于0.1%的不銹鋼時，預熱和回火可以降低冷裂紋和脆裂傾向。
鐵素體不銹鋼，激光焊接通常比其他焊接方法容易焊接。
3、銅、鋁及其合金
紫銅對CO2激光的反射率很高，但對YAG激的反射率很低，所以用激光焊接紫銅還是有可能的。另外，可以通過表面處理來提高材料對激光的吸收。
黃銅的不可焊性是因為其鋅的含量超出了激光焊接允許的范圍，鋅有相對較低的熔點，容易汽化，會導致大量的焊接缺陷如氣孔產(chǎn)生。
由于鋁合金的發(fā)射較高和導熱系數(shù)很高，鋁合金的激光焊接需要相對較高的能量密度。但是，許多鋁合金中有易揮發(fā)的元素，如硅、鎂等，焊縫中都有很多氣孔。而激光焊接純鋁時不存在以上問題。
三、激光技術在焊接中的具體應用
目前激光焊應用領域逐漸擴大，主要應用于: 制造業(yè)應用、粉末冶金領域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學、航空航天工業(yè)、造船工業(yè)。
1、制造業(yè)應用
激光拼焊(Tailored Bland Laser Welding)技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條,年產(chǎn)轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高的速度增長。國內生產(chǎn)的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。
2、粉末冶金領域
由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其他零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應用受到限制。在20 世紀80年代初期，激光焊以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。
3、汽車工業(yè)
德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80 年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接，20世紀90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。
激光焊接還廣泛應用到變速箱齒輪、半軸、傳動軸、散熱器、離合器、發(fā)動機排氣管、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造，成為汽車零部件制造的標準工藝。我國一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術，而且從激光焊接技術本身研究的角度看，我國一些科研院所在一些具有特色的領域取得了具有特色的成果。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展, 激光焊接技術一定會在汽車制造領域取得豐碩的成果和廣泛的應用。
4、電子工業(yè)
激光焊接在電子工業(yè)中,特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應用。在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優(yōu)越性。在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1 mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多，而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。
5、生物醫(yī)學
生物組織的激光焊接始于20世紀70年代，Klink等用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。激光焊接作為一種焊接牙科合金的新技術，經(jīng)過十余年的設備改進、技術更新，在口腔修復領域的應用日趨成熟。
6、航空航天工業(yè)
美國在20世紀70年代初的航空、航天工業(yè)中即已利用15kW的CO2激光器針對飛機制造業(yè)中的各種材料、零部件，進行焊接試驗及評估工藝的標準化。近年來，新的應用成果是鋁合金飛機機身的制造，用激光焊接技術取代傳統(tǒng)的鉚釘, 從而減輕飛機機身的重量近20%，提高強度近20%。
7、造船工業(yè)
造船業(yè)是激光焊接應用的一個重要領域。造船的主要工藝是焊接。采用激光焊接的優(yōu)點在于可得到高強度的焊件，從而在設計上可減小所用材料的厚度，達到輕重量、高強度的目標。
在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加，如含有線路板的塑料制品、醫(yī)療設備等均可采用激光焊接。
四、結束語
激光加工是21世紀一門發(fā)展極快的新制造技術，必將對我國傳統(tǒng)工業(yè)的技術改造、新興工業(yè)領域以及制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進的技術裝備，在現(xiàn)有的激光焊接技術的基礎上還應該繼續(xù)對傳統(tǒng)的焊接工藝進行技術改造，使激光焊接可以發(fā)揮出更好的優(yōu)勢，獲得越來越廣泛的應用。
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關鍵詞：微波燒結 原理 進展
中圖分類號：TK11文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）14-0053-03
The Principle and Development of Microwave Sintering Technology
Fang Ke；Fang Li
（School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China）
Abstract: Microwave sintering is a new type of technology，it has great development prospect in the fields of ceramic materials and powder metallurgy etc., and it is greatly possibile to become the main method of material preparation in the new century. The technology of microwave sintering has many great advantages such as much higher speed, lower energy consuming, more safety, no pollution, and so on, so it has significant effect on the development economic and societyin our country. The origin and evolvement, the principle，unique character，equipment, research advance of the technology are reviewed in this paper.
Key words: microwave sintering；principle；development
