复习资料先进装备材料知识讲解.docx

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复习资料先进装备材料知识讲解

《先进装备材料》复习大纲

核装备及风电装备材料

1、名词

快中子与热中子：

裂变产生的中子平均动能约2MeV称为快中子；与环境达到热平衡的中子，能量约为0.025eV称为热中子。

质量亏损:

在核反应中，指原子核的质量与组成原子核的所有单个质子与单个中子的质量之和的差,质量差以能量的形式存在。

衰变热：

放射性核素衰变时所产生的热。

中子慢化：

中子与介质原子核碰撞，引起中子能量减少而减速的现象。

天然铀和浓缩铀：

直接从矿石中提取的铀叫天然铀，经过同位素提炼后，铀235含量超过90%的铀金属。

S（E）玻璃纤维：

高强度玻璃纤维，纤维强度高的玻璃纤维。

无碱玻璃纤维，碱金属含量低的玻璃纤维。

真空灌注：

一种利用真空压力制作成型的工艺技术。

将材料铺放在模具上，抽气至负压，树脂通过胶管进入整个体系，浸透构件铺层。

树脂传递模塑：

将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法

2、高温气冷堆的作用与特点。

答：

高温气冷堆是以氦气作为冷却剂，以石墨作为慢化剂，采用全陶瓷涂敷颗粒燃料，出口温度高的反应堆，主要用来发电，钢铁和有色金属冶炼，石油精炼，海水淡化等。

特点：

出口温度高、中子吸收小传热好、安全性好、发电效率高、系统简单建造周期短。

3、高温气冷堆的球形燃料元件及其包覆燃料颗粒的构造与用料。

答：

球形燃料原件由包覆颗粒燃料和燃料元件石墨基体组成。

包覆颗粒燃料由内而外：

UO2核心，疏松的PyC层（热解炭缓冲），内致密PyC层（承压，防接触），SiC层（承压，防裂变产物扩散），外致密PyC层（保护SiC层）。

石墨基体则是由64%天然鳞片石墨，16%的人造石墨和20%的酚醛树脂

组成。

4、核反应堆慢化原理与用材。

答：

使裂变中子与慢化剂原子核发生碰撞，把其携带的能量传递给被撞原子，经多次碰撞，变为热中子。

轻水堆用轻水作慢化剂，重水堆用重水做慢化剂，气冷堆用石墨作慢化剂。

5、对比分析锆和石墨在核反应堆中的应用。

答：

锆用作轻水堆的包壳材料，空气中稳定，中子吸收截面小，良好的耐腐蚀性。

从矿石中提炼的时候需要锆铪分离，合金化可以抵消杂质，提高综合性能。

石墨分为燃料基体石墨和反射层

1.燃料元件中石墨作基体，作用保持一定燃料结构，中子慢化，导热

2.结构核级石墨：

构成堆芯砌体，起到反射中子作用，纯度要求极高。

6、风力机叶片的制造工艺及其用材。

生产准备——SS面壳体制作——PS面壳体制作——前缘腹板制作——后缘腹板制作——根部平台制作——合模——补强——表面处理——配重

用材：

基体材料（树脂），增强材料（纤维），夹芯材料（泡沫），胶粘剂和辅助材料（优异附着力，良好弹性等）

碳纤维及其复合材料

1、名词：

纤维的预氧化：

对碳纤维原丝进行高温热稳定化处理，得到具有高阻燃性，良好耐腐蚀性能的预氧丝。

纤维的石墨化：

将碳纤维置于石墨化炉内保护介质中加热到高温，使六角碳原子平面网格从二维空间的无序重叠转变为三维空间的有序重叠，且具有石墨结构的高温热处理过程。

2500

湿（干）法纺丝：

湿法纺丝是将溶解制备的纺丝液从喷丝孔喷出，在液体凝固剂固化成丝。

特点是纺丝速度慢，喷丝孔多，成本低，较常用；干法纺丝的纺丝液喷出后在热空气挥发固化成丝，特点孔少，速度高，成本高，较少使用。

等离子体氧化：

通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛等金属及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，原位生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。

