2013-6热双曲超材料Thermal hyperbolic metamaterials

超材料和变换光学

由「超材料」到「变换光学」的发展简史与基本原理 「超材料」(Metamaterial) 并不是一个定义得很清楚的术语,其中的字根"meta" 意指「超越」,相当於英文的"beyond".一般而言,此一术语意指一些特别设计的人工结构,能像均匀材料那样对电磁场(波)或声波,弹性波反应(response),但却具有天然材料所没有的反应特性[1].这些特性包括:高频人工磁性(artificial magnetism) [2], 负磁导率(negative permeability) [3], 负折射指数(negative index of refraction) [4], 以及双曲型色散关系(hyperbolic dispersion) [5,6] 等.这些有趣的特性导致一些迷人的现象,例如负折射(negative refraction) [7], 次波长成像(subwavelength imaging) [8], 电磁场增益(field enhancement) [9], 以及近场—远场转换(near-to-far field conversion) [5,6] 等.根据这些现象,在过去数年已有许多新颖的元件被设计与制作出来,并已被测试.例如超透镜(superlens) [8,10], 双曲透镜(hyperlens) [6], 工作频率在微波频段的隐形斗篷(invisibility cloak) [11], 以及电浆子波导(plasmonic waveguide) [12] 等.这些工作显示了超材料研究在微波与光波研究方面都有很好的理论与应用前景. 研究超材料的最初目的主要是为了创造一种具有很强的高频磁响应(strong magnetic response at high frequency) 特性的人工材料或结构[2].当这个目的实现后,研究人员又成功的设计并制作了能同时具有等效负磁导率与负介电常数(negative permittivity) [13] 的周期性金属结构.此种「双负」(double negative, or DNG) 材料会具有等效的负折射率[3,4],因而可以具体实现V. G. Veselago 在40 年前[7] 就预测过的「把光折

超高温陶瓷及其应用资料

超高温陶瓷及其应用

超高温陶瓷及其应用讲座小结 超高温陶瓷（UHTCs: Ultra High Temperature Ceramic? 是指能在1800°C 以上温度下使用的陶瓷材料。这类陶瓷材料有望用于航天火箭的发动机部件，太空往返飞行器和高超音速运载工具的防热系统，先进核能系统用抗辐照结构材料和惰性基体材料，以及金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件等。目前，针对超高温陶瓷的主要研究内容包括：微结构调控与强韧化、抗氧化-耐烧蚀-抗热震性能的提升、抗辐照性能的改善等。 超高温陶瓷材料最早的研究从I960'年代开始。当时在美国空军的支持下，Manlab开始了超高温陶瓷材料的研究，研究对象主要是ZrB2和HfB2及其 复合材料。研发的80vol%HfB 2 -20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的需要，但采用的热压工艺对部件制备有很大的限制。到1990' s NASA Ames实验室也开始了相关研究。与此同时，美国空军从1960'年代开 始进行尖锐前缘飞行器及其热防护系统的分析和设计，经过三十多年的研究，取得了很大进展。Ames实验室及其合作伙伴开展了系统热分析、材料研发和电弧加热器测试等一系列研究工作，并于1990'年代进行了两次飞行实验 （SHARP-B1、SHARP-B2）。其中，SHARP-B2的尖锐翼前缘根据热环境的不同分为三部分，分别采用的是ZrB2 /SiC/C、ZrB2/SiC和HfB2/SiC材料，展示了基于二硼化铪和二硼化锆为主体的一类超高温陶瓷材料作为大气层中高超声速飞行器热防护系统材料的应用前景。2003年2月1日，美国航天飞机发生了哥伦比亚”号的爆炸惨剧，为了保障未来的航天飞机具有更可靠的飞行安全性，美国航天宇航局（NASA ）在哥伦比亚”号失事后迅速启动了相关的研究计划，其中就包括研究新一代超高温陶瓷，用于航天飞机的阻热材料。研究计划目的在于开发出熔点高于3000C的超高温陶瓷材料，主要是ZrB2、HfB2以及它们的复合材料，作为航天飞机的新型阻热材料。 从材料种类来看，超高温陶瓷主要包括高熔点硼化物和碳化物。其中 HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过 3000C，无相变，具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好抗热震性能

全球与中国市场超硬材料深度研究报告(2018-2022年)

