时间：2023-06-05 09:57:20
Abstract： In this paper， through the introduction of the current situation of the development of water-based ink and metallic ink， including the introduction of resin， binders and additives. They are combined with the most useful ingredients so far. Therefore， a new kind of water-based gravure ink metal is put forward to replace the processing technology of paper and aluminum composite in the cigarette package. Now， the residual substances such as glue and adhesive used in the paper aluminum composite process are harmful to people's health. Smoking is harmful to health， but there is no harm in packaging. So， it is important to avoid the formation of harmful substances in the packaging to avoid the added mistake.
关键词： 水性油墨；金属油墨；树脂；连结料；助剂；水性金属凹印油墨
Key words： water-based ink；metal ink；resin；binders；additives；water-based metal gravure ink
中图分类号：TQ630.6+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0131-03
0 引言
近年来，伴随着工业化的发展，国家对印刷行业低碳环保要求的不断深入，对低碳环保型的印刷油墨需求越来越迫切，油墨市场的低碳竞争日趋激烈、环保低碳的呼声愈来愈高，传统的溶剂型（苯或酯）类油墨已不能适应和满足现代印刷业的发展需求，具有环保性、低碳性、无毒无污染、适应国家环保发展需要的水性金属油墨亟待推出。
作为一种新型的环保油墨，水性金属油墨的探索响应了我国绿色印刷的号召，加速了绿色进程，其主要优势有：不含挥发性有机溶剂，不仅能减少印刷品表面残留的有害物质，易于印刷设备清洗，还能降低由于静电和易燃溶剂引起的火灾隐患。唯一不足的是现有的技术水平印刷出来的产品仅能达到现有挥发性溶剂油墨的金属光泽和印刷效果的70%。
1 水性凹版油墨的发展
1.1 凹版印刷原理
在印刷过程中，印版滚筒的一部分浸渍于墨槽中并在墨槽中滚动，使整个印版表面涂满油墨，然后用刮刀刮去印版空白部分的油墨，使图文部分着墨，非图文部分不着墨，再由压印机将凹下的图文部分油墨压印到承印物表面，完成油墨向承印物的转移[1]。
凹版油墨的黏度很低，并且有大量挥发性的有机溶剂，生产凹印油墨时一般用球磨机或砂磨机研磨，以减少溶剂挥发[2]。现在，工业材料、包装装潢印刷等都采用了凹版印刷，其中包括塑料（聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龙等）、铝箔、卡、玻璃纸等。目前，对产品不断创新是促进油墨增长的一条不错的途径[3]。
1.2 国外水性油墨的发展
早在20世纪60年代，由于环保的要求和石油原材料的紧张，一些发达国家逐渐限制使用石油产品制造印刷油墨。由此人们开始研究非有机溶剂型油墨，使得水性油墨取得了较大的进展。
到了20世纪70年代，由于石油危机，导致油墨用原材料再度紧张，同时对于食品等包装的要求也进一步提升。水性油墨经过不断的升级，解决了光泽度和印刷适性等方面的不足，最终促进了水性油墨的发展。在美国，95%的柔版印刷品和80%的凹版印刷品采用了水性油墨；在日本，70%的柔性版印刷用于瓦楞纸箱行业，其中95%的业务使用的是水性油墨。
1.3 国内水性油墨的发展
我国近代水性油墨的发展首先是从网印用水性油墨开始的，是利用一些水溶性淀粉、骨胶之类的天然高分子物质作为连接料，与颜料研磨得到水性油墨，人们习惯称之为皮浆，用于丝网印刷。对于油墨环保性能的要求的越来越高，已有部分水基凹印油墨开始使用，最早使用的水性油墨是用一种溶于乙醇和碱性水溶液的天然树脂虫胶作为连接料，随着科学技术的发展，松香、马来酸改性树脂成为了油墨中主要的成分。
1.4 水性金属油墨的现状
同其他油墨一样，金、银墨主要也是由颜料和连结料两大部分组成的，简单的说金墨是用捣墨法制成的金粉和调金油调配而成的印刷油墨，银墨是由铝粉和调银油墨而成的。不同于溶剂型金属颜料，水性金、银墨使用的水性金属颜料需要进行特殊的表面处理，从而获得亲水性和耐水性，更好地分散于水环境，适应强极性高张力体系[4]。
但是水性金属颜料粉末是细颗粒物，长时间悬浮与空气中造成一定的空气污染。
2 油墨用树脂等助剂的研究现状
2.1 树脂的研究现状
油墨树脂常见的有水性氨基树脂、马来酸树脂、羟甲基纤维素、水溶性丙烯酸树脂、氨基甲酸乙酸树脂、松香改性酚醛树脂、醇酸树脂、聚酰胺树脂等。其中水性丙烯酸树脂由于它在光泽度、耐热性、耐水性、光泽、着色性等方面具有显著的优势，现在国外大多数采用它作榱结料。具体优势如表1所示。
应用于水性油墨的丙烯酸树脂可分为两类：一类是乳液型；一类是水溶型。水溶型丙烯酸树脂干燥速度慢，连续成膜型差，一般都配合其他乳液使用。
2.1.1 松香改性酚醛树脂
松香改性酚醛树脂是由酚与醛在催化剂作用下缩合，再与松香进行反应，之后经过多元醇酯化得到得。
松香改性酚醛树脂颜色为透明黄棕色，能容与大多数有机溶剂。主要使用的为以下4种：
①210松香改性酚醛树脂；
②2116松香改性酚醛树脂；
③2118松香改性酚醛树脂；
④2134松香改性酚醛树脂。
2.1.2 聚氨酯树脂
聚氨酯树脂能溶于醇、酯等溶剂或其他混合溶剂，并且不需要依靠毒性很大的苯溶剂，因此可以用来生产符合环保要求的油墨。
①PU-3401聚氨酯树脂；
②PU-3403聚氨酯树脂；
③PU-1818L聚氨酯树脂。
2.1.3 聚酮树脂
聚酮树脂是由环己酮-醛缩合的中性、淡黄透明并且不会皂化的树脂。它的分子链上的羰基和羟基官能团可以使其可溶于乙醇或异丙醇溶剂中。酮-醛缩聚过程中可以提高涂膜的光泽度和韧性。
2.2 连结料的研究现状
油墨连结料是油墨的关键组成部分，能够将颜料及助剂等组合在一起，形成具有流动性能的油墨混合物。主要是由树脂、有机溶剂及辅助剂制成，一般需要通过加热反应生产。
2.3 助剂的研究现状
助剂的种类很多，其中包括消泡剂，表面活性剂，增塑剂，催干剂，流平助剂，光引发剂等。
消泡剂主要用于黏度较低的油墨，这些油墨在传输过程中有可能混入大量的空气，产生气泡。在油墨印刷过程中，刮刀将油墨从制版上刮下或从印辊上流下来，油墨之间会产生撞击，也会产生大量的气泡。目前使用比较多的是聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂。它无毒、无污染、挥发性低、消泡能力强等特点。
表面活性剂是指少量加入即能明显地改变表面各种性质的物质。油墨是由固体物质分散在液体物质中形成的分散体系，加入表面活性剂的目的是为了使油墨中各组分能够均匀分散。
增塑剂在油墨中被视为一种永久的溶剂，因为它的挥发性较差，具有保留性。油墨印刷在承印物上，会形成一个墨膜，我们希望它有弹性有强度，可以忍受折叠和揉搓，所以必须加入增塑剂才能形成较好的墨膜。目前使用最广泛、效果最好的增塑剂是邻苯二甲酸二辛酯。
使用催干剂是为了促进油墨在印品上的干燥速度。常见的有钴催干剂、锰催干剂和铅催干剂。
流平助剂可以使油墨表面平整光滑，使印品光泽度好并减少针孔现象。目前为止采用的是长链硅树脂，例如二苯基聚硅氧烷，它也是一个表面活性剂，可以提高油墨对承印物的润湿性，并且改善流平性。
光引发剂又称光敏剂或光固化剂，主要用于UV金属油墨，在紫外光的照射下发生固化反应，迅速干燥成膜。选用2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化磷、1-羟基苯基环己酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一种或多种。
3 水性金属油墨凹印工艺的研究
3.1 工艺过程
接通电源，检查机器-预热-固定原料于放料口-脱开压臂，压轴动力-放置衬纸-收卷轴穿入收盘纸芯管-固定衬纸-安装刮刀-检查输气系统-放置涂料-打开色泵-放置铝箔-打开并调节吹风机、主电机-调节机器转速-调整放料轴-控制机器转速-注意机器补料及机器运转情况-防止烘烤过度-关闭风机，清洗施胶辊-断开成品，放置备用收卷轴-根据停机时间，清洗机器-生产结束后关闭电源-清理现场，规整工具。
3.2 配料及工艺参数
采用表2水性凹印金属油墨配方印刷出来的成品经检验可以达到纸铝复合或真空镀铝效果的70%。
4 未来研究方向与展望
未来水性金属凹印油墨必然会逐渐成为市场主导并且取代现有的溶剂型油墨，甚至达到并超过现有的纸铝复合以及真空镀铝纸的效果。但是，目前的主要问题就是用水和乙醇作为溶剂会影响印刷的干燥速度，印刷出来的效果不但没有超过现有的采用苯及甲苯作为溶剂的效果，而且或许远远达不到要求，同时通过与真空镀铝纸和纸铝复合方式的对比，效果只能达到其70%，这就需要研究人员在未来的探索中继续突破。另外采用的水性金属凹印油墨需要配有特殊的工艺以及对机器设备的特殊要求，例如凹印辊的改造等问题都有待解决。水性金属油墨未来的大方向或许向纳米级别进军，能否代替现有的色浆，这将是一个里程碑式的进步。
参考文献：
[1]辛秀兰，水性油墨[M].第二版，化学工业出版社，2012，5.
