材料制备总结-修改.doc

第三章1.相变驱动力：亚稳相和稳定相间存在自由能的差值，g为驱动力器意义是单个原子由流体相转变为晶体相时引起的系统吉布斯自由能的降低量，或者说使单个原子从流体相变为晶体相的力。由=(-/M)*N*g g 0，为负，表示指向晶体，此时晶体溶解或熔化，升华；g=0，=0，界面不动，晶体和溶液处于平衡，晶体不生长也不溶（熔）。气相生长系统中的相变驱动力：g=/N=kTln(p1/p0)=kTln=kT，溶液生长系统中的相变驱动力：g=/N=kTln(C1/C0)=kTln=kT，熔体生长系统中的相变驱动力：g=G(T)/N=(LSLT)/(NTm)=LSLT/Tm2均匀成核：在驱动力作用下，亚稳相终究要转变为稳定相。在亚稳相系统中空间各点出现稳定相的几率都是相同的。临界半径公式，形成能公式，非均匀成核：非均匀成核：若稳定相优先地出现在系统中的某些局部区域。临界半径公式，形成能公式，均匀成核：在亚稳相系统中空间各点出现稳定相的几率都是相同的，称为均匀成核，其成核几率受晶核形成能与临界尺寸的控制。A. 形成能：G(r*)=4/3*SFr*2 =(16s2SF2 )/3g s 胚团原子或分子的体积 ，SF 胚团或流体相界面的单位面积的表面能B. 临界半径：r*=（-2sSF)/ g C.成核率：(r*)课后作业！第四章3. 奇异面：表面能级图中能量曲面上出现极小值的点所对应的晶面。在极小值点出能量曲线是不连续的，数学上该店称为奇异点，相应于奇异点的晶面称为奇异面。显然，奇异面是表面能较低的晶面，一般来说，奇异面是低指数面，也是密面积。 邻位面：取向在奇异面邻近的晶面。由于界面能效应，邻位面往往有一定组态的台阶构成。 非奇异面：除奇异面与邻位面的其他取向的晶面。4.从微观结构（原子级）考虑，晶体生长界面结构的基本类型有哪几种并简述其特点：A.完整光滑突变界面：界面上无缺陷，微观上是光滑的，对应于奇异面在固液体系中从固体到流体的相变仅发生在一个或两个原子面B. 非完整光滑突变界面：界面上有缺陷，微观上是光滑的，对应于奇异面在固液体系中从固体到流体的相变仅发生在一个或两个原子面C.粗糙突变界面:微观上看界面是凹凸不平的，对应于非奇异面，在固液体系中从固体到流体的相变仅发生在一个或两个原子面D.扩散界面：5.邻位面偏离奇异面的角度愈大，台阶化后邻位面上的台阶密度k愈大。邻位面台阶化公式：tan=hk ,邻位面斜率tan ,h表示台阶高度，表示台阶间距，k=1/为台阶密度。(k=0,奇异面是光滑面，增加，k也增加)当邻位面与奇异面的夹角增加时，台阶密度k也随着增加，台阶密度很大，台阶间距只有几个原子间距时，台阶的意义也就模糊了，这样的表面称为粗糙面，即前面所说的非奇异面。所以通常所说的台阶化只能是指邻位面的台阶化。6.柯塞尔模型：台阶的平衡结构模型-完整光滑界突变面 杰克逊模型：(已解决：扭折源；还需解决：平衡态下，界面上会不会借助热涨落产生台阶的问题-台阶源)-粗糙界面 特姆金模型：扩散界面模型-扩散界面界面相变熵a=L01/kTe Za是两个因子的乘积，Lo/kTe,其中Lo是单个原子相变时内能的改变，也可近似看做单个原子的相变潜热。Te是两相的平衡温度，k是波尔兹曼常数。Lo/Te是单个原子相变时熵的改变，称为物质相变熵。1/Z，其中Z是晶体内一个原子的近邻数，亦即配位数。相变熵a：反应界面的光滑与粗糙的程度，a越大，界面越光滑。A.2，环境相的界面是光滑的，限制因素：台阶源B.ts ,单二维核生长; tn2不能连续生长，故光滑界面的生长称为侧向生长或沿面生长或层状生长；粗糙界面成核，特点:在此期间形成许多小的晶核，按统计规律分布在几基片面上。