功能材料設(shè)計(jì)作業(yè)

功能材料設(shè)計(jì)與制備》作業(yè)第一章緒論1、名詞解釋功能材料：指通過(guò)光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的材料。光電效應(yīng)：在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電現(xiàn)象形狀記憶合金：即擁有“記憶〃效應(yīng)的合金壓電陶瓷：指某些陶瓷介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，能引起介質(zhì)表面帶電的陶瓷超導(dǎo)材料：指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。智能材料：是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。非晶態(tài)合金：合金原子呈長(zhǎng)程無(wú)序的非結(jié)晶狀態(tài)的合金。2、請(qǐng)簡(jiǎn)述功能材料發(fā)展特點(diǎn)（結(jié)合實(shí)例進(jìn)行論述）。1）金屬功能材料發(fā)展特點(diǎn)：開(kāi)發(fā)比較早；被廣泛應(yīng)用，或具有廣泛應(yīng)用的前景；非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，極有發(fā)展前景。2）無(wú)機(jī)非金屬功能材料發(fā)展特點(diǎn)：以功能玻璃和功能陶瓷為主；新型功能玻璃的發(fā)展以光功能玻璃為代表；功能材料之間的界限開(kāi)始變得模糊。第二章材料設(shè)計(jì)1、材料設(shè)計(jì)：是指通過(guò)理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說(shuō)，通過(guò)理論設(shè)計(jì)來(lái)“訂做”具有特定性能的新材料。2、材料設(shè)計(jì)主要包含哪幾個(gè)環(huán)節(jié)？1）建立材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)：確定材料功能特性和效用2）成分和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：有經(jīng)驗(yàn)法，半經(jīng)驗(yàn)法與基本計(jì)算法3）合成和加工工藝設(shè)計(jì)：從微觀到宏觀尺度對(duì)結(jié)構(gòu)予以控制4）使用性能設(shè)計(jì)第三章粉體制備選擇合適的工藝分別制備片狀和球狀a-Al2O3粉體，寫(xiě)出制備方法、過(guò)程及如何控制粒徑和純度。1）制備高純片狀a-A1203:以硫酸鋁［Al（N03）3?9H20］（分析純）和水溶性高分子為原料。將硫酸鋁與水溶性高分子混合研磨均勻，放入燒杯中直接于150°C干燥箱中加熱30min,得到面包狀黃色蓬松狀產(chǎn)物，該產(chǎn)物在1000C~1200C保溫l~2h，獲得高純片狀a-A12O3。可以通過(guò)控制球磨工藝得到不同粒徑的片狀a-Al203。2）制備球狀心巴粉體：以硝酸鋁、氨水為原料采用化學(xué)沉淀法制備出a-Al203的前驅(qū)物-氫氧化鋁，經(jīng)過(guò)煅燒過(guò)程晶型轉(zhuǎn)變及a-A12O3晶粒；其中通過(guò)在氧化鋁前驅(qū)體里混入隔離相，得到需要的a-Al2O3納米顆粒的粒徑、分散性。

