材料合成与制备复习提纲

名词解释：溶胶－凝胶法(Sol-gel)：是采用具有高化学活性的含材料成分的液体化合物为前驱体（通常是金属有机醇盐或无机化合物），在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解、缩聚化学反应，通过抑制各种反应条件，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经过陈化，胶粒间缓慢聚合，形成了三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成了凝胶。凝胶再经过低温干燥，脱去其间溶剂而成为一种多孔空间结构的干凝胶或气凝胶，最后，经过烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。胶体(Colloid)：胶体是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。3．溶胶：是具有液体特征的胶体体系，是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。分散粒子是固体或者大分子颗粒，分散粒子的尺寸在1~100nm之间，这些固体颗粒一般由103~109个原子组成。4．凝胶(Gel)：凝胶是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网络骨架，骨架孔隙中充满液体或气体，凝胶中分散相含量很低，一般在1%~3%之间。5．絮凝与凝胶化：由于界面原子的自由能比内部原子高，因此溶胶是热力学不稳定体系，若无其它条件限制，胶粒倾向于自发凝聚，达到低比表面状态。若上述过程为可逆，则称为絮凝；若不可逆，则称为凝胶化。6．水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。7．溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法生成，易氧化、易水解或对水敏感的材料。8．超临界流体：是指温度及压力都处于临界温度和临界压力之上的流体。在超临界状态下，物质有近于液体的溶解特性以及气体的传递特性：粘度约为普通液体的0.1～0.01；扩散系数约为普通液体的10～100倍；密度比常压气体大102～103倍。9．超临界水：是指温度和压力分别高于其临界温度（647K）和临界压力（22.1MPa），而密度高于其临界密度（0.32g/cm3）的水。10．微波水热合成：微波加热是一种内加热，具有加热速度快,加热均匀无温度梯度，无滞后效应等特点。微波对化学反应作用是非常复杂的；但有一个方面是反应物分子吸收了微波能量，提高了分子运动速度，致使分子运动杂乱无章，导致熵的增加，降低了反应活化能。11．化学气相沉积:化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。12．PECVD：在低真空的条件下，利用硅烷气体、氮气（或氨气）和氧化亚氮，通过射频电场而产生辉光放电形成等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温度，在辉光放电的低温等离子体内，“电子气”的温度约比普通气体分子的平均温度高10～100倍，即当反应气体接近环境温度时，电子的能量足以使气体分子键断裂并导致化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团）的产生，使本来需要在高温下进行的化学反应由于反应气体的电激活而在相当低的温度下即可进行，也就是反应气体的化学键在低温下就可以被打开。所产生的活化分子、原子集团之间的相互反应最终沉积生成薄膜。人们把这种过程称之为等离子增强的化学气相沉积PCVD或PECVD，称为等离子体化学气相沉积，或等离子体化学蒸汽沉积。13．低热固相反应：反应温度低于100℃的固相化学反应为低热固相反应。14.结构陶瓷：主要是指在耐磨、耐热、耐热冲击、强度、硬度、低热膨胀性和隔热等方面具有优异性能的一类陶瓷材料。15.功能陶瓷：主要是指一类具有特殊的光、电、磁，以及生物－化学功能等陶瓷材料，此外还包括核能陶瓷和其它功能材料等。16.一次颗粒：指没有堆积、絮联等结构的最小单元的粉体颗粒。17.二次颗粒：指存在有在一定程度上团聚了的颗粒。18.硬团聚体：一次颗粒之间发生部分烧结，形成了较强的键合，颗粒之间难以分离，这样的团聚体称为硬团聚体。