全球与中国市场超硬材料深度研究报告

研究报告目录 第一章行业概述及全球与中国市场发展现状 1.1 超硬材料行业简介 1.1.1 超硬材料行业界定及分类 1.1.2 超硬材料行业特征 1.2 超硬材料产品主要分类 1.2.1 不同种类超硬材料价格走势(2012-2022 年) 1.2.2 钻石 1.2.3 立方氮化硼 1.2.4 其他 1.3 超硬材料主要应用领域分析 1.3.1 建筑石材 1.3.2 磨料磨具类 1.3.3 复合聚晶工具 1.3.4 其他 1.4 全球与中国市场发展现状对比 1.4.1 全球市场发展现状及未来趋势(2012-2022 年) 1.4.2 中国生产发展现状及未来趋势(2012-2022 年) 1.5 全球超硬材料供需现状及预测(2012-2022 年) 1.5.1 全球超硬材料产能、产量、产能利用率及发展趋势(2012-2022 年) 1.5.2 全球超硬材料产量、表观消费量及发展趋势(2012-2022 年) 1.5.3 全球超硬材料产量、市场需求量及发展趋势(2012-2022 年) 1.6 中国超硬材料供需现状及预测(2012-2022 年) 1.6.1 中国超硬材料产能、产量、产能利用率及发展趋势(2012-2022 年) 1.6.2 中国超硬材料产量、表观消费量及发展趋势(2012-2022 年) 1.6.3 中国超硬材料产量、市场需求量及发展趋势(2012-2022 年) 1.7 超硬材料中国及欧美日等行业政策分析第二章全球与中国主要厂商超硬材料产量、产值及竞争分析 2.1 全球市场超硬材料主要厂商2016 和2017 年产量、产值及市场份额 2.1.1 全球市场超硬材料主要厂商2016和2017 年产量列表 2.1.2 全球市场超硬材料主要厂商2016和2017 年产值列表 2.1.3 全球市场超硬材料主要厂商2016和2017 年产品价格列表 2.2 中国市场超硬材料主要厂商2016 和2017 年产量、产值及市场份额

超硬材料的结构特征与材料硬度的关系

超硬材料的结构特征与材料硬度的关系 材料中的化学键按其特性可分成三类：即金属键、共价键和离子键材料。一般说来，共价键材料具有最高的硬度；离子键材料具有较好的化学稳定性；金属键材料具有较好的综合性能。 材料硬度的大小，主要决定于物质内部结构中原子间结合力的强弱。结合力越强，抵抗外力作用的强度就越大，材料的硬度就越高。金属键一般不很强，故金属键结合成的材料硬度通常不高。共价键则因其键力很强，所以共价键结合成的材料均具有很高的硬度，如金刚石是世界上最硬的材料。离子键的键力较强，因而离子键材料有较高的硬度。 材料的硬度与材料的内部结构特征如离子半径、价键、配位数有关。其规律如下： ①对于结合力类型相同的材料，其离子半径减小，硬度也可提高； ②离子电价高，键力提高，硬度也可提高； ③质点堆积越紧密，密度越大，硬度越高； ④阳离子配位数越高，硬度越高。 1.元素的共价半径 元素周期表中给出了元素的共价半径。共价半径小，材料硬度高。为什么碳是最符合生成超硬材料的元素呢?下面我们分析一下元素的性能。 ①惰性气体 它们是满壳层的元素，其化合价为零，通常呈气态，可用降温或加压的方式使其变为液态，但是除去温度、压力条件则又变成气体，所以它很难变为超硬材料。 ②氢 在通常状况下呈气态。氢原子(H)只有一个电子，当它与其他原子(x)形成共价键后，氢核就暴露在外面，于是可通过库仑作用再与其他电负性较大的原子(Y)相结合。因而，氢键可表示为X —H —Y 的形式。当X 与H 结合时，形成共价键x —H ，结合得紧密；当H 再与Y 结合时，形成氢键，结合力弱。尽管氢还可以通过特殊的形式形成有诸多性能的固态金属氢，但它没有超硬的性能。 ③第二周期中的元素 当把第二周期以外的元素分析过之后，就余下第二周期的锂（Li ）、铵(Be)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等几种元素了，它们的共价半径见表1—3。 对于N ，O ，F ：通常呈气态，凡气体从其特性出发，不可能形成超硬的材料。 对于Li ，Be ，B ：它们的共价半径均大于碳，若从共价半径小，硬度高的规律来考虑，就只剩下碳元素了。 综上所述，碳是最符合生成最坚硬物质的元素。 2.价键 从价键的观点出发，半满键的碳，呈4价，它既可“捕获”4个电子变成稳定态，也可“奉献”4个电子而呈稳定态。因此，碳通常以共价键结合，具有很高的硬度。 (1)杂化轨道理论 杂化轨道是相当普遍的原子结合形式之一。杂化轨道理论最先是由鲍林(Paning L)和斯来托(Slater J ．C)于1931年提出的。鲍林把d 轨道组合进去，得到了s —p —d 杂化轨道(图l —3)。唐敖庆等把f 轨道组合进去，得到了s —p —d —f 杂化轨道，使该理论更加完善。对金刚石而言，仅讨论s —p 轨道杂化，而不去讨论d —f 更为复杂的杂化轨道。 在量子力学里有叠位原理和简并状态，如金刚石的3 sp ，可写为s 、x p 、y p 、z p ，它

