机械合金化与固液反应球磨

前言
机械合金化(Mechanical Alloying)是指将金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈的冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，促进粉末中的原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备工艺。自20世纪60年代末问世以来，机械合金化技术的研究已获得长足进展，并在先进材料的制备领域表现出许多独特的优势和广阔的应用前景。机械合金化技术是少数几种能将两种或多种非互溶相均匀混合的方法之一，可实现平衡固溶体中固溶度的扩展或使有序合金和金属间化合物无序化，能够制备固溶体、金属间化合物、非晶、准晶和纳米晶等。迄今为止，机械合金化技术已成为制备平衡相、非平衡相和复合材料等各种先进材料的有力工具。机械合金化技术制备的各种材料在航空航天、交通运输、钢铁、石油、电子工业等领域得到了广泛应用。近年来，机械合金化技术还被用来制备磁性材料、超导合金、储氢材料和热电材料等各种功能材料。总的看来，机械合金化技术发展的主要特点和趋势如下。

（1）机械合金化理论由于与实际结合更加紧密而得到飞速发展，传统制备技术越来越难以满足现代工业技术高速发展对材料使用性能所提出的日益苛刻的要求，现实的需求极大地刺激了机械合金化理论的发展和完善。

（2）机械合金化技术的应用领域不断拓展。从20世纪70年代初～80年代初，机械合金化技术主要用于研制弥散强化合金；从80年代初～90年代初，机械合金化技术主要用于制备非晶、准晶等非平衡材料；自90年代以来，机械合金化技术被用于制备金属间化合物、纳米材料及复合材料。

（3）机械合金化工艺日趋成熟。各种新工艺、新技术不断涌现，新的研究方法不断开拓，现代检测技术日新月异，促使机械合金化技术日趋成熟。

（4）机械合金化设备更加丰富，滚动球磨机、行星球磨机、搅拌球磨机、振动球磨机等各具特点，球磨效率不断提高，能够满足生产和科研等不同领域对球磨设备的具体要求。

（5）机械合金化与快速凝固等技术的结合更加紧密，单一的制备技术难以使材料性能得以充分发挥，将机械合金化与快速凝固等技术相结合来制备高性能先进材料已成为机械合金化技术发展的一条崭新道路。

十多年来，作者一直讲授“机械合金化”课程，并且在机械合金化领域开展了大量的研究工作，取得了一些较为重要的成果。在此基础上，作者于2002年提出了固液反应球磨的新概念，并采用这种全新的技术成功地制备了多种用传统的机械合金化技术难以制备的金属间化合物。在长期的研究过程中，作者深感机械合金化理论的复杂精深和机械合金化技术日新月异的蓬勃生命力。鉴于国内尚无系统阐述机械合金化技术的专著，遂开展了撰写本书的工作，以期与广大科研和生产技术工作者共享。

本书根据作者的讲义和在长期研究中所积累的经验，并结合国内外的研究历史和发展现状整理而成。书中引用了大量的参考文献，在此对这些文献的作者一并表示感谢。全书共分9章，第1章总结了机械合金化技术的发展概况；第2章介绍机械合金化装置和工作原理；第3章系统阐述机械合金化技术的球磨过程、球磨机理和理论模型；第4章全面讲述机械合金化制备弥散强化合金的发展历史、理论基础、典型制备工艺及弥散强化合金的开发与应用；第5章结合机械合金化过程中的揉搓效果与自蔓延高温合成技术，介绍机械合金化技术制备固溶体、金属间化合物与非互溶合金的基本理论和工艺基础；第6章系统介绍机械合金化引起的固溶度扩展和无序化现象及机械合金化技术制备非晶、准晶、纳米晶、亚稳相、高压相等非平衡材料的热力学、动力学及非平衡相形成范围的理论判断；第7章介绍机械合金化技术制备磁性材料、超导合金、储氢材料和热电材料等各种功能材料的理论和工艺基础；第8章介绍机械力化学的基本原理及其应用；第9章系统阐述固液反应球磨技术的特点、机理和应用。

本书内容新颖、信息量大、理论性强，具有很强的实用性和理论参考价值，并力求能反映机械合金化技术的发展历史、研究现状和发展趋势。但由于作者水平有限，书中难免有疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

在本书的撰写过程中得到了湖南大学材料学院严红革教授、博士研究生夏伟军、滕杰和张昊等人的帮助，在此深表感谢，并对化学工业出版社的热情支持表示衷心的谢意。

陈振华陈鼎2006年1月
	 
	 
	 
	 

本书全面而系统地介绍了机械合金化技术的最新研究成果，内容包括机械合金化的球磨设备、球磨机理和理论模型以及机械合金化技术在制备弥散强化合金材料、平衡相材料、非平衡相材料和功能材料等方面的应用。另外，本书还详细地介绍了机械力化学的原理及应用以及固液反应球磨技术的原理及应用。

本书内容新颖、信息量大、理论性强，具有很强的实用性和理论参考价值,可供金属材料研究、应用的科研与工程技术人员参考，也可作为高等学校材料专业的研究生和高年级本科生的教材和参考书。
	 
	 
	 
	 

