材料合成與制備課件：材料合成與制備思考題1（第一章）

1、第一章 思考題影響分子與固體表面相互吸附的因素有那些？在合成反應中常需要攪拌，為什么？邊界層是怎么形成的？界面的穩(wěn)定性對晶體的生長有何意義？ 完整光滑面、非完整光滑面、粗糙面及擴散面的生長各有何特點？影響因素有哪些？第二章 思考題試比較溶液法、水熱法、高溫溶液法晶體生長的特點人工晶體主要有哪些生長方法？各方法有何特點？人工晶體有哪些主要性質和用途？晶體的壓電與鐵電性質 機電換能器 具有正壓電效應的晶體具有將機械作用轉變成電信號的能力，因此提供了對機械振動、壓力、聲波、旋轉和扭曲的精確計算，在機電轉換元件中有廣泛的應用 具有逆壓電效應的晶體可將電信號轉變成機械作用 可應用于：揚聲器和超聲發(fā)生器晶

2、體中光波的雙折射（Birefringence）和旋光性，廣泛應用于 各種光學元件中，如光棱鏡、光偏振器、旋光器等外場作用下的晶體光學性質：電光、聲光、磁光效應晶體的非線性光學性質 ，可制備各種非線性光學元件。晶體的激光性質，應用于激光器的制備中。目前較成熟的有：紅寶石激光器、色心激光器晶體的熱釋電性質，主要應用于熱或紅外線輻射探測器等第三章 思考題粉體的合成方法主要有那些？各有何特點？ 濕化學合成法：通過液體介質合成；水熱法：在水溶液體系中于一定溫度條件下進行沉淀法：利用某些電荷相反的離子在溶液中發(fā)生反應生成不溶于水的晶質的性質而進行合成的方法。粉體顆粒的粒徑取決于核形成和成長的速率，沉淀物的

3、溶解度越小，沉淀物的粒徑也越小；而溶液的過飽和度越小，則沉淀物的粒徑越大水解法：利用某些化合物可水解生成沉淀的性質來合成超細粉體的。體系僅由金屬鹽和水組成，只要利用高純度的金屬鹽，就可以合成出高純度的超細粉體。噴霧干燥法：將原料制成溶液或泥漿，然后用噴嘴噴成霧狀，使原料微細化。這種霧狀微粒在干燥器中干燥，并用旋風吸塵器收集，而后進行高溫（8001000）焙燒，可制成粒度 <1mm的粉體。很容易制成亞微米級的微粉。超微粉體不僅粒徑小，而且組成極均勻。噴霧水解法 噴霧焙燒法冷凍干燥法：適應于合成活性高、反應性強的微粉。其特點是可制備出成分復雜的微粉，且干燥時顆粒產(chǎn)生大量孔洞，有利于煅燒時產(chǎn)生

4、的氣體的排出，粉碎性也好，容易微細化。溶膠凝膠法：選擇可溶性金屬無機鹽或有機鹽，以有機溶劑溶解，加入適量催化劑和穩(wěn)定劑，在一定溫度條件下形成均一穩(wěn)定的溶膠。這種溶膠在一定條件下轉化成凝膠。再經(jīng)一定溫度處理，使其有機物及某些無機物分解，形成氧化物納米粉體。優(yōu)點：制備溫度低，純度高，粒徑分布均勻，能制得化學活性大、單組分或多組分的化合物。 固相合成法：原料及產(chǎn)物均為固相；合成完成后不需要進行氣固或液固分離等粉體收集處理。固相反應法：高溫下多種組分在固相狀態(tài)下反應。是把金屬鹽或金屬氧化物按配方充分混合，研磨后進行煅燒，直接得到超微粉或再研磨得到超微粉。固相熱分解法制備超微粉比較簡單，但生成的粉末易團