分別用沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳法、水熱法和熔鹽法設(shè)計(jì)制備SnO2納米粉體，給出制備方法、實(shí)驗(yàn)流程和XRD及電鏡圖，并對(duì)比這五種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。水熱合成法精確稱量0.126g草酸(1mmoL)和0.36gCTAB(lmmoL),攪拌溶解于25mL水中，加入0.225gSnCl2?2H2O(1mmoL),攪拌得到乳白色溶液，將溶液移入容積為100mL的壓力反應(yīng)釜內(nèi)，160°C分別加熱2h、6h、24ho待反應(yīng)釜冷卻至室溫后將產(chǎn)物離心分離,用蒸餾水、無(wú)水乙醇分別洗滌三次，常溫干燥即得到SnO2納米粉體。302-thetfiLdcgrEe=?-占ISIUC-302-thetfiLdcgrEe=?-占ISIUC-溶膠-凝膠法向SnCl4水溶液中加入一定比例的有機(jī)分散劑，在適當(dāng)溫度下慢慢低價(jià)NH3?H20直接形成Sn02溶膠為止，在該溫度下靜止老化后得到凝膠，將此凝膠離心分離，用蒸餾水洗去Cl-,采用有機(jī)試劑脫水和超聲分散后，再經(jīng)干燥、煅燒等熱處理，研磨后得到SnO2納米粉。主圖3SnQ的XRDit圖3SnQ的XRDit?5沁的S!溯圏微乳液法微乳液通常由表面活性劑,助表面活性劑、油和水或電解質(zhì)水溶液在適當(dāng)?shù)谋壤伦园l(fā)形成的透明或半透明的、低黏度和各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。潘慶誼等研究了陰離子表面活性劑組成的微乳液在納米SnO2氣敏材料合成中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由AES（丙烯腈/三元乙丙橡膠/苯乙烯共聚物）或K12（十二烷基硫酸鈉）和丁醇組成的微乳液可得到平均晶粒粒度只有6nm左右的均勻分散Sn02粉體，用這種材料組成的氣敏元件無(wú)需摻雜即具有較高的氣體靈敏度?；瘜W(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法是將沉淀劑加入到包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，使溶液發(fā)生水解反應(yīng)，形成不溶性的氫氧化物，水合氧化物或鹽類(lèi)從溶液中析出，然后將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)過(guò)熱分解或脫水處理，就可以得到納米尺度的粉體材料。采用超聲-沉淀法，以五水合四氯化錫為主要原料,氨水為沉淀劑，在20?30Hz的超聲場(chǎng)中輻射。得到的氧化錫粉體的平均晶粒尺寸為13nm.該法制備的納米SnO2粉體分散良好，粒子分布均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象較少。這四種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表：就點(diǎn)化鼻性好+世事卯分容易feili'L囲督艄航屜.子顯團(tuán)職W1皿廿IlkH妹站施趙細(xì),無(wú)希冑盤(pán)槪墟出產(chǎn)率蜒低氫戸無(wú)復(fù)處的設(shè)希內(nèi)撿K粉怵分般性H好-過(guò)理1七技賢琰、加入命有制試剖較事蒼40W-撈怵腌駙尺寸均■.瓏悵■強(qiáng)用川化.生團(tuán)壊C100表面活性劑的分類(lèi)及CMC、HLB的定義。按極性基團(tuán)的解離性質(zhì)分類(lèi):1、陰離子表面活性劑：硬脂酸，十二烷基苯磺酸鈉2、陽(yáng)離子表面活性劑：季銨化物3、兩性離子表面活性劑：卵磷脂，氨基酸型，甜菜堿型4、非離子表面活性劑：脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦，聚山梨酯。HLB：親水親油平衡，用以衡量表面活性劑分子中極性基、非極性基兩部分的相對(duì)強(qiáng)度。CMC：臨界膠束濃度，表面活性劑在溶液中形成膠束時(shí)的最低濃度。熔鹽法制備粉體時(shí)，鹽的選擇很關(guān)鍵，需要注意哪些問(wèn)題？熔鹽法中鹽的種類(lèi)對(duì)所制備粉體的形貌和性質(zhì)非常關(guān)鍵，選擇鹽的種類(lèi)時(shí)要遵循以下原則：1）對(duì)晶體材料應(yīng)具有足夠大的溶解度，一般應(yīng)為10?50wt%。2）在盡可能寬的溫度范圍內(nèi)，不會(huì)形成穩(wěn)定的其它化合物，所要的晶體是唯一的穩(wěn)定相。

