材料合成制備考試復(fù)習(xí)資料終極版

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)材料合成：指把各種原子、分子結(jié)合起來(lái)制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方法，一般不含工程方面的問(wèn)題。材料制備：制備一詞不僅包含了合成的基本內(nèi)涵，而且包含了把比原子、分子更高一級(jí)聚集狀態(tài)結(jié)合起來(lái)制成材料所采用的化學(xué)方法和物理方法。(一是新的制備方法以及新的制備方法中的科學(xué)問(wèn)題，二是各種制備方法中遇到的工程技術(shù)問(wèn)題)材料加工：是指對(duì)原子、分子以及更高一級(jí)聚集狀態(tài)進(jìn)行控制而獲得所需要的性能和形狀尺寸(以性能為主)所采用的方法(以物理方法為主).材料的分類：用途：結(jié)構(gòu)材料，功能

2、材料。物理結(jié)構(gòu)：晶體材料、非晶態(tài)材料和納米材料。幾何形態(tài)：三維二維一維零維材料。發(fā)展：傳統(tǒng)材料，新材料 。按屬性分：以金屬健結(jié)合的金屬材料，以離子鍵和共價(jià)鍵為主要鍵合的無(wú)機(jī)非金屬材料，以共價(jià)健為主要鍵合的高分子材料，將上述三種材料進(jìn)行復(fù)合，以界面特征為主的復(fù)合材料，鋼鐵、陶瓷、塑料和玻 璃鋼分別為這四種材料的典型代表。新材料特點(diǎn)：品種多式樣多，更新?lián)Q代快，性能要求越來(lái)越功能化、極限化復(fù)合化、精細(xì)化。新材料主要發(fā)展趨勢(shì)：1結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合化2信息材料的多功能集成化3低維材料迅速發(fā)展4非平衡態(tài)(非穩(wěn)定)材料日益受到重視。單晶體的基本性質(zhì)：均勻性；各向異性；自限性；對(duì)稱性；最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性。晶體生

3、長(zhǎng)類型：固相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)，液相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)，氣相-固相平衡的晶體生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)可以分為成核和長(zhǎng)大兩個(gè)階段。成核過(guò)程主要考慮熱力學(xué)條件。長(zhǎng)大過(guò)程則主要考慮動(dòng)力學(xué)條件。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，新相核的發(fā)生和長(zhǎng)大稱為成核過(guò)程。成核過(guò)程可分為均勻成核和非均勻成核。過(guò)冷度每一種物質(zhì)都有自己的平衡結(jié)晶溫度或者稱為理論結(jié)晶溫度，但是，在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的，這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷現(xiàn)象，兩者的溫度差值被稱為過(guò)冷度，它是晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。冷卻速度，過(guò)冷度，晶體生長(zhǎng)速度冷卻速度，過(guò)冷度，晶體生長(zhǎng)速度定向凝固：在凝固過(guò)程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度

4、，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。溫度梯度大小直接影響晶體的生長(zhǎng)速率和晶體的質(zhì)量。凝固速率實(shí)際上取決于鑄型或爐體的移動(dòng)速率。定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)：凝固過(guò)程中固液界面前沿液相中的溫度梯度GL，固液界面向前推進(jìn)的速度R （傳統(tǒng)：發(fā)熱劑法，功率降低法，快速凝固法，液態(tài)金屬冷卻法，流態(tài)床冷卻法。新型：超高溫度梯度定向凝固，電磁約束成形定向凝固，深過(guò)冷定向凝固，激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)，連續(xù)定向凝固技術(shù)法）提拉法的原理：也稱為丘克拉斯基（ Gockraski）技術(shù)，是熔體中晶體生長(zhǎng)最常用的方法之一，是利用溫場(chǎng)控制來(lái)使得熔融的原料生長(zhǎng)成晶體。優(yōu)點(diǎn)：a 可以直接觀察晶體