关键词：金属材料；环境友好加工；清洁生产
1 概述
金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，我国的人均金属材料占有量依然很低，金属材料在一段相当长的时期将占据材料工业的主导地位[1]。随着可持续发展思想、理念及其实践的逐步形成与不断发展，在金属材料零部件的成型、加工、使用、拆卸、回收再利用等环节，符合人与自然和谐发展的基本要求，加强污染防止与治理、减少废物、替代有害物质、注重清洁生产技术正在成为支持可持续发展的有力战略措施[2]。传统的金属材料内成型与控制技术包括液态成型技术、固态成型技术以及液―固成型技术。金属材料环境友好成型加工技术既包括按环境友好金属材料的基本思想和设计原则开发的新一代金属材料，也包括对传统金属材料的环境友好化改造，也就是说，在传统金属材料基础上，通过对金属材材料制造工艺的不断调整，成型加工技术的不断改造，逐渐实现传统材料的环境友好成型加工技术[3]。金属材料环境友好成型加工技术要求在金属材料产品生产过程中具有对能源消耗少、对环境污染小、对生产成本要求低的特点，也具有循环再生利用高的工艺基础和技术优势。只有这样，才能将金属材料环境友好成型加工技术与现代工业大规模生产形结合，在金属材料及金属产品的设计阶段，就要纵观金属材料产品整个生命周期过程，充分考虑到每个成型加工环节对节省资源、能源、保护环境、废弃后容易再生循环的要求，同时具有良好的功能特性和舒适性，达到环境友好材料的目的[4]，从而提高金属材料在生产和使用中的资源及能源的利用效率，降低成本，提高质量，增大可靠性，延长设备使用寿命[5]。所以，金属材料环境友好成型加工技术是面向环境的金属材料成型加工及应用研究，是金属材料产业中人与自然和协调发展的理性选择，是金属材料产业可持续发展的必由之路。
2 金属材料成型加工过程的环境负荷
随着我国社会经济的高速发展，金属材料成型加工的总量也在不断增大，对资源和能源的消耗也不断增加，由此造成的资源和能源短缺现象也日益严重。金属材料矿产资源是不可更新的自然资源，传统的成型加工过程对金属材料大量消耗，必然会使人类面临金属材料资源逐渐减少以至枯竭的威胁。我国钢铁工业能源消耗巨大，金属材料生命周期的各个阶段均会造成环境负载。由于金属材料在采矿冶炼、成型加工、产品制备、设备使用及废弃过程中产生大量的废水、废气、固体废弃物等，对生态环境造成了很大的破坏，致使全球环境污染问题变得更加严峻，加重了地球的环境负担。因此，对金属材料的成型加工、生产和使用而言，对自然资源的消耗是源头，对生态环境的污染是末尾。就钢铁材料冶金生产而言，钢铁的生产和使用与资源消耗和环境负荷有着密不可分的关系。由于钢铁材料以型材供应为主，钢铁材料的能耗居材料产业能耗之首；就废物排放而言，排放的废水、废气量大。我国有色金属材料工业，由于矿产资源品位很低，有色金属材料进行提取和加工耗能较大。每年生产的有色金属产品造成大量的尾矿和废渣等工业固体废弃物。在有色金属材料生产过程中，向大气中排放的二氧化硫、氟化氢等废气，是工业有毒废气的主要源头之一。所以要减轻金属材料成型加工过程的环境负荷，在金属材料成型加工设计阶段，就把金属材料的使用性能与和环境保护结合起来，使金属材料在具有优异性能同时，也充分满足资源的有限性和自然环境容量的有限性。
3 金属材料环境友好成型加工技术
一是降低钢铁生产中的吨钢能耗比，采用先进的金属材料成型加工工艺及设备，逐步淘汰落后的轧钢工艺装备。提高废钢铁在现代炼钢中的比重，推广高效节能、环境友好的的电能炼钢技术。在电炉中采用辅助能源装置和余热回收循环利用技术，提高连续铸造、连续退火、直接轧钢等连续化生产的比重。应健全金属材料成型加工工艺废旧钢回收管理机制，将废钢铁回收、加工、分离技术和有害元素的去除技术与金属材料环境友好成型加工技术结合起来。进一步提高金属材料成型加工过程的成材率，应用近终形连铸技术，使连铸坯的尺寸接近设计的最终钢材断面尺寸，省去了开坯工艺、初轧工艺，甚至可以免去整个热轧工序过程。先进的连铸技术可控制冷却速率，金属凝固速度提高，形核率增大，可得到细小晶粒组织，减少或消除中心偏析等缺陷，获得良好的钢材性能。目前，近终形连铸的钢铁短流程的工艺特点是无焦碳、不轧制，全部实现热态连续生产过程。二是开发金属材料环境友好成型加工产品，在工业生产中，将低资源消耗、低能源消耗、低污染的金属材料产品，根据其生命周期的长短分为流动性产品和贮存性产品。易拉罐等流动性产品的生命周期短，要求在产品整个生命周期投入尽可能少的资源消耗和能源用量。不但要选择在这个阶段的资源消耗少、能源消耗低的材料，还要易于循环再生。桥梁结构材料等贮存性产品生命周期长，在降低制造阶段的资源消耗和低能源消耗时，更重要的是采用金属材料环境友好成型加工技术，通过桥梁结构材料的高功能化、长寿命化、提高桥梁结构材料的可靠性和可维修性，满足低污染、低的资源消耗、低的能源消耗要求。三是金属基复合材料的二次成型加工技术，金属基复合材料具有可设计性好的优异性能，普遍应用于航海、航空、航天、军事等各个领域[5]。在金属基复合材料的成型加工生产中，为了降低复合材料生产成本，提高复合材料性能，往往是先将金属基复合材料制成初级坯料后，再采用二次成型加工技术进行成形，制成可应用的复合材料零件、或者型材等[6]。随着金属基复合材料精密成型加工技术的发展，精密洁净、表面光洁、尺寸精度高的金属基复合材料产品需求量逐年增大，精确化和强韧化的金属基复合材料产品市场越来越大。
参考文献
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关键词：双金属冷复合带轧机；组成；设计要点
中图分类号：TG269 文献标识码：A
金俑春洗材是一种应用十分广泛的材料，在军工、电子、电力等行业中都有着广泛的应用。在金属复合带材的生产过程中双金属复合轧机是一种极为重要的设备。随着我国经济快速发展以及双金属复合轧机研究的不断深入，我国已经能够完成多种规格带材的生产。随着材料强度、生产工艺的要求，轧机从原先的热复合发展到了冷复合，轧制的金属种类涵盖了钢、铜、铝以及精密合金等的众多的金属。做好双金属复合轧机的研究与应用对于确保我国带材的生产有着极为重要的意义。
1.双金属冷复合带轧机的特点分析
双金属复合轧机其具有冷、热两种复合形式。热复合轧机主要用于对复合材料进行轧制前的加热，加热的目标是为了降低复合材料的屈服强度，而为实现这一目标需要将加热温度控制在材料退火温度的区间范围内。通过热轧机前期的加热可以使得复合材料在轧制的过程中需要的轧制力大为降低。在热轧机加热方式的选择上需要根据所需加热材料的不同进行相应的选择，比如说可以选择电阻加热、感应加热等的加热方式。为做好对于加热温度的控制，在双金属复合轧机中需要配置相应的温度控制设备用以使得轧制材料能够均匀受热。此外，选用不同的加热方式将会限制热金属复合轧机对于轧制材料种类的扩展，并对轧制复合材料的性能产生了一定的影响。而为了规避热金属复合轧制设备的上述缺陷，冷复合轧制方式被越来越多的人们所接受。相较于热复合轧制机冷复合轧制机对于复合材料的轧制是在常温下进行的，在轧制的过程中通过采用60%～70%的下压量对复合材料进行多次轧制，从而将两种或是多种金属有机地复合轧制在一起。为有效地拓展冷复合轧制机的使用效率，在对冷复合轧制机进行设计时应当引起注意，通过对冷复合轧制机设计能力的提升使得其能够对多种金属进行复合轧制，从而拓宽冷复合轧制机的利用效率。
2.双金属冷复合带轧机的组成
双金属冷复合带轧机结构如图1所示，其主要由开卷机（1）、入口设备（2）、轧机导位装置（3）、轧机本体（4）以及出口设备（5）等部分组成。对于双金属冷复合带轧机的入口设备可以在直头穿带功能的基础上加设在线修磨设备，用以对进入双金属冷复合带轧机的复合材料进行前期的表面打磨处理，从而使得待轧制的复合材料在打磨后去除表面的氧化层，露出氧化层下的非氧化金属层。双金属冷复合带轧机省去了热复合轧机的加热装置，因此，不论是在结构还是控制方面都大为简化。
3.双金属冷复合带轧机设计难点与要点分析
在双金属冷复合带轧机的设计过程中，双金属冷复合带轧机会受到所轧制金属特殊工艺的影响，使得双金属冷复合带轧机在设计上与一般轧机有所区别。在双金属冷复合带轧机的设计过程中最关键也是最主要的难点是要求双金属冷复合带轧机的一次轧制压下率要达到60%～70%左右，而在进行双金属叠加轧制的过程中应当避免使用轧制液以避免轧制液进入到双金属结合面而导致复合金属的轧制失效。针对这一问题在双金属冷复合带轧机的设计过程中要引起注意，从而导致双金属冷复合带轧机的设计要与传统一般轧机有所区别。在双金属冷复合带轧机轧制咬入时（以某厚度为9mm，宽度350mm，屈服强度>400MPa的金属材料）对于金属材料的压下率为70%，金属材料与轧辊之间的摩擦系数按照0.1进行计算后双金属冷复合带轧机的轧辊的直径需要超过900mm才能满足咬入要求。而轧辊直径和轧制力的加大则会造成双金属冷复合带轧机的体型较大，造成双金属冷复合带轧机的成本上升。为提高双金属冷复合带轧机的性价比，在双金属冷复合带轧机的设计过程中会减小对于双金属冷复合带轧机的一次轧制压下率的要求，对于双金属冷复合带轧机的压下率采取分步实现的方式。通过这一方式能够将双金属冷复合带轧机的轧辊从900mm缩减至300mm左右，对于双金属冷复合带轧机各轧辊的轧制力的要求也大幅缩减。在双金属冷复合带轧机中采用4轧辊的结构形式，4轧辊中包含有正负弯辊装置，用以对双金属冷复合带轧机的轧制刚度和轧制带型进行相应地调整。在双金属冷复合带轧机的设计过程中对于轧制传动方式的选择根据所轧制材料的特性而有所区别，对于强度较低的金属材料，在双金属冷复合带轧机的传动方式上多选用的是直接传动的方式，而对于一些强度较高的材料，在传动上为了确保双金属冷复合带轧机轧辊的轧制效果，需要通过适当提高双金属冷复合带轧机工作辊的直径来确保支撑辊与工作辊之间扭矩的有效传递。对于双金属冷复合带轧机轧制过程中的问题，由于不能采用轧制油避免其造成金属复合失效。双金属冷复合带轧机在方式的选择上选用的是微量方式，如喷雾、辊涂等的方式，此外对于油需要选择流动性较差的油。但是需要注意的是上述方式将会导致双金属冷复合带轧机轧制过程中轧制力分布不均匀，因此在双金属冷复合带轧机轧制过程中选用均匀、持续、适合的油用量是双金属冷复合带轧机设计中需要注意的问题。双金属冷复合带轧机在轧制的过程中会产生大量的变形热，而其所采用的微量油方式对于冷却的效果较差。为改善冷却效果，在双金属冷复合带轧机的设计过程中选用轧辊中空水冷的冷却方式，并辅助空气风冷，根据计算能够将双金属冷复合带轧机轧制过程中的工作温度控制在120℃的范围内。适宜的温度也容易保证油的效果，确保轧制的顺利进行。
结语
双金属冷复合带轧机能够满足多种金属材料的轧制需求，是轧机的重要发展方向。本文在分析双金属冷复合带轧机结构特点的基础上对双金属冷复合带轧机的设计要点及难点进行了分析介绍，做好双金属冷复合带轧机的设计提升其功能性能以使得双金属冷复合带轧机有着广泛的应用前景。
参考文献
[1]张京诚.双金属冷复合轧机的设计初探[J].有色金属加工，2015，44（6）：6-7.