0引言
微波燒結是指采用微波輻射來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外加熱源，材料通過自身對電磁場能量的吸收（介質損耗）達到燒結溫度而實現(xiàn)致密化的過程。二十世紀50年代美國的VonHippel在材料介質特性方面的開創(chuàng)性研究為將微波加熱應用于材料燒結奠定了基礎[1]；從60年代至90年代，各國研究人員對微波燒結原理、特點和應用等各方面開展了廣泛、深入和系統(tǒng)的研究，積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，逐漸認識和掌握了這項新型技術，其環(huán)保、節(jié)能、高效等諸多優(yōu)點激起眾多材料研究人員的興趣和研究熱情，得到各國政府高度重視；90年代后期，微波燒結進入產(chǎn)業(yè)化階段，美國、加拿大、德國等發(fā)達國家開始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品[2-4]。
1微波燒結原理
微波燒結技術是基于物質與電磁場相互作用中產(chǎn)生熱效應的原理。當材料的基本細微結構與特定頻率的電磁場耦合時，內部微觀粒子響應電磁振蕩，熱運動加劇，材料發(fā)生介質損耗，吸收微波能轉化為熱能。將微波加熱原理應用于傳統(tǒng)燒結工藝，就是微波燒結。在微波燒結中，因存在電磁場作用，材料介電性能、磁性能以及導電性能等特性對燒結效果具有重要影響[5，6]。
1.1 介質材料在外加電磁場作用下，介質材料中的極性分子會受到電場力作用，從原來的隨機分布狀態(tài)轉變?yōu)橐勒针妶龇较蛉∠蚺帕小８哳l電磁場每秒交替變換幾億次，分子排列取向周期往復改變，發(fā)生劇烈運動，電磁能不斷被損耗，轉化為粒子劇烈運動的動能，材料溫度升高。介質材料在電磁場的作用下會產(chǎn)生電子極化、原子極化、偶極子轉向極化和界面極化等介質極化，各類極化建立和消除的時間周期存在差異。由于電磁振蕩頻率很高，材料內部介質極化過程無法跟隨外電場變化，極化強度矢量相對于電場強度矢量滯后一個角度，導致有電流產(chǎn)生，構成介質材料的耗散。在微波波段，主要是偶極子轉向極化和界面極化產(chǎn)生的吸收電流構成材料的功率耗散 [4]。
1.2 金屬材料金屬導體在微波電磁場中，其內部自由電荷在電磁場作用下，會迅速向導體表面聚集。馳豫時間用來表征自由電荷響應電磁場變化的快慢。由于馳豫時間遠小于電磁場振動周期，故在每周期剛開始，自由電荷就已聚集于導體表面，內部自由電荷密度為零。塊體金屬內部不存在自由電荷，缺少與電磁場相互作用、吸收和轉化的媒介，因而無法被有效加熱 [7]。但金屬導體置于電磁場中，導體表面會有電流產(chǎn)生，存在歐姆損耗。故只要減小金屬導體的宏觀尺寸，使之能與微波電磁場完全耦合，就能有效實現(xiàn)加熱和燒結 [8]。
在微波燒結中，除明顯的微波熱效應外，還存在一定的微波非熱效應，包括活化過程速率增強、化學反應途徑改變以及燒結體性能改變等。微波非熱效應是微波燒結中的重要因素，使各種微粒的遷移變得更容易發(fā)生，且遷移速率提高很多，對材料致密化過程起到明顯的促進作用[6,9]，具體表現(xiàn)就是燒結溫度更低、升溫速度更快、燒結時間大幅縮短。
2微波燒結特點
在傳統(tǒng)燒結過程中，材料表面、內部和中心區(qū)域溫度存在較大梯度，容易導致晶粒不均勻，內部存在較多缺陷。微波燒結依靠微波電磁場輻射透入材料內部，材料整體發(fā)生介質損耗而升溫，各部分溫差小，易得到均勻細晶結構，材料性能得到顯著改善。與傳統(tǒng)燒結相比，微波燒結主要有整體加熱、低溫快燒、無加熱慣性、選擇性加熱等顯著特點[4]。
微波燒結能耗低，效率高，比傳統(tǒng)燒結節(jié)能80%左右，而且清潔、安全、無污染。微波燒結能得到均勻細晶顯微結構，孔隙少且規(guī)則，材料具有更好的延展性和韌性，宏觀性能優(yōu)異[3，10]。微波燒結具有的獨特優(yōu)點預示其在現(xiàn)代材料制備行業(yè)中擁有廣闊的發(fā)展空間，被廣泛譽為“燒結技術的一場革命” [6]。
3微波燒結裝置
3.1 燒結裝置微波燒結實驗裝置由微波發(fā)生器（磁控管和調速管）、波導管、加熱腔和微波電源組成，加熱腔有諧振式和非諧振式兩種，諧振式加熱腔又有多模場型和單模場型兩種 [3]。單模場型可形成穩(wěn)定的電磁波，能量集中，適合燒結低損耗材料，但均勻場區(qū)小，無法燒結大尺寸工件；多模場型諧振腔結構簡單，易得到較大區(qū)域的均勻場強，可用于燒結大尺寸、介質損耗高的材料[11、12]。為得到穩(wěn)定和均勻的電磁場分布，必須對加熱腔進行合理設計。
3.2 燒結工藝微波燒結的工藝參數(shù)主要有微波源功率、微波頻率、燒結時間和升溫速度等[1]。研究表明，在同等燒結條件下（燒結溫度和保溫時間），微波燒結晶粒要明顯大于常規(guī)燒結，說明微波作用下晶粒生長更快、致密化過程更加迅速；溫度過低會導致“欠燒”，過高或保溫時間太長會引起晶粒異常長大；升溫速度也是重要因素，如升溫速度較，加熱時間就得適當延長，因而使材料在高溫區(qū)停留時間較長 [13]。
不同類型的材料介質損耗能力不同。一些材料在低溫下介質損耗小，幾乎不吸收微波能，無法有效加熱。對此，可加入介質損耗高的材料，以起到輔助加熱的作用，主體材料達到一定溫度后，損耗因子迅速增加，可直接吸收微波能 [14]；或者采用外加熱源――比如電阻加熱，在材料臨界溫度以下起輔助加熱作用 [15]。在微波燒結中，在樣品周圍放置介質損耗高的輔助材料有利于提高升溫速度和保溫，形成穩(wěn)定均勻的溫度場 [12]。
研究表明，不同類型的材料在分別放置于電場或磁場區(qū)域中時，會表現(xiàn)出極為不同的加熱行為。導體材料，如金屬或合金粉末壓坯，在磁場中的加熱效果比在電場區(qū)要好；相反，氧化鋁、氧化鋅等陶瓷材料在純電場中的升溫速率更高。另一方面，在材料與電磁場相互作用過程中，材料結構狀態(tài)起著關鍵作用，如銅粉末壓坯在電磁場中能有效吸收微波能，而塊體銅就不能 [16]。
4研究進展
迄今，研究人員已對幾乎所有的氧化物陶瓷材料開展了微波燒結研究，較為成功的有Al2O3、ZrO2、ZnO、MgO、SiO2及其復合材料等， B4C、SiC、Si3N4、TiB2、AlN等是采用微波燒結成功制取的非氧化物陶瓷材料 [4]。另外，金屬粉體具有較強吸波能力 [7]，將微波燒結應用于粉末冶金，成功制取了環(huán)狀、管狀和齒輪等結構和形狀復雜的金屬制品，所制得器件比傳統(tǒng)制品具有更加優(yōu)異的力學性能，顯微結構的均勻性好，氣孔率很低[17]。
4.1 陶瓷材料微波燒結能得到均勻細晶結構，因此微波燒結比常規(guī)燒結更容易制備出透明陶瓷 [4]，如微波燒結可以實現(xiàn)A1N透明陶瓷的低溫燒結 [18]，而且大幅縮短燒結時間 [4]。
微波燒結可使氧化鋅壓敏陶瓷材料快速成瓷，獲得相同晶粒尺寸微波燒結溫度更低，燒結時間更短。但隨著燒結時間的延長，晶界Bi相揮發(fā)，晶粒迅速長大，電阻片的電性能變差 [19]。采用微波燒結法制備氮化硅陶瓷，微波場可以促進Si3N4的α相向β相轉變的速度，提高材料密度 [20]。
陶瓷材料是脆性體系，如何提高其韌性一直是個難題。在微波燒結制備ZnO2（n）增韌Al2O3復合陶瓷的實驗中，得到相對體積密度為95.5%、力學性能較好的15vol% ZrO2/ Al2O3 復合陶瓷，其硬度、斷裂韌性和抗彎強度分別為13350MPa、6.41MPa?m1/2和502MPa[21]。