纤维缠绕成形：

将浸过树脂胶液的连续纤维按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。

碳纤维捻度：

在单位长度的纱中,纤维所捻成的回旋数,一般捻度大强度也大。

2、碳纤维的定义、分类与特点。

答：

定义：

是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

分类：

按原料来源：

聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维，粘胶基碳纤维等；

按性能：

通用型，高强型，高模型，中模高强型，超高模型；

按状态：

长丝，短纤维，短切纤维

特点：

高强度，高模量，密度低，线膨胀系数小，耐腐蚀，抗放射等特点。

3、PAN基与沥青基碳纤维的制备工艺流程。

PAN基：

聚合——溶液纺丝——预氧化——炭化——石墨化——精加工

沥青基：

熔化过滤——熔纺法纺丝——不熔化处理——炭化——石墨化——精加工

4、纤维的预氧化、碳化、石墨化。

答：

预氧化和石墨化已论述

碳化：

将预氧丝在隔绝空气下热分解为碳和其他产物，去除杂志和挥发分，得到目标产物。

1000-1500

5、碳纤维的高性能化与低成本化的途径。

答：

解决途径主要包括——设计，稳定性与制造技术。

第1，选用整体化设计工艺，可起到减少零件数和装配工时的作用；

第2，第二，原材料应选用低成本中大丝束碳纤维以及适合低成本工艺的树脂；第三，碳纤维制品的加工工艺应选用非热压罐工艺，包括真空袋成形、RTM等；第四，应采用制造自动化，提高工效和降低废品率；

第五，需要利用碳纤维优良的抗疲劳和耐腐蚀性能，降低维护成本和提高出勤率。

6、树脂基复合材料的复合原则。

答：

1.对纤维具有好的润湿性，从而使基体与增强材料间具有较强的结合力；2.基体应具有较好的塑性和韧性，延缓裂纹扩展；3.基体能够很好地保护纤维表面，不产生损伤；4.纤维有很高的强度和刚度；5.纤维必须具有适当的的含量，直径和分布；6.纤维和基体应有相近的热膨胀系数

7、碳纤维复合材料的制备工艺方法。

答：

预浸——成型——固化——脱模

成型方法有：

手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、模压成型

【后面可不答】

手糊成型工艺：

在模具表面上涂抹脱模剂、胶衣，将事先裁好的碳纤维预浸布铺设在模具工作面上，在工作面上刷涂或喷射树脂胶液，达到所需要的厚度之后，成型固化、脱模、后处理。

喷射成型工艺：

一般利用短切纤维和树脂混合，在喷枪中利用压缩空气均匀喷洒在模具表面上，达到所需厚度后，再利用手工橡胶锟来回刷平，最后固化成型。

纤维缠绕成型工艺：

将经过树脂液体浸渍的连续纤维或碳布按照一定规则缠绕到芯模上面，然后经过固化、脱模、后处理成为复合材料制品的加工工艺。

拉挤成型工艺：

将事先浸渍树脂胶液的碳纤维丝束、带或布等原材料，通过牵引力的作用，挤压模具成型、固化，连续不断地生产规格、长度不同的碳纤维型材。

8、碳纤维及其复合材料在航空航天、汽车的应用需求及需要解决的问题。

答：

航空：

火箭飞机导弹等航天设备需要——结构轻质化、防热要求高尺寸稳定、可安全重复使用。

需要解决问题：

成本高；生产周期长效率低；产品设计开发难度大；回收技术不够；存在各向异性。

汽车：

车身更高的轻量化效果，抗冲吸能，高结构承载能力

需解决的问题：

理念问题，复合材料不是金属材料的替代材料；复合材料供应商与汽车制造企业的合作模式——战略合作；发展低成本材料；高效率低成本的制造工艺技术

纳米碳材料

1、名词

富勒烯：

任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。

金属型（半导体型）碳纳米管：

单壁碳纳米管按其卷曲方向有（n,m）两个参数，当（n-m）可以被3整除时，单壁碳纳米管是金属性的；反之则为半导体性的。

石墨烯：

是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

库仑阻塞效应：

一旦某个电子进入了金属微粒，它将阻止随后的第二个电子再进入同一金属微粒．因为这样的过程将导致系统总能的增加，所以是不允许发生的过程。

有机太阳能电池：

以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流,实现太阳能发电的效果.

