先进材料制备基础理论总复习.ppt

先进材料制备基础理论 1.考试时写明班级、姓名、学号 2.开卷考试，时间：10.12.30号周四上午8 ：09：50；地点：教学馆104 Date1 材料的地位、作用、和发展 材料(Materials) 是人类用来制作各 种产品的物质，是先于人类存在的 ，是人类生活和生产的物质基础。 材料的使用和制备水平反映人类社 会文明的水平。 材料是人类文明的里程碑。 Date2 材料的地位、作用、和发展 材料是人类能用以制作有用物件的物质。 人类发展的历史表明，材料是社会进步的物资基 础与先导。它是人类赖以生存和发展、征服自然 和改造自然的物资基础，同时又是人类社会发展 的先导，它是人类进步的里程碑。很难想象，如 果没有材料，人类社会的生活将会是一种什么样 的状况。 自20世纪70年代，人们就把信息、能源和材料 誉为人类文明的三大支柱，把材料的重要性提到 了一个前所未有的高度。20世纪80年代，人们 又把新材料技术、信息技术与生物技术一起列为 高新技术革命的重要标志。 Date3 材料的分类 材料的分类方法很多，通常是 按组成、结构特点进行分类 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料(常称高分子材料) 复合材料 每一类又可分为若干大类 Date4 材料的分类 按照材料的发展历史来分类将材料分 为传统材料和新型材料（先进材料） 两者并无严格区别，它们是互相依存、互相促进、互 相转化、互相替代的关系； 传统材料的特征为：需求量大、生产规模大，但环境 污染严重； 新型材料是建立在新思路、新概念、新工艺、新检测 技术的基础上，以材料的优异性能、高品质、 高稳 定性参与竞争，属高新技术的一部分。 新型材料的特征是：投资强度较高、更新换代快、风 险性大、知识和技术密集程度高，一旦成功，回报率 也较高，且不以规模取胜。 Date5 材料的要素 性质和现象赋予了材料的价值和应用性。 使用性能是材料在使用条件下应用性能的度 量。 结构与成分包括了决定材料性质和使用性能 的原子类型和排列方式。 合成和加工实现了特定原子排列。 Date6 材料的要素 Date7 材料的要素 4个要素反映了材料科学与工程研究 中的共性问题。正是在这4个要素上 ，各种材料相互借鉴、相互补充、相 互渗透。 抓住了这4个要素，就抓住了材料科 学与工程研究的本质。而各种材料， 是其特征所在，反映了该种材料与众 不向的个性。 其中合成和加工、受加工影响的使用 性能是两个关键要素Date8 材料科学的目的材料科学的目的 高分子材料、金属材料和无机非金属材料 ，不论其形状大小如何，其宏观性能都是 由其化学组成和组织结构决定的。 只有从不同的微观层次上正确地了解材料 的组成和组织结构特征与性能间的关系， 才能有目的、有选择地制备和使用材料。 材料科学的主要目的就是从电子、离子、 原子、分子的层次上阐明各种材料的组成 、制备工艺、分子或原子结构与性能间的 相互关系 Date9 材料的组成 材料通常都是由原子或分子结合而成的， 也可以说是由各种物质组成的，而物质是 由一种或一种以上元素组成的。如众所周 知的钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、塑料和木 材等材料，各自均有固定的特性，组成这 些材料的主要元素有：铁(Fe)、硅(Si)、 钙(Ca)、铝(A1)、碳(C)、氧(O)、氮(N)、 氢(H)等，是地球上广泛存在的元素。 按原子或分子的结合与结构分布状态的不 同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和 复合体三大类。 Date10 材料的组元 组成材料最基本、独立的物质称为材 料的组元(或称组分)。 组元可以是纯元素，也可以是稳定的 化合物。金属材料的组元多为纯元素( 如普通碳钢的组元是Fe与C)，陶瓷材 料的组元多为化合物(如Y2O3ZrO2陶 瓷的组元是Y2O3 和ZrO2)。 