未来十年高分子材料重点发展领域及需求分析

未来十年高分子材料重点发展领域及需求分析 《中国制造2025》围绕经济社会发展和国家安全重大需求，选择10大优势和战略产业作为突破点，力争到2025年达到国际领先地位或国际先进水平。十大重点领域是：新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农业装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械。 图表高分子材料十大重点发展领域 数据来源：产研智库 为指明十大重点领域的发展趋势、发展重点，引导企业的创新活动，国家制造强国建设战略咨询委员会特组织编制了《中国制造2025》重点领域技术路线图，其中提到与高分子材料直接相关的项目如下： 1、降低船体摩擦阻力涂料 重点突破新型高性能降阻涂料技术、船底空气润滑降阻技术等。 2、低温材料与防寒设备 重点开展适用于极地航行船舶的低温材料、泵、阀件等核心液压元件低温启动和密封技术研发。 3、轻量化车身 实现复合材料/混合材料技术突破，降低成本，在新能源汽车上的应用率达到30%，自主率超过50%。

4、高性能聚烯烃材料 突破高熔融指数聚丙烯、超高分子量聚乙烯、发泡聚丙烯、聚丁烯-1（PB）等工业化生产技术，实现规模应用。 5、聚氨酯树脂 重点发展环保型聚氨脂材料如水性聚氨酯材料，加快发展脂肪族异氰酸酯等原料。 6、氟硅树脂 重点发展聚偏氟乙烯、PET、其它氟树脂以及硅树脂、硅油等。 7、特种合成橡胶 重点发展异戊橡胶并配套发展异丁烯合成异戊二烯；发展硅橡胶、溶聚丁苯橡胶和稀土顺丁橡胶；发展卤化丁基、氢华丁腈等具有特殊性能的橡胶等。 8、生物基合成材料 重点突破生物基橡胶合成技术，生物基芳烃合成技术，生物基尼龙制备关键技术，新型生物基增塑剂合成及应用关键技术，生物基聚氨酯制备关键技术，生物基聚酯制备关键技术，生物法制备基础化工原料关键基础技术等。 9、生物基轻工材料 重点发展聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）、聚对苯二甲酸二元醇酯（PET、PTT)、聚羟基烷酸（PHA)、聚酰胺（PA)等产品。PLA关键单体L-乳酸和D-乳酸的光学纯度达99.9%以上，成本下降20%；PBS关键单体生物基丁二酸、1，4-丁二醇提高生物转化率达5-10%；PTT关键单体1，3-丙二醇以木薯淀粉、甘油等非粮原料发酵生产，PTT纤维聚合纺丝实现产业化；PA关键单体戊二胺硫酸盐成品纯度高于99%，成本下降20%。 10、特种工程塑料 重点发展基于热塑性聚酰亚胺（PI）工程塑料树脂、杂萘联苯型聚醚砜酮共聚树脂（PPESK）、高端氟塑料的加工成型的特种纤维、过滤材料、耐高温功能膜、高性能树脂基复合材料、耐高温绝缘材料、耐高温功能涂料、耐高温特种胶粘剂。热塑性聚酰亚胺工程塑料树脂，粘度0.38dL/g，Tg=230-310℃，Td5%>500℃，拉伸强度>100MPa，弯曲强度>150MP，成本<15万/吨；杂萘联苯型聚醚砜酮共聚树脂，Tg=263-305℃，拉伸强度90-122MPa，拉伸模量2.4-3.8GPa，体积电阻率3.8-4.8×1016Ω·cm，成本降低到PEEK的50－70％。高端氟塑料主要性能指标：超纯氟塑料制品：PTFE固体表现密度SSG≤2.147g/cm3,PTFE树脂拉伸强度＞28MPa，伸长率＞350%，绝缘强度＞3.5KV/mil。满足SEMI标准中C12的要求；耐高低温氟材料功能膜、特种氟纤维及过滤产品：满足高端环保要求，PTFE树脂要求压缩比＞3000，拉伸强度＞28MPa，伸长率＞360%；油气及化工流体输送用泵、阀门及管