口腔生物医学材料具有比较广泛的应用范围，不只是在因先天或后天原因导致牙体组织和颌面器官缺损的修复方面进行应用，还可能在鉴别诊断口腔疾病方面具有辅助作用。生物医学材料可实现对缺损组织与器官的修复和置换，恢复组织或器官的正常功能。随着迅猛发展的科技水平，口腔生物医学材料的制作方法也具有明显的改进，日益推出复合型与功能型形式各样的生物医学材料，并日益优化其性能。
2. 资料与方法
通过对生物医学和生命科学有关文献的数据库的检索，并进行较深入地分析。结合临床口腔生物医学材料应用的特点，比较分析有关数据。口腔生物医学材料基础性研究、临床应用的生物医学材料等相关文献都是重要依据，并将与目的无关的研究结果予以排除。
3. 结果
按照材质类别可将口腔生物医学材料分为金属、高分子及非金属生物复合材料三类。金属类材料在临床口腔生物材料中是最早应用的一类材料，这类材料优点是具有较高强度、较强韧性、获取容易等，在临床中应用广泛。还可结合其成分将金属类材料分为纯金属、合金及特种金属三种，在临床中纯金属类材料应用不多，应用较多的主要是合金和特种金属。合金类金属材料由不少于两种金属元素组成，尽管其延展与抗压等物理性能低于纯金属材料，但在应用中生物安全性较高，所以在临床中具有比较广泛的应用。钴基合金材料目前广泛应用的合金类材料，主要有钴铬钨镍和钴铬钼合金两类，具有抗腐蚀性较强的性能，高于单一金属材料40倍。但在加工制作过程中比较烦琐，所以相对具有比较昂贵的价格。此外，机械性能也比纯金属类材料高，通常在替换颞下颌关节与颌面部内固定大面积骨折中应用较多。钛合金与上述金属合金材料相比较，具有较高的机械性能和相容性，在人体植入后不会产生排斥反应和毒副作用，生物相容性较好。通常在种植牙基桩制作、固定骨折及骨缺损替代植入性材料中比较常用。但在使用中金属材料也具有不足之处，诸如在使用中因人体具有比较复杂的内部环境，因人体内长期存在金属材料部会造成离子向体内微渗入，进而产生较大的副作用和毒性。
在现代口腔生物医学材料中非金属生物复合材料也是其中的重要组成部分，主要有以下三种。一是生物活性陶瓷，该材料是表面具有生物活性和吸附性的一種陶瓷，通常具有羟基，为多孔形，具有较高的孔隙率。在体内生物活性陶瓷能够降解吸收，通常在生物体内用于骨诱导材料对新生骨生长具有一定的诱导作用。在实际应用中骨传导性与诱导性良好，所以通常该材料可用于修复骨缺损的一种支架材料，在支架的周围利用填充材料的良好生物学活性充填覆盖，以实现对缺损的修复作用，并使材料增加生物相容性。二是惰性生物陶瓷材料，其主要成分是氧化铝和氧化锆，硬度高，生物相容性好，所以通常在内固定骨折中应用较多，在制作口腔全瓷牙内冠中也比较常用。三是复合树脂，主要混合有机树脂基质和无机填料形成，在特定条件下是能够引发化学性反应的一种修复材料，在修复小面积牙体缺损时比较适合。在临床中目前主要应用的有光固化、化学固化及复合固化等树脂类材料，该材料具有较强的可塑性、良好的仿真性、较高的生物相容性、比较耐磨等优势。
在临床中高分子类材料是一种比较广泛应用的材料，稳定性强，聚乙烯和聚丙烯是其主要成分。与其它材料相比较，该材料在人体中不能降解产生离子，因此不具有毒性。抗冲击性和抗摩擦性也较强，所以在替换人工关节中应用比较广泛。高分子类材料中的硅橡胶材料耐高温、腐蚀及透气性较高，所以在制作颌面部复体及口腔印模精确制取材料中应用较广。另外，该材料可降解，经一段时间后可形成小分子化合物而随人体基础代谢排出患者体外。
4. 讨论
通过研究分析生物材料有关文献资料，在口腔临床生物医学材料中选取金属材料、高分子、生物复合材料三大类分别进行研究。大部分高分子材料与生物复合材料都是由不少于两种材料构成，对这类材料进行制作时，可利用相关技术对材料微观构造进行改变，使材料特性和优点得到充分发挥，对不足之处进行有效弥补，对生物材料赋予新的生物特性。材料的生物相容性和机械强度较高，具有较强的耐腐蚀性，在特定环境下能够降解吸收，在临床应用中完全满足。在高分子材料与生物复合材料中，我国开展相关的研究相对较晚，并在研究初期发展相对较为缓慢，但经过近年来的不断发展，已由最初的盲目效仿逐渐发展到自主研发，由质变迅速发展发展到量变。口腔医用生物医学材料目前在我国已逐渐由传统的单一功能、非专一化、低效逐步发展为功能完善、复合化、专业化及高效，发表的生物医学材料的相关文献也跃居世界第二。
随着医学技术及材料技术的快速发展，口腔生物医学材料也得到了前所未有的发展机遇。目前在临床研究中已逐渐由常用的无机材料转变为有机材料，有机类生物材料在开展较多研究的就是多糖类物质。天然多糖类物质中壳聚糖属于其中一种，其生物相容性良好，抗菌性能优异。通常该类材料被用于对各种材料进行塑造以便于长入细胞和将应力传递至骨与骨之间。壳聚糖类物质因其生物相容性和细胞黏附性较好，而被广泛用于各种细胞因子和药物载体，实现对遗传信息进行传递以及相关疾病的临床治疗。
5. 结语
综上所述，口腔生物医学材料近年来已由传统的单一型材料逐渐过渡到新的复合型、智能型和功能型材料，生物医学材料可实现对缺损组织与器官的修复和置换，恢复组织或器官的正常功能。随着迅猛发展的科技水平，口腔生物医学材料的制作方法也具有明显的改进，日益推出复合型与功能型形式各样的生物医学材料，并日益优化其性能。相信在不远的将来，这种材料在组织工程学及口腔临床应用中将得到迅速发展。
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关键词:难熔金属 材料 金属硅化物
金属硅化物具有熔点高、硬度高、高温蠕变强度高、耐磨耐蚀性能优异等突出优点,是很有发展潜力的室温及高温结构材料的开发研究对象。但是,金属硅化物还存在比较严重的室温脆性和较低的断裂强度,严重影响着其应用前景。因此,要走向工业化应用,必须对其进行低温增韧和高温增强。难熔金属都具有熔点高、优异的高温抗蠕变性能、低的韧脆转变温度(DBTT)等特点,因此在用作高温结构材料方面无疑具有很大的优势。
1、Mo基固溶体增韧相的应用
钼是一种典型的难熔金属,具有熔点高、弹性模量高、良好的塑性和韧性、高温强度高、热膨胀系数小等特点,是改善金属硅化物室温韧性和高温强度的理想选择之一。
多相Mo-Si-B合金因为具有高熔点、理想的抗氧化性和抗蠕变性能、比较好的室温断裂韧性等优点而成为非常具有吸引力的高温结构材料,其中比较好的断裂韧性就是因为材料中存在韧性良好的Mo基固溶体相。Schneibel等研究了分别用电弧熔炼和粉末冶金两种工艺方法制备的Mo―12Si―8.5B(at.% )原位复合材料。Choe等对利用电弧熔炼工艺制备的Mo―12Si―8.5B原位复合材料的裂纹扩展行为进行了比较系统的研究,结果发现在800～1200℃范围内,材料的主要韧化机制为本征韧化,即通过影响裂纹产生的韧化,在这一温度范围内,―Mo相的韧性相对有限,增韧的效果也相对较弱。而当温度到达1300℃以后,材料的主要增韧机制为非本征韧化,即通过影响裂纹扩展产生的韧化,―Mo增韧相的塑性变形、裂纹桥联、裂纹偏转以及界面脱粘为主要的增韧机理。研究表明,该材料在1400℃以上表现出了非常好的拉伸延性,并且拉伸延性随温度的下降和应变速率的增加而迅速下降,在1400℃和10-4/s的应变速率下,拉伸延伸率为150%,在1350℃和10―4/s的应变速率下降为25%,而在1400℃和10―3/s的应变速率下仅为20%。该材料在1450℃和10-4/s的应变速率下的断裂模式为沿晶断裂,说明拉伸延性主要来自于晶界滑移,而不是晶粒变形。位错运动主要发生在―Mo相中,少量发生在Mo3Si相中,而在Mo5SiB2相中几乎没有。该材料在1400℃时的高温强度为500MPa,这主要是因为材料具有―Mo网状结构,在晶界滑移过程中,延性的―Mo晶粒吸收了滑移应变,减少了在三角晶界形成空腔的趋势,从而延迟了断裂过程的发生。
2、难熔金属Nb的特性及在金属硅化物中的应用
难熔金属Nb具有比较好的韧性,并且其熔点(2472℃)和热膨胀系数(7.3×10-6K-1)都与Nb5Si3比较相近,因此近年来由Nb增韧Nb5Si3金属硅化物双相复合材料得到了广泛的研究,文献报道了由脆性Nb5Si3相和韧性Nb粒子组成的复合材料表现出了良好的力学性能平衡。单相Nb5Si3的断裂韧性(
尽管Nb对金属硅化物具有一定的增韧作用,但是具有不同组织形貌特征的Nb增韧相所能达到的增韧效果却差别很大。Soboyejo等人以平均直径为200 m的Nb粉末、人工拧结的直径为250 m和750 m的Nb纤维、厚度为200 m的Nb箔片以及平均直径约44 m的MoSi2粉末为原料,利用热等静压(HIP)工艺制备出分别由Nb颗粒、不同直径Nb纤维和片状Nb增韧的MoSi2/Nb复合材料,这几种材料中Nb增韧相的体积分数均为20%,系统研究了几种材料的弯曲强度、断裂韧性和裂纹生长速率。从弯曲强度结果来看,在1100℃以下时,纤维增强复合材料具有最高的高温强度,并且随温度的升高而增加,当温度超过1100℃以后,几种材料的强度都随温度的升高而降低。从断裂韧性数值及断口形貌来看,片状Nb增韧相具有最佳的增韧效果,其断裂韧性数值高达16-20MPa.m1/2,Nb增韧相的断裂模式也只有韧窝断裂,而颗粒、细纤维和粗纤维增韧的MoSi2/Nb复合材料的断裂韧性分别为5.7MPa.m1/2、9.1MPa.m1/2和14.1MPa.m1/2,并且断口中Nb增韧相都发生了不同程度的解理断裂。从增韧机理来看,几种材料也不尽相同,颗粒增韧复合材料主要是连续的裂纹倾斜和缠结而发生的裂纹偏转,而纤维和片状Nb相增韧复合材料主要是裂纹尖端的钝化和裂纹搭桥。从裂纹生长速率来看,在粗纤维增韧复合材料中最快,大约比在细纤维增韧复合材料中快一个数量级,比在片状增韧和颗粒增韧复合材料中快2个数量级。
3、结束语
难熔金属在金属硅化物基复合材料中可以有效地减少裂纹产生、抑制裂纹扩展和防止显微剥落,从而对金属硅化物起到强有力的支撑作用,大大改善材料的韧性。此外,难熔金属具有很高的熔点,保证了金属硅化物基复合材料在高温下使用时能够具有较高的强度。因此,难熔金属增韧金属硅化物是一种制备具有良好强韧性配合的新型室温及高温结构材料的研究方向和热点。
参考文献:
关键词：陶瓷刀具；氧化铝；氮化硅；性能
中图分类号： TG 711
1、引言
切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一， 它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。然而随着现代制造技术的发展，各种新型难加工材料在产品中的大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要，而作为新型切削材料的陶瓷刀具由于具有高耐热性、耐磨性、化学稳定性等特点，因此陶瓷刀具在切削加工中扮演者越来越重要的角色。
另外，从资源方面考虑，陶瓷刀具的原材料也远远丰富于传统合金刀具。总所周知，硬质合金刀具含有大量的W、Co 等战略性贵重金属， 并且这些贵重金属在地球上市有限的，而且是不可再生资源。而陶瓷刀具的主要原料是Al2O3和SiO2，这些化合物在地壳中的含量非常丰富。因此其发展及应用前景十分广阔[1-3]。目前刀具的主要原材料是高速钢和硬质合金，但从发展趋势来看，金属陶瓷刀具材料在制造刀具方面的用量逐年增加，同时也是近几年来新型刀具研究方面的重点和热点。本文将简述陶瓷刀具的发展史，同时综述陶瓷刀具材料的种类及其性能，以及其制备方法。
2、陶瓷刀具的发展简况
陶瓷作为切削加工材料， 有着源远流长的历史。早在1905 年德国人就开始了用Al2O3陶瓷作为切削刀具材料的研究。但是由于Al2O3陶瓷比较脆， 而且当时的陶瓷工艺技术也比较落后， 所以它的广泛应用在当时受到限制。
1968 ～1970 年间人们研制成功了Al2O3+TiC复合陶瓷刀具，。这促使Al2O3基陶瓷刀具逐渐地走出了缓慢发展的低谷， 成为解决超硬材料加工的一种新型刀具[4-6]。
20世纪70年代中期美国用Sialon陶瓷刀具（Si3N4+Al2O3的固熔体） 加工灰铸铁， 取得良好效果[7]。同期， 中国用热压Si3N4陶瓷刀具实现了对多种难加工材料进行多种工序的加工和生产应用[7，8]。当时出现的新一代Si3N4陶瓷刀具，以另一支新军的姿态受到人们的重视。
20世纪80年代初，日本日立金属株式会社研制成功Al2O3+TiB2复合陶瓷刀具。这种复合陶瓷刀具主要是运用了TiB2硬度比TiC高，热膨胀系数却比TiC小的特点， 从而使制成的复合陶瓷刀具具有更好的耐磨性和耐热冲击性。
