材料合成與制備

第一章緒論材料按化學(xué)組成可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料四類材料合成與制備上及性能上不同于原材料的新材料研究?jī)?nèi)容材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素：合成與加工、組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料合成實(shí)驗(yàn)技表征真空泵的工作特性的四個(gè)參量：起始?jí)簭?qiáng)、臨界反壓強(qiáng)、極限壓強(qiáng)、抽氣速率平衡分離過(guò)程：借助分離媒介（如熱能、溶劑或吸附劑）統(tǒng)，再以混合物中各組分在處于相平衡的兩相中不等同的分配為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離速率分離過(guò)程：在某種推動(dòng)力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）在選擇性透過(guò)膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離吸附分離過(guò)程特點(diǎn)：①多數(shù)吸附劑具有良好的選擇性，同時(shí)，被吸附組分又可在不同的條件下脫附方便被吸附組分的分別收集和吸附劑的再生利用②吸附劑化學(xué)穩(wěn)定性好，分離所得產(chǎn)物純度高③吸附與解吸速度快，為快速分離和獲得小體積淋洗液創(chuàng)造了條件④吸附劑價(jià)廉易得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單⑤為了增加表面作用位置，吸附劑通常制成多孔結(jié)構(gòu)和大比表面積吸附機(jī)理理和化學(xué)過(guò)程；相互作用的結(jié)果，主要是物理吸附；⑶硅膠、23表面含有大量羥基O原子，能與許多物質(zhì)形成氫鍵。氫鍵和荷轉(zhuǎn)移相互作用均產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附能⑷極性吸附劑與極性分子之間的吸附力較強(qiáng)，選擇性也較高膜分離法透析—超濾分離技術(shù)：原理：透析是采用半透膜作為濾膜，使試樣中的小分子經(jīng)擴(kuò)散作用不斷透出膜外大分子不能透過(guò)被保留，直到膜兩邊達(dá)到平衡特點(diǎn)擴(kuò)散、固擴(kuò)散、固相反應(yīng)與燒擴(kuò)散過(guò)程。氣體、液體：很大的速率和完全的各向同性；固體：各向異性和擴(kuò)散速率低影響擴(kuò)散的因素：溫度、雜質(zhì)、氣氛、粘度、擴(kuò)散介質(zhì)固相反應(yīng)的定義廣義：凡是有固相參與的化學(xué)反應(yīng)都可稱為固相反應(yīng)。特點(diǎn)：①多數(shù)固相反應(yīng)是發(fā)生在兩種或兩種以上組分界面上的非均相反應(yīng)②固相反應(yīng)一般包括相界面上的化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)遷移兩個(gè)過(guò)程③固相反應(yīng)通常在高溫下進(jìn)行，傳質(zhì)、傳熱過(guò)程對(duì)反應(yīng)速率影響很大呈明顯擴(kuò)散時(shí)的溫度，稱泰曼溫度。楊德?tīng)柗匠倘c(diǎn)假設(shè)（1）反應(yīng)物是半徑R0的等徑球粒（2）反應(yīng)B是擴(kuò)散相，即B成分（3）B楊德?tīng)柗匠淘诜磻?yīng)初期或轉(zhuǎn)化率較小時(shí)與實(shí)驗(yàn)比較吻合，在反應(yīng)中后期就有較大偏差，原因是沒(méi)有考慮反應(yīng)截面隨反應(yīng)進(jìn)行而改變的現(xiàn)象。影響固相反應(yīng)的因素：反應(yīng)物活性、礦化劑燒結(jié)的目的是把粉體轉(zhuǎn)變成致密體反應(yīng)的情況下形成堅(jiān)固的燒結(jié)體。燒結(jié)特點(diǎn)及過(guò)程減少及晶粒生長(zhǎng)等特點(diǎn)。