3）熔鹽在晶體中的固溶度應(yīng)盡可能小，為避免熔鹽作為雜質(zhì)進(jìn)入晶體，應(yīng)選用與晶體不易形成固溶體的化合物作熔鹽。4）應(yīng)具有盡可能小的粘滯性，以利于溶質(zhì)和能量的輸運(yùn)，從而有利于溶質(zhì)的擴(kuò)散和潛熟的釋放，這對(duì)于生長(zhǎng)高完整性的單晶是極為重要的。5）應(yīng)具有盡可能低的熔點(diǎn)和盡可能高的沸點(diǎn)，以便選擇方便的和較寬的生長(zhǎng)溫度范圍。6）應(yīng)具有很小的揮發(fā)性（除熔鹽揮發(fā)法外）、腐蝕性和毒性。7）應(yīng)易溶于對(duì)晶體無(wú)腐蝕作用的某種液體溶劑中，如水、酸或堿性溶液等，以便將生長(zhǎng)得到的晶體從凝固的熔鹽中分離出來(lái)。8）在熔融狀態(tài)時(shí)，其比重應(yīng)盡量與結(jié)晶材料相近，否則上下濃度不均一，引起晶粒生長(zhǎng)的不均勻。簡(jiǎn)述球磨、振動(dòng)磨、攪拌磨、膠體磨的工作原理及適用范圍。1?球磨：利用介質(zhì)和物料之間的相互研磨和沖擊使物料粒子粉碎。小于lum的粒子達(dá)到20％。振動(dòng)磨：研磨介質(zhì)對(duì)物料進(jìn)行沖擊、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。相應(yīng)產(chǎn)品的平均粒徑可達(dá)1um以下。攪拌磨其粉碎原理與球磨類(lèi)似。適于制備軋膜成型和流延法成型用的漿料。膠體磨：利用一對(duì)固體磨子和高速旋轉(zhuǎn)磨體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切、摩擦、沖擊等作用力來(lái)粉碎或分散物料粒子的。產(chǎn)品粒徑可達(dá)lum。第四章薄膜制備1、什么是物理氣相沉積（PVD）?簡(jiǎn)單介紹其主要過(guò)程。定義：在真空度較高的環(huán)境下，通過(guò)加熱或高能粒子轟擊的方法使源材料逸出沉積物質(zhì)粒子（可以是原子、分子或離子），這些粒子在基片上沉積形成薄膜的技術(shù)。主要過(guò)程包括氣相物質(zhì)的產(chǎn)生、運(yùn)輸與沉積。其技術(shù)關(guān)鍵在于如何將源材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗔Ｗ印?、真空蒸發(fā)系統(tǒng)主要由哪三個(gè)部分組成?哪個(gè)部分是最關(guān)鍵的，主要起什么作用?蒸發(fā)裝置主要包括哪些類(lèi)別?選擇三種典型蒸發(fā)裝置，比較其原理、特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。真空蒸發(fā)系統(tǒng)由真空室、蒸發(fā)源/蒸發(fā)加熱裝置、基片架及基片加熱裝置三部分構(gòu)成；其中最為重要的是蒸發(fā)源/蒸發(fā)加熱裝置，其起到熱源和支撐作用。蒸發(fā)裝置包括：電阻加熱蒸發(fā)，閃爍蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)，激光熔融蒸發(fā)，電弧蒸發(fā)等。蒸發(fā)設(shè)備

電阻加熱蒸發(fā)電子束蒸發(fā)蒸發(fā)設(shè)備

電阻加熱蒸發(fā)電子束蒸發(fā)原理

電阻絲發(fā)熱

轟擊電子的動(dòng)能

轉(zhuǎn)化為材料熱能特點(diǎn)發(fā)熱率低、難以實(shí)現(xiàn)高溫

加熱溫度高、可蒸發(fā)

任何材料、成本高應(yīng)用領(lǐng)域制備單質(zhì)金屬、氧化物、

介電材料、半導(dǎo)體化合物

高純、高熔點(diǎn)、易污染材料電弧放電蒸發(fā)以真空電弧為熱源避免熱體材料蒸發(fā)污染、加熱溫度高、成本低高熔點(diǎn)難熔金屬及其化合物、電弧放電蒸發(fā)以真空電弧為熱源避免熱體材料蒸發(fā)污染、加熱溫度高、成本低高熔點(diǎn)難熔金屬及其化合物、碳才聊薄膜3、與蒸發(fā)法相比，濺射鍍膜主要有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？濺射裝置可以按哪些特性分為哪些類(lèi)別？選擇三種典型濺射裝置，比較其鍍膜原理、工藝特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。與蒸鍍法相比，濺射法優(yōu)點(diǎn)：濺射的速度比蒸鍍快很多.蒸鍍不能控制厚度,而濺射可以用時(shí)間控制厚度.濺射法較蒸鍍法適合大規(guī)模的生產(chǎn)薄膜與基底結(jié)合力比蒸鍍強(qiáng)濺射的膜均勻,蒸鍍的膜中心點(diǎn)厚,四周薄.缺點(diǎn)：濺射比蒸鍍工作真空低一個(gè)數(shù)量級(jí),所以膜層的含氣量要比蒸鍍高.濺射不適用于低硬度材料,如非金屬材料.濺射不適用于非導(dǎo)電材料.分類(lèi)：直流濺射傳統(tǒng)二極濺射三極直流濺射傳統(tǒng)二極濺射三極/四極濺射按電電極特性不磁控濺射、射頻濺射按靶靶按電電極特性不磁控濺射、射頻濺射按靶靶材性質(zhì)不直流濺射－靶材為金屬或半金屬導(dǎo)體射頻濺射－靶材為絕緣體或半導(dǎo)體沉積物性質(zhì)不同常規(guī)濺射－沉積物質(zhì)為純?cè)匕胁幕虿煌冊(cè)匕胁牡暮辖鸱磻?yīng)濺射－通入反應(yīng)性氣體，可沉積靶材與氣氛的化合物濺射裝置的比較：濺射裝置直流濺射射頻濺射原理電場(chǎng)作用下的加速電子撞擊電離氣體電子與高頻交流電場(chǎng)共振繼而不斷撞擊氣體分子工藝特點(diǎn)

