材料合成与制备

1、第一章绪论1 材料按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四类。2 材料合成与制备 是通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料。研究内容 ：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技术，从而指定节能、经济、环保的合成路线及开发新型结构和功能的材料。3 材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。第二章无机材料合成实验技术1 表征真空泵的工作特性的四个参量：起始压强、临界反压强、极限压强、抽气速率。2 平衡分离过程：借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相

2、系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。3 速率分离过程 ：在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。4 吸附分离过程 ：利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。特点 ：多数吸附剂具有良好的选择性， 同时，被吸附组分又可在不同的条件下脱附，方便被吸附组分的分别收集和吸附剂的再生利用；吸附剂化学稳定性好，分离所得产物纯度高；吸附与解吸速度快，为快速分离和获得小体积淋洗液创造

3、了条件；吸附剂价廉易得，实验操作简单；为了增加表面作用位置，吸附剂通常制成多孔结构和大比表面积。吸附机理 ：吸附作用机理复杂，包括静电吸附、氢键作用、离子交换、络合作用等多种物理和化学过程；从分子间作用力的观点来看，吸附作用是吸附剂表面的立场与吸附质分子之间相互作用的结果，主要是物理吸附；硅胶、 Al2O3 表面含有大量羟基及 O 原子，能与许多物质形成氢键。氢键和电荷转移相互作用均产生较强的吸附能；极性吸附剂与极性分子之间的吸附力较强，选择性也较高。5 膜分离法 ：用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和富集的方法。透析超

4、滤分离技术：原理 ：透析是采用半透膜作为滤膜，使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外，而大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。特点 ：半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边为纯净溶剂，可不断更换外层溶剂使扩散不断进行，直至符合要求。第三章扩散、固相反应与烧结1 扩散 ：由于物质中存在浓度梯度、化学位梯度、温度梯度和其他梯度所引起的物质运输过程。 气体、液体 ：很大的速率和完全的各向同性；固体 ：各向异性和扩散速率低。2 影响扩散的因素：温度、杂质、气氛、粘度、扩散介质。3 固相反应的定义：狭义：固相反应物之间发生化学反应生成新的固相产物的过程。广义：凡是有固相参与的化学反应都可称为固相

5、反应。特点 ：多数固相反应是发生在两种或两种以上组分界面上的非均相反应；固相反应一般包括相界面上的化学反应和物质迁移两个过程；固相反应通常在高温下进行，传质、传热过程对反应速率影响很大；固相反应发生的温度一般会低于反应物的熔点，这一温度是指反应物内部质点呈明显扩散时的温度，称泰曼温度。4 杨德尔方程 ：三点假设 ：（1）反应物是半径为R0 的等径球粒；（ 2）反应物B 是扩散相，即B 成分总是包围着A 的颗粒，而且A、 B 与产物是完全接触，反映自球面向中心进行；（3 ）B在产物层中的浓度梯度是线性的，而扩散层截面积一定。杨德尔方程在反应初期或转化率较小时与实验比较吻合，在反应中后期就有较大偏

6、差，原因是没有考虑反应截面随反应进行而改变的现象。5 影响固相反应的因素：反应物组成、反应物颗粒度及均匀性、反应温度、压力和气氛、反应物活性、矿化剂。6 烧结的目的 是把粉体转变成致密体。烧结与固相反应的区别主要在于烧结不一定依赖于化学反应的作用，可以在不发生化学反应的情况下形成坚固的烧结体。7 烧结特点及过程：烧结过程一般都伴随着气孔率降低，颗粒总表面积减少，表面自由能减少及晶粒生长等特点。整个过程一般分为三个阶段：烧结初期 ：随着烧结温度的提高和烧结时间的延长，固体颗粒间开始产生键合和重排，颗粒相互靠拢，空隙和气孔迅速减少，但仍以点接触为主，总表面积基本不变。烧结中期 ：出现明显的传质过程