整個(gè)過(guò)程一般分為三個(gè)階段燒結(jié)初期燒結(jié)中期燒結(jié)后期燒結(jié)的推動(dòng)力表面能，使多晶材料能夠穩(wěn)定存在固相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有蒸發(fā)—凝聚，擴(kuò)散傳質(zhì)等過(guò)程蒸發(fā)—凝聚：傳質(zhì)時(shí)在球形顆粒表面有正曲率半徑，而在兩個(gè)顆粒聯(lián)結(jié)處有一個(gè)小的特點(diǎn)10u球的形狀改變?yōu)闄E圓無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料現(xiàn)代合成方法及其應(yīng)共沉淀法膠體的基本性質(zhì)①光學(xué)性質(zhì)：丁達(dá)爾效應(yīng)；②動(dòng)力學(xué)性質(zhì)：布朗運(yùn)動(dòng)；③電學(xué)性質(zhì)：電泳現(xiàn)象膠團(tuán)結(jié)構(gòu)有指定成分和結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物。特點(diǎn)：燃燒反應(yīng)速度快，熱反應(yīng)產(chǎn)生的溫度高，工藝簡(jiǎn)單，成本低自蔓延離心鑄造陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管技術(shù)2180用于鋁液和高溫腐蝕性氣體的輸運(yùn)。e232-無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料合成的前沿領(lǐng)個(gè)正五邊形和20個(gè)正六邊形組成的具32個(gè)平面的多面體的頂點(diǎn)上是一個(gè)高度對(duì)稱C60的化學(xué)性質(zhì)①具有部分芳香性②C60可以進(jìn)行氧化、還原、加成、周環(huán)和聚合或共聚合等反應(yīng)③C60不能直接進(jìn)行取代反應(yīng)，但它的衍生物可進(jìn)行取代反應(yīng)富勒烯的分離與提純：升華法；高效液相色譜法；重結(jié)晶法；柱色層法；化學(xué)絡(luò)合分提純法光子晶體：介電常數(shù)在空間呈周期性排列形成的人工結(jié)構(gòu)光子帶隙或禁帶光子帶隙來(lái)源于：被周期性介電結(jié)構(gòu)強(qiáng)散射的光之間的干涉儲(chǔ)氫合金的P-C-T曲線OA段：溫度不變時(shí)，從O點(diǎn)開(kāi)始，隨著氫壓的增加，金屬吸氫量增加，直到A。OA段為吸氫過(guò)程第一步，金屬為含氫固溶體（a相。點(diǎn)A對(duì)應(yīng)于氫在金屬中的極限固度AB段：達(dá)到A點(diǎn)后，a相開(kāi)始與氫反應(yīng)，生成氫化物（b相。繼續(xù)加氫時(shí)，系統(tǒng)壓力保持不變，而氫在恒壓下被金屬吸收。AB段為兩相互溶區(qū)，達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，a相消失，全部變?yōu)閎相氫化物。AB段呈平直狀，稱平臺(tái)區(qū)，相應(yīng)的恒定平衡壓力稱平臺(tái)壓。B點(diǎn)以后：在全部組成b相后，如再提高氫壓，b相中的氫含量?jī)H有少量增加。形狀記憶效應(yīng)：合金材料在一定條件下變形后仍能恢復(fù)到變形前原始形狀的能力形狀記憶合金記憶原理：合金存在著一對(duì)可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu)。絕大部分材料具有記4種馬氏體變功能功能高分子材料合第六功能高分子高分子材料即對(duì)物質(zhì)能量和信息具有傳輸、轉(zhuǎn)變或貯存作用的高分子及其復(fù)合材料功能高分子的制備方法計(jì)使功能基團(tuán)與高分子骨架結(jié)合即高分子的改性包括化學(xué)改性和物理改性兩類方法已有高分子材料的功能化或多功能材料的復(fù)合已有功能高分子材料的功能擴(kuò)展：ab.原有功能高分子材料的功能的拓展與擴(kuò)大形狀記憶高分子的記憶原理：形狀記憶高分子材料通常由記憶成形制品原始形狀的固相以及隨溫度變化能發(fā)生可逆軟化與硬化變化的可逆相組成固定相可逆相玻璃化溫度）的相結(jié)構(gòu)。新型陶瓷新型陶瓷材料的制備與合陶瓷材料的主要成型方法成型、軋膜成型、等靜壓成型和流延成型等注漿成型基本原理：將料漿灌注到多孔材料（石膏）模具中，由于毛細(xì)管的作用，多絕緣陶瓷：指電氣電路或電子電路中用作絕緣體的陶瓷材料作用ab電路中導(dǎo)體的機(jī)械支撐、散熱及電路的環(huán)境保護(hù)的作用。