材料合成制備考試復習資料終極版

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-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、分子結合起來制成材料所采用的各種化學方法和物理方法，一般不含工程方面的問題。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、分子更高一級聚集狀態(tài)結合起來制成材料所采用的化學方法和物理方法。(一是新的制備方法以及新的制備方法中的科學問題，二是各種制備方法中遇到的工程技術問題)材料加工：是指對原子、分子以及更高一級聚集狀態(tài)進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：結構材料，功能

2、材料。物理結構：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：以金屬健結合的金屬材料，以離子鍵和共價鍵為主要鍵合的無機非金屬材料，以共價健為主要鍵合的高分子材料，將上述三種材料進行復合，以界面特征為主的復合材料，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：品種多式樣多，更新?lián)Q代快，性能要求越來越功能化、極限化復合化、精細化。新材料主要發(fā)展趨勢：1結構材料的復合化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：均勻性；各向異性；自限性；對稱性；最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性。晶體生

3、長類型：固相-固相平衡的晶體生長，液相-固相平衡的晶體生長，氣相-固相平衡的晶體生長。晶體生長可以分為成核和長大兩個階段。成核過程主要考慮熱力學條件。長大過程則主要考慮動力學條件。在晶體生長過程中，新相核的發(fā)生和長大稱為成核過程。成核過程可分為均勻成核和非均勻成核。過冷度每一種物質都有自己的平衡結晶溫度或者稱為理論結晶溫度，但是，在實際結晶過程中，實際結晶溫度總是低于理論結晶溫度的，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象，兩者的溫度差值被稱為過冷度，它是晶體生長的驅動力。冷卻速度，過冷度，晶體生長速度冷卻速度，過冷度，晶體生長速度定向凝固：在凝固過程中采用強制手段，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。溫度梯度大小直接影響晶體的生長速率和晶體的質量。凝固速率實際上取決于鑄型或爐體的移動速率。定向凝固技術的工藝參數(shù)：凝固過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，深過冷定向凝固，激光超高溫梯度快速凝固技術，連續(xù)定向凝固技術法）提拉法的原理：也稱為丘克拉斯基（ Gockraski）技術，是熔體中晶體生長最常用的方法之一，是利用溫場控制來使得熔融的原料生長成晶體。優(yōu)點：a 可以直接觀察晶體

5、的生長狀況b能夠顯著減小晶體的應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，降低晶體中的位錯密度，減少嵌鑲結構，提高晶體的完整性。最大優(yōu)點：能夠以較快的速率生長較高質量的晶體。缺點：a 一般要用坩堝做容器，導致熔體有不同程度的污染；b 當熔體中含有易揮發(fā)物時，則存在控制組分的困難；c 不適用于對于固態(tài)下有相變的晶體。區(qū)域熔化技術特點：體系由晶體、熔體和多晶體原料三部分組成；體系中存在著兩個固-液界面，一個界面上發(fā)生結晶過程，而兩一個界面上發(fā)生多晶原料方向的熔化過程，熔融區(qū)向多晶原料方向移動；熔區(qū)體積不變，不斷地向熔區(qū)中添加原料； 生長以晶體的長大

6、和多晶原料的耗盡而結束；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，可以生長高熔點材料晶體）高溫溶液生長：此方法制備單晶材料的工藝關鍵是助熔劑的選擇（有足夠大的溶解度；所生成的晶體是唯一穩(wěn)定的物相；固溶度應盡可能小；小粘滯性；低熔點，高沸點；很小的揮發(fā)性、腐蝕性和毒性；易溶于對晶體無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的層狀晶體的點缺陷濃度和位錯密度都較低，化學計量和摻質均勻性較好，因而在結晶學上比熔體法生長的晶體更為優(yōu)良。水熱法生長過程的特點：過程是在壓力與氣氛可以控制的

7、封閉系統(tǒng)中進行的；生長溫度比熔融法和熔鹽法低很多；生長區(qū)基本處于恒溫和等濃度狀態(tài)，溫度梯度小；屬于稀薄相生長，溶液黏度低。非晶態(tài)材料微觀結構基本特征：(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，而沒有任何長程有序；(2)它的衍射花樣是由較寬的暈和彌散的環(huán)組成，沒有表征結晶態(tài)的任何斑點和條紋；（3)當溫度連續(xù)升高時，在某個很窄的溫區(qū)內(nèi)，會發(fā)生明顯的結構相變，是一種亞穩(wěn)態(tài)材料。非晶態(tài)材料的性質：高強度、高韌性 ；抗腐蝕性 ；軟磁特性；超導電性一般較低，但延展性較好；非晶半導體光學性質 其他性質非晶固體的形成（液體在緩慢降溫過程中形成晶體，液體在急冷過程中形成非晶體）

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比較成熟的非晶態(tài)材料：非晶態(tài)合金；非晶態(tài)半導體材料；非晶態(tài)超導體 ；非晶態(tài)高分子材料；非晶體玻璃。非晶態(tài)固體的結構：微晶模型：認為微晶內(nèi)的短程有序和晶態(tài)相同，但是各個微晶的取向是散亂分布的，因此造成長程無序，微晶之間原子的排列方式和液態(tài)結構相似。拓撲無序模型：認為非晶態(tài)結構的主要特征是原子排列的混亂和隨機性。拓撲無序是指模型中原子的相對位置是隨機地無序排列的，無論是原子間距或各對原子連線間的夾角都沒有明顯的規(guī)律性。該模型強調(diào)結構的無序性，把短程有序

