金屬間化合物簡稱為IMC，主要是指金屬元素之間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物。這種金屬間化合物是一類低密度、高熔點、性質(zhì)介于金屬與陶瓷之間的有序結(jié)構(gòu)化合物，由于其微觀結(jié)構(gòu)上的特點，具有許多傳統(tǒng)材料所沒有的優(yōu)點。

    作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用，以鋁化物和硅化物為基的金屬間化合物，具有比模量、比強度高，抗氧化、抗腐蝕性能優(yōu)異的特點，可以在更高的溫度和惡劣的環(huán)境下工作。在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域人們研究較多的是Ti-A1系、Ni-Al系和Fe-Al系金屬間化合物。Ti-A1系金屬間化合物是潛在的航空航天材料，在國外已開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。Ni-A1系金屬間化合物是研究較早的一類材料，研究比較深入，取得了許多成果，也有一些實際應(yīng)用。Fe-A1系金屬間化合物與以上兩類相比，除具有高強度、耐腐蝕等優(yōu)點外，還具有低成本和低密度等優(yōu)點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

    Ti-AL 金屬間化合物應(yīng)用

    作為功能材料應(yīng)用的硅系金屬間化合物，具有電學(xué)和磁學(xué)性能優(yōu)異以及穩(wěn)定性好的特點。硅化物以MoSi2為代表，MoSi2是能用于高溫環(huán)境下的關(guān)鍵材料，其熔點為2030℃，高溫下具有優(yōu)良的抗氧化性能，其抗氧化性能與機理類似于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷SiC、S1，N4等。MoSi2在室溫下表現(xiàn)為脆性材料，在1000℃左右發(fā)生脆性一韌性轉(zhuǎn)變，在此溫度之上表現(xiàn)出類似于金屬材料的韌性。因此有著很廣闊的發(fā)展前景。

    MoSi2粉末

    結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用

    經(jīng)過多年的發(fā)展，金屬間化合物分為鋁化物和硅化物兩種體系，鋁化物包括Ti-A1系、Ni-Al系和Fe-Al系金屬間化合物等。硅化物中包括Ti-Si、Mo-Si、Ni-Si等。硅化物具有比鋁化物更高的熔點和更高的熔點和更低密度，但材料的脆性問題更加嚴(yán)重，因此，從應(yīng)用的角度看，目前以鋁化物體系為主。

    金屬間化合物的制備的方法，有傳統(tǒng)的熔鑄法，也可以采用傳統(tǒng)粉末冶金的方法。另外，近些年發(fā)展的機械合金化、反應(yīng)合成等制備新技術(shù)。由于成本問題，現(xiàn)在主要還是采用如真空熔煉、鑄造、軋制、擠壓、鍛造等傳統(tǒng)工藝，或在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上根據(jù)金屬間化合物的特點稍加改進(jìn)的方法，如彌散放熱法、自動熱熔煉法等。

    真空熔煉制備金屬間化合物

    Fe-Al系金屬間化合物

    Fe-Al金屬間化合物中最受關(guān)注的主要是Fe3Al與FeAl合金，金屬間化合物的研究始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)歷幾次研究熱潮，在70年代末取得突破，到80年代，F(xiàn)e-Al合金作為一類結(jié)構(gòu)材料面向應(yīng)用得到廣泛研究，到90年代研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)水汽是導(dǎo)致Fe-A1合金室溫脆性的根本原因，然后人們對Fe-A1合金的反常屈服行為、室溫脆性、合金成分的理論設(shè)計，微合金化對Fe3Al性能的影響，F(xiàn)e3Al合金的制備工藝等方面都進(jìn)行了較全面的研究。比如由美國橡樹嶺國家實驗室研究人員開發(fā)出的Fe3Al合金不僅有良好的耐熱、耐磨和耐腐蝕性能，其室溫伸長率可達(dá)12.8％。采用快速凝固工藝制粉、熱擠壓固結(jié)的Fe3Al合金，其室溫伸長率高達(dá)15％—20％，抗拉強度高達(dá)960MPa。是代替不銹鋼的理想材料。目前通過適當(dāng)?shù)臒峒庸すに嚶肪€，F(xiàn)e3Al基合金可以軋制成各種板材和管材，因此材料學(xué)家認(rèn)為，該材料預(yù)計將在航空、化工、核反應(yīng)堆元件、熔爐高溫裝置、電磁元件等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

    Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能

    目前Fe-A1合金通常采用熔鑄工藝制備，包括空氣中感應(yīng)熔煉、真空中熔煉、真空電弧重熔以及電渣重熔等方法。為避免水汽反應(yīng)，最好采用真空熔煉。熔煉工藝包括：用Ar-q將Fe液脫C、S，然后加入Cr、Ni等合金，此后將經(jīng)處理后的Pe液加人已預(yù)熱到500℃的鋁中，最后通人氬氣使合金均勻化。該法成本低，Ai與爐襯反應(yīng)也小。第二種工藝是同時將各合金元素加入爐中，顯然此時Al首先熔化，然后Fe與其它元素溶解。熔鑄組織會出現(xiàn)成分偏析，通常解決辦法是進(jìn)行均勻化處理。

    納米晶Fe3Al基材料

    Ti-Al金屬間化合物

    TiAl基合金是一種新興的金屬化合物結(jié)構(gòu)材料，γ-TiA1合金具有許多突出特點，例如：密度低，具有高的比強度和比彈性模量，在高溫時仍可以保持足夠高的強度和剛度，同時它還具有良好的抗蠕變及抗氧化能力等等，這使其成為航天、航空及汽車用發(fā)動機耐熱結(jié)構(gòu)件極具競爭力的材料，因此，TiA1合金的發(fā)展一直受到世界各國研究者的關(guān)注和重視。

    TiAl基合金應(yīng)用于航空領(lǐng)域

    熔煉鑄造是Ti-A1系金屬間化合物的主要制備方法，此外目前文獻(xiàn)中報道較多的Ti-A1系金屬間化合物的制備工藝及過程還包括：

    粉末冶金法粉末冶金法：這是制備TiAl基合金比較常用的一種方法。近年來，隨著TiAl基合金粉末制備技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠制備出粒度小而且球形度好的TiAl基合金粉末。目前用于TOT基合金（包括Ti3AI在內(nèi)）的粉末冶金近凈形狀成形技術(shù)主要有熱等靜壓技術(shù)和準(zhǔn)熱等靜壓技術(shù)。

    機械合金化法：該技術(shù)是利用高能球磨機把純的T1粉和Al粉放人球磨罐中并加入適量的添加劑進(jìn)行球磨直至生成金屬間化合物，機械合金化是一種固態(tài)反應(yīng)過程。目前普遍接受的觀點認(rèn)為。元素粉末在球磨時，晶粒反復(fù)的斷裂、冷焊，晶粒細(xì)化并形成層狀精細(xì)結(jié)構(gòu)，Ti和Al原子通過界面擴(kuò)散而逐漸實現(xiàn)合金化。

    γ-TiA1合金

    經(jīng)過最近十幾年廣泛而深入的研究，Ti-A1基金屬間化合物的性能不斷提高，其中部分性能已接近甚至達(dá)到了實用化的要求，像燃油發(fā)動機的α2合金鍛造翼面、γ合金鑄造翼面，γ合金鑄造壓氣機套筒等。其次，機加仁和連接技術(shù)也得到了發(fā)展。到目前為止，α2合金的制造技術(shù)最為成熟。比如，高壓渦輪起動器內(nèi)支承環(huán)，采用Ti3Al比用高溫合金重量可減輕43％。盡管如此，這些材料由試驗性發(fā)動機到軍用發(fā)動機生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變將比過去常規(guī)合金要困難得多。

    Ni-Al金屬間化合物

    Ni-Al金屬間化合物中有Ni3Al和NiAl兩種化合物，Ni3Al的熔點是1400℃，NiAl的熔點是1640℃。與傳統(tǒng)的Ni基高溫合金相比，具有一定的優(yōu)勢。以前影響Ni-Al化合物的主要障礙是其室溫塑性低，呈晶間脆斷的特征。自從發(fā)現(xiàn)B微合金化能大幅提高Ni3Al的塑性以后，以及圍繞這一現(xiàn)象建立的環(huán)境致脆機理，目前Ni3Al合金的室溫延伸率可提高35%，基本滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。

    Ni3Al粉末

    我國北京航空材料研究院也自主開發(fā)了Ni3Al基的IC-6合金。Ni3Al基合金可應(yīng)用于渦輪發(fā)動機燃燒室，以提高發(fā)動機工作溫度。IC-221M合金已被美國公司選為代替Ni基高溫合金IN-713C來制造柴油機增壓器，以改善其疲勞壽命和降低成本。我國的IC-6合金已被制成渦輪發(fā)動機部件，并在1996和1998年珠海的航空空展表演飛行。由于其優(yōu)良的耐磨、抗?jié)B碳能力，Ni3Al基合金還可用于包括熱鍛模具材料、高溫管材、加熱爐部件和高溫緊固件材料等，以代替FeNiCr合金。利用NiAl合金比高溫強度、比蠕動強度高的特點，美國通用開發(fā)了NiAl合金單晶葉片，用于新一代噴氣發(fā)動機。