19.粉体的中位径（d50）：粉体累积分布为50%对应的粒径大小，即小于该粒径大小的粉体的累积体积（或累积质量）占粉体总体积（或总质量）的50%。20.注射成型:粉料与有机添加剂混合，加压挤制的成型方法。坯料由陶瓷粉料与结合剂（热塑性树脂）、润滑剂、增塑剂等有机添加剂构成。制备过程：配料、加热混合、固化、粉碎造粒。有机物含量直接影响坯料的成型性能及烧结收缩性能。21.等静压成型：是装在封闭模具中的粉体在各个方向同时均匀受压成型的方法。该成型方法是干压成型技术的一种新发展，但模型的各个面上都受力，故优于干压成型。该工艺主要是利用了液体或气体能够均匀地向各个方向传递压力的特性来实现坯体均匀受压成型的。22.烧结：压制成型后的粉状物料在低于熔点的高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递，气孔排除，体积收缩，强度提高，逐渐变成具有一定的几何形状和强度的致密体的过程。23.热等静压烧结技术：将装在密封包套或经过预成型的金属或陶瓷坯体放置在压力缸内的炉体当中，输入传压气体，同时进行升温和升压，使坯体致密化的烧结技术。24.电火花等离子烧结技术（SPS）：SPS是一种利用通－断直流脉冲电流瞬间产生放电等离子体，使烧结体内部的各个颗粒均匀地自身产生焦耳热，清除颗粒表面的氧化膜和杂质、使粉体颗粒表面活化，粉末颗粒直接接触并发生烧结形成烧结颈，并同时施加大的直流电流和压力，使粉体致密化的技术。这种放电直接加热法，热效率极高，放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。25.复合材料：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组分材料虽保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加和，而有着重要的改进。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。26.晶须：晶须为具有一定长径比(直径0.3~1mm,长0~100mm)的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷，因此其强度接近理论强度。由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量。27.熔盐生长法：又称助熔剂法，即借助特定的高温溶剂，使溶质相在远低于其熔点的温度下熔化，生长单晶的方法。它的适用范围很广泛，但找到合适的溶剂是熔盐法生长法的一个既困难又很关键的问题。28.逐区熔化法：逐区熔化法是一种重要的生长晶体方法，其特点是：固体材料中只有一段区域处于熔融态，材料体系由晶体、熔体和多晶原料二部分所组成。体系中存在着两个固－液界面，一个界面上发生结晶过程，而另一个界面上发生多晶原料的熔化过程，熔区向多晶原料方向移动。尽管熔区的体积不变，实际上是不断地向熔区中添加材料。生长过程将以晶体的长大和多晶原料的耗尽而告终。问答题：1．简述溶胶－凝胶制备陶瓷粉体材料的优点。答：①制备工艺简单、无需昂贵的设备；②对多元组分体系，溶胶－凝胶法可大大增加其化学均匀性；③反应过程易控制，可以调控凝胶的微观结构；④材料可掺杂的范围较宽（包括掺杂量及种类），化学计量准确，易于改性；⑤产物纯度高，烧结温度低2．列举溶胶凝胶法的主要应用范围。答：块体材料、多孔材料的制备、纤维材料的制备、复合材料的制备、超细粉体材料的制备、薄膜和涂层材料的制备。3．简述溶胶-凝胶法制备陶瓷纤维材料的工艺流程及其优点。答：工艺流程如下图所示：初始原料初始原料混合、搅拌前躯体溶胶浓缩粘性溶胶纺丝凝胶纤维干燥热处理陶瓷纤维溶胶-凝胶法的优点：溶胶-凝胶法制备陶瓷纤维材料克服了直接熔融纺丝法因特种陶瓷难熔而无法制成纤维的困难，溶胶-凝胶工艺制备纤维材料不仅可以在低温下进行，而且制备的陶瓷纤维均匀性好、纯度高。4．请画出超临界流体的P-T相图，并简述超临界水热合成用于制备金属氧化物及其复合物的技术优越性？答：超临界流体的P-T相图为：（1）工艺条件，制备方法，设备加工要求都简单易行，能量消耗相对较低；（2）产品微粒的粒径可以通过控制反应的过程参数加以有效控制，便捷易行。参数不同，可以得到不同粒径大小和分布范围的超细颗粒，并且微粒粒径分布范围较窄；（3）该技术利用了超临界流体良好的物化性质，整个实验过程无有机溶剂的参与，环保性能良好，是可持续发展的“绿色化学”；（4）与一般的水热合成方法相比，物料在反应器内混合，瞬间达到反应所要求的温度和压力，反应时间很短。