2晶核长大并形成较大的岛，特点：这些岛常具有小晶体的形状。3岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络。4沟道被填充：晶核一旦形成并达到一定尺寸之后另外在撞击的粒子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。12.试推导薄膜成核的经典理论，即毛细血管作用理论。a.凝聚核形成能量得变化 : G(r) =4/3*gv3 +4cv2b.凝聚核的临界半径: r*=2cv/gvc.凝聚核的形成临界能: G(r*)=G+G2+G3d.成核速率: J=2Zr* nsin每一个的公试写上和字母的含义13.影响成核过程的因素：(1)过饱和度和温度：成核速率与凝聚核的形成能呈指数关系，所以成核率和过饱和度有关。过饱和度与温度有关，临界过饱和度对应着一定的临界温度，因而成核过程与温度有关。（2） 凝聚系数：对存在基片表面的吸附层（凝聚核）有影响，凝聚系数随基片温度的升高和吸附物与基片结合能的减小而减小，蒸发过程中凝聚系数多半会增大。（3） 基片表面存在的成核位垒：影响凝聚核的成核速率；在恒温下对N的导数为负，凝聚核形成的速率随蒸发速率的增大而增大。（4） 表面扩散系数：临界核的形成速率随着扩散激活能的增大按指数减小。（5） 解吸激活能：解吸激活能越高，成核速率越高，临界核尺寸越小。14.气相沉积法分为物理气相沉积法（PVD）化学气相沉积法（VCD）物理气相沉积法的过程：气相物质的产生、气相物质的输送、气相物质的沉积。三种分类是：真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀。CVD的化学反应类型：（1）热分解反应(2)氢还原反应(3)金属还原反应(4)氧化反应(5)水解反应(6)碳化和氮化化学反应沉积镀膜法：（1）化学镀（2）置换沉积镀（3）溶液水解镀膜法15.溶胶-凝胶法：是指从金属的有机化合物和无机化合物溶液出发在低温下通过水解，聚合等化学反应首先形成溶胶进而形成具有一定空间结构的凝胶然后经过适当热处理和减压干燥制备出相应的粉末，薄膜和本体材料的方法。应用，粉体制备，陶瓷基复合材料制备，薄膜，纳米微粒，晶须的制备。16. 液相外延：指含溶质的溶液（或熔体）借助过冷而使溶质在衬底上以薄膜形式进行外延生长的方法。原理：液相外延法是把衬底加热到与溶液几乎相等的温度，然后让衬底与处在饱和状态下的溶液接触，一般再把溶液温度升高几度，将衬底表面腐蚀掉的一部分，以便除去机械损伤，提供良好的润湿条件，使其产生平结，然后控制温度降低，便在衬底上发生外延生长。到预定的周期后，将衬底和溶液分开，使外延膜的生长停止。液相外延生长系统：1）卧式液相外延系统（a.水平倾斜管法 b.静止的溶液下面滑动衬底，静止的衬底上滑动溶液） 2）立式液相外延系统17.薄膜的测量与监控：称重法（1）石英晶体法（2）微量天平法电学方法(1)电阻测量法(2)电容测量法(3)品质因素（Q值）变化测量法(4)电离法光学方法(1)测量光吸收系数的方法(2)光干涉法(3)椭圆偏振法专用厚度监控方法(1)光电法(2)触针法 第九章18.陶瓷的组成及其对性能的影响：1.晶相：陶瓷中最重要的组成相，而且主晶相的性能常常就决定陶瓷的物化性能。其晶体相中也存在同素异构转变。当陶瓷是有两种或两种以上的不同组元形成时，也和金属材料一样形成固溶体，化合物或混合物。