9、看作是無規(guī)堆積時附帶產(chǎn)生的結果。制備非晶態(tài)固體必須解決的關鍵問題：（1）必須形成原子或分子混亂排列的狀態(tài)；（2）必須將這種熱力學上的亞穩(wěn)態(tài)在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來，使之不向晶態(tài)轉變。常見的非晶態(tài)制備方法：液相驟冷和從稀釋態(tài)凝聚。化學氣相沉積的優(yōu)點：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，對于形狀復雜的表面或工件的深孔、細孔等都能均勻覆膜；3.成膜溫度高，反應氣體、反應產(chǎn)物和基體的相互擴散，使膜的殘余應力小，附著力好，且膜致密，結晶良好；在高飽和度下進行的，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：反應溫度太高，一般在1000左右，而許多基材難以承受這樣的高溫，因而限制了它的應用范圍。真空蒸鍍：將待成膜的物質置于真空中進行蒸發(fā)或升華，使之在工件或基片表面析出的過程。蒸發(fā)源的組成應具備的條件：(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穩(wěn)定性；(3) 能承載一定量的待蒸鍍材料。類型：點源、面源。電子束加熱法優(yōu)點：可以直接對蒸發(fā)材料加熱；可避免材料與容器的反應和容器材料的蒸發(fā)；可蒸發(fā)高熔點材料。缺點：裝置復雜；只適合于蒸發(fā)單質元素；殘余氣體分子和蒸發(fā)材料的蒸氣會部分被電子束電離。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)點和缺點：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氣相沉積的反應形式可分為五類：（1）熱分解反應（2）氫還原反應（3）由金屬產(chǎn)生的還原反應（4）由基片產(chǎn)生的還原反應（5）化學輸送反應影響薄膜質量的主要工藝參數(shù)有沉積溫度、反應氣體組成、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）生物及化學功能陶瓷燒結工藝一般分為四個階段： 低溫(室溫300)排除殘余水分； 中溫(分解氧化階段，300950)

12、排除結構水，有機物分解、碳和無機物的氧化，碳酸鹽、硫化物的分解，晶型轉變等； 高溫(950燒成溫度)繼續(xù)氧化、分解，形成新晶相和晶粒長大； 冷卻階段，冷卻凝固，晶型轉變。超導體兩個獨立的基本性質：零電阻現(xiàn)象；完全抗磁性。臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流Ic是約束超導現(xiàn)象的三大臨界條件。高溫熔燒法工藝關鍵是應使其缺氧，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)，大氣氣氛下進行燒結，燒結溫度為900960C，時間至少為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)粉碎再進行壓塊，按上述條件進行第二次燒結，甚至第三次燒結，可制得正交結構的超

13、導材料。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。敏感陶瓷的半導化摻雜條件：在氧化物中，摻入少量高價或低價雜質離子，引起氧化物晶體的能帶畸變，分別形成施主能級和受主能級。從而形成n型或p型半導體陶瓷。氣敏材料的性能指標：氣體選擇性；初始穩(wěn)定、氣敏響應和復原特性；靈敏度及長期穩(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)燒結溫度；改變氣敏元件的工作溫度；采用屏蔽技術。壓電陶瓷：（1）一元系壓電陶瓷（2）二元系Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷結構陶瓷是指具有力學和

14、機械性能及部分熱學和化學功能的高技術陶瓷，特別適合于在高溫下應用的則稱為高溫結構陶瓷。高溫結構陶瓷材料具有耐高溫、高硬度。耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數(shù)、高導熱性和質輕的特點。超微粉的結構特點1.非常大的比表面積。2特殊表面結構物質。3.電荷分布的特殊性是對稱性的，4.金屬超微粒的非穩(wěn)定結構；5.很高的比表面自由能6.小體積效應;7. 熔點降低效應微波燒結模式與常規(guī)燒結相比，具備以下特點：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，結構簡單，制造維修方便；快速加熱燒結，如Al2O3、ErO2在15分鐘內(nèi)可燒結致密；體積性加熱，溫場均勻，不存在熱應力，有利于復雜形狀大部件燒結；高效節(jié)能，微波燒結熱效率可達80以上；無熱源污染，有利于制備高純陶瓷；可改進材料的微觀結構和宏觀性能，獲得細晶高韌的結構陶瓷材料。帶式澆注式流延成型：這種工藝的特點是可以進行材料的微觀結構和宏觀結構設計，對于表面不相容的兩種材料可以用梯度化工藝疊層連接，可以實現(xiàn)一材多功能，獲得傾斜機能材料，如硬表面/輕質內(nèi)部等。氧化物結構陶瓷對制品的要求：介電系數(shù)要?。桓哳l電場下的介電損耗要??；機械強度要高；希望有高介電強度、高比體積電阻、高導熱系數(shù)和合適的熱膨脹系數(shù)以及易于加工、低成本、無毒、高穩(wěn)定等性能。單晶，非晶，液晶，溶液的區(qū)別：晶體是一