材料合成制备考试复习资料终极版

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业材料合成：指把各种原子、分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方法，一般不含工程方面的问题。材料制备：制备一词不仅包含了合成的基本内涵，而且包含了把比原子、分子更高一级聚集状态结合起来制成材料所采用的化学方法和物理方法。(一是新的制备方法以及新的制备方法中的科学问题，二是各种制备方法中遇到的工程技术问题)材料加工：是指对原子、分子以及更高一级聚集状态进行控制而获得所需要的性能和形状尺寸(以性能为主)所采用的方法(以物理方法为主).材料的分类：用途：结构材料，功能

2、材料。物理结构：晶体材料、非晶态材料和纳米材料。几何形态：三维二维一维零维材料。发展：传统材料，新材料 。按属性分：以金属健结合的金属材料，以离子键和共价键为主要键合的无机非金属材料，以共价健为主要键合的高分子材料，将上述三种材料进行复合，以界面特征为主的复合材料，钢铁、陶瓷、塑料和玻 璃钢分别为这四种材料的典型代表。新材料特点：品种多式样多，更新换代快，性能要求越来越功能化、极限化复合化、精细化。新材料主要发展趋势：1结构材料的复合化2信息材料的多功能集成化3低维材料迅速发展4非平衡态(非稳定)材料日益受到重视。单晶体的基本性质：均匀性；各向异性；自限性；对称性；最小内能和最大稳定性。晶体生

3、长类型：固相-固相平衡的晶体生长，液相-固相平衡的晶体生长，气相-固相平衡的晶体生长。晶体生长可以分为成核和长大两个阶段。成核过程主要考虑热力学条件。长大过程则主要考虑动力学条件。在晶体生长过程中，新相核的发生和长大称为成核过程。成核过程可分为均匀成核和非均匀成核。过冷度每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度，它是晶体生长的驱动力。冷却速度，过冷度，晶体生长速度冷却速度，过冷度，晶体生长速度定向凝固：在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度

4、，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。温度梯度大小直接影响晶体的生长速率和晶体的质量。凝固速率实际上取决于铸型或炉体的移动速率。定向凝固技术的工艺参数：凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度GL，固液界面向前推进的速度R （传统：发热剂法，功率降低法，快速凝固法，液态金属冷却法，流态床冷却法。新型：超高温度梯度定向凝固，电磁约束成形定向凝固，深过冷定向凝固，激光超高温梯度快速凝固技术，连续定向凝固技术法）提拉法的原理：也称为丘克拉斯基（ Gockraski）技术，是熔体中晶体生长最常用的方法之一，是利用温场控制来使得熔融的原料生长成晶体。优点：a 可以直接观察晶体

5、的生长状况b能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；c 可以方便的使用定向籽晶和“缩颈”工艺，得到不同取向的单晶体，降低晶体中的位错密度，减少嵌镶结构，提高晶体的完整性。最大优点：能够以较快的速率生长较高质量的晶体。缺点：a 一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染；b 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难；c 不适用于对于固态下有相变的晶体。区域熔化技术特点：体系由晶体、熔体和多晶体原料三部分组成；体系中存在着两个固-液界面，一个界面上发生结晶过程，而两一个界面上发生多晶原料方向的熔化过程，熔融区向多晶原料方向移动；熔区体积不变，不断地向熔区中添加原料； 生长以晶体的长大

6、和多晶原料的耗尽而结束；包括：水平区熔法，浮区法，基座法和焰熔法。（水平区熔法：减小了坩埚对熔体的污染；降低了加热功率；提高了晶体的纯度。浮区法：不需要坩埚，可以生长高熔点材料晶体）高温溶液生长：此方法制备单晶材料的工艺关键是助熔剂的选择（有足够大的溶解度；所生成的晶体是唯一稳定的物相；固溶度应尽可能小；小粘滞性；低熔点，高沸点；很小的挥发性、腐蚀性和毒性；易溶于对晶体无腐蚀作用的液体溶剂中），加入助熔剂，降低熔融温度，而在较低温度上生长的层状晶体的点缺陷浓度和位错密度都较低，化学计量和掺质均匀性较好，因而在结晶学上比熔体法生长的晶体更为优良。水热法生长过程的特点：过程是在压力与气氛可以控制的

7、封闭系统中进行的；生长温度比熔融法和熔盐法低很多；生长区基本处于恒温和等浓度状态，温度梯度小；属于稀薄相生长，溶液黏度低。非晶态材料微观结构基本特征：(1)只存在小区间内的短程有序。在近邻和次近邻原子间的键合具有一定的规律性，而没有任何长程有序；(2)它的衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态的任何斑点和条纹；（3)当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构相变，是一种亚稳态材料。非晶态材料的性质：高强度、高韧性 ；抗腐蚀性 ；软磁特性；超导电性一般较低，但延展性较好；非晶半导体光学性质 其他性质非晶固体的形成（液体在缓慢降温过程中形成晶体，液体在急冷过程中形成非晶体）

8、大致可以分为3类：第一类为类金属元素（或弱金属元素）与非金属元素的组合。第二类是准金属元素和金属元素的组合。第三类是金属元素和金属元素的组合几种技术比较成熟的非晶态材料：非晶态合金；非晶态半导体材料；非晶态超导体 ；非晶态高分子材料；非晶体玻璃。非晶态固体的结构：微晶模型：认为微晶内的短程有序和晶态相同，但是各个微晶的取向是散乱分布的，因此造成长程无序，微晶之间原子的排列方式和液态结构相似。拓扑无序模型：认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性。拓扑无序是指模型中原子的相对位置是随机地无序排列的，无论是原子间距或各对原子连线间的夹角都没有明显的规律性。该模型强调结构的无序性，把短程有序