超材料(metamaterials)在电子元件中的应用

第 27 卷 第 9 期 2008 年 9 月
电 子 元 件 与 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS
Vol.27 No.9 Sep. 2008
新一代片式元件
超材料(metamaterials)在电子元件中的应用
周 济
（清华大学 材料科学与工程系, 北京 100084） 摘要: 超材料（metamaterials）指的是一些呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料。它们的超 常特征来源于其中人工制备的、特殊的非均匀插入结构所导致的物理响应。介绍了近年来发展出的超材料包括左手材 料、 “隐身斗篷”和光子晶体等，对其在电子元件领域中的应用进行了评述和展望。 关键词: 电子技术；超材料；综述；电子元件；左手材料 中图分类号: TB39 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2008）09-0001-04
Applications of metamaterials in electronic components
ZHOU Ji
(Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China) Abstract: A new class of artificial composites that exhibit exceptional properties not readily observed in nature called metamaterials. These properties arise from qualitatively new response functions that are not observed in the constituent materials and result from the inclusion of artificially fabricated, extrinsic inhomogeneities. A few metamaterials being developed in recent years, including left-handed materials, invisible cloak and photonic crystals were summarized. Review and prospect on applications of metamaterials in the area of electronic components were presented. Key words: electron technology; metamaterials; review; electronic components; left-handed materials
metamaterial（超材料）是 21 世纪物理学领域出 现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学 文献中。拉丁语“meta-”，可以表达“超出、亚、另类” 等含义。对于 metamaterial 一词，目前尚未有一个严 格的、权威的定义，不同的文献上给出的定义也各不 相同，但一般都认为 metamaterial 是“具有天然材料所 不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 在互联网上颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对 metamaterial 一词是这样解释的：“In electromagnetism (covering areas like optics and photonics), a meta material (or metamaterial) is an object that gains its (electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material has properties not found in naturally-formed substances”。这一解释可能是迄今对 metamaterial 一词给出的最科学规范的定义， 尽管这一 定义从目前的观点看过于狭隘（该定义似乎只针对电 磁领域的材料，而实际上，最新的研究表明 metamaterial 已经包括一些声学材料） 。 从这一定义中， 我们可以看到 metamaterial 的三个重要特征：
（1）metamaterial 通常是具有新奇人工设计结构 的复合材料； （2）metamaterial 具有超常的物理性质（往往是 自然界的材料所不具备的） ； （3）metamaterial 的性质往往不主要取决于构成 材料的本征性质， 而主要取决于其中的人工设计结构。 目前，人们已经发展出的这类超材料系统包括光 子晶体、左手材料、“隐身斗篷（invisible cloak）”和 全吸收超材料等。 近年来，各种超材料系统的出现引起了科学界的 广泛关注。1998 年和 1999 年，与光子晶体有关的研 究新突破先后两度被 Science 杂志列为世界上的“十大 科学进展”，2006 年底，该杂志又再次将光子晶体列 为未来自然科学的热点领域。而另一类超材料——左 手材料则是在 2003 年被 Science 杂志列为当年的“ 十 大科学进展”。2006 年底，由于英美两国科学家利用 与左手材料相类似的设计方法获得的梯度超材料成功 实现了“隐身斗篷”的功能， Science 杂志又一次将其列 为当年的“ 十大科学进展”。笔者将着重对近年来超材 料在电子元件领域的应用及发展动向做一简要介绍。
收稿日期：2008-07-31 作者简介 ： 周济 （1962－） ， 男， 吉林九台人， 长江特聘教授， 博士后， 主要从事信息功能材料研究。 Tel:(010) 62772975； E-mail: zhouji@https://www.sodocs.net/doc/8912041589.html, 。