生成的金属氧化物在超临界水中的溶解度很低，全部以超细微粒的形式析出。5．影响化学气相沉积制备材料质量的几个主要因素。答：（1）反应混合物的供应。对于任何沉积体系，反应混合物的供应是决定材料质量的最重要因素之一。在材料研制过程中，总要通过实验选择最佳反应物分压及其相对比例。（2）沉积温度。沉积温度是最主要的工艺条件之一。由于沉积机制的不同，它对沉积物质量影响因素的程度也不同。同一反应体系在不同温度下，沉积物可以是单晶、多晶、无定形物，甚至根本不发生沉积。（3）衬底材料。化学气相沉积法制备无机薄膜材料，都是在一种固态基体表面（基底）上进行的。对沉积层质量来说，基体材料是一个十分关键的影响因素。（4）系统内总压和气体总流速。这一因素在封管系统中往往起着重要作用。它直接影响输运速率，由此波及生长层的质量。开管系统一般在常压下进行，很少考虑总压力的影响，但也有少数情况下是在加压或减压下进行的。在真空（一至几百帕）沉积工作日益增多的情况下，他往往会改善沉积层的均匀性和附着性等。（5）反应系统装置的因素。反应系统的密封性、反应管和气体管道的材料以及反应管的结构形式对产品质量也有不可忽视的影响。（6）源材料的纯度。大量事实表明，器件质量不合格往往是由于材料问题，而材料质量又往往与源材料（包括载气）的纯度有关。6．化学气相沉积法制备纳米粒子的特点：答：利用挥发性的金属化合物为原料容易精制，而且生成物不需要粉碎、纯化，得到的超细粉纯度高；生成的微粒子的分散性好；控制反应条件以获得粒径分布狭窄的纳米粒子；有利于合成高熔点的无机化合物超微粉末；除制备氧化物粉体外，只要改变介质气体，还可以适用于直接合成有困难的金属，氮化物，碳化物和硼化物等非氧化物。简述固相反应机理。答：固相反应发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着发生化学作用，生成产物分子。此时生成的产物分子分散在母体反应物中，只能当做一种杂质或缺陷的分散存在，只有当产物分子集积到一定大小，才能出现产物的晶核，从而完成成核过程。随着晶核的长大，达到一定的大小后出现产物的独立晶相。可见，固相反应经历四个阶段，即扩散-反应-成核-生长，但由于各阶段进行的速率在不同的反应体系或同一反应体系不同的反应条件下不尽相同，使得各个阶段的特征并非清晰可辨，总反应特征只表现为反应的决速步的特征。8．比较等离子快速烧结与一般快速烧结（快速热压烧结）对材料致密化程度的影响的不同。答：在一般快速热压烧结过程中往往会出现一种异常现象，即：样品的相对密度在某一烧结温度下达到最高值，超过该温度后样品的密度反而下降；而在等离子快速烧结过程中并没有发生这种现象，不管保温时间的长或短，样品的致密化程度都时随温度的升高而增加。这种不同显然是由于不同的烧结机理所致。一般热压烧结是在样品的外部加热，通过热传导是释品烧结的。对于热传导很低的纳米陶瓷材料，当烧结温度很高时，往往热量还未传到样品内部，样品的表面己烧结变硬，从而限制了样品的进一步致密化。另外，在热压过程中样品两面受压，中心所受压力应大于边缘部分。快速热压烧结虽然在压力的作用下可以使很小的样品烧结，但其传热过程与普通热压烧结没有很大的质的区别，都是通过石墨模具在材料周围加热再通过热传导将热量传递到表面使材料烧结。在快速烧结时，必然存在从外到内的温度梯度，因此样品外缘与中心部分的温度明显不同，使各部分烧结情况也不同，材料的致密化从外到内逐渐降低。而在等离子体快速烧结过程中，有一个特殊的过程，即是在压实颖粒样品上施加由特殊电源产生盯直流脉冲电压。等离子体快速烧结技术的关键在于利用粉末颖粒间的间隙所产生的放电现象，由放电所产生的离子及电子等高能电子撞击粉末颖粒间的接触部分，并在粉末粒子表面施加强大的撞击力。样品的致密化是通过瞬间产生的放电等离子体，使被烧结体内部每个颗粒均匀的自身发热和使颗粒表面放电而进行，从而避免了从外向内的热传导过程，因而具有很高的热效率，样品内的传热过程在瞬间完成，基本上不依赖于热传导的作用，因而不存在从外到内的热梯度。这就使样品的致密化过程可以均匀的进行。9.简述B－S法生长硒镓银(AgGaSe2)晶体的工艺过程。答：AgGaSe2单晶体采用改进的B-S法生长，生长装置及其温场分布图如下图4所示。它是一台竖直两温区坩埚旋转下降单晶生长炉，该生长炉上、下两个温区分别用一组炉丝加热，两区域中间的间隙宽度可调。