在制備納米陶瓷材料方面，微波燒結可提高Al2O3/SiC納米復合陶瓷的強度和韌性，改善材料的顯微結構，促進致密化和晶粒生長 [22]。微波燒結制備Si3N4納米陶瓷，在相同密度下，強度比傳統(tǒng)燒結樣品提高25%~30% [5]；采用微波法制備Al2O3-ZrO2（3Y）納米復相陶瓷，材料達到了很高的致密度，并提高了斷裂韌性[23]。微波燒結Al2O3-TiCN-Mo-Ni納米金屬陶瓷[24]，燒結前后晶粒尺寸變化很小。
研究的陶瓷材料還有氧化鋅壓敏電阻陶瓷[19,25]、ZrO2/LaNbO4-MoSi2復合陶瓷[26]、TCP/TTCP復合生物陶瓷材料[27]、Al2O3/SiC納米復合陶瓷[22]、納米TiO2材料 [28]、Bi2O3-ZnO-Ta2O5陶瓷 [29]、Al2O3/WC-10Co/ZrO2/Ni金屬陶瓷 [30]等各種現(xiàn)代陶瓷材料。微波燒結技術在現(xiàn)代材料制備領域中正得到越來越廣泛的研究和應用。
4.2 粉末冶金鎢、釩、鈮、鉭、鉬等難熔金屬及其合金材料因高熔點和一些特有性能，在國防軍工、航空航天、電子信息、能源、防化、冶金和核工業(yè)等領域起著不可替代的作用，相關研究異常活躍。因難熔金屬熔點高、塑性差，主要采用粉末冶金法制備。采用傳統(tǒng)方法，在燒結過程中晶粒極易迅速長大，導致制品性能降低 [31]。
微波磁場下燒結WC-Co硬質合金 [32]的升溫速率比在電場下要大，但溫度只能升至1160℃左右；微波電場下燒結時，可以得到性能較好的合金。微波燒結制備WC-12Co硬質合金，在1400～1475℃范圍內，隨燒結溫度升高，WC晶粒長大不明顯，合金密度和硬度增大；在1475℃的燒結溫度下保溫0min，燒結樣品顯微組織結構均勻，但保溫時間超過30min，由于晶粒異常長大以及鈷相分布不均勻，導致合金的密度和硬度急劇下降[33]。
微波燒結制備W-Ni-Fe高密度合金 [34，35]，升溫速度快，燒結周期短，僅為常規(guī)燒結的1/7；微波燒結能促進合金致密化，如燒結時間較短，微波燒結樣品的晶粒尺寸小于常規(guī)燒結；但微波燒結樣品的生長速率更快，不宜過度延長燒結時間。對微波燒結93W-Ni-Fe合金微觀組織和力學性能研究表明，試樣組織均勻、細小，鎢顆粒明顯小于傳統(tǒng)燒結水平，徑向性能分布均勻；微波加熱能達到常規(guī)尺寸鎢合金的透燒深度，但仍存在較多孔洞等缺陷 [35]。
在相同溫度下燒結Fe-Cu-C合金 [36、37]，微波燒結比常規(guī)燒結具有更致密的微觀結構。而且，金相觀察表明，微波燒結有一個致密的核心，邊緣多孔。這表明材料自身發(fā)熱，熱傳遞從內而外，內部溫度高于表面 [38]。
研究的金屬材料還有銅鐵合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金等。形狀記憶合金是一類新型功能合金材料，在航空航天、機械電子、生物工程、臨床醫(yī)療、能源和自動化等領域用途廣泛，其獨特的形狀記憶效應在于存在熱彈性馬氏體。合金的微觀組織結構對形狀記憶效應影響很大，微觀組織越均勻越有利于馬氏體的均勻分布 [39]。如采用微波燒結制備形狀記憶合金，其整體加熱、低溫快燒等特點能大幅優(yōu)化合金顯微結構（細化晶粒，減少缺陷），從而使形狀記憶效應得到顯著增強。
5結語
工業(yè)上已成功實現(xiàn)了陶瓷材料的連續(xù)化和小批量生產(chǎn)。加拿大的MicroWear公司建成了一個全部采用微波燒結制造氮化硅陶瓷刀具生產(chǎn)中心，美濃窯業(yè)于2000年開發(fā)出了可實際應用于陶瓷工業(yè)的大型微波高溫燒結設備[40]。近年來，中科院沈陽金屬研究所在國家新技術“863計劃”的資助下，已成功研制出多臺MFM-863系列的微波燒結設備。據(jù)報道，美國的Spheric科技有限公司已授權中國最大的微波爐生產(chǎn)企業(yè)長沙隆泰微波熱工有限公司生產(chǎn)工業(yè)用高溫微波燒結系統(tǒng)。
微波燒結技術是人類社會進入二十世紀六十年代后才出現(xiàn)的新型技術。在文明步入二十一世紀，微波燒結技術因其節(jié)能高效、清潔無污染、安全可靠等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)代材料領域擁有廣闊的發(fā)展空間，市場潛力巨大；在科學研究方面具同樣有重大而深遠的意義，對技術進步以及社會發(fā)展將產(chǎn)生革命性影響。自微波燒結技術誕生以來，各國政府都高度重視，不惜投入巨大的人力和物力資源來開發(fā)這一新型技術[3]。
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關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學技術和社會發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現(xiàn)國家的科學技術水平和經(jīng)濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學發(fā)展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產(chǎn)應用問題而產(chǎn)生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現(xiàn)出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續(xù)變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據(jù)不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。
圖3FGM的應用
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節(jié)
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發(fā)電
電極;池內壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地熱發(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發(fā)體系
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數(shù)即最佳設計參數(shù)。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當?shù)臄?shù)學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現(xiàn)FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現(xiàn)FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應過程示意圖