    功能材料應(yīng)用

    利用金屬間化合物的光電磁功能特性，開發(fā)適用于工業(yè)用的產(chǎn)品，是金屬間化合物的另一重要領(lǐng)域。如其高導(dǎo)磁性能、低電阻溫度系數(shù)等，非常適合電子工業(yè)中作為功能性材料應(yīng)用，以替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，提高器件的性能和環(huán)境穩(wěn)定性。

    半導(dǎo)體材料

    通常都把金屬間半導(dǎo)體化合物叫做化合物半導(dǎo)體。這些化合物均為直接躍遷型，優(yōu)點在于其能和晶格常數(shù)可通過調(diào)節(jié)化合物的組成，異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)以及超晶格的構(gòu)造加以控制。

    半導(dǎo)體材料

    金屬間化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用：HgCdTe用于遠(yuǎn)紅外光電探測，SiC用于生產(chǎn)輸出功率比硅高的晶體管，過渡金屬硅化物用于溫差電換能器，具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的三元化合物用于制備高效的太陽能電池。用HgCrSe制造的鐵磁性半導(dǎo)體激光器，其波長可受室溫和外磁場的變化控制。此外，在航空航天領(lǐng)域，高性能的軍事飛行裝備、噴氣式飛機和民用飛機都需要能在高溫下工作的電子器件與系統(tǒng)。可以說金屬間化合物半導(dǎo)體在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面有很重要的應(yīng)用，前景無限廣闊。

    半導(dǎo)體材料應(yīng)用于飛機上

    超導(dǎo)材料

    限制超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用的主要問題是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的溫度太低，附加的冷卻設(shè)備復(fù)雜。金屬間化合物超導(dǎo)體的出現(xiàn)為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣泛的前景。20世紀(jì)50年代后期，用Nb3Sn首次纏繞出8T的高場實用磁體，此后又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度更高的Nb3Ge。然而Nb3Sn與延性好的固溶合金NbTi相比，存在著無法進(jìn)行塑性加工的缺點。因此開發(fā)了青銅法。青銅法是將鈮棒插入到Cu-Sn合金管內(nèi)，再將一束這樣的合金管聚集在一個包套內(nèi)，擠壓成細(xì)絲，然后退火，通過Cu-Sn合金與鈮之間的反應(yīng)形成Nb3Sn。

    Nb3Sn材料

    金屬間化合物超導(dǎo)體主要用途可歸納為以下幾種：

    1、制成超導(dǎo)電纜，這種超導(dǎo)電纜電流輸送能力高于同樣截面的普通電纜2-4倍；損耗僅為常規(guī)電纜的10%甚至更低；其強大的載流能力可減少輸電線的使用，節(jié)約資源；

    超導(dǎo)電纜

    2、基于抗磁效應(yīng)開發(fā)屏蔽元件，如磁懸浮列車等產(chǎn)品。

    3、超導(dǎo)發(fā)電機的應(yīng)用是在常規(guī)發(fā)電機的基礎(chǔ)上，把發(fā)電機轉(zhuǎn)子用超導(dǎo)材料代替而制成的。超導(dǎo)發(fā)電機體積僅是常規(guī)發(fā)電機的1/2,重量為常規(guī)發(fā)電機的1/3，但它的發(fā)電效率卻可提高50%，緊湊性也大為提高，在航空航天方面應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電機，可以使超導(dǎo)發(fā)電機如魚得水的發(fā)揮其優(yōu)勢，同時也可滿足人們在速度效率等方面的要求。

    金屬間化合物作為一類新興的材料已經(jīng)表現(xiàn)出了許多優(yōu)異性能。這引起了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。金屬間化合物不僅可用于比合金更高的工作溫度，而且具有比合金更高的比強度、比剛度及抗氧化性能力，是航空航天、國防軍事等高新科技的關(guān)鍵材料。

    我國在金屬間化合物的領(lǐng)域取得一系列成果，然而與世界先進(jìn)水平還有一定的差距，尤其是開發(fā)應(yīng)用方面明顯滯后，目前急需做的是盡快將研究成果向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，提高國內(nèi)產(chǎn)品的技術(shù)含量。

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責(zé)任編輯：王元

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