功能材料設(shè)計作業(yè)

功能材料設(shè)計與制備》作業(yè)第一章緒論1、名詞解釋功能材料：指通過光、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)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，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：合金原子呈長程無序的非結(jié)晶狀態(tài)的合金。2、請簡述功能材料發(fā)展特點（結(jié)合實例進行論述）。1）金屬功能材料發(fā)展特點：開發(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）無機非金屬功能材料發(fā)展特點：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始變得模糊。第二章材料設(shè)計1、材料設(shè)計：是指通過理論與計算預(yù)報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說，通過理論設(shè)計來“訂做”具有特定性能的新材料。2、材料設(shè)計主要包含哪幾個環(huán)節(jié)？1）建立材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫：確定材料功能特性和效用2）成分和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計：有經(jīng)驗法，半經(jīng)驗法與基本計算法3）合成和加工工藝設(shè)計：從微觀到宏觀尺度對結(jié)構(gòu)予以控制4）使用性能設(shè)計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，寫出制備方法、過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?？梢酝ㄟ^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)過煅燒過程晶型轉(zhuǎn)變及a-A12O3晶粒；其中通過在氧化鋁前驅(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)計制備SnO2納米粉體，給出制備方法、實驗流程和XRD及電鏡圖，并對比這五種方法的優(yōu)缺點。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分散劑，在適當(dāng)溫度下慢慢低價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。實驗結(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，團聚現(xiàn)象較少。這四種方法的優(yōu)缺點比較如下表：就點化鼻性好+世事卯分容易feili'L囲督艄航屜.子顯團職W1皿廿IlkH妹站施趙細(xì),無希冑盤槪墟出產(chǎn)率蜒低氫戸無復(fù)處的設(shè)希內(nèi)撿K粉怵分般性H好-過理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■強用川化.生團壊C100表面活性劑的分類及CMC、HLB的定義。按極性基團的解離性質(zhì)分類:1、陰離子表面活性劑：硬脂酸，十二烷基苯磺酸鈉2、陽離子表面活性劑：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強度。CMC：臨界膠束濃度，表面活性劑在溶液中形成膠束時的最低濃度。熔鹽法制備粉體時，鹽的選擇很關(guān)鍵，需要注意哪些問題？熔鹽法中鹽的種類對所制備粉體的形貌和性質(zhì)非常關(guān)鍵，選擇鹽的種類時要遵循以下原則：1）對晶體材料應(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，從而有利于溶質(zhì)的擴散和潛熟的釋放，這對于生長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和盡可能高的沸點，以便選擇方便的和較寬的生長溫度范圍。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)易溶于對晶體無腐蝕作用的某種液體溶劑中，如水、酸或堿性溶液等，以便將生長得到的晶體從凝固的熔鹽中分離出來。8）在熔融狀態(tài)時，其比重應(yīng)盡量與結(jié)晶材料相近，否則上下濃度不均一，引起晶粒生長的不均勻。簡述球磨、振動磨、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％。振動磨：研磨介質(zhì)對物料進行沖擊、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：利用一對固體磨子和高速旋轉(zhuǎn)磨體的相對運動所產(chǎn)生的強大剪切、摩擦、沖擊等作用力來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）?簡單介紹其主要過程。定義：在真空度較高的環(huán)境下，通過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)。主要過程包括氣相物質(zhì)的產(chǎn)生、運輸與沉積。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)主要由哪三個部分組成?哪個部分是最關(guān)鍵的，主要起什么作用?蒸發(fā)裝置主要包括哪些類別?選擇三種典型蒸發(fā)裝置，比較其原理、特點和適用領(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

轟擊電子的動能

轉(zhuǎn)化為材料熱能特點發(fā)熱率低、難以實現(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、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)點和缺點？濺射裝置可以按哪些特性分為哪些類別？選擇三種典型濺射裝置，比較其鍍膜原理、工藝特點和適用領(lǐng)域。與蒸鍍法相比，濺射法優(yōu)點：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)合力比蒸鍍強濺射的膜均勻,蒸鍍的膜中心點厚,四周薄.缺點：濺射比蒸鍍工作真空低一個數(shù)量級,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：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)為純元素靶材或不同純元素靶材的合金反應(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作用下的加速電子撞擊電離氣體電子與高頻交流電場共振繼而不斷撞擊氣體分子工藝特點

簡單、速度慢、膜密度低

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

簡單、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中運動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、簡述化學(xué)氣相沉積鍍膜的概念及特征，基本分類如何？化學(xué)氣相沉積：氣態(tài)反應(yīng)物在一定條件下，通過化學(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：：無需真空、靠載氣輸運、污染較大易于氣化反應(yīng)物、無載氣、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)鍍是電流通過在電解液中的流動而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在陽極或陰極上沉積薄膜的方法?；瘜W(xué)鍍在無電流通過（無外界動力）時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)動力來自外加電場賦予的能量；化學(xué)鍍：反應(yīng)驅(qū)動力來自溶液體系自身的化學(xué)勢！6、為什么鍍膜前要對基片進行嚴(yán)格的清洗？1）薄膜與玻璃結(jié)合力強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？簡述各類真空泵類型及其工作壓強范圍。另分析說明實用的真空抽氣系統(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：旋片式機械泵和油擴散泵兩類。1）旋片式泵分為：旋片式、定片式、滑閥式；工作區(qū)間：單級：105~1Pa；雙級：105~10-2Pa2）油擴散泵工作區(qū)間：1~10-6Pa。第五章一維納米材料1、簡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-固界面來降低晶種的對稱性；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