5、的生長(zhǎng)狀況b能夠顯著減小晶體的應(yīng)力并防止坩堝壁上的寄生成核；c 可以方便的使用定向籽晶和“縮頸”工藝，得到不同取向的單晶體，降低晶體中的位錯(cuò)密度，減少嵌鑲結(jié)構(gòu)，提高晶體的完整性。最大優(yōu)點(diǎn)：能夠以較快的速率生長(zhǎng)較高質(zhì)量的晶體。缺點(diǎn)：a 一般要用坩堝做容器，導(dǎo)致熔體有不同程度的污染；b 當(dāng)熔體中含有易揮發(fā)物時(shí)，則存在控制組分的困難；c 不適用于對(duì)于固態(tài)下有相變的晶體。區(qū)域熔化技術(shù)特點(diǎn)：體系由晶體、熔體和多晶體原料三部分組成；體系中存在著兩個(gè)固-液界面，一個(gè)界面上發(fā)生結(jié)晶過(guò)程，而兩一個(gè)界面上發(fā)生多晶原料方向的熔化過(guò)程，熔融區(qū)向多晶原料方向移動(dòng)；熔區(qū)體積不變，不斷地向熔區(qū)中添加原料； 生長(zhǎng)以晶體的長(zhǎng)大

6、和多晶原料的耗盡而結(jié)束；包括：水平區(qū)熔法，浮區(qū)法，基座法和焰熔法。（水平區(qū)熔法：減小了坩堝對(duì)熔體的污染；降低了加熱功率；提高了晶體的純度。浮區(qū)法：不需要坩堝，可以生長(zhǎng)高熔點(diǎn)材料晶體）高溫溶液生長(zhǎng)：此方法制備單晶材料的工藝關(guān)鍵是助熔劑的選擇（有足夠大的溶解度；所生成的晶體是唯一穩(wěn)定的物相；固溶度應(yīng)盡可能?。恍≌硿?；低熔點(diǎn)，高沸點(diǎn)；很小的揮發(fā)性、腐蝕性和毒性；易溶于對(duì)晶體無(wú)腐蝕作用的液體溶劑中），加入助熔劑，降低熔融溫度，而在較低溫度上生長(zhǎng)的層狀晶體的點(diǎn)缺陷濃度和位錯(cuò)密度都較低，化學(xué)計(jì)量和摻質(zhì)均勻性較好，因而在結(jié)晶學(xué)上比熔體法生長(zhǎng)的晶體更為優(yōu)良。水熱法生長(zhǎng)過(guò)程的特點(diǎn)：過(guò)程是在壓力與氣氛可以控制的

7、封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的；生長(zhǎng)溫度比熔融法和熔鹽法低很多；生長(zhǎng)區(qū)基本處于恒溫和等濃度狀態(tài)，溫度梯度?。粚儆谙”∠嗌L(zhǎng)，溶液黏度低。非晶態(tài)材料微觀結(jié)構(gòu)基本特征：(1)只存在小區(qū)間內(nèi)的短程有序。在近鄰和次近鄰原子間的鍵合具有一定的規(guī)律性，而沒(méi)有任何長(zhǎng)程有序；(2)它的衍射花樣是由較寬的暈和彌散的環(huán)組成，沒(méi)有表征結(jié)晶態(tài)的任何斑點(diǎn)和條紋；（3)當(dāng)溫度連續(xù)升高時(shí)，在某個(gè)很窄的溫區(qū)內(nèi)，會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)相變，是一種亞穩(wěn)態(tài)材料。非晶態(tài)材料的性質(zhì)：高強(qiáng)度、高韌性 ；抗腐蝕性 ；軟磁特性；超導(dǎo)電性一般較低，但延展性較好；非晶半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì) 其他性質(zhì)非晶固體的形成（液體在緩慢降溫過(guò)程中形成晶體，液體在急冷過(guò)程中形成非晶體）