5、聚，需要進行二次粉碎。在此工藝中可能有大量廢氣排出，必須注意處理。高溫固相化學反應法利用混合氧化物在高溫下發(fā)生化學反應來制備復合氧化物納米粉體. 本法需通過機械粉磨獲得粉料，因此粉料不可能很細，利用高效攪拌磨可制得顆粒直徑為10.5mm 的粉料，粉磨容易引入雜質，此法適合大批量合成，并且所用的反應物容易獲得，價格不太高，因此適合大量生產(chǎn)制造機械化學法：通過機械碾磨作用促進組分反應。是在室溫下對反應物直接進行研磨，合成中間化合物，再對化合物進行適當處理得到最終產(chǎn)物。該法不用溶劑，可以合成在溶液中不能合成的物質。該法屬于機械力作用下的低溫固相化學反應合成，具有高選擇性，高產(chǎn)率，低成本，工藝流程簡單

6、，產(chǎn)品性能優(yōu)良，對環(huán)境污染小等優(yōu)點，并且減少了由于高溫固相反應所引起的諸如產(chǎn)物不純、粒子團聚、回收困難等不足。熔鹽法：在熔點較低的鹽類的熔融狀態(tài)下反應。參與合成的反應物在熔融態(tài)鹽中有一定的溶解度，有利于各反應組分實現(xiàn)原子尺度的混合。組分在液相介質中有更快的擴散速度，有利于晶體的生長。這兩種效應能使合成反應在較短的時間內(nèi)和較低的溫度下完成。由于反應體系為液相，合成產(chǎn)物各組分配比準確，成分均勻，無偏析。在反應過程中，熔融鹽貫穿在生成的粉體顆粒之間，阻止了顆粒之間的相互連接，使合成的粉體的分散性很好。經(jīng)溶解洗滌后的產(chǎn)物幾乎沒有團聚現(xiàn)象存在。在熔鹽中反應以及隨后的清洗，有利于雜質的清除，形成純度較高的

7、反應產(chǎn)物。第四章 思考題晶須的生長機制？晶須的主要性能與用途？ VLS機制：V代表提供的氣體原料；L為液體觸媒；S為固體晶須。性能與用途：晶須具有完整的晶體結構，其密度、強度都接近完整晶體理論值，并具有理想的彈性模量和特殊的物理性能。晶須的延伸率與玻璃纖維相當，而拉伸模量與硼纖維相當，兼具這兩種纖維的最佳性能。大多數(shù)晶須強度與直徑有關。晶須直徑小于10mm時，其強度急劇增加，而與所采用的制備技術無關。晶須具有保持高溫強度的性能，高溫時，其比常用的高溫合金的強度損失小得多。晶須主要用作復合材料的增強劑，以增強金屬、陶瓷、樹脂、玻璃等。在航空航天、建筑、機械、汽車化工、生物材料、體育器材等方面得到

8、應用。某些晶須被用作特殊的功能材料，在電學、磁學、光學及超導材料領域可望得到應用。陶瓷纖維合成的基本原理？陶瓷纖維有短纖維和連續(xù)纖維兩種。短纖維的合成方法：熔噴法和離心甩絲法熔噴法：原料按一定配比混合后，放入電爐中高溫熔融，然后以壓縮空氣或高溫水蒸汽噴吹熔體，使熔體撕裂、細化，形成纖維。在這一過程中，熔體因逐漸冷卻而轉化成晶體（多晶）離心甩絲法：將熔體引入高速旋轉的離心輥表面，借助輥的離心力，將熔體分散，經(jīng)二級或三級離心后，可制得纖維。這種熔體撕裂形成的纖維在冷卻過程中，逐漸轉化為晶體（多晶），成為陶瓷纖維連續(xù)纖維的合成方法：選擇適當?shù)脑?，在較低溫度下熔融，然后進行紡絲，然后在一定溫度及氣氛

9、中進行熱處理，再在較高溫度下燒結，使原料轉化成所要合成的陶瓷晶體纖維。該類纖維的合成，關鍵在于原料及先驅體的選擇。第五章 思考題陶瓷材料的制備包括哪些環(huán)節(jié)?配料：試驗研究、確定配方、計算原料的用量、精確稱量、混合成型：預處理，包括預燒和細磨；制備坯料（保證各方收縮的一致性，避免開裂、變形，減少雜質，提高原料的純度）燒結：固相燒結：通過顆粒間的擴散傳質作用，驅動力是顆粒的表面能和晶粒界面能液相燒結：少量液相有利于組分的擴散、遷移，消除氣孔，改善顯微結構，促進燒結作用加工：陶瓷的成型方法有哪些?（1）塑性料團成型法（塑性好）。加入水分或塑化劑，將坯料混合，制成有塑性的料團，然后通過成型機進行擠壓、