超高温陶瓷复合材料的研究进展

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 超高温陶瓷复合材料的研究进展 超高温陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮 化物，它们的熔点均在3000℃以上。在这些超高温陶瓷中，ZrB2 和HfB2 基超高温陶瓷复合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀 性能，可以在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀，是一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。 超高温陶瓷复合材料的制备 超高温陶瓷复合材料的致密化主要有热压烧结(HP)、放电等离子烧结(SPS)、反应热压烧结((RHP)和无压烧结(PS)。在这些制备方法中，热压烧结是目前超 高温陶瓷复合材料最主要的烧结方法。 热压烧结 ZrB2 和HfB2 都是ALB2 型的六方晶系结构，其强共价键、低晶界及体扩散 速率的特征，导致该类材料需要在非常高的温度下才能致密化，一般需要2100 ℃或更高的温度和适中的压力(20-30 MPa)或较低温度(~1800℃)及极高压力( 800 MPa)。ZrB2 和HfB2 结构和性能相近，后者的熔点比前者高，需要更高的致密化温度，同时具有更优异的高温性能，而前者的密度和成本都比后者 低，也是业内关注最多的。 放电等离子烧结 放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通人脉冲电流进行加热烧结，具有升温 速度快、烧结时间短、组织结构可控等优点，该方法近年来用于超高温陶瓷复 合材料的制备。产生的脉冲电流在粉体颗粒之间会发生放电，使其颗粒接触部 位温度非常高，在烧结初期可以净化颗粒的表面，同时产生各种颗粒表面缺 陷，改善晶界的扩散和材料的传质，从而促进致密化，相对于热压烧结超高温

超硬材料磨具的研究和发展动态

第21卷第1期 超　硬　材　料　工　程V o l.21 2009年2月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G Feb.2009超硬材料磨具的研究和发展动态① 万　隆 (湖南大学材料学院,湖南长沙　410082) 摘　要:文章在说明我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足进步的基础上,介 绍了一些新材料、新生产工艺和新装备被引进我国超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了我国超硬材料 磨具行业的发展和技术进步;并展望了磨具的发展方向。 关键词:超硬材料磨具;磨具结合剂;综述;磨具制备新工艺;磨具的发展方向 中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)01-0040-03 Research and develop i ng trends of superhard ma ter i a l gr i nd i ng tools W AN L ong (Colleg e of M a teria l S cience and E ng ineering in H unan U n iversity,Chang sha410082,Ch ina) Abstract:B ased on the illu strati on of the great p rogress of the indu stry fo r sup erhard m a2 terial grinding too ls w ith the rap id developm en t of Ch inese econom y and scien tific techno l2 ogy,it has in troduced that som e new m aterials,new p roducing techn iques w ith new e2 qu i pm en ts have been i m po rted to p roducti on and research of sup erhard m aterial grinding too ls in Ch ina,w h ich w ill p rom o te the developm en t of sup erhard m aterial grinding too l indu stry in Ch ina w ith its techn ical p rogress.T he develop ing trends of grinding too ls have also been p ro sp ected. Keywords:sup erhard m aterial grinding too ls;grinding too ls b inder;review;new m anu2 factu ring techn iques fo r grinding too ls;develop ing trends of grinding too ls 超硬材料磨粒最主要的用途是制备工具,而所制备的工具又以磨具为主,超硬材料磨具在超硬材料工具的总量中占80%以上。 近年来,随着我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足的进步,一些新材料、新生产工艺和新装备被引进超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了超硬材料磨具的发展。近年来超硬材料磨具研究的热点有以下几方面: 1　对磨具结合剂的研究 在磨具中,结合剂的性能是决定磨具性能尤其是砂轮性能的主要因素之一。1.1　微晶玻璃结合剂 微晶玻璃与陶瓷相比,内部缺陷少,其中的结晶尺寸细小,因而强度高,并且微晶玻璃可以采用玻璃的制备工艺。微晶玻璃有较低的熔点,能在700℃～850℃烧成,对磨料浸润性好,故比较适合作为c BN 砂轮结合剂使用,微晶玻璃结合剂中能形成大量微小的晶体,具有高耐磨、高抗拉强度等性能。 采用微晶玻璃作为砂轮结合剂的关键技术在于微晶玻璃的基础配方确定、晶核剂的选择以及二次晶化的条件控制。基础配方决定了玻璃中是否能够形成晶体,是否能够对磨料有较好的浸润和较低的熔化温度;晶核剂主要起诱导结晶作用,对玻璃中产生的晶体数量及形成的晶体形态产生影响。二次晶化条件主 ①收稿日期:2008-06-15 作者简介:万　隆(1956-),男,教授,博士生导师,主要从事材料科学方面的科研和教学工作。