8、大致可以分為3類：第一類為類金屬元素（或弱金屬元素）與非金屬元素的組合。第二類是準(zhǔn)金屬元素和金屬元素的組合。第三類是金屬元素和金屬元素的組合幾種技術(shù)比較成熟的非晶態(tài)材料：非晶態(tài)合金；非晶態(tài)半導(dǎo)體材料；非晶態(tài)超導(dǎo)體 ；非晶態(tài)高分子材料；非晶體玻璃。非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)：微晶模型：認(rèn)為微晶內(nèi)的短程有序和晶態(tài)相同，但是各個(gè)微晶的取向是散亂分布的，因此造成長(zhǎng)程無(wú)序，微晶之間原子的排列方式和液態(tài)結(jié)構(gòu)相似。拓?fù)錈o(wú)序模型：認(rèn)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂和隨機(jī)性。拓?fù)錈o(wú)序是指模型中原子的相對(duì)位置是隨機(jī)地?zé)o序排列的，無(wú)論是原子間距或各對(duì)原子連線間的夾角都沒(méi)有明顯的規(guī)律性。該模型強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)序性，把短程有序

9、看作是無(wú)規(guī)堆積時(shí)附帶產(chǎn)生的結(jié)果。制備非晶態(tài)固體必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題：（1）必須形成原子或分子混亂排列的狀態(tài)；（2）必須將這種熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來(lái)，使之不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。常見(jiàn)的非晶態(tài)制備方法：液相驟冷和從稀釋態(tài)凝聚。化學(xué)氣相沉積的優(yōu)點(diǎn)：1.既可以沉積金屬薄膜，又可以制取非金屬薄膜，且成膜速率快，同一爐中可放置大量基板或工件；2.繞射性好，對(duì)于形狀復(fù)雜的表面或工件的深孔、細(xì)孔等都能均勻覆膜；3.成膜溫度高，反應(yīng)氣體、反應(yīng)產(chǎn)物和基體的相互擴(kuò)散，使膜的殘余應(yīng)力小，附著力好，且膜致密，結(jié)晶良好；在高飽和度下進(jìn)行的，成核密度高，且沉積中分子或原子的平均自由程大，這些都有利于形成均勻平滑的薄

10、膜。缺點(diǎn)：反應(yīng)溫度太高，一般在1000左右，而許多基材難以承受這樣的高溫，因而限制了它的應(yīng)用范圍。真空蒸鍍：將待成膜的物質(zhì)置于真空中進(jìn)行蒸發(fā)或升華，使之在工件或基片表面析出的過(guò)程。蒸發(fā)源的組成應(yīng)具備的條件：(1) 能加熱到平衡蒸氣壓為(1.3310-21.33Pa)的蒸發(fā)溫度；(2) 要求坩鍋材料具有化學(xué)穩(wěn)定性；(3) 能承載一定量的待蒸鍍材料。類型：點(diǎn)源、面源。電子束加熱法優(yōu)點(diǎn)：可以直接對(duì)蒸發(fā)材料加熱；可避免材料與容器的反應(yīng)和容器材料的蒸發(fā)；可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料。缺點(diǎn)：裝置復(fù)雜；只適合于蒸發(fā)單質(zhì)元素；殘余氣體分子和蒸發(fā)材料的蒸氣會(huì)部分被電子束電離。濺射成膜：濺射是指荷能粒子(如正離子)轟擊靶材，

11、使靶材表面原子或原子團(tuán)逸出的現(xiàn)象。逸出的原子在工件表面形成與靶材表面成分相同的薄膜。優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：參數(shù)控制較蒸發(fā)困難；但不存在分餾，不需加熱至高溫等?；瘜W(xué)氣相沉積的反應(yīng)形式可分為五類：（1）熱分解反應(yīng)（2）氫還原反應(yīng)（3）由金屬產(chǎn)生的還原反應(yīng)（4）由基片產(chǎn)生的還原反應(yīng)（5）化學(xué)輸送反應(yīng)影響薄膜質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有沉積溫度、反應(yīng)氣體組成、工作氣壓、基板溫度、氣體流量等。其中溫度是最重要的影響因素。功能陶瓷材料的分類（按功能和主要用途分類）：1）電功能陶瓷2）磁功能陶瓷3）光功能陶瓷4）生物及化學(xué)功能陶瓷燒結(jié)工藝一般分為四個(gè)階段： 低溫(室溫300)排除殘余水分； 中溫(分解氧化階段，300950)