20世纪80年代初， 美国、瑞典还研制成功SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具（Al2O3+ SiCw， w指晶须）。晶须的加入使Al2O3基陶瓷的断裂韧性提高两倍多， 同时保留了高硬度的特质。
3、陶瓷刀具材料的种类及其主要性能
3. 1 氧化铝（ A12O3 ） 基陶瓷
（1） 纯氧化铝陶瓷。这种陶瓷中Al2O3的成分含量在99. 9 % 以上，大部分呈白色，俗称白陶瓷。白陶瓷耐磨性好，用于切削灰铸铁有较好效果，也可切削普通碳钢，但因其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，因此现在已经逐渐被Al2O3复合陶瓷所取代。
（2） 氧化铝-碳化物系复合陶瓷。它是在Al2O3基体中加入TiC、WC、Mo2C、TaC、NbC、Cr3C2等成分经热压烧结而成，其中使用最多的是Al2O3-TiC复合陶瓷。随着TiC含量（30 %～50 %） 的不同，其切削性能也有差异，主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁[9]。
（3） 氧化铝-碳化钛-金属系复合陶瓷。该陶瓷因在Al2O3-TiC陶瓷中加入了少量的粘结金属如Ni和Mo 等，从而提高了Al2O3与TiC的连结强度和使用性能，故可用于粗加工。这类陶瓷又称金属陶瓷。这类陶瓷用于切削调质合金钢时的切削速度是一般合金刀具的1～3 倍，刀具寿命是合金刀具的6～10倍，由于其含有金属成分，所以能用电加工切割成任意形状。同时，用金刚石砂轮刃磨时，能获得较好的表面质量。
（4） Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷。它是在Al2O3陶瓷基体中添加20 %～30 %的SiC晶须而成。SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使陶瓷的韧性大幅度提高，适用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等加工及镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料的加工。
（5）Fe3Al/ A12O3陶瓷基复合材料
Fe3Al金属间化合物具有特殊的物理、化学和力学性能及独特的形变特征和室温脆性，被称为半陶瓷材料，是一种介于高温合金与陶瓷之间的新型高温材料。Fe3A1与Al2O3具有较好的适配性能，其复合材料界面不产生化学反应，没有界面相生成，具有较好的界面结合力。此刀具材料在切削铸铁和中碳钢时显示出优良的特性，且成本低、功效高，具有广阔的应用前景[10]。
3. 2 氮化硅（ Si3N4）基陶瓷
Si3N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，其硬度可达HV1800～2000，且热硬性好，能承受1300～1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦因数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于断续切削。由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑金属（如软钢）时，极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si3N4陶瓷均为复合型。Si3N4基陶瓷目前主要有Si3N4-TiC-Co复合陶瓷、Si3N4晶须增韧陶瓷和Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷等几种类型[11]。
3. 3 Ti（ CN） 基金属陶瓷刀具材料
Ti （CN） 基金属陶瓷具有非常独特的性能组合。与硬质合金刀具材料相比，金属陶瓷可有效地用于高速切削加工，最佳切削速度可比硬质合金刀具高3～10 倍，并具有更高的耐磨性能，切削寿命是硬质合金的5～10倍，不仅已用于钢材的车削，而且也已用于钢和铸铁的铣削加工。
通过优化成分，改进制备技术，及纳米改性、纳米复合、超细晶粒材料的研究开发，使得Ti （CN）基金属陶瓷的综合性能有了很大提高。例如其硬度和抗弯强度与普通金属陶瓷相比均有明显提高，其抗崩刃性、耐磨性和使用寿命较普通金属陶瓷亦有较大幅度提高[12]。金属陶瓷作为刀具材料使用，具有非常大的发展潜力，完全可以在某些领域作为钨钴硬质合金的替代材料。
3.4 TiB2基复合陶瓷刀具材料
TiB2具有高硬度、较高的强度和断裂韧性，极好的化学稳定性以及优良的导热、导电、耐磨等性能，较强的抗月牙洼磨损和抗粘着能力。具有单相Fe-Cr-Ni 粘结剂或两相Fe-B-Fe-Cr-Ni粘结剂的TiB2基复合陶瓷刀具材料具有较好的硬度与断裂韧性组合，甚至比超细硬质合金的硬度更高，是一类极具发展前途的刀具材料。
其他新型陶瓷刀具材料如ZrO2基陶瓷，因具有较高的断裂韧性和较好的耐磨性能而受到人们的关注[13]；有研究认为Y2O3陶瓷可作为一类新型的陶瓷刀具材料使用[14]；我国生产的陶瓷-硬质合金刀具材料则具备了陶瓷和硬质合金的综合优势。
4、金属陶瓷刀具材料的制备方法
4.1 真空液相烧结法（常规制备方法）
真空液相烧结法是指粉料在真空条件下，在烧结过程中生成液相的一种烧结方法。简单流程如下：
称量粉料――球磨（酒精湿磨）―― 干燥――造粒――压制――真空烧结
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4.2 机械合金化方法
机械合金化是在一个常温下利用高效球磨过程完成的非平衡固态反应过程。主要经过称量粉料――高能球磨――固化几个过程。目前机械合金化方法在用于制备金属陶瓷刀具方面还不是很成熟，但是由于它是一种新的复相金属陶瓷制备方法，已经引起了广大材料工作者的关注。
4.3 放电等离子烧结（SPS）
放电等离子烧结是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬间高温实现烧结的一种方法。流程如下：称量粉料――高温烧结[15]
4.4 热压烧结
热压烧结是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法。流程如下：称量粉料――加热熔融――高温施压――烧结[16]
除上述方法之外，还有高温自蔓延合成法、微波烧结、等离子喷涂法等其它的制备方法。
5 结论
陶瓷刀具不仅具有高硬度、高耐磨性， 同时在高温下仍保持优良的力学性能， 是制造切削刀具的理想材料。同时陶瓷刀具能实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。通过对陶瓷刀具材料组分、制备工艺与材料设计的研究，可在保持高硬度、高耐磨性和红硬性的基础上，极大提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备符合现代切削技术使用要求的适宜材料。随着各种新型陶瓷刀具材料的使用， 必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床及高速切削技术的推广与应用， 又将进一步推动新型陶瓷刀具材料的使用。
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[关键词]材料 发展 金属材料 无机非金属材料 高分子材料
人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。历史上，材料被视为人类社会进化的里程碑。对材料的认识和利用的能力，决定着社会的形态和人类生活的质量。历史学家也把材料及其器具作为划分时代的标志:如石器时代、青铜器时代、铁器时代、高分子材料时代……
100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧石器时代。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器，在六千多年前已经冶炼出黄铜，在四千多年前已有简单的青铜工具，在三千多年前已用陨铁制造兵器。我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁，比欧洲要早一千八百多年以上。18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后，科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世，并得到广泛应用仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。
现在人们也按化学成分的不同将材料划分为金属材料，无机非金属材料和有机高分子材料三大类以及他们的复合材料。
金属材料科学主要是研究金属材料的成分组织、结构、缺陷与性能之间内在联系的一门学科。金属材料科学与工程的工作者还要研究各种金属冶炼和合金化的反应过程和相的关系，金属材料的制备方法和形成机理，结晶过程以及材料在制造及使用过程中的变化和损毁机理。对其按化学成份进行分类可以分为钢铁、有色金属以及复合金属材料。按用途分类包括结构材料和功能材料。
金属基复合材料(MMC)因其良好的性能而得到了人们广泛的关注。它是一类以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物，其共同点是具有连续的金属基体。目前，特别是航空航天部门推进系统使用的材料，其性能已经达到了极限。因此，研制工作温度更高、比刚度和比强度大幅度增加的金属基复合材料，已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。1990年美国在航天推进系统中形成了3250万美元的高级复合材料(主要为MMC)市场，年平均增长率16%，远高于高性能合金的年增长率1.6%。
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。在晶体结构上，无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。无机非金属材料已从传统的水泥、玻璃、陶瓷发展到了新型的先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维、半导体材料以及光学材料。由于新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如:强度高、具有电学、光学特性和生物功能等，因此它们已成为现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。
高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。自20世纪20年代德国著名科学家斯托丁格开创这一学科以来，高分子科学和技术的发展极为迅猛，如今已形成非常庞大的高分子工业。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性能，以及重量轻等优良性能，在是工程上的发展最快的一类新型结构材料。高分子材料按其分子链排列有序与否，可分为结晶聚合物和无定型聚合物两类。结晶聚合物的强度较高，结晶度决定于分子链排列的有序程度。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类:塑料、橡胶以及合成纤维。其中，我国的合成纤维、合成树脂和合成橡胶已分别居世界产能的第一、二和三位。
参考文献
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关键词：重金属；污染；土壤；钝化材料
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）05-0074-05
Application of Passive Materials in Remediation of Heavy Metal Contaminated Soils
Liu Chuanghui1，2，3，6 et al.