Date11 材料中的相 材料中具有同一化学成分并且结构相同的 均匀部分叫做相。 相与相之间有明显的界面，可以用机械 的方法把它们分离开。在界面上，从宏 观的角度来看，性质的改变是突变的。 若材料是由成分、结构均相同的同种晶 粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开 ，但它们仍属于同一种相。 若材料是由成分、结构都不同的几种晶 粒构成的，则它们属于几种不同的相。 Date12 晶体、 晶界与 晶粒 Date13 材料的组织 材料组织分为微观组织(结构)与宏观组织 。 微观组织也叫做微细组织、显微组织， 是由原子的种类及其排列状态决定的。微 观组织又分为晶体结构与非晶态(无定形) 结构。 宏观组织是用肉眼可以观察到的粗大组 织，有时是指用放大倍数为20100倍以 下的放大镜可以观察到的组织，可以分为 单一组织和复合组织，这些组织又可进一 步细分。 Date14 固溶体 两种以上的原子或分子溶合在一起时 的状态统称为溶体。溶体一般是原子 或分子的均匀混合物，不是化合物。 液态溶体称为溶液。而固态溶体是溶 质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成 的单相固体。合金与陶瓷中不少是属 于固溶体。 固溶体保持溶剂组元的晶格类型。 Date15 固溶体 有两类固溶体 间隙固溶体在溶剂A的晶格间隙 中有溶质B的原子填入所形成的固 溶体。 置换固溶体溶剂A晶格中的原子 被溶剂B的原子所取代而形成的固 溶体。 Date16 无机非金属材料的化学组成 无机非金属材料包括陶器、瓷器、 耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和 水泥等材料。 陶瓷是无机非金属材料的主体，现在 在不少西方国家，陶瓷实际上已是各 种无机非金属材料的通称。 陶瓷同金属材料和高分子材料一起成 为现代工程材料的三大支柱。 Date17 高分子材料的化学组成 与低分子化合物相比较，高分子化合 物最突出的特点是相对分子质量非常 高，通常是在104以上，且相对分子质 量事实上是一个平均值，存在相对分 子质量的分布；低分子化合物的相对 分子质量一般小于500，且相对分子 质量是均一的。 高分子化合物的另一个特点是其主链 中不含离子键和金属键。 Date18 高分子材料的化学组成 合成高分子化合物是由一种或几种简单的低分子化合 物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯： 化学反应式可写成：nCH2=CHCl CH2-CHCl-n。 从中可以看出，聚氯乙烯是由许多氯乙烯小分子打开 双键连接而成的由相同结构单元多次重复组成的大分 子链。这种可以聚合成高分子化合物的低分子化合物 称为单体。组成高分子化合物的相同结构单元称为重 复单元，每个重复单元又称作大分子链的一个链节， 一个高分子化合物中重复单元的数目n叫做链节数， 在大多数场合下链节数可称为聚合度，记为DP。例如 聚氯乙烯的单体是氯乙烯，链节是-CH2-CHCl-，聚合 度为3002500，相对分子质量为2万16万。 Date19 材料的结构 材料的结构是指材料的组成单元(原子或分子)之间 相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排布，从宏观 到微观可分成不同的层次，即宏观组织结构、显微组 织结构及微观结构。 宏观组织结构是用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相 的集合状态。显微组织结构或称亚微观结构是借助光 学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状 态或材料内部的微区结构，其尺寸约为10-710-4m。 比显微组织结构更细的一层结构即微观结构包括原子 及分子的结构以及原子和分子的排列结构。 一般分子的尺寸很小，故把分子结构排列列为微观结 构。