7、，颗粒间逐渐呈现面接触，粒界面积增加，而固气表面积减少，晶粒随晶界移动而长大。烧结后期 ：传质过程继续，粒界进一步扩大，气孔则逐渐缩小变形，形成闭气孔，或随晶界移动而逐渐消失，最终成为坚固致密体。8 烧结的推动力：粉体颗粒的表面能大于多晶烧结体的晶界能，从而在烧结后晶界能取代表面能，使多晶材料能够稳定存在。9 固相烧结的主要传质方式有蒸发凝聚，扩散传质等过程。蒸发凝聚 ：传质时在球形颗粒表面有正曲率半径，而在两个颗粒联结处有一个小的负曲率半径的颈部，根据开尔文公式可以得出，物质将从饱和蒸发压高的凸形颗粒表面蒸发，通过气相传递而凝聚到饱和蒸气压低的凹形颈部，从而使颈部逐渐被填充生长。特点 ：粒度

8、小于 10um，蒸汽压高，传质明显；颗粒间中心距离不变，胚体不发生收缩，球的形状改变为椭圆。第四章无机材料现代合成方法及其应用1 共沉淀法 ：在含有多种阳离子的可溶性盐溶液中，加入沉淀剂后，所有阳离子完全沉淀并将原有阴离子洗去，经高温分解或脱水得到氧化物的方法。2 胶体的基本性质：光学性质：丁达尔效应；动力学性质：布朗运动；电学性质：电泳现象；稳定性：胶体带电，胶体颗粒间相同电荷的相互排斥是胶体稳定存在的基础，一旦电荷被中和，稳定性被破坏，出现絮凝。3 胶团结构 ：4 影响胶体稳定性的因素：PH 值、温度、浓度。5 自蔓延高温合成技术是利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发的进行下去，以获得具有

9、指定成分和结构的燃烧产物。特点：燃烧反应速度快，热反应产生的温度高，工艺简单，成本低。6 自蔓延离心铸造陶瓷内衬复合钢管技术：铝粉和氧化铁粉混匀后装入钢管内，然后通过离心机带动钢管旋转，达到一定速度后，用火焰点燃钢管内的物料，使铝和氧化铁发生放热反应，得到铁和氧化铁。依靠反应本身放出的热量，这个化学反应过程可以自我维持并迅速在钢管内蔓延，燃烧温度可达 2180 度，使反应产物铁和氧化铝瞬时熔化，并在离心力的作用下分层分布。密度较小的氧化铝分布在钢管内壁， 形成陶瓷层， 可以得到比钢本身更良好的耐磨和耐蚀性能；而密度较大的铁处于钢管和氧化铝陶瓷层之间， 起到过渡层的作用。 得到的复合钢管可用于铝

10、液和高温腐蚀性气体的输运。Fe2O3+2Al->Al2O3+2Fe+836KJ第五章无机材料合成的前沿领域1 C60 的结构 ：C60 是由 60 个 C 原子组成的高度对称的足球状分子，60 个 C 原子在 12 个正五边形和20 个正六边形组成的具有32 个平面的多面体的顶点上，是一个高度对称的分子。2 C60 的化学性质 ：具有部分芳香性； C60 可以进行氧化、还原、加成、周环和聚合或共聚合等反应；C60 不能直接进行取代反应，但它的衍生物可进行取代反应。3 富勒烯的分离与提纯： 升华法；高效液相色谱法；重结晶法；柱色层法；化学络合分离提纯法 。4 光子晶体 ：介电常数在空间呈周

11、期性排列形成的人工结构。5 光子带隙或禁带：一个频率范围的电磁波不能在这个光子晶体里传播，即当入射光的频率落在光子带隙时，它被全反射，不能穿过光子晶体，而频率位于能带里的电磁波则能在光子晶体里几乎无损的传播。光子带隙来源于：被周期性介电结构强散射的光之间的干涉。6 储氢合金的P-C-T曲线 ：OA 段：温度不变时，从O 点开始，随着氢压的增加，金属吸氢量增加，直到A。 OA 段为吸氢过程第一步，金属为含氢固溶体（a 相）。点 A 对应于氢在金属中的极限固溶度。AB 段：达到A 点后， a 相开始与氢反应，生成氢化物（b 相）。继续加氢时，系统压力保持不变，而氢在恒压下被金属吸收。AB 段为两相