簡(jiǎn)單、速度慢、膜密度低

濺射裝置直流濺射射頻濺射原理電場(chǎng)作用下的加速電子撞擊電離氣體電子與高頻交流電場(chǎng)共振繼而不斷撞擊氣體分子工藝特點(diǎn)

簡(jiǎn)單、速度慢、膜密度低

離化率較高、可用

于任何材料適用范圍

只適用于導(dǎo)體各種材料磁控濺射電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)撞擊氣體分子使之電離高濺射率、避免二次電子轟擊、基板溫度低適合以單晶和塑料為基底的鍍膜4、簡(jiǎn)述化學(xué)氣相沉積鍍膜的概念及特征，基本分類(lèi)如何？化學(xué)氣相沉積：氣態(tài)反應(yīng)物在一定條件下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將反應(yīng)形成的固相產(chǎn)物沉積于基片表面，形成固態(tài)薄膜的方法。按工乍壓力不同，可分為｛按工乍壓力不同，可分為｛常壓C：：無(wú)需真空、靠載氣輸運(yùn)、污染較大易于氣化反應(yīng)物、無(wú)載氣、污染?。鄣蜏谻VD(200?500°C)按沉積溫度不同，可分為＜中溫CVD(500~1000C)［高溫CVD(1000~1300C)分類(lèi)J按加熱方式不同，可分為熱壁CVD:整爐高溫、等溫環(huán)境按加熱方式不同，可分為冷壁CVD:局部加熱（僅基片和基片架）|熱激活（普通CVD）按反應(yīng)激活方式不同，可分為［光致活化CVD（紫外光、激光、可見(jiàn)光）

等離子體激活（PECVD）5、電化學(xué)鍍膜與化學(xué)鍍的區(qū)別是什么？電化學(xué)鍍是電流通過(guò)在電解液中的流動(dòng)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在陽(yáng)極或陰極上沉積薄膜的方法?；瘜W(xué)鍍?cè)跓o(wú)電流通過(guò)（無(wú)外界動(dòng)力）時(shí)借助還原劑在金屬鹽溶液中使目標(biāo)金屬離子還原，并沉積在基片表面上形成金屬/合金薄膜的方法。兩者本質(zhì)區(qū)別：電鍍：反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自外加電場(chǎng)賦予的能量；化學(xué)鍍：反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自溶液體系自身的化學(xué)勢(shì)！6、為什么鍍膜前要對(duì)基片進(jìn)行嚴(yán)格的清洗？1）薄膜與玻璃結(jié)合力強(qiáng)弱直接與玻璃表面的干凈程度有關(guān)系。2）如不加清洗，在鍍膜前看不到的臟污，會(huì)在鍍膜后成為顏色不均勻現(xiàn)象。7、真空泵可分為哪兩大類(lèi)？簡(jiǎn)述各類(lèi)真空泵類(lèi)型及其工作壓強(qiáng)范圍。另分析說(shuō)明實(shí)用的真空抽氣系統(tǒng)為什么往往需要多種真空組成復(fù)合抽氣系統(tǒng)？真空泵分為：旋片式機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵兩類(lèi)。1）旋片式泵分為：旋片式、定片式、滑閥式；工作區(qū)間：?jiǎn)渭?jí)：105~1Pa；雙級(jí)：105~10-2Pa2）油擴(kuò)散泵工作區(qū)間：1~10-6Pa。第五章一維納米材料1、簡(jiǎn)述一維納米材料制備的六種思路1）利用晶體本身各向異性的晶體結(jié)構(gòu)；2）引入液-固界面來(lái)降低晶種的對(duì)稱性；3）用各種具有一維形貌的模板；4）用合適的包覆劑；5）零維納米結(jié)構(gòu)的自組裝；6）降低微結(jié)構(gòu)的尺寸。2、熱蒸發(fā)法制備一維納米材料的基本過(guò)程。原材料蒸發(fā)一往管腔內(nèi)通入載氣一在低溫區(qū)放置襯底（催化劑）一當(dāng)蒸氣到達(dá)襯底在襯底上生長(zhǎng)