10、溫壓、液壓或軋膜等成型。（2）漿料成型法（注漿法）。將含有一定水分的漿料澆注在預先準備的模具中成型。（3）粉料成型法（壓制法）。將粉料裝在模具中，在較高的壓力下壓制成型。（4）固體成型法。先將粉料制成一定強度的塊料或者經(jīng)過預燒成有一定強度的坯料，然后再進行加工，如車、削、鉆、刨等。陶瓷燒結過程經(jīng)歷哪些階段?低溫階段（室溫300左右）：主要排除殘余水分。中溫階段（亦稱分解氧化階段，300950）：主要排除結構水，有機物分解、和無機物的氧化，碳酸鹽、硫化物的分解，晶型轉變。高溫階段（950燒成溫度）：繼續(xù)氧化、分解，形成新晶相和晶粒長大。冷卻階段：冷卻凝固，晶型轉變。陶瓷中產(chǎn)生氣孔原因及消除方法？

11、原因：陶瓷坯體壓實不足，存在較大孔洞，燒結過程無法消除；黏合劑添加量過高，在燒結過程中形成較大空隙；原料中含有低熔點、高蒸氣壓組分，在燒結過程中揮發(fā)，形成微孔洞。消除方法：選擇具有合適粒度分布的粉體；合理添加黏合劑；采用適當?shù)某尚凸に?；盡量避免組分揮發(fā)；添加玻璃組分，進行液相燒結；控制燒結溫度和時間，促進晶體長大；采用熱壓燒結技術，可有效降低氣孔。第六章 思考題常用厚膜電路基板的材料和特點？單晶基片多晶基片常用厚膜導體材料及特點？厚膜導體與基板的附著機理？薄膜電路和厚膜電路在制造工藝上有何不同？第七章思考題薄膜材料制備方法主要有哪些？答：以蒸發(fā)沉積為基礎發(fā)展了電子束蒸發(fā)沉積、分子束外延薄膜生長

12、(MBE)、加速分子束外延生長；以載能束與固體相互作用為基礎, 先后出現(xiàn)了離子束濺射沉積、脈沖激光濺射沉積(PLD)、強流離子束蒸發(fā)沉積、離子束輔助沉積(IBAD)、低能離子束沉積；以等離子體技術為基礎發(fā)展了等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、磁控濺射沉積等。物理方法：真空蒸發(fā)沉積 磁控濺射法 離子束濺射沉積 脈沖激光沉積（PLD） 分 子束外延（MBE）化學方法：化學氣相沉積（CVD）溶膠凝膠法（SolGel法） 電沉積 液相外延（LPE） 化學束外延比較磁控濺射法與化學氣相沉積法的特點。所謂“濺射”就是荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。應用這一現(xiàn)象將濺射出來的物質沉積到基片或工作表面形成薄膜的方法稱為濺射（鍍膜）法。濺射過程是建立在輝光放電的基礎上，輝光放電產(chǎn)生于真空度為101Pa的稀薄氣體中的外加電壓的兩電極間。濺射原理：向高真空系統(tǒng)內(nèi)加入少量所需氣體（如氬、氧、氮等），氣體分子在強電場的作用下電離而產(chǎn)生輝光放電；氣體電離后產(chǎn)生的帶正電荷的離子受電場加速而形成等離子流，它們撞擊到設置在陰極的靶材表面上，使靶表面的原子飛濺出來，以自由原子的形式，或與反應氣體分子形成化合物的形式，沉積到襯底表面形成薄膜層。（也稱陰極濺射法）薄膜成分、結構檢測的主要方法有哪些？它們各有何特點？厚膜元件的