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發(fā)生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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,便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學反應并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態(tài),并能使其組成、結構和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應力誘發(fā)馬氏體體積分數(shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數(shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優(yōu)化成分設計,為成分設計數(shù)據(jù)庫提供實驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統(tǒng)一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發(fā)大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產(chǎn)業(yè)結合,國際化合作的方向發(fā)展。
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[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
一盤散沙
“當時的情況是儀器設備隸屬于不同的學院、不同的課題組，冶金的設備放在冶金學院，材料的設備放在材料學院，條塊分割。如果企業(yè)想做檢測，首先是不知道找哪個學院，特別是企業(yè)拿來的材料或產(chǎn)品往往需要若干項分析檢測，比如力學性能、化學性能、組織結構、物理性能等，這些項目又分在若干個學院，每個學院又有若干實驗室，對校園之外的企業(yè)來講，要想迅速找到相關實驗室并順利完成一系列檢測服務，簡直無法想象！”談起2005年以前北京科技大學的科研儀器設備對外服務情況，劉亞東記憶猶新。
劉亞東告訴記者，當時北京科技大學的儀器設備雖然有對外服務，但服務的量很小，而且往往是其他兄弟院校知道這里有這個設備，才過來使用的，根本沒有商業(yè)化的概念。以2005年為例，北京科技大學已經(jīng)有價值幾個億的儀器設備，一年的對外測試收入只有三四十萬元，“一年下來，連這些儀器設備的維修費用都不夠”。
“雖然我們有幾個億的儀器設備，但在北京來說，我們只是個‘小戶’。”劉亞東說。據(jù)了解，北京地區(qū)分布著大量科學儀器裝備和各種實驗室，擁有大量的科技人才，科技資源總價值占全國的40%，儀器設備總量占全國總量的1/4。北京雖然擁有如此豐富的科技資源，高校院所也比較集中，但長期以來，這些科技資源存在封閉、分散、閑置甚至使用不合理的現(xiàn)象，缺乏有效整合和利用。
一邊是科技型中小企業(yè)開展科技創(chuàng)新為買不起儀器設備而苦惱，一邊是科研院所動輒價值成百上千萬的進口儀器為“養(yǎng)在深閨人不識”而惆悵，如何解決這個迫在眉睫的供需矛盾是增強企業(yè)自主創(chuàng)新能力，推動經(jīng)濟轉型升級的關鍵所在。
政府引導
“我們當時成立北京科技大學分析檢驗服務平臺并不是為了完成一個單純的課題，把它放到學校某個處室或課題組來做，我們是真的想探索一條創(chuàng)新機制體制的管理方式，這就需要一個團隊來管理，建設一套能有效運行的機制。”2006年，劉亞東參加工作時，北京科大分析檢驗中心有限公司剛剛成立。而這家公司是在北京市科委大力推動高校、科研院所的科研設備向社會開放共享的背景下誕生的。
當時，北京市科委根據(jù)北京地區(qū)材料測試資源的分布和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，選擇了3個機制創(chuàng)新試點單位，其中，北京科技大學作為首都高校第三方商業(yè)化實驗室機制創(chuàng)新試點，成立了北京科技大學分析檢驗服務平臺。北京科技大學意識到這將是一次重大科技創(chuàng)新，于是大膽地為平臺確立了“政府引導、依托學校、市場運作、企業(yè)運行”的發(fā)展思路。此舉在北京地區(qū)眾多高校中，率先將公司化運作機制引入到實驗、檢測業(yè)務中，依托北京科大科技園，成立北京科大分析檢驗中心有限公司，全面托管北京科技大學的實驗檢測資源，面向社會全面開放，支撐企業(yè)的技術創(chuàng)新。
艱難撬動
北京科大分析檢驗中心有限公司成立之初遇到的最大問題是觀念上的不一致。面對新的管理模式，校方和老師們還存在諸多疑慮：公司化運作與教學科研之間是否存在沖突？國有資產(chǎn)在經(jīng)營中該如何管理？實驗室自身的利益是否會受到損害……“我們要一遍遍地解釋，我們不僅可以提高實驗室的管理水平，而且可以幫助實驗室開展更多的對外服務，經(jīng)過努力，我們得到了學校的授權。當時學校的層面上支持我們，但是落實到基層的負責實驗室的老師們那里，是很難被認可和接受的，學院和實驗室管理處之外怎么又多出你們這個“婆婆”，最初和老師們接觸時，吃閉門羹是常有的事，甚至被誤解是從校園外溜進來的騙子。”談到當初開展工作時遇到的各種困難，劉亞東顯得很無奈。這樣的工作一直持續(xù)了兩年多。
北京科大分析檢驗中心有限公司在與學校各方進行充分溝通、協(xié)調后，北京科技大學先后了《北京科技大學分析檢驗服務平臺管理辦法》和《北京科技大學分析檢驗服務平臺管理細則》，規(guī)范了公司和實驗室的責、權、利，并把實驗室的測試服務工作量作為實驗室業(yè)績考核的重要內容，從考核機制方面為平臺建設提供了有力的制度保障。“原來讓一些實驗室的老師做實驗，實驗周期很難保證，即便做了，也是給你個結果就行了，而實驗原始數(shù)據(jù)、中間過程并不記錄，檢測環(huán)節(jié)不規(guī)范的地方多了，有時遇到企業(yè)催要報告甚至質量投訴，作為中介的我們就要受夾板氣。現(xiàn)在好了，我們不僅照顧到了各方的利益，更重要的是依據(jù)國際準則，建立起了一套完善的實驗室質量管理體系，檢測流程規(guī)范化了，檢測方法標準化了，老師們都能積極配合我們按時地、高質量地完成實驗，包括實驗時的日期、溫度、原始數(shù)據(jù)等信息都詳細在冊，即便出了問題，只要一查檔案，就能非常清楚地知道問題出在了哪個環(huán)節(jié)。”
與此同時，學校為了促進平臺的發(fā)展，采取了一些針對性的措施。比如，將原來分散在多處的實驗室集中到主樓和材料測試樓等幾個主要樓宇，實現(xiàn)了檢測場地的相對集中管理；將原來分散在教師、課題組手中的通用儀器設備集中到各學院實驗中心統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了儀器設備管理權的相對集中；將原來隸屬于各教師梯隊的實驗人員劃歸學院實驗中心管理，設立明確的實驗技術崗位，實現(xiàn)了儀器設備的專人專管，形成了一支200多人的專業(yè)實驗隊伍，有效地提高了工作效率。劉亞東說：“現(xiàn)在企業(yè)來做檢測，說明產(chǎn)品有什么問題，公司會告訴企業(yè)需要做哪幾項檢測，把檢測的周期、費用說清楚，給企業(yè)出一個檢測方案，企業(yè)就可以回去等著了。”
兩個認證
“公司從成立到2007年，一直處于虧損狀態(tài)。這期間一直是市科委在推動著我們發(fā)展。2008年，我們取得的兩個認證是公司的轉折點。目前，在國內高校的檢測機構中，同時取得這兩個認證的屈指可數(shù)。”劉亞東指著墻上的兩份證書文件非常自信地說。說到實驗室的資質建設，公司副總經(jīng)理張波很興奮，他一直負責這方面工作。這兩個認證是指通過了中國認證監(jiān)督管理委員會實驗室資質認定（CMA）和中國合格評定國家認可委員會實驗室認可（CNAS）。談到這兩個認證的作用時，張波說：“北京科技大學在全國金屬材料檢測領域是有名的，檢測數(shù)據(jù)準確，別人認可你的學術權威性，但在商品社會、法制社會，你的數(shù)據(jù)不具有法律效力。有了這兩個認證資格，我們出具的檢測報告就會在法律仲裁、對外貿(mào)易、第三方檢測等方面具有法律效力。”