实验中通过调整上、下两区域的温度差以及中间空隙的高度，可控制中间结晶区域的温度梯度。采用精密数字控温仪可以进行控温程序设计。将AgGaSe2多晶粉末装入经镀碳处理过的石英生长安瓿内，抽空封结后放入生长炉内，缓慢升温至950－1050℃，开启旋转系统，保温后开始下降．生长中保持固液界面附近温度梯度为30－40℃/cm、下降速率为0.5－1.0mm/h。经过大约两周时间，便可生长出外观完整的AgGaSe2单晶锭。10.请设计实验制备Fe0.45Ni0.66Mn1.89O4热敏陶瓷材料，说明所采需的主要设备、试剂、工艺流程和方法。答：所需的主要设备有：球磨机、球磨罐、不同尺寸的氧化锆磨球、压片机及模具、马佛炉、烘箱等。所需的试剂为：分析纯级Fe2O3、NiO、MnO2超细粉体，以及无水乙醇（用作球磨剂）、分子量为1000的聚乙二醇（用作粘结剂）。Fe0.45Ni0.66Mn1.89O4热敏陶瓷的制备工艺流程为：粉体合成造粒粉体合成造粒成型烧结粉体合成方法：（1）采用高温固相反应法合成Fe0.45Ni0.66Mn1.89O4粉体，即将一定计量比的Fe2O3、NiO、MnO2超细粉体混合，以无水乙醇为球磨剂，球磨5h，烘干，在700C煅烧2h，在同样球磨5h，然后在900C煅烧2h，再球磨5h。造粒方法：在复合氧化物粉体中加入适量的PVA（5wt％），研磨均匀，实现造粒。成型方法：采用普通压片机，进行单向加压成型，压力约为40MPa。烧结方法：在普通的马佛炉中于空气气氛中烧结坯体。在室温至400C范围内，升温速度为小于1C/min，在400C停留2h，以烧去PVA。温度为1250C，时间2h。填空：1.材料制备方法主要有物理方法和化学方法。化学方法制备材料的优点是可以从分子尺度控制材料的合成。溶胶稳定机制中增加粒子间能垒通常用的三个基本途径是：使胶粒带表面电荷、利用空间位阻效应和利用溶剂化效应。溶胶－凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型：传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。4．溶胶稳定机制为胶体稳定的DLVO理论。5．超临界流体的密度、溶剂化能力、粘度、介电常数、扩散系数等物理化学性质随温度和压力的变化一十分敏感，即在不改变化学组成的情况下，其性质可由压力来连续调节。6．微波水热的显著特点是可以将反应时间大大缩短，反应温度也有所下降，从而在水热过程中能以更低的温度和更短的时间进行晶核的形成和生长，反应温度和时间的降低,限制了产物微晶粒的进一步长大，有利于制备超细粉体材料。7．水热法常用氧化物或者氢氧化物或凝胶体作为前驱物，以一定的填充比进入高压釜，它们在加热过程中溶解度随温度升高而增大，最终导致溶液过饱和，并逐步形成更稳定的新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱体或中间产物与最终产物之间的溶解度差，即反应向Gibbs焓减小的方向进行。8．影响水热反应的因素有温度、压力、保温时间及溶液组分、pH值、有无矿化剂和矿化剂种类。所有这些因素都将影响最终产物的大小、形貌、物相等性质。水热反应温度是化学反应和晶体生长的重要影响因素，它决定反应速率常数的大小。9．CVD沉积反应是由5个相串联的步骤所形成的，其速率的快慢取决于其中最慢的一项，主要是反应物的扩散及CVD的化学反应。一般而言，当反应温度较低时，CVD将为表面反应限制所决定；当温度较高时，则为扩散限制所控制（但并不是绝对的）。10．化学气相沉积方法沉积的固体形态有：在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒，在气体中生成粒子。11．固相化学反应能否进行，取决于固体反应物的结构和热力学函数。12．延伸固体按连续的化学键作用的空间分布可分为一维、二维和三维固体。13．固相化学反应根据固相化学反应发生的温度分低热固相反应、中热固相反应和高热固相反应。14．Kaupp等通过原子力显微镜观察有机固相反应，提出了三步反应机理：相重建、相转变、晶体分解或分离。15．SPS技术融等离子活化、热压、电阻加热为一体，利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程。16．SPS技术具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得的材料致密度高等特点，对于实现优质高效、低