鐵電性：存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化隨外場(chǎng)（溫度、電場(chǎng)）變化而變化弛豫鐵電體陶瓷材料自發(fā)極化在高于居里溫度時(shí)仍存在。第八章薄膜的制薄膜的制備技術(shù)按其基本作用過(guò)程可分為原子沉積、顆粒沉積、整體覆蓋、表面改性點(diǎn)源和面源對(duì)膜厚的影響點(diǎn)源 面源比較兩種源的相對(duì)膜厚分布的均勻性都不理想電源的膜厚分布稍均勻些在相同條件下，面源的中心膜厚為點(diǎn)源的4倍。采用若干分離的小面積蒸發(fā)源，最佳的數(shù)量，合理的布局和蒸發(fā)速率基片設(shè)置：球面放置基片；基片平面旋轉(zhuǎn)；行星旋轉(zhuǎn)基片架磁控濺射特點(diǎn)二次電子以園滾線的形式在靶上循環(huán)運(yùn)動(dòng)路程足夠長(zhǎng)電子使原子電離的機(jī)會(huì)增加高密度等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣，電離產(chǎn)生的正離能有效地轟擊靶面；基片又高密度等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣，電離產(chǎn)生的正離能有效地轟擊靶面；基片又免受等離子體的轟擊，制膜過(guò)程中溫升較小第九第九單晶材料的制均勻成核必備條件：a.必須過(guò)冷，過(guò)冷度越大形核驅(qū)動(dòng)力越大；b.必須具有與一定過(guò)冷相適應(yīng)能量起伏ΔG*或結(jié)構(gòu)起伏r*ΔT增大時(shí)，ΔG*和r*都減小，此時(shí)形核率增大提拉法其中，其中，旋轉(zhuǎn)籽晶的目的是為了獲得熱對(duì)稱性。為了生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體，提拉和旋轉(zhuǎn)的率要平穩(wěn)，熔體的溫度要精確控制。晶體的直徑取決于熔體的溫度和拉速，減少功率降低拉速，晶體的直徑增加提拉法的要求之一是平衡提拉速度和加熱條件第十第十非晶態(tài)材料的制1．非晶材料基本特點(diǎn)：原子排布的長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序；熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)22非晶固體的形成條件（1）晶核形成的熱力學(xué)勢(shì)壘ΔG*要大，液體中無(wú)雜質(zhì)，ΔG*=16γπ^3/3（ΔGvΔGv=ΔSv（T—Tm）=TrΔTΔHv越小，γ越大，ΔG*就越大，形成非晶就較容易（2）結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘Ga要大，因?yàn)镈o∝1η，粘度就大，而且隨著溫度下降，粘度3非晶態(tài)材料的制備原理（3）深共晶點(diǎn)：熔點(diǎn)越低的物質(zhì)就越容易形成玻璃，因?yàn)門(mén)m=ΔH/ΔS，Tm低說(shuō)明不需3非晶態(tài)材料的制備原理或分子在很或分子在很大程度上的排列混亂，體系的自由能比對(duì)應(yīng)的晶態(tài)要高，因而是一種熱力4多元合金比二元合金更容易形成非晶態(tài)原因：通常，降低熔點(diǎn)可以使合金成分處于共晶點(diǎn)附近，由熱力學(xué)原理，有：ΔG=ΔH-TΔS式中，ΔG為相變自由能差，ΔH和ΔS為焓變和熵變?cè)谌埸c(diǎn)處T=Tm時(shí)，有：ΔG=0，Tm=ΔH/ΔS，可見(jiàn)，要降低熔點(diǎn)，就要減小焓變或提高熵變，而增加合金中的組元數(shù)可以有效提高ΔS，降低熔點(diǎn)Tm，所以多元合金比二元合金更容易形成非1復(fù)合材料體體材料特點(diǎn)⑴復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；點(diǎn)，并能產(chǎn)生原組分所不具備的新性能；基體金屬與增強(qiáng)物的相容性金屬基復(fù)合材料的耐高溫比較鋁、鎂基復(fù)合材料一般只能用450℃左右；鈦基