超硬材料报告

超硬材料的性能和应用 材料成型及控制工程2009级2班张天珍学号：20091420224 摘要：超硬材料在工业发展进程中扮演了至关重要的角色。随着时代发展和技术的更新，将越来越受到人们的关注。本文立足事实基础，以超硬材料多年的发展历史为背景，详细介绍了超硬材料的基本性能以及在工业、军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材等方面的应用。重点介绍了金刚石和立方氮化硼的性能和应用关键词：超硬材料金刚石立方氮化硼性能应用 1、引言 金刚石及立方氮化硼称为超硬材料,是因为它们具有超凡的高硬度特性。金刚石是自然界已知物质中最硬的物质, 还具有高绝缘性、优异的耐磨性和良好的导热性。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石, 还具有高耐磨、低摩擦系数、优异的耐热性和化学稳定性,特别是对铁族金属呈化学惰性,尤其适合于加工硬而脆的铁族金属材料。立方氮化硼的这一特点是金刚石所不能比拟的。这样, 立方氮化硼就以其独特的优越性与金刚石相互补充,构成了超硬材料的两大体系。超硬材料具有其他材料无可比拟的优异力学、热学、光学、声学、电学和生物等性能，享有“材料之王”赞誉，是用途广泛的极端材料，不仅可加工世界上所有的已知材料，而且可制成性能极端的功能性器件，在诸多应用领域具有不可替代性。超硬材料及制品已广泛应用于军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材、机场、清洁能源、高速铁路、公路、石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、救灾抢险、家庭装修等国计民生的各个领域。 2、金刚石的性能和应用 2.1金刚石的发展史 人类最早发现先金刚石是在公元前800年，但直到18实际末，才开始对金刚石有了系统科学的研究。法国人拉瓦锡发现金刚石可燃烧，英国人费南腾研究证实金刚石是碳的同素异形体。1955年由美国通用电气公司首次以石墨为原料在高温高压条件下合成出金刚石，从此，工业技术领域进入新的时代。 2.2金刚石的性能 金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料。莫氏硬度为10 ,是石英8.5倍，刚玉的4.4倍，立方氮化硼的1.56倍。特别指出，（111）面的硬度大于（110）

超高温陶瓷的研究进展_郭强强

·综述· 收稿日期：2015－05－20 作者简介：郭强强，1989年出生，硕士，主要从事超高温陶瓷材料的研究工作。E －mail ：qqguo@outlook．com 超高温陶瓷的研究进展 郭强强 冯志海周延春 （航天材料及工艺研究所，先进功能复合材料技术重点实验室，北京100076） 文 摘 超高温陶瓷在极端环境中能够保持稳定的物理和化学性质，被认为是高超声速飞行器和大气层 再入飞行器鼻锥和前缘最有前途的候选热防护材料。本文系统评述了超高温陶瓷（主要是过渡金属硼化物、碳化物和氮化物）在粉体合成、致密化、力学性能等方面的研究进展。对超高温陶瓷研究中存在的一些问题作出初步总结，希望对超高温陶瓷的进一步研究和应用起到积极的推动作用。 关键词 超高温陶瓷，粉体合成，致密化，力学性能 中图分类号：TB3DOI ：10．3969/j．issn．1007－2330．2015．05．001Progress on Ultra-High Temperature Ceramics GUO Qiangqiang FENG Zhihai ZHOU Yanchun （Science and Technology of Advanced Functional Composite Materials Laboratory ，Aerospace Ｒesearch Institute of Materials ＆Processing Technology ，Beijing 100076） Abstract Ultra-high temperature ceramics （UHTCs ）are regarded as the most promising thermal protective ma- terials for the nose and leading edge of hypersonic or re-entry vehicles due to their stability of physical and chemical properties in extreme environment．The progress on UHTCs is reviewed in detail ，including powder synthesis ，densifi-cation and mechanical properties．Also ，some problems exist in the material studies are preliminarily summarized．It is expected that this review will provide some guidance for stimulating further research and practical applications of the UHTCs． Key words Ultra-high temperature ceramics ，Powder synthesis ，Densification ，Mechanical property 引言 超高温陶瓷（UHTCs ）通常指熔点超过3000?，并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的一类 特殊陶瓷材料，通常包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。极端环境一般指高温、反应气氛（如原子氧，等离子体等）、机械载荷和磨损等组成的综合环境。随着航空航天技术的迅猛发展和实现空天一体化的迫切需要，高超声速飞行器是近年来许多国家航空航天部门发展的重点领域。在长时间高超声速巡航、跨大气层飞行和大气层再入等极端环境下，飞行器机翼前缘和鼻锥等关键部件在飞行过程中与大气剧烈摩擦，产生极高的温度。如Falcon 计划 中机翼前缘的驻点区域温度可以超过2000?［1］，此 外火箭喷嘴口、吸气增强推进系统和发动机进气道在 飞行过程中也要承受高热载荷和机械载荷。目前，极少材料能够在如此剧烈的氧化对流环境中保持结构和尺寸的完整性。因此，如何设计和制备有着良好的抗氧化性、抗烧蚀性、抗热震性并保持一定高温强度的超高温热防护材料成为新型空天飞行器亟待解决的重要技术问题。 目前有望在1800?以上温度使用的材料一般有 难熔金属材料、陶瓷基复合材料、C /C 复合材料等。难熔金属材料密度高、加工性能和抗氧化性差，不适合作为高超声速飞行器鼻锥和前缘等部位的热防护 材料。C /C 复合材料是一种良好的结构/功能一体化材料，已成功用于制造导弹的弹头部件、航天飞机防