（1 College of Environmental Science and Engineering，Chang'an University ，Xi'an 710054，China；2 Key Laboratory of arid area groundwater and ecological effect of the Ministry of education ，Xi'an 710054，China；3 Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China；6 Jiangxi Academy of Science，Jiangxi Engineering Research Center of Eco-Remediation of Heavy Metal Pollution，Nanchang 330096，China）
Abstract：The issue of soil heavy metal contamination has attracted a lot of attention because of their direct or potential toxicity for plant，animal and human beings and their lack of biodegradability. Chemical remediation technology as an important remediation means which by adding chemical materials to the soil，by adsorption，precipitation，complexation，ion exchange thereby the bioavailability and mobility of the heavy metals could be decreased. Because of its economy，in-situ，convenience which made it had become a frequently-used mean in the progress of farmland contaminated soil remediation. This review summarized various stabilizers reported in recent years and the application in remediation of heavy metal contaminated soil，the mechanism，application dose. We hope this review can provide a theoretical basis for the remediation of contaminated farmland soil in China.
Key words：Heavy metal；Contamination；Soil；Stabilizers
由于人类对自然资源的大规模攫取，加之工业化和农业现代化进程的加快，使土壤污染问题越来越凸显出来[1]。在各类污染中，重金属污染是最重要的污染类型之一，土壤中的重金属被植物体吸收后很容易通过食物链进入体，从而危害人类健康[2]。重金属被美国环境保护署列为优先污染物，在全世界使用的70 000余种化学品中，铅、汞、砷和镉的毒性分别被排在第一、第二、第三和第六位[3]。近年来，由于人类活动的大规模排放，更使得重金属污染问题成为地方、区域甚至全球尺度的问题[4-5]。为了解决这一世界性问题，世界各国都开展了大量的研究，在对土壤重金属污染进行修复时，主要包括3种修复技术：物理、化学和生物修复[6]，而这3种技术的主要技术原理又包括以下2个方面：降低土壤中的重金属离子的活性或者移动性和减少土壤中重金属离子的总量。化学修复技术属于前者，即将不同的钝化材料加入土壤中，改变土壤基本理化性质，从而将重金属离子在土壤中存在的形态改变，降低其生物可利用性和迁移性[7]。土壤重金属钝化修复是近年来土壤重金属污染修复的主要手段之一[8]。本文通过介绍应用于土壤重金傥廴拘薷吹亩嘀侄刍材料，对不同钝化材料的钝化效果、机理及影响钝化效果的因素进行评述，以期为钝化材料的科学合理地利用提供理论依据。
1 土壤重金属钝化材料分类
1.1 石灰等碱性材料 石灰和碳酸盐矿物是最常用的重金属钝化材料之一[9]。研究表明，向土壤中加入0.2% 石灰，土壤中有效态Cu、Cd分别降低97%和86%[10]。修复重金属的碱性材料主要有石灰（CaCO3）和碳酸钙镁[CaMg（CO3）2]，向污染土壤中加入石灰或碳酸钙镁后，土壤可交换态Cd、Zn分别降低52.2%和78.8%，碳酸钙施用量越多，可交换态重金属Cd、Zn含量降低越显著[11]。石灰和碳酸盐矿物固定土壤重金属的机理主要是：（1）离子交换或吸附作用：石灰和碳酸钙镁具有比表面积大，结构稳定，阳离子交换能力强等特点，施入土壤后通过提高土壤pH，增强土壤中的有机物质、铁/铝氧化物、粘土矿物的螯合能力，使土壤的吸附能力增强，重金属的解吸能力降低，至终降低土壤中可溶性金属的含量[12]；（2）生成沉淀：土壤pH升高，促进土壤中的重金属离子转化成氢氧化物或碳酸盐沉淀如生成溶解度很小的CdCO3、PbCO3沉淀，进而重金属的生物可利用性降低；（3）离子间的拮抗作用：大量Ca2+进入土壤后与土壤中Cd2+、Pb2+等金属离子之间存在离子拮抗作用，减少根系对重金属离子的吸收，从而降低其生物有效性[12]。但当施加CaCO3后使当土壤 pH>7时，可以使Cr3+氧化到Cr6+，从而增加了Cr的移动性和毒性[13]。
1.2 含磷材料 含磷材料是最有效的重金属钝化材料之一，土壤重金属钝化应用中含磷的钝化材料主要有磷灰石、磷酸钙、过磷酸钙及含磷污泥等。研究表明，土壤中加入1.0%和2.0%羟基磷灰石分别使土壤有效态Zn、Cd、Cu降低50%、68%、70%和58%、73%和74%[14]。在土壤中加入0.6%和1.2%氟磷灰石时，土壤有效态Cu、Cd分别降低80%、72%和97%、99%[10]。但也有研究表明，向土壤中加入磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钙后，土壤有效态Cd含量明显提高，提高率分别达83.2%、103.2%和122.7%[15]。Cao[16]等研究发现加入磷灰石后在固-液界面Cu和Zn分别有74.5%和95.7%通过表面吸附或络合作用被固定，而通过XRD检测发现Cu、Zn与磷酸根离子没有生成沉淀。重金属Zn能够与PR表面POH基团发生络合作用；Zn也可以与PR中Ca2+发生共沉淀作用。Liu等[17]等通过MINTEQ模型得出纳米FePO4修复土壤中Cu可形成Cu3（PO4）2和Cu5（PO4）3OH沉淀，降低了Cu的生物可利用性。羟基磷灰石[Ca10（PO4）6（OH）2]与土壤中的重金属离子主要通过表面络合或者离子间的共沉淀作用来固定土壤中的重金属[18-20]。还可以通过两步理论解释羟基磷灰石固定重金属Cd的过程：（1）Cd2+吸附于羟基磷灰石表面；（2）借助于离子交换或扩散进入羟基磷灰石晶格内部。通过XRE（X-ray emission）和RBS（Rutherford backscattering spectrum）测出Cd2+进入到羟基磷灰石晶格内部[19]。
1.3 含硅材料 含硅材料对于重金属铝、铁、锌、镉、锰等均有一定的修复效果，常用的含硅材料主要有：硅肥、硅酸钙、含硅污泥、粉煤灰和硅酸盐类粘土矿物等。含硅材料主要通过使作物对重金属的抗性提高，可利用性降低，来减轻重金属对作物的毒害作用。研究表明，重金属污染土壤中施入0.4%硅肥，有效态Cu、Cd含量显著降低，在施用硅肥30d时，Cu、Cd有效态含量分别降低93%和 85%。在鲁安怀[21]等研究中发现含硅污泥和粉煤灰碱性较强，可提高土壤的pH，能够有效的重金属Cd、Pb的有效性。此外，粘土矿物在土壤中具有超强的自净能力，逐渐从化学修复中分出来被誉为继物理修复、化学修复，尤其是生物修复之后的第四类污染治理方法[22]。修复重金属污染土壤常用粘土矿物有：高岭石、凹凸棒石、海泡石、蒙脱石等。研究表明，沸石、膨润土等粘土矿物因其独特的晶体结构和化学性质，使其有较高的离子交换容量和很强的吸附能力[23]。含硅钝化材料主要修复机理有以下4个方面：（1）与土壤中的重金属离子形成沉淀：含硅钝化材料中的硅酸根离子进入土壤中后与Cd2+、Pb2+等发生反应，形成硅酸盐沉淀，减少植物对重金属离子的吸收，降低重金属离子对植物的毒害作用[24-26]，Si-O-Pb沉淀物、Pb3SiO5[27]或Pb2SiO4[28]是几种主要的沉淀种类；（2）与土壤中的重金属离子发生吸附或配合作用：含硅钝化材料（如硅酸钠）施入土壤使土壤pH提高，增强土壤对重金属离子的吸附能力[29]；（3）含硅钝化材料施入土壤后发生火山灰反应（pozzolanic reaction）降低Pb、As等重金属的可移动性[30]；（4）含硅钝化材料使植物生物量的积累增加，通过将植物体内抗氧化酶的活性激发，提高叶片中叶绿素含量，阻隔植物体内金属离子的迁移或者阻止重金属离子从植物根部向地上部的转移等途径[25，31，32]，降低对植物的毒害作用。