12、互溶区，达到B 点时， a 相消失，全部变为 b 相氢化物。 AB 段呈平直状，称平台区，相应的恒定平衡压力称平台压。B 点以后：在全部组成b 相后，如再提高氢压，b 相中的氢含量仅有少量增加。7 形状记忆效应：合金材料在一定条件下变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力。形状记忆合金记忆原理：合金存在着一对可逆转变的晶体结构。绝大部分材料具有记忆原始形状的特性应归因于材料中发生热弹性相变。 当具有高对称性的母相降温转变为低对称性结构新相时，可以生成不同取向的新相。单晶母相冷却相变时的 24 种马氏体变态由于自协作，因此宏观形变不明显，但在外应力作用下，其有利变态得以长大，如果外应力足够大，有利变

13、态可以长满整个晶体而成为单晶马氏体，由于在晶体学上的可逆性，加热时，转变为原始位向德单晶相，因此形状完全回复。第六章功能高分子材料合成1 功能高分子 ：既有传统高分子材料的机械功能，又有某些特殊物理、化学性质和功能的高分子材料， 即对物质、 能量和信息具有传输、转变或贮存作用的高分子及其复合材料。2 功能高分子的制备方法：采用化学或物理的方法，按照材料性能要求对材料结构进行设计使功能基团与高分子骨架结合，即高分子的改性， 包括化学改性和物理改性两类方法。（ 1）功能型小分子材料的高分子化：a.功能型可聚合单体的聚合法； b.聚合物包埋法（ 2）已有高分子材料的功能化或多功能材料的复合：a.高分

14、子的化学功能化；b.高分子功能化的物理方法（ 3 ）已有功能高分子材料的功能扩展： a.功能高分子的多功能复合； b.同一分子中引入多种功能集团； c.原有功能高分子材料的功能的拓展与扩大3 形状记忆高分子的记忆原理 ：形状记忆高分子材料通常由记忆成形制品原始形状的固定相以及随温度变化能发生可逆软化与硬化变化的可逆相组成。固定相 ：作用是对于成形制品原始形状的记忆与回复，可为聚合物的交联结构、部分结晶结构、超高分子链的缠绕等结构。可逆相 ：作用是形变的发生与固定。可逆相可以是产生结晶与结晶熔融可逆变化的部分结晶相，或发生玻璃态与橡胶态可逆转变（玻璃化温度Tg）的相结构。第七章新型陶瓷材料的制备

15、与合成1 陶瓷材料的主要成型方法 ：主要有挤制成型、干压成型、热压成型、热压铸成型、注浆成型、轧膜成型、等静压成型和流延成型等。注浆成型基本原理：将料浆灌注到多孔材料（石膏）模具中，由于毛细管的作用，多孔材料将吸收料浆中的水分， 而使浆料中的颗粒， 不能吸入材料内， 故在多孔材料的表面，产生干固层，时间越长，干固层越厚，待达到所需要的厚度后，将多余的料浆从多孔材料模具内倒出，并让干固层继续干燥，收缩，最后将所制得的胚体取出。2 绝缘陶瓷 ：指电气电路或电子电路中用作绝缘体的陶瓷材料。作用 ： a.将电路中的导体从物理上隔离，以防止电流在导体间流动而影响电路正常运行或破坏电路； b.电路中导体的

16、机械支撑、散热及电路的环境保护的作用。3 铁电性 ：存在自发极化，且自发极化随外场（温度、电场）变化而变化。弛豫铁电体陶瓷材料 ：弛豫铁电体的 “铁电顺电” 相变不是突变， 二是一个渐变过程，自发极化在高于居里温度时仍存在。第八章薄膜的制备1 薄膜的制备技术按其基本作用过程可分为：2 点源和面源对膜厚的影响：点源：面源：比较 ：原子沉积、 颗粒沉积、 整体覆盖、 表面改性 。a. 两种源的相对膜厚分布的均匀性都不理想；b. 电源的膜厚分布稍均匀些；c. 在相同条件下，面源的中心膜厚为点源的提高膜厚均匀性的措施 ：4 倍。a. 采用若干分离的小面积蒸发源，最佳的数量，合理的布局和蒸发速率；b.