北京科大分析檢驗中心有限公司在申請CMA認證時，劉亞東講了一個小插曲。由于公司是在海淀注冊的北京市級單位，但公司的上級單位是北京科技大學，屬于教育部直管，申報CMA資質認定分國家級和地方級。“我們準備了非常充分的材料到北京市質監(jiān)局去辦理手續(xù)，但北京市質監(jiān)局不受理，說你們的設備等資源都是教育部所屬單位的資產(chǎn)，從來沒有聽說過這些資產(chǎn)可以委托一家公司來經(jīng)營的；于是又把材料報到教育部，教育部也說不對，你一家公司跑到教育部高校評審組來申請CMA，還是頭一回遇到，一般都是某某大學測試中心、實驗室來申請的。最后又費了好多周折，才從教育部批下來。”
這兩個認證的威力很快就顯現(xiàn)出來。當時，英國Tharsus公司想從素有“中國絲網(wǎng)之鄉(xiāng)”美譽的河北安平縣進口金屬絲網(wǎng)，但是不能保證進口的材料都合格。因此，他們想在中國境內找一家檢測機構。當他們的負責人考察了北京科技大學分析檢驗服務平臺后，對這里的設備條件、技術能力、管理水平贊賞不已。隨后即與分析檢驗中心簽訂了測試服務協(xié)議。分析檢驗中心成為該公司在國內的檢測機構，檢測其從國內采購的金屬制品。“那是我們第一次掙英鎊呀。”張波不無風趣地說。
經(jīng)過幾年的資質建設，北京科大分析檢驗中心有限公司通過了國家實驗室認可和資質認定二合一監(jiān)督、擴項評審，認證認可項目由2008年的2個領域22個檢測項目擴展到2012年的15個領域260個檢測項目。這項工作對內提高了實驗室的管理水平；對外提高了實驗室的學術性、權威性，得到了各方的廣泛認可。
飛速發(fā)展
“剛開始，我們服務的對象都是高校院所，企業(yè)的很少。自2009年以來，企業(yè)的客戶快速增長，估計2012年企業(yè)所占比例可能要超過50%。年收入在四五百萬元。”談到近4年來的變化，劉亞東興奮地告訴記者，“在這4年，我對首都科技條件平臺建設的最大的感受是，更強調科技資源的梳理整合和高質量的深度研發(fā)服務，強調資源與企業(yè)需求的有效對接，政府在積極引導高校和大院大所科技服務的市場化，這些對我們的幫助很大。”
目前，北汽、航天集團、北京英納超導、中國南車股份、安泰科技和神霧集團等企業(yè)都成為了北京科大分析檢驗中心有限公司的客戶。
在北京科大分析檢驗中心有限公司長長的客戶名單中，記者看到一家山東省的公司――萊蕪市新藝粉末冶金制品有限公司。張波介紹，這是一家專門從事粉末冶金研發(fā)、生產(chǎn)與銷售的新材料企業(yè)。這家公司采用粉末冶金技術研制開發(fā)出一種高性能粉末冶金斜齒輪，為了確定該斜齒輪的性能水平，該公司找到了有著長期合作關系的北京科技大學研發(fā)實驗服務基地，委托基地幫助其測定該產(chǎn)品的性能指標。分析檢驗中心組織力學、金相、電鏡測試專家進行針對性試驗，“通過我們提供的試驗數(shù)據(jù)，該公司分析發(fā)現(xiàn)該款產(chǎn)品各項性能均優(yōu)于目前市場上常用的產(chǎn)品指標，為其申報重點新產(chǎn)品提供了支持和依據(jù)。”
近年來，北京科大分析檢驗中心有限公司對科技型中小企業(yè)的服務越來越多。北京金峰航科技發(fā)展有限公司就是個典型代表。該公司是以開發(fā)、生產(chǎn)儲氫電池材料為主的高新技術企業(yè)，研發(fā)初期，沒有能力投入巨大的資本來建立完善的研發(fā)體系，無力承擔新產(chǎn)品研發(fā)和技術創(chuàng)新所需要大量昂貴的科學儀器的使用成本。由于缺乏檢測手段和技術分析人才，在用于鎳氫電池負極的AB5型稀土儲氫材料的研發(fā)上曾受到嚴重困擾，造成企業(yè)無法適應激烈的市場競爭。
金峰航公司與北科大分析檢驗中心的合作，扭轉了這種局面。北科大根據(jù)金峰航的測試需求，為其制定了包括材料合金的制備工藝、性能指標體系的建立、分析檢驗儀器的選擇等詳細方案。在獲得檢測數(shù)據(jù)之后，北科大的專家還和金峰航的研發(fā)人員一起對數(shù)據(jù)進行分析，查找問題，成功地解決了上述難題，使得AB5型材料順利投產(chǎn)，金峰航躍居成為我國儲氫電池材料領域產(chǎn)值超過億元的優(yōu)秀企業(yè)。目前，金峰航的新產(chǎn)品研發(fā)，包括技術人員的培訓在內都有相當一部分工作是在北科大完成的。他們對這種校企合作的評價是：“我們借助北科大的科技資源，大大降低了企業(yè)進行自主創(chuàng)新的成本”。
伴隨著企業(yè)客戶的增加，劉亞東卻感到：“我們現(xiàn)在處在了一個平臺期，如果失去政府的資助，平臺能否活下來，走下去，不斷壯大呢？新的業(yè)務增長點在哪兒呢？”顯然，北京科大分析檢驗中心有限公司已經(jīng)是市場化運營，并取得成功。劉亞東考慮更多的是未來的發(fā)展。
二次創(chuàng)業(yè)
經(jīng)過前期的積累與探索，公司的年輕團隊看到了北京科技大學的科研資源是一座遠沒有開發(fā)的富礦。“我們內部叫‘二次創(chuàng)業(yè)’，接下來我們的重點工作是挖掘北京科技大學的科技專家和科技成果資源。”
論文摘要：隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，社會對高等職業(yè)教育提出了更新更高的要求。如何培養(yǎng)高素質的應用型人才是高職院校需要解決的首要問題。文章結合湖南冶金職業(yè)技術學院的辦學實踐，提出構建以就業(yè)為導向的高職人才培養(yǎng)體系。
隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展和企業(yè)技術結構的升級，社會對高等職業(yè)教育提出了更新更高的要求。高等職業(yè)院校要堅持以就業(yè)為導向、以服務為宗旨，在人才培養(yǎng)理念、人才培養(yǎng)模式、辦學機制等方面進行創(chuàng)新，出特色、樹品牌。本文結合我院的辦學實踐，探索如何構建以就業(yè)為導向的高職人才培養(yǎng)體系。
一、堅持科學的辦學定位
全面貫徹黨的教育方針和“以就業(yè)為導向、以服務為宗旨、走產(chǎn)學研結合發(fā)展之路，辦讓人民滿意的高職教育”的思想，堅定不移地為區(qū)域經(jīng)濟建設和社會發(fā)展服務，培養(yǎng)生產(chǎn)、建設、管理、服務第一線的高素質應用型人才。我院是全國首批改建的職業(yè)技術學院，經(jīng)過多年的探索，提出并實踐了“就業(yè)導向、市場需求、產(chǎn)學結合”的高職教育基本辦學理念，形成了“以人為本、爭創(chuàng)一流，打造品牌、辦出特色，主動適應、滿足需求，服務行業(yè)，服務地方，’的辦學思路。抓好改革，辦出特色，全力打造高職院校的強勁品牌。
在辦學定位上，以滿足市場對應用型人才需要為前提，以勝任職業(yè)崗位為目標，以提高職業(yè)崗位能力為出發(fā)點，以企業(yè)滿意度為質量標準，堅持面向社會經(jīng)濟建設的定位，培養(yǎng)行業(yè)和地方發(fā)展急需的“適銷對路”的應用型專門人才;主動適應職業(yè)崗位的技術含量日益提高對人才需求不斷變化的要求，堅持把學生培養(yǎng)成在技術應用、智能操作崗位上的高級“藍領”的人才。WWw.133229.COM實現(xiàn)學生就業(yè)崗位的“下移”，滿足人才市場的需要，并為高職學生職業(yè)生涯的發(fā)展和變換職業(yè)崗位的需要奠定知識和技能基礎。