1.4 有机钝化材料 有机钝化材料中常常含有一些-OH、
-COOH或者-OCH3等活性基团。土壤中的溶解性有机质还能作为载体与土壤、水或沉积物中的游离的重金属离进行离子交换、螯合/络合等，影响重金属离子在土壤中的吸附解吸，改变重金属的最终形态。有机钝化材料常用的主要包括有机堆肥、城市污泥、畜禽粪便等。研究发现，在土壤Cu浓度较低时加入有机钝化材料，降低土壤迟滞系数，抑制土壤吸附能力，促进土壤解吸能力；而在土壤Cu高浓度时增加迟土壤滞系数，促进土壤吸附能力，抑制土壤解吸能力[33]；陈同斌和陈志军[34]也在研究中发现溶解性有机物能明显的抑制对重金属Cd的吸附作用。但Jordan等[35]的研究结果表明，溶解性有机物提高Pb在土壤中的移动性，抑制其吸附。由于对土壤吸附能力影响因素比较多，吸附机制比较复杂，一般是几方面的综合作用影响溶解性有机物对土壤重金属的吸附。因此，在使用有机物质进行土壤重金属修复时要根据重金属的种类和浓度合理添加有机物料，以达到修复的效果。
1.5 金属及金属氧化物材料 金属及金属氧化物材料主要有氢氧化铁、硫酸亚铁、硫酸铁、针铁矿、零价铁和赤泥等。常用的含铁物质主要有零价铁和硫酸亚铁盐，在砷污染土壤使用硫酸亚铁盐常常获得比较明显的固定效果，但所导致的土壤酸化问题不容忽视，土壤酸化诱导土壤中已固定的Cd、Cu、Zn等重新释放出来，必须通过碱性物质如石灰控制土壤pH变化。与硫酸亚铁相比，零价铁在土壤中转化成氧化物的过程较慢，生成氧化物的量较多，不会引起土壤酸化，从长期修复效果稳定性看零价铁更可取。但已有的报道显示，零价铁多用于修复可变电荷的重金属As、Cr等，而在Cu、Cd等的修复中较为少见。在铁锰氧化物中化学形态包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅶ等4种价态，在自然环境中比较稳定的是Ⅱ价和Ⅳ价，且可以在可溶的低价态（还原态）和y溶的高价态（氧化态）之间转化，由此可见，铁锰氧化物对可变价态的重金属As、Cr、U有一定的修复效果。
1.6 生物炭 生物炭是指生物质在无氧或缺氧条件下热裂解得到的一类含炭的、稳定的、高度芳香化的固态物质，制备生物炭的常用原料主要有农业废物（如秸秆）、木材及城市生活有机废物（如垃圾、污泥）。梁媛等研究表明，向Cd浓度为17.2mg/kg的高污染土壤中分别加入5%的牛粪生物炭和秸秆生物炭，培养56d后TCLP提取态Cd分别较CK处理降低32.7%和22.8%，达到显著性差异[36]。李明瑶等的研究也证明，在土壤Cd含量为1mg/kg时，添加1%和5%的生物炭，培养60d后，土壤有效态Cd分别降低18.30%和43.87%，高于沸石同等添加量的8.67%和21.77%，这说明同等条件下生物炭的固定效果优于沸石[37]。生物炭对重金属的吸附固定机制主要有以下4个方面：（1）使土壤的pH值升高进而促进重金属离子形成难溶性的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物沉淀或者增加土壤表面活性位点，从而降低重金属离子的活性和移动性[38]；（2）离子交换和阳离子-π作用，有研究表明离子交换和阳离子-π作用可能是玉米秸秆炭对Cd吸附的2种最主要的机制[39]；（3）与生物炭表面官能团形成了特定的金属离子配合物[40]；（4）表面吸附，吴成等[41]研究玉米秸秆生物炭对重金属离子Hg2+、As3+、Pb2+和Cd2+等的吸附为亲和力极弱的非静电物理吸附，是可逆吸附；金属离子水化热越大，越不易与生物炭表面位反应。
1.7 新型材料 用于重金属污染土壤修复中的新型材料主要有介孔/功能膜材料、植物多酚物质及纳米材料等，这类材料具有独特的表面结构、组成成分，在较低的施加水平下就有较好的修复效果。研究表明，土壤中施加0.15%、0.3%和0.45%的介孔材料，培养一段时间后，应用BCR连续提取法测定土壤Cu、Cd、Pb的分级，土壤Cu的B1形态在以上3个用量时分别比对照降低0.7%、1.1%、1.9%；土壤Cd的B1形态降低7.8%、11.5%、14.6%；土壤Pb的B1形态降低8.5%、9.4%、10.8%[42]。有研究表明，向高污染土壤中按照4%、6%、10%的比例添加SiO2-Al2O3-Fe2O3-C的复合纳米材料，然后进行土壤淋溶实验，结果表明，3个添加剂量分别使淋溶液中Cd浓度降低67%、82%和98%，c对照存在极显著差异，极大降低了重金属Cd在土壤中的移动性[42]。Cui等的研究也表明，微米/纳米羟基磷灰石对土壤Cu、Cd的吸附固定作用均高于常规粒径的羟基磷灰石，这可能与低粒径材料较大的比表面积有关，不过也不排除存在其他的机制，这说明粒径对重金属的钝化也有一定的影响，因此可考虑将常规材料进行纳米化，甚至进行改性来达到增强钝化效果的作用[43]。
2 展望
综上，土壤重金属的修复材料主要分为以下几种：石灰和碳酸盐矿物、含磷材料、含硅材料、有机物质、金属和金属氧化物、生物炭及新型材料。几种类型的修复材料在固定土壤重金属的效果不同，固定机理也不尽相同。在石灰和碳酸盐矿物修复材料中，石灰的修复效果要明显优于其他碳酸盐矿物材料，而且CaCO3和MgCO3等矿物在土壤中移动性较差，因此在此类修复剂中，石灰效果是最好的。含磷材料中，考虑到应尽量选择天然物质或者工农业废弃物以及减小施用中磷流失风险的原则，氟磷灰石、羟基磷灰石、钙镁磷肥和含磷污泥是较好的选择。据已有的文献报道，氟磷灰石和羟基磷灰石的修复效果较优于钙镁磷肥，而含磷污泥主要用于固定土壤中Pb和Cr的研究，因此在应用中可考虑使用氟磷灰石、羟基磷灰石和含磷污泥。含硅材料种类较多，按经济性而言，含有硅酸盐的粘土矿物、含有硅的污泥以及含硅的粉煤灰等在实际应用中较有实际性。金属及金属氧化物中的纳米Fe、FeSO4、Fe2（SO4）3等主要用于可变价态的重金属的钝化，按照经济性和选择天然物质的原则，针铁矿、水合氧化锰、锰钾矿、水钠锰矿、赤泥、炉渣在钝化Cu、Cd中较有可行性。关于有机质对土壤重金属的固定作用的报道结果并不一致，部分研究表明有机堆肥、畜禽粪便、城市污泥可以降低土壤重金属的活性。生物炭在重金属的钝化实践中也有一定的效果，通过文献报道可知，同等条件下，生物炭的钝化效果要低于石灰而高于沸石，同时已有的研究中，生物炭的添加量通常比较高，一般要在1%以上才会起到作用，在5%时才会有比较好的效果。新型材料种类众多，除我们较熟悉的纳米材料以外，介孔材料、功能膜材料、植物多酚物质也有一定的效果，但是这些材料都存在一个比较致命的缺点，那就是合成较困难、价格高，在达到同等钝化效果时的添加量并不低于普通材料，因此要想将这些材料用于实践，最主要的是克服合成困难、价格昂贵的问题。
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（吉林省教育学院人事处，吉林长春130000）
摘要：复合材料，顾名思义，即是以两种或两种以上性质不同，甚至完全迥异的材料复合而成的一类新型材料。复合材料不仅可以最大限度地发挥组分材料自身独有的性能，同时还展现出了多种材料的优异性能。
关键词 ：复合材料；材料成型；石墨；工艺
中图分类号：TQ322.4文献标识码：A文章编号：1671—1580（2014）11—0153—02
通常复合材料中会有一个主体，即连续相，被称为基体；而另外的一种或多种组分为辅助，以独立形态均匀分布于基体中，它不仅提供基体所不具备的性能，同时还会在一定程度上增强基体自身性能，故被称为增强材料。增强材料可以是纤维或者纤维编织体，也可以是细小颗粒。由于增强体在复合材料中需要保持自身独有的特性，因此，必须独立分布于基体中，这就使得复合材料中存在着两相界面。