但对高分子化合物，大分子本身的尺寸可达到亚 微观的范围。 Date20 晶体结构基础 晶体结构的基本特征 所谓晶体是指原子或原子团、离子或 分子按一定规律呈周期性地排列构成 的物质，即从内部结构原子(原子 团)或分子排列的特征来看，晶体结 构的基本特征是原子或分子在三维空 间呈周期性的规则而有序地排列，即 存在长程的几何有序。 Date21 晶体结构的基本特征 固体也可能只由一块结构均匀的大晶 体构成，称为单晶。 单晶体是各向异性的均匀物体，具有 一定的熔点，生长良好时呈现规则的 外形。 晶体的宏观形貌可以是一维的、二维 的或三维的。 Date22 晶体结构的基本特征 多晶材料的晶粒大小相差极为悬殊。 就其粒径而言可小至微米(如粘土的粒 子)甚至纳米(超细TiO2粒于)，大到厘 米(如黄铜的粒子)。 实际上，晶体中的原子总是在平衡位 置附近进行热振动。 晶体中又包含着种种缺陷(如点缺陷、 线缺陷和体缺陷等)，造成结构的不完 整性。 Date23 材料的制备方法概述 材料的制备方法主要涉及到原材料的选 用与合成和制备工艺过程与方法两方面 的内容，而两者是密切相关的。 1.选用什么样的原料或通过一定的方法合成所需 的原材料是首先需要考虑的问题。 2. 选择的制备工艺过程和方法在一定程度上与所 选用的原材料有关，反之一旦确定了工艺过程 和方法，则应根据工艺方法的特点和要求来选 择合适的原材料。 选用合适的设备，也是制备优良材料的关键之一 。 Date24 材料的制备方法概述 金属材料 提取冶金（Extra Metallurgy） 无机非金属材料 无机合成（Inorganic Synthesis） 有机物原料 有机合成方法 无机矿物原料 无机化学方法 高分子材料 有机合成（Organic Synthesis） Date25 先进材料制备技术与特点 先进材料(Advanced Materials)是 新材料（New Materials）和具有 高性能的传统材料的总称，既包 括具有优良性能的新材料，又包 括具有高性能的传统材料。 Date26 4. 先进材料的主要分类： 1）先进金属材料 记忆金属、金属玻璃（非晶态，坚硬）、 超塑性金属（软如面条）、功能材料等 2）先进陶瓷材料 金属陶瓷、玻璃陶瓷、透光陶瓷等 3）先进高分子材料 塑料反渗透膜、功能高分子材料、高吸水树脂 （5000倍） 4）先进信息材料 半导体材料、光导纤维、信息存储材料 Date27 5）先进复合材料 金属基复合材料、树脂基复合材料、陶瓷 基复合材料等 6） 生物医学材料 人造肾脏、人工关节、人造心脏等 7）纳米材料 纳米陶瓷材料、纳米磁性材料、纳米电子 材料、纳米仿生材料 8）先进电池材料 镍氢电池材料、锂电池材料、燃料电池材 料等。 Date28 先进材料制备方法 先进金属材料、无机非金属材料、高分子材 料和复合材料等都是由化学和物理方法合成 与加工制备的。 先进材料是通过合成与加工手段制备出来的 ，合成与加工过程就是建立原子、分子和分 子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺 度的所有尺度上对结构进行调整，获得具有 高性能的材料。合成是利用化学和物理方法 将原子和分子组合在一起，制造先进材料， 其中化学方法是主要的。加工主要指成型加 工，是用物理和化学方法在较大尺度上改变 形状，冷加工以物理方法为主，热加工以化 学方法为主。 Date29 Date30 1.改良西门子法提纯制备多晶硅材料 三个关键过程: （1）硅粉和氯化氢在流化床上进行反应以形成 中间化合物三氯氢硅； （2）将三氯氢硅进行分馏以获得ppb级高纯的 状态； （3）将超纯三氯氢硅用氢气通过化学气相沉积 (CVD) 还原成所需的产品-半导体级多晶硅。 涉及反应： Si+ 3HCl SiHCl3 + H2 （ 1） SiHCl3 + H2 Si+ 3HCl （ 2） 2( SiHCl3) Si+ 2HCl+ SiCl4（ 3） Date31 2. 