二、設t與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和新興產(chǎn)業(yè)群相配套的專業(yè)
堅持以就業(yè)為導向，以服務為宗旨，科學調整專業(yè)結構，為新的產(chǎn)業(yè)崗位和社會職業(yè)流動群體提供新的就業(yè)知識和技術支撐。學院根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)結構調整狀況和產(chǎn)業(yè)結構升級的趨勢，以及冶金行業(yè)對專業(yè)人才需求的變化，將原來傳統(tǒng)的冶金類專業(yè)(粉末冶金、有色冶金、鋼鐵冶金、冶金機械等)進行了改造和調整，新開發(fā)了金屬材料工程和冶金機械控制技術等新專業(yè)。
根據(jù)株洲市硬質合金產(chǎn)業(yè)集群、機械制造產(chǎn)業(yè)集群和長沙市工程機械產(chǎn)業(yè)集群、電子器件產(chǎn)業(yè)集群的興起，調整和完善了專業(yè)設置，形成了與產(chǎn)業(yè)集群相配套的粉末冶金、金屬塑性加工、冶金技術、機械設計與制造、數(shù)控技術、模具設計與制造、電氣自動化技術、應用電子技術、機電一體化技術、計算機控制技術、計算機應用技術、電子商務、工程造價等20多個專業(yè)，形成了與區(qū)域產(chǎn)業(yè)集群配套的專業(yè)群。
三、突出學生職業(yè)能力和實踐能力的培養(yǎng)
突出學生職業(yè)能力和實踐能力的培養(yǎng)。一是注重職業(yè)基本技能，強化職業(yè)核心能力，推行“四位一體”教學模式，著力構建學生和諧發(fā)展的新課程體系;完善包括“加強體育、美育、勞動技術教育和心理健康教育”等在內的人才培養(yǎng)工程。二是在構建新的人才培養(yǎng)模式中，注意處理好幾個關系，注重特色培養(yǎng)。即處理好人文教育與科學教育的關系，學術性與職業(yè)性的關系，專業(yè)教育與通才教育的關系，理論教育與實踐教育的關系、共性(統(tǒng)一性)與個性(靈活性)的關系。根據(jù)不同的行業(yè)要求和定位，把培養(yǎng)學生的職業(yè)實踐能力作為課堂教學改革的突破口，形成各種特色的人才培養(yǎng)模式，以適應社會的不同需要。三是加強與企業(yè)的合作，特別是加強與中小企業(yè)的合作，通過產(chǎn)、學、研相結合，培養(yǎng)大批適應中小企業(yè)發(fā)展的優(yōu)秀人才。近幾年來，學院與株洲市幾十家中小企業(yè)建立了合作關系，促進了教育教學質量的提高。
學院實施畢業(yè)生“零距離”上崗的人才培養(yǎng)方案，一是實現(xiàn)開放式辦學，實施“滾動式，，的人才培養(yǎng)計劃。根據(jù)每屆畢業(yè)生反饋的信息和用人單位提出的人才培養(yǎng)要求，每年修訂教學計劃，調整教學內容，滿足了用人單位的要求，提高學生的社會適應性和崗位適應性。二是使“教、學、做”相結合，形成新的教學特色。在教學上實行“三明治”式的教學模式，把傳統(tǒng)的文化課堂變成“教、學、做”相結合的課堂，使理論教學與技能訓練密切結合在一起，學生將所學的理論和掌握的技能融為一體。三是以試點專業(yè)建設為基礎，形成專業(yè)品牌。以精品專業(yè)和試點專業(yè)建設為龍頭，整體帶動學院的專業(yè)教學改革工作。例如，以金屬材料工程、冶金機械與控制技術等國家級精品專業(yè)為龍頭，大力開展專業(yè)建設、專業(yè)開發(fā)和教學改革試點，形成了一批有特色的品牌專業(yè)。四是以能力培養(yǎng)為核心。強化討學生的技能訓練，并建立與之配套的仿真實驗、實訓和實習教學環(huán)境。
四、加強課程開發(fā)和教材建設，搞好專業(yè)教學改革
學院緊緊圍繞以就業(yè)為導向，以提高高職學生的就業(yè)適應性為目標，科學合理地構建專業(yè)課程體系，搞好專業(yè)教學改革。一是重新構建科學的高職教育課程體系，確定適應需求的教學內容。對教學內容按照培養(yǎng)目標進行整合、重組與優(yōu)化，逐步形成集群式、模塊式課程模式，如工科類專業(yè)課程體系由人文社會科學模塊、自然科學模塊、職業(yè)技術基礎模塊、職業(yè)技能訓練模塊組成。理論教學和實踐教學均采用模塊教學模式，增強高等職業(yè)教育的針對性，提高高職學生的職業(yè)技能，取到了較好的效果。二是對高職專業(yè)課程進行整合與開發(fā)。學院根據(jù)產(chǎn)業(yè)結構的調整導致的職業(yè)結構和勞動崗位內容的變化，將相關的兩門或兩門以上的課程整合開發(fā)為一門課程，實現(xiàn)課程綜合化。近幾年來，學院把140門專業(yè)理論課程中的50多門課程有機地整合為16門新的課程，并引人新技術、新工藝、新知識和新方法，對課程體系和知識結構進行優(yōu)化。三是突出了學生專業(yè)基本技能的培養(yǎng)，為學生畢業(yè)時能夠“零距離”上崗作好能力儲備。如學防織寸電氣自動化專業(yè)學生“零距離”上崗的基本技能培養(yǎng)是通過加強繼電器一接觸器控制、plc控制、單片機及微機控制四項基本實踐技能的訓練來實現(xiàn)的。四是加強精品課程和教材建設。幾年來，學院開展國家精品課程、省級精品課程、學院精品課程建設，形成“三級”精品課程建設網(wǎng)絡，大力推動教育教學改革。其中《冶金機械技術》、《單片機應用技術》等課程被教育部確定為國家精品課程。其次，大力開展教材建設，學院組織編寫了40多門教育部規(guī)劃教材，50多門高職高專教材，這些教材以就業(yè)為導向，適度增加了各專業(yè)的新知識、新技術、新工藝，提高了高職學生的專業(yè)能力。
五、開展教育教學科研，提商教師的教學水平
高職院校要開展教育教學研究，不斷改進教學方法和教學手段，特別要通過學術研究和適用技術項目的合作研究掌握新技術、新知識，不斷地把新知識充實到課堂教學中。近幾年來，學院承擔省部級教研和教改課題18項、高職教育研究課題9項、國家級教育規(guī)劃課題3項、省級規(guī)劃課題35項、市級規(guī)劃課題10項。學院還設立院級教研教改課題40多項。與湘潭鋼鐵公司、漣源鋼鐵公司等企業(yè)開展《旋轉式軋機清洗設備的研制》、《原燃料冶金性能測定及研究》、《精煉渣及連鑄用輔材性能研究》、《混聯(lián)法技術創(chuàng)新工藝研究一一降低拜耳法溶出液及ak研究》、(無錫曙光ci項目模具研究》等課題研究10多項，進行知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新，既為企業(yè)解決了生產(chǎn)技術問題，又把新知識融人課堂教學，不斷提高教學效果。通過開展科研工作，不斷提高教師的教學水平和科研能力，促進了教學質量的提高。
六、加強對學生進行全面素質教育
為了貫徹落實教育部《關于加強大學生文化素質教育的若干意見》的精神，學院開展了學生文化素質教育的研究與實踐。從1998年起，學院經(jīng)過長達6年的探索和實踐，初步形成了人文素質教育工程建設的實施體系。一是組建了院級和系級藝術團、禮儀隊、攝影協(xié)會、讀書俱樂部、青年志愿者協(xié)會、合唱團等學生社團組織，開展文化素質教育;二是重視體育文化活動，開展文體競賽，培養(yǎng)團隊精神。組建了院級和系級籃球隊、足球隊、健美操隊、田徑隊等體育團隊，推動校園文化建設;三是重視宿舍文化建設，培養(yǎng)學生雷厲風行、積極進取、整潔衛(wèi)生、樸實大方、表里如一、吃苦耐勞的好作風以及團隊精神和集體主義觀念;四是結合專業(yè)特點，開展職業(yè)道德教育。把職業(yè)道德教育納人教學計劃，開設了相關課程，把職業(yè)道德教育與第二課堂活動結合起來，組織開展職業(yè)道德知識競賽活動，促進了學生職業(yè)道德水平的培育和提高;五是成立學生心理教育與咨詢中心，加強學生心理健康教育，培養(yǎng)學生健康的人格;六是實施校園文化與企業(yè)文化的“對接工程”，通過學生在接受企業(yè)文化的教育過程中，了解企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，了解企業(yè)的用人標準，培養(yǎng)學生的職業(yè)精神和敬業(yè)精神。
