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、性質介于金屬與陶瓷之間的有序結構化合物，由于其微觀結構上的特點，具有許多傳統材料所沒有的優點。

    作為結構材料應用，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、抗腐蝕性能優異的特點，可以在更高的溫度和惡劣的環境下工作。在結構材料領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，在國外已開始應用于軍事領域。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、耐腐蝕等優點外，還具有低成本和低密度等優點，因此具有廣泛的應用前景。

    Ti-AL 金屬間化合物應用

    作為功能材料應用的硅系金屬間化合物，具有電學和磁學性能優異以及穩定性好的特點。硅化物以MoSi2為代表，MoSi2是能用于高溫環境下的關鍵材料，其熔點為2030℃，高溫下具有優良的抗氧化性能，其抗氧化性能與機理類似于高溫結構陶瓷SiC、S1，N4等。MoSi2在室溫下表現為脆性材料，在1000℃左右發生脆性一韌性轉變，在此溫度之上表現出類似于金屬材料的韌性。因此有著很廣闊的發展前景。

    MoSi2粉末

    結構材料應用

    經過多年的發展，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重，因此，從應用的角度看，目前以鋁化物體系為主。

    金屬間化合物的制備的方法，有傳統的熔鑄法，也可以采用傳統粉末冶金的方法。另外，近些年發展的機械合金化、反應合成等制備新技術。由于成本問題，現在主要還是采用如真空熔煉、鑄造、軋制、擠壓、鍛造等傳統工藝，或在傳統工藝的基礎上根據金屬間化合物的特點稍加改進的方法，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注的主要是Fe3Al與FeAl合金，金屬間化合物的研究始于20世紀30年代，經歷幾次研究熱潮，在70年代末取得突破，到80年代，Fe-Al合金作為一類結構材料面向應用得到廣泛研究，到90年代研究人員進一步發現水汽是導致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、合金成分的理論設計，微合金化對Fe3Al性能的影響，Fe3Al合金的制備工藝等方面都進行了較全面的研究。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12.8％。采用快速凝固工藝制粉、熱擠壓固結的Fe3Al合金，其室溫伸長率高達15％—20％，抗拉強度高達960MPa。是代替不銹鋼的理想材料。目前通過適當的熱加工工藝路線，Fe3Al基合金可以軋制成各種板材和管材，因此材料學家認為，該材料預計將在航空、化工、核反應堆元件、熔爐高溫裝置、電磁元件等眾多領域獲得廣泛應用。

    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，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，此后將經處理后的Pe液加人已預熱到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。熔鑄組織會出現成分偏析，通常解決辦法是進行均勻化處理。

    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構材料，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、航空及汽車用發動機耐熱結構件極具競爭力的材料，因此，TiA1合金的發展一直受到世界各國研究者的關注和重視。

    TiAl基合金應用于航空領域

    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的發展，人們已經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）的粉末冶金近凈形狀成形技術主要有熱等靜壓技術和準熱等靜壓技術。

    機械合金化法：該技術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行球磨直至生成金屬間化合物，機械合金化是一種固態反應過程。目前普遍接受的觀點認為。元素粉末在球磨時，晶粒反復的斷裂、冷焊，晶粒細化并形成層狀精細結構，Ti和Al原子通過界面擴散而逐漸實現合金化。

    γ-TiA1合金

    經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到了實用化的要求，像燃油發動機的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，機加仁和連接技術也得到了發展。到目前為止，α2合金的制造技術最為成熟。比如，高壓渦輪起動器內支承環，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動機到軍用發動機生產的轉變將比過去常規合金要困難得多。

    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℃。與傳統的Ni基高溫合金相比，具有一定的優勢。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。自從發現B微合金化能大幅提高Ni3Al的塑性以后，以及圍繞這一現象建立的環境致脆機理，目前Ni3Al合金的室溫延伸率可提高35%，基本滿足工業應用的要求。

    Ni3Al粉末

    我國北京航空材料研究院也自主開發了Ni3Al基的IC-6合金。Ni3Al基合金可應用于渦輪發動機燃燒室，以提高發動機工作溫度。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。由于其優良的耐磨、抗滲碳能力，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，美國通用開發了NiAl合金單晶葉片，用于新一代噴氣發動機。

    功能材料應用

    利用金屬間化合物的光電磁功能特性，開發適用于工業用的產品，是金屬間化合物的另一重要領域。如其高導磁性能、低電阻溫度系數等，非常適合電子工業中作為功能性材料應用，以替代傳統結構材料，提高器件的性能和環境穩定性。

    半導體材料

    通常都把金屬間半導體化合物叫做化合物半導體。這些化合物均為直接躍遷型，優點在于其能和晶格常數可通過調節化合物的組成，異質結的結構以及超晶格的構造加以控制。

    半導體材料

    金屬間化合物半導體的應用：HgCdTe用于遠紅外光電探測，SiC用于生產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，具有黃銅礦型結構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。可以說金屬間化合物半導體在國防建設和國民經濟發展方面有很重要的應用，前景無限廣闊。

    半導體材料應用于飛機上

    超導材料

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

    Nb3Sn材料

    金屬間化合物超導體主要用途可歸納為以下幾種：

    1、制成超導電纜，這種超導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，節約資源；

    超導電纜

    2、基于抗磁效應開發屏蔽元件，如磁懸浮列車等產品。

    3、超導發電機的應用是在常規發電機的基礎上，把發電機轉子用超導材料代替而制成的。超導發電機體積僅是常規發電機的1/2,重量為常規發電機的1/3，但它的發電效率卻可提高50%，緊湊性也大為提高，在航空航天方面應用超導發電機，可以使超導發電機如魚得水的發揮其優勢，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表現出了許多優異性能。這引起了國內外科研人員的廣泛關注。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鍵材料。

    我國在金屬間化合物的領域取得一系列成果，然而與世界先進水平還有一定的差距，尤其是開發應用方面明顯滯后，目前急需做的是盡快將研究成果向生產轉化，提高國內產品的技術含量。

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責任編輯：王元

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