不论是在生活中，还是在工作中，都存在着很多面与面之间的相对滑动，滑动所产生的摩擦力是导致材料损耗甚至失效的主要原因。为了提高材料的使用寿命，通常会在相对滑动接触面之间添加固体自润滑剂。其主要有以下几个特点：1.自身抗剪切力低，即固体自润滑剂自身在发生相对滑动时，所需的外部作用力较小；2.与相对滑动面之间有良好的亲和力，从而将面与面之间的相对滑动转化成固体自润滑剂之间的相对滑动，或者是面与固体自润滑剂之间的相对滑动；3.不易与摩擦面或空气发生化学反应，具有耐高温、耐低温性，自身性能稳定。
固体自润滑材料根据自身性质，可以分为金属自润滑材料、无机非金属自润滑材料和有机自润滑材料；按照物理形态，可分为固体粉末自润滑材料、粘结固体自润滑膜和自润滑复合材料；按照工况环境，可分为抗高温固体自润滑材料（超过1000℃的白热高温环境）、抗低温固体自润滑材料（-253℃以下的深冷低温）和抗腐蚀固体自润滑材料（存在酸碱腐蚀液的工况环境）。
一、石墨
在常温下，当石墨层与层之间的π键断裂后，会形成劈开面，该面对空气中的气体有一定的吸附能力，这种劈开面是石墨润滑性能的依托，劈开面的润滑性能在温度高达638℃时仍然保持良好。在干燥的环境中，石墨的摩擦系数偏大；在相对比较潮湿的环境中，石墨吸收一定量的水汽后（2%~13%），摩擦系数会明显降低（约为0.15~0.2）；当石墨处于真空中时，其润滑性能较差。
二、氟化石墨
当工作环境温度为27～344℃时，氟化石墨的摩擦系数比石墨的低，耐磨寿命却比二硫化钼或石墨的长。在高分子材料的摩擦面之间，氟化石墨的效果也较之二硫化钼或石墨更好，耐磨寿命更长。由于氟化石墨中C-F结合键较强，不易断裂，因此，在温度、压强较高的环境中，其润滑性能要优于石墨或二硫化钼。
三、二硫化钼（MoS2）
二硫化钼色泽灰黑，略带蓝色，有滑腻感，与石墨同为六方晶系层状晶体结构，由于层间硫原子与硫原子之间的结合键较弱，因此，容易断裂形成劈开面，进而产生滑移。相邻劈开面之间的滑移层属于分子级，即滑移层的厚度等于一层二硫化钼分子层的厚度，约为6.25?。每两层二硫化钼之间的分子间距为
12.30?，所以，一层薄膜中大约有54层，53个滑移面。二硫化钼的密度（4.7~4.8g/cm3）约为石墨的两倍，熔点（1185℃）较石墨要低很多，在空气中的耐热温度为349℃，与一般的有机溶剂、无机溶剂均不相溶，不易与气体发生化学反应。受硫原子的影响，二硫化钼与金属的亲和力较高，结合能力强，从而形成一层可以抵抗2800MPa压强、40m/s对磨速率的稳定润滑薄膜。受工作环境的影响，其摩擦系数一般为0.13～0.15。
四、聚四氟乙烯（PTFE）
在工程塑料中，具有自润滑性能的代表性材料为聚四氟乙烯，有“塑料之王”的美称。在材料领域，有机材料的耐高温性能一般不是特别理想，聚四氟乙烯作为有机润滑材料，其使用温度也仅能达到250℃，在某些工况可以替代金属制备机械零部件，或作密封材料使用。根据相似相溶的特性，聚四氟乙烯可以加入各种塑料之中，以提高材料的抗磨减摩性能。由于聚四氟乙烯在实际应用中容易受太多约束，因此，在聚四氟乙烯中填入了金属或金属氧化物以改善其机械性能、导电导热性能等，扩展其使用领域。目前，聚四氟乙烯主要被当作密封材料使用。
五、聚苯
聚苯是近些年才发展起来的新型合成塑料，初始粉末色泽呈现红棕色，堆积比重约为2.4。成型后固体为深蓝色，略带金属光泽，密度（为1.24g/cm3）比石墨低。当温度升至500℃时，聚苯分解形成碳氢化合物。但其润滑性能极好，摩擦系数仅为0.055。由于其自身较低的摩擦系数，通常与石墨进行混合，或与聚四氟乙烯进行复合，所形成的润滑材料不仅摩擦系数低，适用范围也较广。
六、氮化硼
氮化硼也是一种新型润滑材料，与石墨、二硫化钼的晶体结构和性质相类似，被称为“白石墨”。在导电方面，氮化硼与石墨截然不同，石墨为导体，而氮化硼是绝缘体。同时，氮化硼在温度高达900℃时仍能保持良好的润滑性能。
七、二硫化钨（WS2）
二硫化钨与二硫化钼的形态及性能都很相近，二硫化钨的耐高温性要强于二硫化钼，导电性更是二硫化钼的6倍。但由于钨属于稀有金属，价格比较昂贵，因此，难以在工业中广泛使用。
按基体的性质不同，可将固体自润滑复合材料分为3类，即金属基自润滑复合材料、陶瓷基自润滑复合材料和非金属基自润滑复合材料。
以金属作为基体连续相，固体自润滑材料作为辅助相，所形成的复合材料被称为金属基复合材料。金属基复合材料既具备金属基体的特性，同时还具有固体润滑材料的润滑特性，适用于多种工作环境。
为了使材料具有一定的力学性能，首先在金属基体的选择上有一定的要求，同时，要提高材料的抗磨减摩性能，其中还需要一定百分比的固体润滑材料。由于复合材料中组分材料的性能需要保持，因此，不论是基体，还是增强相，都是独立存在的，这就形成了很多界面。受界面结合力的影响，材料的力学性能会有所下降。因此，基体与增强相两者之间的成分匹配成为影响金属基复合材料性能的关键因素。
陶瓷材料具有极好的力学性能，如强度高、硬度高、密度低，同时化学稳定性和耐高温性能也很优异，综合其自身独特性能与固体润滑材料的抗磨减摩性能，可制备得到陶瓷基自润滑复合材料。由于陶瓷基自润滑材料的基体组分导热性能比较差，为了提高其抗磨减摩性能，同时改善其导热性能，选择导热性能良好的软金属银或金作为固体自润滑材料，固体润滑软金属会在陶瓷表面形成与基体结合良好的金属薄膜。Sliney等选择Cr3C2作为连续相陶瓷基体，以Ni作为界面过渡粘结相，以银为固体润滑材料制备了陶瓷涂层（PS200），该涂层不仅具备良好的自润滑性能，同时抗高温性能也极佳。通过对上述成分配比的适当调整，可以制备得到PS212和PM212陶瓷涂层。如果在制备过程中直接添加PbWO4，由于相界面的影响，虽然PbWO4百分比不能太高，但仍然会严重影响到材料的整体机械力学性能。同时，在Ni-WC-PbO系陶瓷基材料中，硅酸铅对其抗磨减摩性能有一定的促进作用。总的来说，由于陶瓷基体材料独有的优良机械力学性能，使得陶瓷基自润滑材料可以适用于极端苛刻的工况条件。就目前而言，陶瓷基自润滑材料的研究进展仍处于初始阶段，还有待进一步发展。
［
参考文献］
［1］董仕节，史耀武．铜基复合材料的研究进展［J］．国外金属热处理，1999（6）．
［2］高宾，赵鹏．富勒烯和纳米管结构二硫化钼的研究进展［J］．中国钼业，2008（5）．
［3］林春元．二硫化钼的润滑机理［J］．中国钼业，1993（2）．
论文关键词：TiC<sub>P</sub>复合材料,动态拉伸性能,高应变率,位错
1 引言
颗粒增强金属基复合材料因其具有较高的比强度、比刚度以及良好的加工性能在结构和工程上得到越来越广泛的应用［1］。但复合材料强度提高的同时，其延性却明显下降。近年来，国内外的学者对复合材料的弹塑性性能进行了广泛的研究［2-7］，内容涉及失效机制，如颗粒的断裂、基体和增强颗粒界面的脱粘、基体的延性失效及加工工艺及热处理对复合材料性能的影响等。
大多数金属材料和金属基复合材料的强度会随应变率的提高而提高，且复合材料的应变率敏感性通常取决于基体的应变率敏感性以及基体和增强颗粒界面的结合情况等。本文将对TiCp/Ti 复合材料的动态拉伸性能进行研究，建立其率相关的本构关系，并从微观角度讨论其强化断裂机理、应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因。
2动态拉伸试验
2.1 试验系统及原理
冲击拉伸试验在中国科技大学的旋转盘式杆—杆型冲击拉伸试验机（SHTB）上进行，试验装置如图1所示。SHTB实验装置由旋转盘式加载系统、撞块、输入杆和输出杆组成。加载装置是一个直径为1.4米，转动线速度可以达到100m/s的飞轮。前置理想弹塑性金属短杆通过螺纹与撞块和输入杆连接，受拉伸试件用耐冲击高强度聚炳烯酸粘接剂与输入杆和输出杆的叉口相粘接。当飞轮边缘的线速度达到预先设定的数值时，安装在高速旋转盘上的双片锤头（1）瞬间被弹出并以该线速度打击撞块（2），这时同输入杆相连的理想弹塑性前置金属短杆（3）被拉断，从而在输入杆（4）中产生一近似拉应力方波脉冲。当入射应力脉冲沿输入杆向右传播到试件（5）后，一部分反射回输入杆（6）中，另一部分通过试件传入输出杆中，并在输入杆和输出杆中分别产生反射波和透射波。拉伸脉冲的幅度、宽度、和上升沿是由金属短杆的直径、长度和锤头的打击速度来决定的。贴在输入杆和输出杆上的三组半导体应变片（7）分别测得入射波、反射波和透射波，通过超动态应变仪（8）放大后被存
TCL双通道瞬态波形存储器（9）中。
根据一维应力波理论可得试件中的应力、应变和应变率分别为
（1）
国家自然科学基金(No.90305018)资助项目、北京林业大学优秀青年教师科技创新项目（YX2010-6）.
