材料加工與制備緒論

材料合成與制備緒論材料是一種物質(zhì)，是具有一定的性能或功能，能夠用于機(jī)械、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和產(chǎn)品的性能的物質(zhì)。材料的發(fā)展過程材料科學(xué)的基本內(nèi)容材料的循環(huán)過程材料科學(xué)的基礎(chǔ)原子和晶體學(xué)說相平衡顯微組織研究材料與化合物什么是材料？分子材料的性質(zhì)并不單純由分子本生的特性決定，還取決于連續(xù)固體中分子之間的相互作用，如果化學(xué)家想成為材料化學(xué)家，就必須承認(rèn)這一點。在這一前提下，他們可望合成出性質(zhì)全新的材料。從歷史上講，化學(xué)系對個體原子和分子感興趣，但現(xiàn)在正在逐漸將注意力轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)?；瘜W(xué)與材料化學(xué)最重要的是制造新物質(zhì)?；瘜W(xué)不但研究自然界的本質(zhì)，而且創(chuàng)造出新分子、新物質(zhì)?；瘜W(xué)有能力以新方式重排原子，合成優(yōu)美而對稱的分子，賦予我們從事創(chuàng)造性勞動的機(jī)會。合成化學(xué)是化學(xué)學(xué)科當(dāng)之無愧的核心，是化學(xué)家為改造世界創(chuàng)造社會未來最有力的手段。化學(xué)家不僅發(fā)現(xiàn)和合成了眾多天然存在的化合物，同時也人工創(chuàng)造了大量非天然的化合物、物相與物態(tài)，使得人類社會擁有的化合物品種已達(dá)二千萬種之多，其中不少已成為人們生產(chǎn)、生活所必不可少材料。無機(jī)合成的內(nèi)容，隨著合成化學(xué)、特種合成實驗技術(shù)和結(jié)構(gòu)化學(xué)、理論化學(xué)等等的發(fā)展，以及相鄰學(xué)科如生命、材料、計算機(jī)等的交叉、滲透與實際應(yīng)用上的不斷需求，已從常規(guī)經(jīng)典合成進(jìn)人到大量特種實驗技術(shù)與方法下的合成。以至發(fā)展到開始研究特定結(jié)構(gòu)和性能無機(jī)材料的定向設(shè)計合成與仿生合成等。因而它所涉及的面很廣，而已與其它學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系也日益密切。天機(jī)合成化學(xué)與反應(yīng)規(guī)律問題具有一定結(jié)構(gòu)、性能的新型無機(jī)化合物或無機(jī)材料合成路線的設(shè)計和選擇，化合物或材料合成途徑和方法的改進(jìn)及創(chuàng)新是無機(jī)合成研究的主要對象?；衔锏奈锢砗突瘜W(xué)性能、反應(yīng)性、反應(yīng)規(guī)律和特點，它們與結(jié)構(gòu)化學(xué)間的關(guān)系，以及熱力學(xué)、動力學(xué)等基本化學(xué)原理和規(guī)律的運用等等。無機(jī)合成發(fā)展過程：從常規(guī)合成到特殊實驗技術(shù)條件下的合成，以至定向設(shè)計合成。無機(jī)合成中的實驗技術(shù)和方法問題隨著實際應(yīng)用的需要，在無機(jī)合成中，愈來愈廣泛地應(yīng)用各種持殊實驗技術(shù)和方法來合成特殊結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)(如膜、微粒、非晶態(tài)……)以及具有特殊性能的無機(jī)化合物和無機(jī)材料。即很大部分特種結(jié)構(gòu)和特種性能的無機(jī)物材料以及某些反應(yīng)路線的合成只能在特殊實驗技術(shù)條件下才能完成。大量由固相反應(yīng)或界面反應(yīng)合成的無機(jī)材料，其反應(yīng)只能在高溫或高溫、高壓下進(jìn)行；具有特種結(jié)構(gòu)和性能的表面或界面的制備，例如新型無機(jī)半導(dǎo)體超薄膜，具有特種表面結(jié)構(gòu)的固體催化材料和電極材料需要在超高真空下合成；大量低價態(tài)化合物和配合物只能在無氧無水的實驗條件下合成；晶態(tài)物質(zhì)的“造孔”反應(yīng)需要在中壓水熱合成條件下完成；大量非金屬間化合物的合成和提純需要在低溫真空下進(jìn)行等等。無機(jī)合成中的分離問題合成和分離是兩個緊密相連的問題。解決不好分離間題就無法獲得滿意的合成結(jié)果。在無機(jī)合成中這個問題更為突出。因為無機(jī)材料既對組成(包括微量摻雜)又對結(jié)構(gòu)有特定要求，因而使用的分離方法會更多更復(fù)雜一些。除去傳統(tǒng)的常規(guī)分離方法之外，尚需采用一系列特種的分離方法。無機(jī)合成中的結(jié)構(gòu)鑒定和表征問題由于無機(jī)材料和化合物的合成對組成和結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的要求，因而結(jié)構(gòu)的鑒定和表征在無機(jī)合成中是具有指導(dǎo)作用的。它既包括對合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)確證，又包括特殊材料結(jié)構(gòu)中非主要組分的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和物化性能的測定，為了進(jìn)一步指導(dǎo)合成反應(yīng)的定向性和選擇性，還需對合成反應(yīng)過程中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，內(nèi)干無機(jī)反應(yīng)的特殊性，使這類問題的解決往往相當(dāng)困難。