目录
第1章机械合金化技术的发展概况

参考文献

第2章机械合金化球磨装置和工作原理

21机械合金化的球磨装置

211滚动球磨机

212振动球磨机

213行星球磨机

214搅拌球磨机

22机械合金化工艺参数的选择

221球磨机转速和球磨时间

222球磨介质

223球料比和填充系数

224球磨气氛

225工艺控制剂

226球磨温度

参考文献

第3章机械合金化的球磨机理和理论模型

31金属粉末的球磨过程

32机械合金化的球磨机理

321延性/延性粉末球磨体系

322延性/脆性粉末球磨体系

323脆性/脆性粉末球磨体系

33机械合金化过程的理论模型

331Benjamin模型

332MauriceCourtney模型

333Brun模型

334Abdellaoui模型

335MaginiIasonna模型

336机械合金化过程的运动学及能量传输模型

337机械合金化温升模型

338橋本等——渡辺竜三模型

参考文献

第4章机械合金化技术制备弥散强化合金

41弥散强化概论

411弥散强化材料发展历史

412弥散强化合金的典型制备工艺

413弥散强化材料的理论基础

414影响弥散强化材料强度的因素

415弥散强化材料的性能

42机械合金化技术制备弥散强化合金

421镍基ODS超合金

422铁基ODS合金

423弥散强化铝合金

424弥散强化铜合金

425其他弥散强化合金

43弥散强化合金的应用

431弥散强化高温合金的应用

432弥散强化铝基材料的应用

433弥散强化铜基材料的应用

参考文献

第5章机械合金化制备平衡相材料

51机械合金化的揉搓效果

511机械合金化的揉搓效果的实现条件

512低温固态扩散反应

513新生的活性表面

52机械合金化过程的自蔓延高温合成

521自蔓延高温合成技术

522机械合金化过程中的自蔓延高温合成分析

523无明显放热反应的机械合金化

53机械合金化制备固溶体

54机械合金化制备金属间化合物

55机械合金化制备非互溶合金

参考文献

第6章机械合金化制备非平衡相材料

61机械合金化引起的固溶度扩展

611固溶度的确定

612平衡固溶度扩展

613固溶度扩展机制

614形成固溶体的经验规律

615机械合金化与快速凝固合金的固溶度扩展比较

62机械合金化引起的无序化

621有序固溶体和有序固溶体的无序化

622B2化合物的逆位无序

623A15化合物的逆位无序

624B2结构ⅧⅢA组化合物的三重缺陷无序

625B8化合物中原子无序

626球磨引起的相转变

627总结

63机械合金化制备非晶和准晶合金

631机械合金化制备非晶合金

632机械合金化形成非晶相的热力学和动力学

633机械合金化形成非晶的机制

634非晶相形成范围的理论判断

635机械合金化工艺对非晶化的影响

636机械合金化非晶与快速凝固非晶的比较

637机械合金化制备准晶合金

64机械合金化合成亚稳相和高压相

641机械合金化合成亚稳相

642机械合金化合成高压相

65机械合金化制备纳米晶材料

651机械合金化纳米晶形成机制

652机械合金化制备纳米晶材料

653高能球磨获得纳米晶的结构特征

参考文献

第7章机械合金化制备功能材料

71机械合金化制备磁性材料

711非晶软磁合金

712稀土永磁材料

72机械合金化制备超导合金

73机械合金化制备储氢材料

731Mg2Ni系

732FeTi系

733LaNi5系

734TiMn2Ni系

74机械合金化制备热电材料

75机械合金化制备MoSi2

76机械合金化制备难熔化合物

761机械合金化制备碳化物

762机械合金化制备氮化物

763机械合金化制备硼化物

77机械合金化制备电工合金

771机械合金化制备Ag基电触头材料

772机械合金化制备Cu基电触头材料

78结束语

参考文献

第8章机械力化学原理及其应用

81机械力化学原理

811机械力化学的起源

812机械力化学的特点

813机械力化学效应

82机械力化学作用过程及其机理

821机械力化学作用过程

822机械力化学作用机理

83机械力诱发的化学反应

831机械力诱发的化学反应类型

832相间机械力化学反应

833机械力诱发的化学反应机制

834影响机械力诱发化学反应的因素

84机械力化学的应用

841纳米晶材料的制备

842金属纳米粒子的合成

843矿物和废物处理

844金属精炼

845弥散强化材料的制备

846无机材料的合成

847高分子材料的合成

848其他方面进展

85机械力化学与机械合金化的主要区别

参考文献

第9章固液反应球磨技术及其应用

91引言

92固液反应球磨技术的特点及机理

921固液反应球磨技术的特点

922固液反应球磨技术的机理

93固液反应模型

931固液反应的一般过程

932固液相反应分类

933常见的固液反应模型

94固液反应球磨过程中的打击剥落模型

941总体反应过程模型

942固液反应球磨中的固液反应模型

95固液反应球磨制备二元金属间化合物

951实验装置及其原理

952Fe系二元金属间化合物

953Al系二元金属间化合物

954Ni系二元金属间化合物

96固液反应球磨制备三元金属间化合物

961固液反应球磨制备三元金属间化合物的

实验结果

962固液反应球磨制备三元金属间化合物实验

结果的讨论

97固液反应球磨与机械合金化的比较

参考文献