2、富勒烯的结构特点。

答：

五角环数12个，六角环数因笼大小而异。

杂化方式介于SP2和SP3之间，整个表面形成大的一个大的共轭体系。

满足欧拉公式，凸多面体定点数（V），面数（F），棱边数（E），V+F-E=2。

3、纳米碳管的性质及其应用。

答：

奇异的导电性：

可呈金属导电性，也可呈半导体特性；存在库伦阻塞效应；优异的场发射性能。

优异的热学性质：

真空下2800℃下保持稳定；导热性能是金刚石的2倍

优异的力学性质：

极高的强度和韧性，SWNT杨氏模量高达5Tpa,强度是钢的100倍，而密度只有钢的1/6

应用：

场发射显示（LED），冷光电灯泡的灯丝，锂离子电池的负极材料，太阳能的窗口曾和高性能吸附材料。

4、石墨烯的性质及其应用。

答：

高强度，高热导率，高载流子迁移率，室温量子霍尔效应，室温铁磁性。

应用：

场效应晶体管，透明电极，高导热材料，储能器件，传感器。

轻量化材料-铝合金

1、名词

变形铝合金：

变形性铝合金是通过冲压、弯曲、挤压等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。

分为可热处理强化和不可热处理强化。

这类铝合金加热可形成单相α固溶体，塑性好。

超高强铝合金：

具有超高强度的铝-锌-镁-铜系合金，是现有铝合金中强度最高的。

这类合金可热处理强化，在人工时效状态下使用。

硬铝：

指铝合金中以Cu为主要合金元素的一类合金，代号2xxx。

防锈铝：

防锈铝主要是Al-Mn系及Al-Mg系合金。

因其时效强化效果不明显，所以不宜热处理强化，但可以通过加工硬化来提高强度及硬度。

硅铝明：

是以硅为主要合金元素的一类铸造铝合金，可分为简单硅铝明和特殊硅铝明。

具有良好的铸造性能、焊接性能、抗蚀性能和足够的力学性能。

2、铝合金的编号（1000~7000系），各个系列的主要合金元素和性能特点。

答：

1系：

含铝99%以上，也称做纯铝系列，它的特点是导电性好，耐腐蚀性能好，焊接性能好，强度低，不可热处理强化。

2系：

以铜为主要合金元素的铝合金，高温强度高，易腐蚀

3系：

以锰为主要合金元素的铝合金，不可热处理强化，耐腐蚀性能好，焊接性能好，塑性好，可通过冷加工硬化来加强强度。

4系：

以硅为主要合金元素的铝合金，铸造机械性能良好，不常用

5系：

以镁为主要合金元素的铝合金，强度塑性高，耐受性能好，不可热处理强化

6系：

以镁和硅为主要合金元素的铝合金，中等强度，耐腐蚀性能好，焊接性能好，工艺性能好（易成型），多做锻铝。

7系：

以锌镁铜为主要合金元素的铝合金，硬度非常大，焊接性能好，可热处理强化。

工艺性能好。

3、铝合金的强化方式。

答：

固溶强化：

合金元素加入纯铝中，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强度提高。

铝的合金化一般具有较大的极限溶解度。

镁的强化效果最好，锌的强化效果最差。

弥散强化：

当加入合金元素过量后，淬火加热时会产生少量Al3Er初生相粒子，冷却后固态中产生弥散分布的Al3Er颗粒，阻碍位错滑移运动。

【绕过机制】

细晶强化：

加入一些合金元素起形核剂作用，减少基体Al的孕育周期，抑制其长大，晶界变多，对位错塞积阻碍严重，起到强化作用

时效强化：

铝合金的热处理强化,主要是由于合金元素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减小,故铝合金经加热到一定温度淬火后,可以得到过饱和的铝基固溶体,这种过饱和的铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时,其强度、硬度随时间的延长而提高,塑性、韧性则降低。

【切过机制】

4、铝合金时效过程中相结构及组织的变化、及其对性能的影响。

答：

相结构及组织变化：

α过——α+GP——α+cita”——α+cita’——α+cita

其中GP区，cita”，cita’均为亚稳相，cita为平衡相。

GP区是溶质原子富集的排列有序的，均匀分布在基体上，存在一定的共格应变，起到强化效果；cita”为完全共格，比GP区有更大的共格应变，强化效果更大；cita’为部分共格，接近于平衡相；平衡相完全不共格，晶粒尺寸粗大，降低了强化效果。

整个强化过程中存在峰值失效

超