17、基片设置：球面放置基片；基片平面旋转；行星旋转基片架。3 磁控溅射 ：以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用使单个点子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。特点 ：二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，路程足够长， 电子使原子电离的机会增加；提高了电离效率，工作气压可降低到 10-3 10-4Torr ，减少了工作气体与溅射原子

18、的散射作用，提高了沉积速率；高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样，电离产生的正离子能有效地轰击靶面；基片又免受等离子体的轰击，制膜过程中温升较小。第九章单晶材料的制备1 均匀成核 ：在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。必备条件 ： a.必须过冷，过冷度越大形核驱动力越大；b.必须具有与一定过冷相适应的能量起伏G*或结构起伏r* ，但T 增大时，G* 和 r* 都减小，此时形核率增大。2 提拉法 ：可以在较短时间内生长大而无错位的晶体。晶体生长前，待生长的材料在坩埚中熔化， 然后将籽晶浸到熔体中，缓慢向上提拉， 同时旋转籽晶， 即可以逐渐生长晶体。其中，旋转籽晶的目的是

19、为了获得热对称性。为了生长高质量的晶体，提拉和旋转的速率要平稳，熔体的温度要精确控制。晶体的直径取决于熔体的温度和拉速，减少功率和降低拉速，晶体的直径增加。提拉法的要求之一是平衡提拉速度 和加热条件 。第十章非晶态材料的制备1 非晶材料 ：具有短程有序、长程无序的原子排布特征并处于热力学上的亚稳态的固体。基本特点： 原子排布的长程无序、短程有序；热力学上的亚稳态。2 非晶固体的形成条件：（ 1） 晶核形成的热力学势垒 G*要大，液体中无杂质， G*=16 3/3（ Gv）2， Gv= Sv （ T Tm） =Tr T Hv越小， 越大， G*就越大，形成非晶就较容易。（ 2） 结晶的动力学势垒

20、 Ga 要大，因为 Do1/ ，粘度就大， 而且随着温度下降， 粘度很快增大，容易形成玻璃。（ 3） 深共晶点： 熔点越低的物质就越容易形成玻璃，因为 Tm= H/S，Tm 低说明不需要多大的能量就能造成较大的无序程度，有助于形成玻璃。因此，共晶点附近的组成容易形成玻璃。3 非晶态材料的制备原理：要获得非晶态，最根本的条件就是有足够快的冷却速率，并冷却到材料的再结晶温度以下。为了达到一定的冷却速率，必须采用特定的方法与技术，而不同的技术方法，其非晶态的形成过程又有较大区别。考虑到非晶态固体的一个基本特征是其构成的原子或分子在很大程度上的排列混乱，体系的自由能比对应的晶态要高，因而是一种热力学上的亚稳态。基于这样的特点，无论哪一种制备方法都要解决两个技术关键：必须形成原子或分子混乱排列的状态；将这种热力学亚稳态在一定的温度范围内保存下来，并使之不向晶态发生转变。4 多元合金比二元合金更容易形成非晶态，原因：通常，降低熔点可以使合金成分处于共晶点附近，由热力学原理， 有：G=H-TS，式中， G为相变自由能差，H和 S为焓变和熵变。 在熔点处， 即 T=Tm 时，有：G=0，Tm= H/ S，可见，要降低熔点， 就要减小焓变或提高熵变，而增加合金中的组元数可以有效提高 S，降低熔点 Tm，所