硅烷（甲硅烷）热分解法提纯制备多晶 硅材料 硅烷的制备 硅烷的提纯 硅烷的热分解 3SiCl4+ Si+ 2H2 4SiHCl3（1） 2SiHCl3 SiH2Cl2+ SiCl4 （2） 3SiH2Cl2 SiH4 + 2SiHCl3（3） SiH4 Si+ 2H2 （ 4） Date32 3. 在利用硅烷热分解法生产多晶硅的过程中采用 一种以四氟化硅为原料的无氯化工艺，包括哪 几个步骤？ 无氯化工艺4个步骤： (l) 氢化 Na+Al+2H2=NaAlH4 (2) 四氟化硅生成 H2SiF6(氟硅酸)=SiF4+2HF (3) 硅烷生成 SiF4+NaAlH4=SiH4+NaAlF4 (副产物) (4) 多晶硅生成 SiH4=Si+2H2 Date33 4. 区熔法提纯制备高纯材料的原理 ？ 描述：熔区在一个长试样上缓慢移动 ，使杂质在K01（ 液相中杂质小于固相中杂质）时集中 于头部，以实现分离杂质的目的，最 终在锭中部有高的纯度。 头尾 Date34 5. 列举几种提纯制备高纯多晶硅材料的 方法？ 改良西门子法 硅烷热分解法 区域熔炼法 定向凝固法 碳（铝）热还原二氧化硅法 真空冶金法 熔融电解法 Date35 陶瓷部分 1.烧结的定义及驱动力 烧结是指高温条件下，坯体表面积减小， 孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程 。 烧结的驱动力是粉体的表面能降低和系统 自由能降低。 Date36 2.常见的烧结方法 1） 普通烧结：传统陶瓷在隧道窑中进行 烧结，特种陶瓷大都在电窑中进行烧结。 2） 热压烧结：在烧结过程中同时对坯料 施加压力，加速了致密化的过程。 3） 热等静压烧结：将粉体压坯或装入包 套的粉体放入高压容器中，在高温和均衡 的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体 。 4）真空烧结：将粉体压坯放入到真空炉 中进行烧结。真空烧结有利于粘结剂的脱 除和坯体内气体的排除，有利于实现高致 密化。Date37 3.几个概念： 陶瓷陶器、瓷器和炻器的总称。 矿物地壳中的化学元素，经过各种地 质作用所形成的、并在一定条件下相对稳 定的单质或化合物。 物理气相沉积法(PVD法)利用电弧、 高频电场或等离子体等高温热源将原料加 热至高温，使之气化或形成等离子体，然 后通过骤冷，使之凝聚成各种形态材料的 方法。 Date38 材料中的相材料中具有同一化学成分 且结构相同的均匀部分叫做相。 材料的组织材料内部的微观形貌称为 材料的组织。 无机非金属材料陶器、瓷器、耐火材 料、粘土制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料 的总称。 Date39 材料的性能用于表征材料在给定外界 条件下的行为，它是材料微观结构特征的 宏观反映。 复合材料指由两种或两种以上的不同 材料通过一定的方式复合而构成的新型材 料，各相之间存在着明显的界面。 Date40 纳米材料制备技术部分 1. 纳米技术与纳米材料的基本概念 纳米技术是指在1-100nm尺度空内，研究电子 、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其 最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子 、分子，制造出具有特定功能的产品。 纳米材料又称为超微颗粒材料，由尺寸在1 100nm间的粒子组成。它具有表面效应、小尺寸效应 和宏观量子隧道效应。 Date41 纳米材料的特性 纳米材料跟普通的金属、陶瓷，和其他 固体材料一样，都是由原子组成，只不 过这些原子排列成了纳米级的原子团成 为组成这些新材料的结构粒子或结构单 元。常规纳米材料中的基本颗粒直径不 到100nm。 纳米材料具有以下特性： (1) 表面效应 (2) 小尺寸效应 (3) 量子尺寸效应 Date42 复合材料由于其优良的综合性能和性能的 可设计性被广泛应用于航空航天及人们日常生 产、生活的各个领域。纳米复合材料的发展已 经成为纳米材料工程