七、實行校企合作，走學校、企業(yè)、杜區(qū)相結合的人才培養(yǎng)之路
校企合作在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力、適應能力和創(chuàng)業(yè)能力等方面發(fā)揮著積極的作用。近幾年，學院先后與湘潭鋼鐵公司、漣源鋼鐵公司、首都鋼鐵公司、江西銅業(yè)公司、武漢鋼鐵公司、廣西蘋果鋁業(yè)公司等企業(yè)開展“訂單培養(yǎng)”，學院與合作企業(yè)建立董事會制度，共同研究和協(xié)商合作培養(yǎng)人才，與湖南湘珠化工廠、株洲明日硬質合金公司、株洲精工硬質合金公司等幾十家中小企業(yè)建立了合作關系。學院聘請企業(yè)的技術專家、生產(chǎn)管理人員、高級技師與學院相關人員組成專業(yè)指導委員會，共同開發(fā)專業(yè)、確定教學內容。并與合作企業(yè)開展課題研究，進行技術公關，培養(yǎng)了大批“雙師型”教師，提高了教師的實際動手能力和科研能力。
學院與所在地的社區(qū)合作，建立與社區(qū)的合作機制，通過聯(lián)合開展第二課堂活動、共建學生社會活動基地、學生到社區(qū)掛職鍛煉等形式，開展社區(qū)共建，共同培養(yǎng)人才。
八、注重學生“執(zhí)業(yè)資格”的培養(yǎng)和培訓工作
學院堅持以就業(yè)為導向，圍繞提高學生就業(yè)競爭力，推行學歷證書、職業(yè)資格證書、英語等級證書、計算機應用等級證書“四位一體”的學生就業(yè)競爭力建設機制，實現(xiàn)學歷證書的教學內容與職業(yè)資格證書的培訓內容相互融會貫通。一是在理論教學和實踐教學中，突出學生實踐能力的培養(yǎng)，結合職業(yè)崗位實際，按照職業(yè)崗位的要求，把職業(yè)資格標準中要求的知識與技能，融人相關課程的教學大綱中;二是將職業(yè)資格證書作為重要的教學目標，并將不同類別、等級的職業(yè)資格證書的考證納人教學計劃。自建院以來，學院共建立了23個職業(yè)崗位的中、高級職業(yè)資格職業(yè)技能鑒定所。近5年來的畢業(yè)生95%以上分別獲得了人事部、勞動部、建設部、等部門頒發(fā)的涉及機械、電子、電工、計算機、財會、建筑、電子商務、市場營銷、文秘等方面的職業(yè)技能等級證書。三是鼓勵學生參加國家注冊會計師、注冊造價師、注冊評估師、注冊物業(yè)管理師等資格考試。
關鍵詞碳化硼粉末，碳化硼陶瓷，制備，進展
1引 言
碳化硼的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高溫硬度（＞30GPa）是其它任何材料都無可比擬的，故成為超硬材料家族中的重要成員。碳化硼為菱面體，目前被廣泛接受的碳化硼模型是：B11C組成的二十面體和C-B-C鏈構成的菱面體結構[1～2]。正是由于這種特殊的結合方式，碳化硼具有許多優(yōu)良性能（見表1），被廣泛應用于耐火材料、工程陶瓷、核工業(yè)、航天航空等領域。本文綜述了碳化硼粉末及碳化硼陶瓷的制備技術在國內外的研究現(xiàn)狀及進展情況，并展望了其發(fā)展。
2碳化硼粉末的合成
2.1 碳管爐、電弧爐碳熱還原法
這是合成B4C粉末的最古老的方法，早在化學計量的B4C被確定（1934年）后不久，電爐生產(chǎn)工業(yè)用B4C的研究就獲得了成功，B4C作為磨料開始在工業(yè)上得到應用。將硼單質或含硼的化合物與碳粉或含碳的化合物均勻混合后放在高溫設備，例如電管爐或電弧爐中，通以保護氣體Ar或N2氣在一定溫度下合成B4C粉末，其基本的化學方程式為：
2B2O3（4H3BO3）+7C=B4C+6CO（g）(+3H2O（g）)
由于硼酸和硼酐分別在低溫和高溫下有較大的揮發(fā)性，所以通常加入過量的硼酸和硼酐，才能獲得高純和穩(wěn)定的B4C粉。碳管爐碳熱還原法生產(chǎn)碳化硼粉末的生產(chǎn)工藝流程如圖1[5]所示。
此種方法合成B4C粉末的優(yōu)點是：設備結構簡單、占地面積小、投資小、建成速度快、工藝操作成熟、穩(wěn)定和容易控制；但也有很大的缺陷，包括能耗大、生產(chǎn)能力較低、高溫下對爐體的損壞嚴重，尤其是合成的粉末平均粒徑大（20～40μm）[6]，可以直接用于磨料，而作為燒結B4C的原料還需要大量的破碎處理工序，大大增加了生產(chǎn)成本。
2.2 自蔓延高溫合成法（SHS）
SHS法是利用化合物合成時的反應熱，使反應進行下去的一種合成方法（其反應過程示意圖如圖2所示[9]），目前已成功制備了多種高純度的陶瓷粉末，例如B4C、BN等[7]。由于此法制備B4C時多以Mg作為助熔劑，故又稱鎂熱法。與其它傳統(tǒng)方法相比，具有反應溫度較低（1273～1473K）、節(jié)約能源（利用外部能源點火后，僅靠反應放出的熱量即可使燃燒波進行下去）、反應迅速（其燃燒波劃算速度可達到15cm/s）及容易控制等優(yōu)點，所以合成出的B4C粉純度較高而且原始粉末粒度較細（0.1～4μm[8]），一般不需要再破碎處理，是目前合成B4C粉的較佳方法；缺點是反應物中殘留的MgO必須用附加工藝洗去，且極難徹底去除。
張化宇等[8,10]通過B2O3-Mg-C體系的自蔓延高溫還原反應制備出了原始粒徑為0.4μm的B4C粉末，并分析了反應機理，研究認為溫度低于650℃時鎂與硼酐發(fā)生放熱反應，釋放出單質硼，然后中間態(tài)硼與碳通過固態(tài)擴散反應生成B4C。
2.3 激光誘導化學氣相沉積法（LICVD）
LICVD法是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收而產(chǎn)生熱分解或化學反應，經(jīng)成核生長形成超細粉末，圖3是LICVD法制備B4C粉的裝置示意圖[11]。LICVD法通常采用高能CO2激光器，具有以下優(yōu)點：由于反應器壁是冷的，因此無潛在的污染；原料氣體分子直接或間接吸收激光光子能量后迅速進行反應；反應具有選擇性；反應區(qū)條件可以被精確控制；激光能量高度集中，反應與周圍環(huán)境之間的溫度梯度大，有利于生成核粒子快速凝結；反應中心區(qū)域與反應器之間被原料氣體隔離，污染小，可制得純度高的納米粉末。
此法是以含有碳源及硼源的氣體（BCl3、B2H6、CHCl3、CH4等）為原料，在激光的強烈輻射下，混合氣體迅速升溫并發(fā)生反應生成B4C納米顆粒，與石墨、氯仿等揮發(fā)物以煙灰形態(tài)沉積在有微孔的微柵上，再經(jīng)過一定的處理得到具有一定純度的納米B4C粉，為制備納米B4C粉提供了新的研究方法。Oyama等[11]以釹釔鋁石榴石激光作為激光源，C6H6與BCl3為反應氣體，制備出了石墨包覆B4C的納米粉末，B4C粒度可達14～33nm。
2.4 溶膠-凝膠（Sol-gel）碳熱還原法