（2）
（3）
其中，和分别为试件的横截面面积和长度； ，和 E 分别为输入/输出杆中弹性波的波速、杆的横截面面积以及弹性模量。
2.2 试验材料
试验所用的钛合金基体（T650）和TiC颗粒增强钛基复合材料（TP650）均由西北有色金属研究院自行研制并提供。TiC增强颗粒的平均粒度为5，体积百分比为3%；复合材料TP650采用PTMP（Pre-treatment melt process）法制备，颗粒在复合材料中呈弥散分布，界面反应层稳定。基体和复合材料试样均采用简单的退火，其热处理参数为：800℃/1小时＋空冷。
试件设计成扁平的哑铃状，厚度1.1mm，形状、尺寸和形位公差设计如图2所示。
TiC颗粒和钛合金基体的物理和力学性能如表1所示。
表1 TiC颗粒和钛合金基体的物理和力学性能
Table 1 The Mechanical properties of TiCPparticles and Titanium alloy matrix
材料
TiC颗粒
基体T650
密度/ g/cm3
4.43
4.51
杨氏模量E/ GPa
460
118
剪切模量G/ GPa
193
43
泊松比
0.188
0.35
热膨胀系数/ ×10-6/K
由于有机高分子材料在性能、成型方法及灵活的可设计性等方面的优势，使以其为基体的高分子基复合材料（也称树脂基复合材料，聚合物基复合材料）发展非常迅速，目前在军用、民用上获得了广泛的应用。虽然以金属材料、无机材料为基体的复合材料的发展略逊于树脂基复合材料，但它们同样存在很大的发展空间。
悠久的历史
也许你想象不到，树脂基复合材料的历史可以追溯到几千年前。最早的树脂基复合材料是古人用干草拌黄泥制作墙体和地面的纤维复合材料；而那承载着“卧薪尝胆”、“西施浣纱”等悠远故事的越王勾践剑，也是一种包层金属复合材料；至今尚存留着无穷奥秘的古埃及木乃伊的包料竟是一种缠绕工艺复合材料；而传统的千层底布鞋，乃是一种三维编织复合材料。这些，都是你始料未及的吧？
二战时期，由于战争资源的需要，第一个纤维增强合成材料而成的复合材料应时代而生：1940年，以手糊成型方法制成了玻璃纤维增强不饱和聚酯的军用飞机雷达罩。1944年，玻璃纤维增强树脂作为机身和机翼材料的飞机试飞成功。由此可见，复合材料的诞生和发展都和国家安全紧密联系在一起。
在人们对复合材料的性质了解还不够深入时，树脂基复合材料主要作为次承力构件应用到航空器中。随着生产工艺的发展，材料性能的逐步提高，复合材料在航空器中的地位越来越重要。怎样减少飞机结构重量以提高飞机的装载效率是百年来飞机发展所一直追求的目标。从20世纪初的木、布结构，到30年代轻合金的全金属结构，30年代－60年代虽然金属材料的性能有很大提高，但是单依靠提高金属材料性能来进一步降低飞机结构重量系数（即飞机结构重量与飞机起飞重量的比值）已达到极限。为此，飞机设计师们不得不寻求新的途径，于是找到了高比强度（材料强度与密度的比值）、高比刚度（材料模量与密度的比值），另外能按控制结构变形要求来设计的纤维增强树脂基复合材料。
随后，具有更高比强度、比刚度，同时兼具更高剪切强度、剪切模量以及耐热性的第二代现代复合材料应运而生，主要以硼纤维、碳纤维、芳纶纤维为增强材料，以聚酰亚胺等高性能树脂为基体，同时包括铝、镁、钛等金属基体，金属间化合物，碳化硅、氮化硅等陶瓷基体。而性能更高的氧化铝纤维、碳化硅纤维、晶须等增强材料的出现，更引发了具有多功能、高韧性、耐热的第三代高性能复合材料的发展。1980年以后，先进复合材料在航空、航天等领域已经得到了较为广泛的应用。
军民领域的多面手
为了提高军用飞机性能，美国空军材料研究所早在20世纪50年代中期就开始寻求比已经采用的铝合金、钛合金等金属材料的比强度、比刚度更大的材料。为此，研究开发了先进树脂基复合材料、铝锂合金等轻质高性能材料。先进树脂基复合材料在航空、航天飞行器结构上的应用获得了成功，现已成为与铝合金、钛合金、钢并驾齐驱的四大结构材料之一。先进树脂基复合材料的用量已经成为飞机先进性的一个重要标志。
复合材料飞机结构技术是以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能为目的的高新技术。先进树脂基复合材料的应用，对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料结构特点和应用效果，在高性能战斗机实现隐身、超声速巡航、过失速飞行控制，前掠翼飞机先进气动布局的实际应用，舰载攻击/战斗机耐腐蚀性改善和轻质化，直升机长寿命和轻质与隐身化等诸多方面得到了展现。复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一。
美国空军f-117隐身战斗机采用碳纤维增强环氧复合材料做成骨架和外面的蒙皮，没有金属表面，也没有金属铆钉反射雷达波；美国1989年首飞的隐身轰炸机b-2，复合材料占结构用量的50%；f-22基本构型没有采用特殊的外形隐身措施，没有过多牺牲机动性，而它传奇般的隐身性能主要是通过复合材料和隐身涂料完成的。而f-35中应用复合材料已占到结构质量的30%～35%；“旅游者号”（voyager）全复合材料飞机于1986年创下了不加油、不着陆连续环球飞行9天，航程40 252千米的世界纪录，其碳纤维结构用量大于90%，飞机的结构重量只有453 千克，载油量3吨。
军用飞机中复合材料结构件的成功应用，给民用飞机的材料选择带来了巨大的影响，波音、空客等干线客机中复合材料在结构材料中的应用比例也越来越高。空客a380是550座级超大型宽体客机，整机采用了较多的复合材料（23%），大大减轻了飞机重量，减少了油耗和排放，降低了营运成本。波音787“梦想”飞机则是200座～300座级飞机，航程随具体型号不同可覆盖6 500～16 000千米。它使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。波音787中复合材料的用量达50%，这可使其比目前同类飞机节省20%的燃油消耗。空客公司由于受到波音公司复合材料高用量的威胁，计划在a350飞机上将复合材料的用量再次提高到53%，以形成与波音787飞机的竞争。而倍受国人关注的国产大飞机c919复合材料的用量也将达到20%以上。复合材料在飞机上的应用经历了从次承力构件—尾翼主承力构件—机翼—机身主承力构件的发展，已成为飞机结构的主要材料。
优异的特性
树脂基复合材料具有许多优异性能，尤其是非常适合在航天器结构上使用。随着航天器设计要求的不断提高，复合材料及其工艺技术的发展和成熟，目前复合材料已逐步成为航天器结构的主要材料，如航天器的主承载结构、太阳电池阵列结构、天线结构及其他有关部件均广泛采用了复合材料。
树脂基复合材料到底具有哪些优势，让它能具有如此强大的魅力呢？我们知道，普通碳钢的密度一般为7.8克/立方厘米，而玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度通常只有1.5～2.0克/立方厘米。密度比玻璃纤维更小的碳纤维和有机纤维增强树脂基复合材料的密度就更低，这个特性成就了树脂基复合材料的高比强度、比模量，使其具有优异的轻质、高强的特性。人造地球卫星的质量减轻1千克，运载它的火箭质量则可以减轻1 000千克，因此用复合材料来制造人造卫星有很大的优势。
关键词：航空材料 教学内容 教学深度
中图分类号：G642.4 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2014.05.030
1 引言
在现代材料科学与技术的发展历程中，航空材料一直扮演着先导和基础作用，机体材料的进步不仅推动飞行器本身的发展，而且带动了地面交通工具及空间飞行器的进步，发动机材料的发展则推动着动力产业和能源行业的推陈出新。“一代材料，一代飞行器”是航空工业发展的生动写照，也是航空材料带动相关领域发展的真实描述。可以说，航空材料反映结构材料发展的前沿，航空材料代表了一个国家结构材料技术的最高水平。近年来，各个航空类院校针对材料专业、机务维修专业、航空工程等专业纷纷开设航空材料课程，也出现了很多航空材料方面的教材，比如，哈尔滨工业大学出版社出版的《航空材料学》，国防工业出版社出版的《航空航天材料》，《航空工程材料》，西北大学出版的《航空材料及应用》。这些教材内容各有特点，有的是偏重于材料的基础知识，而真正关于航空用材的内容一带而过，有的是偏重于介绍航空材料的性能及研究进展，系统性不足。由于不同专业的培养目标不同，材料方面的基础知识掌握情况不同，航空材料课程内容必须具有针对性，不能搞一刀切，针对不同专业，课程定位和教学内容都应各有侧重。不应拘泥于某一本教材，要对教学内容进行针对不同专业的整合。
2 材料专业的航空材料课程内容
材料类专业一般从大学二年级就开设了材料科学基础，以后又陆续开设材料力学性能、材料物理性能、材料时效分析、功能材料、工程材料、材料加工成型原理与工艺等课程，通过这些课程的学习，学生已经很系统的掌握了材料的结构、性能、加工、使用性能之间的关系。所以航空材料课程的定位应该是专业课。从教学内容上，要舍弃材料科学基础的内容，舍弃大量基本原理、基本概念和方法，舍弃工程材料中重点讲述的一般钢铁材料的内容，重点讲述基础课程中所没有涉及的轻合金及高强钢、高温钛合金、镍基高温合金、金属间化合物、复合材料、航空用功能材料。介绍航空用材的发展趋势及科研走向，性能提高的主要障碍及克服的方法。不仅使学生对现有航空材料有所了解，同时激发学生对航空材料做进一步研究的兴趣。课程内容可做如下整合。
2.1 航空用结构材料
课程内容应以航空结构材料为主，重点讲授机体及发动机用结构材料。课程安排如下。
2.1.1 轻合金及超高强度钢
轻合金和超高强度钢都是航空飞行器的主要结构材料，其主要特点是比强度高、综合性能好。铝合金是应用最早的航空材料，具有密度小、塑性好、耐腐蚀、易加工、价格低等特点，至今仍被大量用于制造飞机机体材料。钛合金比强度高、热强性好，它的发展一开始就与在航空工业中的应用联系在一起，目前越来越多地被用于制造飞机机体和发动机的压气机等部位，在航空工业中占有越来越重要的地位。镁合金比铝合金和钛合金的密度更低，近年来由于其耐腐蚀性等问题得到一定程度的改进，使其在航空中的应用有上升趋势。超高强度钢主要用于制造飞机机体的重要承力件，在飞机用材中占有一定比例。
2.1.2 高温金属结构材料
高推重比、低油耗率发动机的关键是高温结构材料。发动机材料服役的基本环境特点是：高温，高载荷，高氧化腐蚀，高性能重量比，高可靠性与长寿命。针对服役的特点，选择材料出发点为：可承受的最高温度，高温比强度与比寿命，高温抗氧化能力，韧性，导热性，加工性。镍基高温合金由于具有最佳的综合性能一直是航空发动机涡轮和叶片材料的主要用材，各种新的加工方法的使用都是为了近一步提高它的性能，比如，定向凝固技术、单晶铸造、定向共晶自生技术、合金提纯等。随着涡轮前温度的不断提高，替代材料也成为研究的重点，在对比了陶瓷材料和金属间化合物六点性能之后，金属间化合物及以它为基的复合材料因为具有更高的耐热性和一定的塑性成为非常有前景的高温金属结构材料。
2.1.3 现代复合材料
复合材料是由两个或两个以上独立的物理相组成的一类固体产物。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料和基体进行合理的性能设计，再采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合，从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能，比如现代复合材料有高的比强度和比刚度，成为现代飞行器首选的结构材料之一。复合材料在飞机中的用量不断提高，在最新的波音787和空客380中的用量已经分别达到了30%和60%，作为结构材料最有前景的当属金属基或金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料。
2.2 航空用功能材料
航空用功能材料主要指飞机机载设备用材，包括飞行保障设备、辅助动力装置设备、电子设备和武器设备四大类。机载设备用材的关键材料主要是各种微电子、光电子、传感器等光、声、磁、热的高功能及多功能材料。重点发展高灵敏度红外探测材料、高透过率红外罩材料、电致伸缩和磁致伸缩陶瓷材料、双脉冲点火发动机舱隔板材料、激光倍频材料、高强度激光材料、双模制导头罩材料、零膨胀微晶玻璃材料和极高反射率镀膜材料等。
3 非材料专业的航空材料课程内容
机务维修、航空工程等专业的没有系统学习材料类知识，对大量材料科学与工艺相关概念、术语等难以理解，针对这些专业的航空材料课程首先要对材料科学与工程的基础知识、基本概念和原理进行简要的介绍。
3.1 材料科学与工程基础知识部分