12、排除結(jié)構(gòu)水，有機(jī)物分解、碳和無(wú)機(jī)物的氧化，碳酸鹽、硫化物的分解，晶型轉(zhuǎn)變等； 高溫(950燒成溫度)繼續(xù)氧化、分解，形成新晶相和晶粒長(zhǎng)大； 冷卻階段，冷卻凝固，晶型轉(zhuǎn)變。超導(dǎo)體兩個(gè)獨(dú)立的基本性質(zhì)：零電阻現(xiàn)象；完全抗磁性。臨界溫度（Tc）、臨界磁場(chǎng)（Hc）、臨界電流Ic是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。高溫熔燒法工藝關(guān)鍵是應(yīng)使其缺氧，保證氧含量小于7，降原料按一定比例混和后壓塊，盛于白金或氧化鋁坩堝中，在電爐內(nèi)，大氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900960C，時(shí)間至少為4h，然后斷電自然冷卻至室溫。為使材料均勻，從爐內(nèi)取出后經(jīng)粉碎再進(jìn)行壓塊，按上述條件進(jìn)行第二次燒結(jié)，甚至第三次燒結(jié)，可制得正交結(jié)構(gòu)的超

13、導(dǎo)材料。熱敏陶瓷基本分類：電阻隨溫度升高而增大PTC熱敏電阻；電阻隨溫度的升高而減少NTC熱敏電阻；電阻在某特定溫度范圍內(nèi)急劇變化CTR臨界溫度熱敏電阻。敏感陶瓷的半導(dǎo)化摻雜條件：在氧化物中，摻入少量高價(jià)或低價(jià)雜質(zhì)離子，引起氧化物晶體的能帶畸變，分別形成施主能級(jí)和受主能級(jí)。從而形成n型或p型半導(dǎo)體陶瓷。氣敏材料的性能指標(biāo)：氣體選擇性；初始穩(wěn)定、氣敏響應(yīng)和復(fù)原特性；靈敏度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性提高氣敏元件的氣體選擇性的辦法：在材料中摻雜金屬氧化物或其他添加物；控制調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度；改變氣敏元件的工作溫度；采用屏蔽技術(shù)。壓電陶瓷：（1）一元系壓電陶瓷（2）二元系Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學(xué)和

14、機(jī)械性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的高技術(shù)陶瓷，特別適合于在高溫下應(yīng)用的則稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有耐高溫、高硬度。耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性和質(zhì)輕的特點(diǎn)。超微粉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.非常大的比表面積。2特殊表面結(jié)構(gòu)物質(zhì)。3.電荷分布的特殊性是對(duì)稱性的，4.金屬超微粒的非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；5.很高的比表面自由能6.小體積效應(yīng);7. 熔點(diǎn)降低效應(yīng)微波燒結(jié)模式與常規(guī)燒結(jié)相比，具備以下特點(diǎn)：利用材料介電損耗發(fā)熱，只有試件處于高溫而爐體為冷態(tài)，即不需元件也不需要絕熱材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維修方便；快速加熱燒結(jié)，如Al2O3、ErO2在15分鐘內(nèi)可燒結(jié)致密；體積性加熱，溫場(chǎng)均勻，不存在熱應(yīng)力，有利于復(fù)雜形狀大部件燒結(jié)；高效節(jié)能，微波燒結(jié)熱效率可達(dá)80以上；無(wú)熱源污染，有利于制備高純陶瓷；可改進(jìn)材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，獲得細(xì)晶高韌的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。帶式澆注式流延成型：這種工藝的特點(diǎn)是可以進(jìn)行材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于表面不相容的兩種材料可以用梯度化工藝疊層連接，可以實(shí)現(xiàn)一材多功能，獲得傾斜機(jī)能材料，如硬表面/輕質(zhì)內(nèi)部等。氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷對(duì)制品的要求：介電系數(shù)要?。桓哳l電場(chǎng)下的介電損耗要?。粰C(jī)械強(qiáng)度要高；希望有高介電強(qiáng)度、高比體積電阻、高導(dǎo)熱系數(shù)和合適的熱膨脹系數(shù)以及易于加工、低成本、無(wú)毒、高穩(wěn)定等性能。單晶，非晶，液晶，溶液的區(qū)別：晶體是一