超硬材料及制品的基本知识

超硬材料及制品基本知识 一、超硬材料概念:对于超硬材料的含义至今没有一 个公认为满意的解释。1981年国际硬物质科学会议认为,硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质，这就自然包括了金刚石和立方碳化硼。后来对这个定义进行了补充,认为能加工诸如硬质合金(硬度1600—1８00ＨV)、刚玉（—２00０ＨV）、碳化硅(—22００HV）等这一类物质的材料称为超硬材料。目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度，所以统称为超硬材,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 二、超硬材料的分类:分为单晶超硬材料和聚晶超硬 材料(也称为“复合超硬材料”）及3．金刚石薄膜三类。 单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为:单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料,添加金属或非金属粘结剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。它的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体,可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。 金刚石薄膜是用化学气相沉积(CVＤ）法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄

膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具,还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、Ｘ光检测窗口等，应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究，并已列入国家“863计划”，现已能制备出8０ｍm、厚2mm的金刚石薄膜，并在应用研究方面取得了不少成果,但目前总体上仍处于研制阶段,尚未达到工业化应用阶段。有人预计,金刚石薄膜将是２１世纪金刚石工业的主要材料，各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。 三、金刚石按用途分为两类:质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。 宝石级金刚石,又称钻石，光泽灿烂,晶莹剔透,被誉为“宝石之王”,价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石）,以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交 ?总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1．1复合超硬材料的主要产品用途?当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 (1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击

超高温陶瓷及其应用

超高温陶瓷及其应用讲座小结 超高温陶瓷（UHTCs：Ultra High Temperature Ceramics）是指能在1800℃以上温度下使用的陶瓷材料。这类陶瓷材料有望用于航天火箭的发动机部件，太空往返飞行器和高超音速运载工具的防热系统，先进核能系统用抗辐照结构材料和惰性基体材料，以及金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件等。目前，针对超高温陶瓷的主要研究内容包括：微结构调控与强韧化、抗氧化－耐烧蚀－抗热震性能的提升、抗辐照性能的改善等。 超高温陶瓷材料最早的研究从1960’s年代开始。当时在美国空军的支持下，Manlab开始了超高温陶瓷材料的研究，研究对象主要是ZrB2和HfB2及其复合材料。研发的80vol%HfB2 -20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的需要，但采用的热压工艺对部件制备有很大的限制。到1990’s ，NASA Ames 实验室也开始了相关研究。与此同时，美国空军从1960’s年代开始进行尖锐前缘飞行器及其热防护系统的分析和设计，经过三十多年的研究，取得了很大进展。Ames 实验室及其合作伙伴开展了系统热分析、材料研发和电弧加热器测试等一系列研究工作，并于1990’s年代进行了两次飞行实验（SHARP-B1 、SHARP-B2）。其中，SHARP-B2 的尖锐翼前缘根据热环境的不同分为三部分，分别采用的是ZrB2 /SiC/C 、ZrB2/SiC和HfB2/SiC材料，展示了基于二硼化铪和二硼化锆为主体的一类超高温陶瓷材料作为大气层中高超声速飞行器热防护系统材料的应用前景。2003年2 月1 日，美国航天飞机发生了“哥伦比亚”号的爆炸惨剧，为了保障未来的航天飞机具有更可靠的飞行安全性，美国航天宇航局（NASA）在“哥伦比亚”号失事后迅速启动了相关的研究计划，其中就包括研究新一代超高温陶瓷，用于航天飞机的阻热材料。研究计划目的在于开发出熔点高于3000℃的超高温陶瓷材料，主要是ZrB2、HfB2以及它们的复合材料，作为航天飞机的新型阻热材料。 从材料种类来看，超高温陶瓷主要包括高熔点硼化物和碳化物。其中HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过3000℃，无相变，具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等，并能在高温下保持很高的强度。成为超高温陶瓷最具潜力的候选材料。