9、看作是无规堆积时附带产生的结果。制备非晶态固体必须解决的关键问题：（1）必须形成原子或分子混乱排列的状态；（2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。常见的非晶态制备方法：液相骤冷和从稀释态凝聚。化学气相沉积的优点：1.既可以沉积金属薄膜，又可以制取非金属薄膜，且成膜速率快，同一炉中可放置大量基板或工件；2.绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜；3.成膜温度高，反应气体、反应产物和基体的相互扩散，使膜的残余应力小，附着力好，且膜致密，结晶良好；在高饱和度下进行的，成核密度高，且沉积中分子或原子的平均自由程大，这些都有利于形成均匀平滑的薄

10、膜。缺点：反应温度太高，一般在1000左右，而许多基材难以承受这样的高温，因而限制了它的应用范围。真空蒸镀：将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。蒸发源的组成应具备的条件：(1) 能加热到平衡蒸气压为(1.3310-21.33Pa)的蒸发温度；(2) 要求坩锅材料具有化学稳定性；(3) 能承载一定量的待蒸镀材料。类型：点源、面源。电子束加热法优点：可以直接对蒸发材料加热；可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发；可蒸发高熔点材料。缺点：装置复杂；只适合于蒸发单质元素；残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。溅射成膜：溅射是指荷能粒子(如正离子)轰击靶材，

11、使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜。优点和缺点：参数控制较蒸发困难；但不存在分馏，不需加热至高温等。化学气相沉积的反应形式可分为五类：（1）热分解反应（2）氢还原反应（3）由金属产生的还原反应（4）由基片产生的还原反应（5）化学输送反应影响薄膜质量的主要工艺参数有沉积温度、反应气体组成、工作气压、基板温度、气体流量等。其中温度是最重要的影响因素。功能陶瓷材料的分类（按功能和主要用途分类）：1）电功能陶瓷2）磁功能陶瓷3）光功能陶瓷4）生物及化学功能陶瓷烧结工艺一般分为四个阶段： 低温(室温300)排除残余水分； 中温(分解氧化阶段，300950)

12、排除结构水，有机物分解、碳和无机物的氧化，碳酸盐、硫化物的分解，晶型转变等； 高温(950烧成温度)继续氧化、分解，形成新晶相和晶粒长大； 冷却阶段，冷却凝固，晶型转变。超导体两个独立的基本性质：零电阻现象；完全抗磁性。临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流Ic是约束超导现象的三大临界条件。高温熔烧法工艺关键是应使其缺氧，保证氧含量小于7，降原料按一定比例混和后压块，盛于白金或氧化铝坩埚中，在电炉内，大气气氛下进行烧结，烧结温度为900960C，时间至少为4h，然后断电自然冷却至室温。为使材料均匀，从炉内取出后经粉碎再进行压块，按上述条件进行第二次烧结，甚至第三次烧结，可制得正交结构的超

13、导材料。热敏陶瓷基本分类：电阻随温度升高而增大PTC热敏电阻；电阻随温度的升高而减少NTC热敏电阻；电阻在某特定温度范围内急剧变化CTR临界温度热敏电阻。敏感陶瓷的半导化掺杂条件：在氧化物中，掺入少量高价或低价杂质离子，引起氧化物晶体的能带畸变，分别形成施主能级和受主能级。从而形成n型或p型半导体陶瓷。气敏材料的性能指标：气体选择性；初始稳定、气敏响应和复原特性；灵敏度及长期稳定性提高气敏元件的气体选择性的办法：在材料中掺杂金属氧化物或其他添加物；控制调节烧结温度；改变气敏元件的工作温度；采用屏蔽技术。压电陶瓷：（1）一元系压电陶瓷（2）二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷结构陶瓷是指具有力学和

14、机械性能及部分热学和化学功能的高技术陶瓷，特别适合于在高温下应用的则称为高温结构陶瓷。高温结构陶瓷材料具有耐高温、高硬度。耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高导热性和质轻的特点。超微粉的结构特点1.非常大的比表面积。2特殊表面结构物质。3.电荷分布的特殊性是对称性的，4.金属超微粒的非稳定结构；5.很高的比表面自由能6.小体积效应;7. 熔点降低效应微波烧结模式与常规烧结相比，具备以下特点：利用材料介电损耗发热，只有试件处于高温而炉体为冷态，即不需元件也不需要绝热材料，结构简单，制造维修方便；快速加热烧结，如Al2O3、ErO2在15分钟内可烧结致密；体积性加热，温场均匀，不存在热应力，有利于复杂形状大部件烧结；高效节能，微波烧结热效率可达80以上；无热源污染，有利于制备高纯陶瓷；可改进材料的微观结构和宏观性能，获得细晶高韧的结构陶瓷材料。带式浇注式流延成型：这种工艺的特点是可以进行材料的微观结构和宏观结构设计，对于表面不相容的两种材料可以用梯度化工艺叠层连接，可以实现一材多功能，获得倾斜机能材料，如硬表面/轻质内部等。氧化物结构陶瓷对制品的要求：介电系数要小；高频电场下的介电损耗要小；机械强度要高；希望有高介电强度、高比体积电阻、高导热系数和合适的热膨胀系数以及易于加工、低成本、无毒、高稳定等性能。单晶，非晶，液晶，溶液的区别：晶体是一