Sol-gel法是指無機物或金屬醇鹽經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理成為化合物固體的方法。由于合成B4C時提供硼源的硼化物很難與其它無機物或有機物形成凝膠，故用此法合成B4C粉的報道較少。但是如能找到合適的硼源、碳源而形成凝膠，利用此法中原料的分子級混合更加均勻、反應溫度低、產(chǎn)物膨松等特點，對制備超細B4C粉必然大有益處。Sinha[12]等通過研究不同碳源，包括淀粉、蔗糖、葡萄糖、甘油、酒精及檸檬酸等，發(fā)現(xiàn)硼酸與檸檬酸的混合溶液在pH=2～3、溫度為84～122℃的情況下，硼酸與檸檬酸可以形成穩(wěn)定透明的金黃色凝膠體，于真空爐中加熱至700℃可得到多孔松軟的塊狀硼酸/檸檬酸凝膠前驅體，將制備好的凝膠前驅體放于石墨模具內，在真空狀態(tài)下于1000～1450℃保溫2h，就可得到原始粉末粒徑分布范圍窄、平均粒徑為2.25μm的B4C微粉。
3碳化硼陶瓷的制備
碳化硼陶瓷的制備主要采用熱壓燒結，也可以用熱等靜壓燒結、無壓燒結、放電等離子燒結及反應燒結等方法。
3.1 熱壓、熱等靜壓（HIP）燒結[13～14]
為了獲得高致密度，在適當溫度下用熱壓處理，熱壓造成顆粒重排和塑性流動、晶界滑移、應變誘導孿晶、蠕變以及后階段體積擴散與重結晶相結合等物質遷移機理。熱壓燒結在惰性氣氛或真空中進行，一般熱壓溫度2200～ 2300℃，壓力20～40MPa，保溫時間0.5～2h，但碳化硼是共價鍵很強的化合物，無添加劑的燒結很難得到高致密度、高性能的產(chǎn)品，為了降低碳化硼的燒結溫度及改善碳化硼的性能，必須加入燒結助劑來促進燒結。由于碳化硼抗熱震性能較差，因此要緩慢降溫，熱壓燒結只能制備形狀較簡單的制品。
熱等靜壓是將惰性氣體如N2、Ar等作為傳遞壓力的介質，將碳化硼粉末壓坯或裝入包套的粉料放入高壓容器中，使粉料經(jīng)受高溫和均衡壓力，降低燒結溫度，避免晶粒長大，可獲得高致密度的碳化硼陶瓷材料。與一般熱壓法相比，它可以使物料受到各向同性的壓力，因而陶瓷的顯微結構均勻，缺點是設備費用較高和待加工工件尺寸受到限制。
圖4為熱壓燒結、無壓燒結碳化硼的SEM圖像[13]，從圖可以看出，2100℃、25MPa熱壓燒結的碳化硼密度高，氣孔小而少，且分布在晶界上，晶粒尺寸3～5μm；而2200℃無壓燒結40min的碳化硼密度較低，氣孔較多，且分布在晶內、晶界上，有些連通成氣孔，晶粒尺寸粗大，約50μm，晶界內部有較多孿晶。
3.2 無壓燒結
由于熱壓、熱等靜壓工藝較復雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)，目前也有人嘗試無壓燒結碳化硼制品。碳化硼是共價鍵很強的陶瓷材料，其燒結性能極差，在常壓下于2300℃燒結，其制品的相對密度一般低于80%，且容易出現(xiàn)異常晶粒長大和表面熔化現(xiàn)象[15]。增大碳化硼粉末的比表面積并減小其平均粒度，可在一定程度上提高燒結密度。研究表明，要獲得較高的燒結密度，碳化硼粉末的比表面積不能低于5.2m2/g，或粉末的平均粒度不能大于3μm[15]。若要進一步提高燒結密度，碳化硼粉末的平均粒度不能大于1μm[16]。因此，為了降低燒結溫度、提高碳化硼制品的綜合性能，一般需加入燒結助劑，如單質硼、碳、鋁等來促進碳化硼的燒結。Bougoin等[17]采用有機物聚碳酸酯硅烷（5%～10%）作為燒結助劑，在2175℃無壓燒結15min，得到了相對密度大于92%、幾乎不含游離C的碳化硼陶瓷，X射線研究表明，制品中有少量的SiC相存在。李文輝等[18]以Al、Si作為燒結助劑，于2050℃、常壓燒結180min得到了相對密度大于93%、抗彎強度分別為298MPa和344MPa的復相陶瓷。
3.3 放電等離子燒結法（SPS）19～21
SPS法是一種快速燒結新工藝，將瞬間、斷續(xù)、高能脈沖電流通入裝有粉末的模具上，在粉末顆粒間即可產(chǎn)生等離子放電，導致粉末的凈化、活化、均化等效應。傳統(tǒng)的熱壓燒結主要是由通電產(chǎn)生的焦耳熱和加壓造成的塑性變形這兩個因素來促使燒結的進行，而放電等離子的燒結過程，除了上述作用外，在壓實顆粒樣品上施加了由特殊電源產(chǎn)生的直流脈沖電壓，并有效利用了瞬時產(chǎn)生的放電等離子使被燒結體內部每個顆粒均勻地自發(fā)熱和使顆粒表面活化，因而具有非常高的熱效率，可在相當短的時間內使燒結體達到致密。
SPS狀態(tài)有一個非常重要的作用，是在粉體顆粒間高速升溫后，晶粒間結合處可通過熱擴散迅速冷卻，施加脈沖電壓使所加的能量能在觀察燒結過程的同時，高精度地加以控制，電場的作用也因離子高速遷移而造成高速擴散，通過重復施加電壓，放電點（局部高溫源）在壓實顆粒間移動而布滿整個樣品，這就使樣品均勻地發(fā)熱和節(jié)約能源。能使高能脈沖集中在晶粒結合處是SPS過程不同于其它燒結過程的一個主要特點。SPS技術具有如下特點： (1)燒結溫度低、燒結時間短，可獲得細小、均勻的組織，并能保持原始材料的自然狀態(tài)；(2)燒結體致密度高；(3)通過控制燒結組分與工藝，能燒結梯度材料及大型工件等復雜材料。
SPS系統(tǒng)可用于短時間、低溫、高壓（500～1000MPa）燒結，也可用于低壓（20～30MPa）、高溫（1000～2000℃）燒結，因此可廣泛地用于金屬、陶瓷和各種復合材料的燒結，包括一些用通常方法難以燒結的材料。
3.4 反應燒結
反應燒結是指混合均勻的粉體在燒結過程中，組分之間或組分與燒結氣氛之間發(fā)生化學反應，獲得預期設計組成的、相均勻分布的復相瓷體，而新相往往于原位生成22。采用可以與碳化硼反應生成新晶相的添加劑，包括燒結助劑或第二相進行反應燒結，利用反應過程的化學驅動力及新晶相顆粒強化、微裂紋增韌等作用來降低碳化硼的燒結溫度，提高制品的綜合性能。
目前加入的添加劑主要包括金屬單質（Fe、Ti、Al、Cr、Ni、Cu等）、金屬氧化物（TiO2、Al2O3等）、過渡金屬碳化物（TiC、WC、VC、CrC等）及其它添加劑（AlF3、Be2C、MgF2、Si等）[23～24]。金屬單質主要通過兩個途徑來強化碳化硼的燒結過程：一是在燒結過程中引入液相，通過液相燒結致密化機制，如毛細流動來促進致密化；二是與碳化硼發(fā)生化學反應，生成的金屬硼化物作為增強相起到彌散強化作用。Levin[25]研究了TiO2對碳化硼燒結過程的影響，在TiO2添加量為40wt%時，于2190℃無壓燒結1h，得到了晶粒細小、相對密度達到95%，由B4C1-x和TiB2組成的復相陶瓷。Sigl[26]研究了TiC活化燒結碳化硼的過程，發(fā)現(xiàn)TiC與B4C的反應產(chǎn)物C和TiB2能促進B4C的燒結致密化，2150℃常壓燒結B4C制品相對密度達到93%，隨著TiC含量的增加，制品晶粒減小。唐軍等[27]在B4C中添加TiC，于2050℃、30MPa的壓強下進行熱壓燒結，在碳化硼基體內原位反應生成了TiB2顆粒，獲得的TiB2顆粒粒徑一般在3μm以下。其中加入20vol%TiC的復相陶瓷的斷裂韌性KIC達6.3MPa?m1/2，比B4C基體提高了75%；加入10vol%TiC的復相陶瓷的抗彎強度達到最大值620MPa，比B4C基體提高了40%。
4結 束 語
碳管爐、電弧爐碳熱還原法是目前工業(yè)制備碳化硼粉末的主要方法，但由于粉末粒度較大，除直接用于磨料，如果作為燒結碳化硼的原料還需大量的破碎處理工序，大大增加了生產(chǎn)成本。自蔓延高溫合成法、化學氣相沉積法及溶膠-凝膠碳熱還原法由于制備的粉末粒度小，是實現(xiàn)碳化硼超細粉末工業(yè)化生產(chǎn)的潛在重要方法。添加燒結助劑、利用反應燒結法能有效地強化碳化硼的燒結過程。添加適宜燒結助劑的熱壓及無壓反應燒結工藝既能提高制品的性能，又能降低燒結溫度、減少能量消耗，是目前大規(guī)模生產(chǎn)高性能碳化硼制品的較佳工藝。另外，直接制備碳化硼的復合粉末，可以有效降低碳化硼粉末的合成溫度及原始粒度，有望提高碳化硼制備的綜合性能，這不失為改善碳化硼燒結的有益嘗試28。
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