BrauerG，《制備無機(jī)化學(xué)手冊》McGraw—Hil圖書公司出版，美國化學(xué)會《無機(jī)合成》叢書Gmelin，《無機(jī)化學(xué)手冊》材料物理與化學(xué)材料合成與制備材料的化學(xué)合成材料的物理制備材料的物理化學(xué)制備材料的化學(xué)合成，涉及新物質(zhì)的反應(yīng)形成，包括氣相合成、液相合成、固相合成等，粉體材料的化學(xué)合成皆屬此類。材料的成型、制造與加工，即形成具有應(yīng)用形態(tài)的部件，這些工藝過程包括陶瓷成型、復(fù)合材料制造、后續(xù)成型加工或修飾等，基本上是物理過程，較少涉及化學(xué)反應(yīng)。嚴(yán)格來說，也有化學(xué)過程發(fā)生，只不過起到某種輔助作用。例如，利用陶瓷粉體與適當(dāng)有機(jī)添加劑混合通過成型技術(shù)制備塊體部件或薄膜，在干燥和灼燒過程中，發(fā)生有機(jī)物的揮發(fā)、燃燒反應(yīng)，在高溫?zé)Y(jié)時也會發(fā)生組分間的附加反應(yīng)和質(zhì)員輸運過程，但初始原料的選擇基本上決定了最終成品的件能。材料合成與部件制造在同一過程中完成，微電子學(xué)工藝的集成電路制造是這類工藝的典型代表。材料合成的幾個代表低壓氣相生長金剛石薄膜高溫超導(dǎo)氧化物材料納米粒子與納米材料富勒烯與碳納米管-石墨烯愈來愈多的研究表明，同樣化學(xué)組成的材料由于制備方法的不同．其至制備過程操作條件上的差異，都將會導(dǎo)致材料微結(jié)構(gòu)和材料性能的千差萬別。材料工程學(xué)的重要性日益突出，它不僅是簡單地制備材料的科學(xué)與工藝依托，事實上也是材料性能調(diào)控和新材料探索的必由之路。隨著新技術(shù)的迅速發(fā)展。已有材料很難完全滿足要求，必須按性能要求進(jìn)行材料設(shè)計以研發(fā)新材料。材料性能與其組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系的研究進(jìn)展和知識積累為材料設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，而讓材料設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實材料則要通過材料合成與制備技術(shù)的發(fā)展。軟化學(xué)軟化學(xué)制備路線是現(xiàn)代材料科學(xué)與工程發(fā)展的新趨勢，是材料科學(xué)領(lǐng)域最活躍和具有生命力的創(chuàng)新思路和理性指導(dǎo)。軟化學(xué)或者說“材料的軟化學(xué)制備路線”，是相對于傳統(tǒng)的陶瓷材料制造工藝而言的新型制備技術(shù)。(軟化學(xué))這個詞最早出現(xiàn)于法國學(xué)者所報道的用電化學(xué)法常溫合成化合物的論文，是指采用十分溫和的條件化學(xué)合成通常要高溫高壓條件才能獲得的材料。“硬”化學(xué)“極端條件下的材料合成”，除了高溫、高壓以外，還有強(qiáng)磁場、超低溫、激光束、離子束、電子束等方法都成為材料合成技術(shù)中的新秀，這些合成技術(shù)的共同特點是實施“硬碰硬”的感念，也確實造就了一批前所術(shù)見的技術(shù)成果。然而，它們的共同缺點是，高設(shè)備投資、高能耗、低效率，材料性能很難人為控制，尤其無法規(guī)?；瘧?yīng)用。因而除了人造金剛石等材料品種以外，大都還停留在實驗室的水平上。而軟化學(xué)合成和制備路線，則剛好與此相對應(yīng)。它們的共向特色是：設(shè)備投資小、效率高、能耗低、操作簡便，而且可以制備新型介穩(wěn)材料，通過材料形成初級階段的控制能夠制備結(jié)構(gòu)特異的新穎材料。軟化學(xué)制備是一個具有創(chuàng)新含義的概念與材料路線。軟化學(xué)路線一般認(rèn)為，軟化學(xué)技術(shù)路線包括三大類別:濕化學(xué)(共沉淀，sol-gel……)；氣相化學(xué)(CVD，氣溶膠……)；有機(jī)／高分子化學(xué)輔助的陶瓷工藝。材料合成過程有三個重要的要素，決定了過程的習(xí)性，從而決定所制得的材料的微結(jié)構(gòu)和性能，這就是：反應(yīng)前驅(qū)物及其活性；反應(yīng)物或前驅(qū)物分子之間是否具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)制使之相互能夠緊密接觸；反應(yīng)過程是否使用催化劑，以降低制備過程的活化能。軟化學(xué)方法或技術(shù)與傳統(tǒng)的、或非化學(xué)的極端條件下制備技術(shù)具有顯著不同。傳統(tǒng)的高溫、高壓過程主要是采用機(jī)械方式位粒子互利接近，不涉及化學(xué)鍵，而軟化學(xué)過程則具有突出的優(yōu)點和特點：在溫和的、低能量密度介質(zhì)條件卜(通常為液體和氣態(tài)個)進(jìn)行，從而反應(yīng)物特別容易混合均勻；條件溫和，成本低廉，手段繁多．適應(yīng)性強(qiáng)。盡量選用適宜的具有高能量的化學(xué)物種為前驅(qū)物，反應(yīng)活性高。采用有效的高度混合方式，例如在氣態(tài)和液態(tài)中混合，從而實現(xiàn)了反應(yīng)物分了的緊密接觸，縮小了反應(yīng)距離。實施能量的高效饋入相反應(yīng)物激活途徑，例如運用等離子體、激光、紫外光等等，大大改善體系的反應(yīng)性，可對材料在其形成初期進(jìn)行控制。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的剪裁，組裝，還可以獲得傳統(tǒng)方法難以獲得的新型材料，包括亞穩(wěn)態(tài)材料。無機(jī)合成與制備化學(xué)中若干前沿課題新合成（制備)反應(yīng)