超硬材料市场分析

1 复合超硬材料简介 1.1 复合超硬材料基本情况 金刚石和立方氮化硼等材料由于其极高的硬度，统称为超硬材料，具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 目前，超硬材料主要分为单晶超硬材料和聚晶超硬材料（也称为“复合超硬材料”）两类。单晶超硬材料主要为单晶金刚石/立方氮化硼微粉；聚晶超硬材料主要是指以金刚石或立方氮化硼与相关粘结剂经过烧结工艺制备的复合材料。 两类材料的主要区别为：单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好，但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具；聚晶金刚石/立方氮化硼的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料，但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体，可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的容易从锯片表面脱落的弊端，具有更高的耐磨性。 总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性，市场潜力更大，广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域，电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1.2 复合超硬材料的主要产品用途

当前，复合超硬材料的产品主要分为四类：石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 （1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结 剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性，这些优良特性使其能够应用在岩石的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿，是钻头上起到切削和掘进的核心部件。 （2）煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片 由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点，复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外，还可用于制作煤田矿山钻头用PCD复合片，其用途并不局限制造于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具，还可广泛应用于制造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领域的钻进工具。 （3）聚晶金刚石高品级拉丝模坯 拉丝模是各种金属线材生产厂家（如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等）拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加

赵治亚：超材料高端装备

赵治亚：超材料高端装备 7月28日，中国电科发展战略研究中心与远望智库联合举办了“新挑战、新理念、新技术——未来战争研讨会”，来自权威机构共13名专家，对前沿科技和未来战争相关问题，进行全面深入解析，展开广泛交流和探讨。来自军方、国防工业部门以及科研院校近600人参加了会议。超材料高端装备赵治亚深圳光启高等理工研究院（在未来战争论坛上的报告） 感谢中国电科发展战略研究中心和远望智库提供这么好的 一个平台，我们大家进行思维的交流和互动。我们一直是从事于超材料的技术及装备的研究，我们想在这里从超材料，从材料的这个角度以及在国内外的应用情况和对未来战争 的影响。从这块跟大家分享一下我们的心得。概述 这块的特殊之处，因为超材料整个从概念到技术它还是一个相对来讲比较新的程度。而且它的成熟度尤其是以2006年开始为一个起点。所以从这个角度上来讲大家从美国也好，从中国也好，大家的起跑的时间是一致的。尤其是我们的几位院长，原来在美国的这个领域研发的核心团队，所以在这块我们更看重的是这个里面的发展的时间窗口。谁能更有效地把握住时间窗口，还有像上午专家所说的，更快地进行研究里面的迭代，谁就更有可能去把握先机影响到未

来的战场。图1 下面的报告想从三个方面跟大家简要地介绍一下。第一个可能大家对于超材料从原理到技术到应用可能还不是很熟悉。想对超材料进行一个电磁材料进行一个介绍。第二个主要是从国内外的超材料的发展还有超材料武器装备上面的发展 进行介绍，尤其是以国外的武器装备发展的情况为主。还有第三个也想简要地介绍一下我们对于未来装备发展，尤其是我们超材料能够在未来装备发展里面所产生的作用和影响。part 1 超材料介绍图2 图2比较好地介绍了超材料的基本的原理。根据我们的国家标准GJB 32005-2015这个标准里面的描述，超材料的定义是什么呢？就是一种特殊的复合材料或者是结构，通过对于材料的关键物理尺寸上进行有序的结构设计，来使它进行常规材料所不具备的这种超常物理性质。如果是针对电磁波的频谱，我们可以根据电磁波频谱工作的波长取这个波长的四分之一到二十分之一波长这 样的一个尺寸。比如在厘米级和毫米级的这样的一个尺寸我们对它进行人工的拓扑结构和排布方式进行一个设计，可以看到比如说类似于这样的二维的柔性的超材料，和三维的这种超材料的设计，从而达到一个传统的介质材料所不能达到的，对于电磁波的调控的影响。所以它的整个的超材料的核心就是针对于我所要工作的这个波长进行有序的结 构和排布设计，从而达到我们可以人工定制化地去调制电磁