晶粒山谷陶瓷的晶体相的组成单元，他是材料最基本的显微组成。2.玻璃相：陶瓷中非晶态结构的低熔点固体组织。填充晶粒间隙，粘结晶粒，提高致密程度，适当降低烧结温度，改善工艺，抑制晶粒生长过大。3.气孔：其对控制陶瓷材料性能，质量有重要作用。气孔包括开孔和逼空两种。陶瓷的许多电气性能与热性能随气孔率，气孔尺寸及分布不同可在较大范围内变化。存在高的应力梯度时，气孔能起到容纳变形，阻止裂纹扩展的作用。19.压电陶瓷：具有压电效应的陶瓷材料，即能形成机械能与电能的相互转换的陶瓷。压电效应是指有应力诱导出电极化(或电场)或者由电场诱导出应力（或应变）的现象，前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应。通常只有在晶体结构上不存在对称中心的极性晶体才具有压电效应。陶瓷材料由于其晶粒取向的随机性，即使单个晶粒具有压电效应。就其整个来看宏观上也不会出现压电效应。但是经过直流高电场极化处理过的铁电陶瓷，由于晶粒中的所有电畴都尽可能的转向了电场方向，铁电晶体铁电晶体所具有的压电效应便在陶瓷材料上呈现出来。因此压电陶瓷实际上也就是经过直流 高电场处理过的铁电陶瓷。最具有代表性的压电陶瓷材料：钛锆酸铅。压电陶瓷大致可以分为压电振子和重电换能器两类。钛锆酸铅：最有代表性的压电陶瓷材料生产工艺预烧作用：各组分反应，合成Pb(ZrTi)O3原料，分为四个阶段：第一阶段：T 650 oC，有一吸热峰， Pb3O4脱氧第二阶段：650 756 oC，发生化学反应：PbO + TiO2 PbTiO3第三阶段：840 oC,出现液相，835 oC电阻最低，形成锆钛酸铅固溶体，850 oC反应基本完成；第四阶段：840 oC以后，PZT固溶体晶形逐渐趋于完整。20.传统陶瓷合成方法：固相法、液相法、气相法。陶瓷制备粉和生坯烧结是陶瓷制造的关键步骤.陶瓷的粉体制备和粉体原料处理时陶瓷制备的两个关键步骤陶瓷的制备工艺经历的三个阶段：坯料制备:1配料2坯料混合制备、成形：1可塑性2注浆法3压制法、烧结：1液相烧结2固相烧结3烧结工艺Si3N4粉末的制备：3SiO2 +6C +2N2 =Si3N4+ 6CO 硅氮结合法还原氮化法 化学气相法热分解法莫来石瓷：主晶相是3Al2O3.SiO2和a-Al2O3刚玉-莫来石瓷（75瓷）：主晶相是a-Al2O3和Al2O3.2SiO2刚玉瓷：A.（95瓷）主晶相是a-Al2O3 B.（99瓷）主晶相是a-Al2O3 补充：1、陶瓷烧成机制，即p270第三题！烧结的目的：使坯体在高温下发生一系列的物理和化学反应，形成预期的矿物组成的显微结构，通过物质传递变成致密的具有一定强度和固定外形的陶瓷。按研究对象不同可分为固相烧结和液相烧结固相烧结在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程液相烧结粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程烧结的目的：使坯体在高温下发生一系列的物理和化学反应，形成预期的矿物组成的显微结构，通过物质传递变成致密的具有一定强度和固定外形的陶瓷。烧结工艺n 低温阶段：室温 300 oC，排出水分n 中温阶段：分解氧化阶段，300 950 oC ，排出结构水、有机物分解、碳和无机物的氧化、碳酸盐、硫化物的分解、晶型转变n 高温阶段：950 oC 烧结温度，继续氧化、分解，形成新的晶相和晶粒长大；n 冷却阶段：冷却凝固、晶型转变n 保温阶段：使物理化学反应更充分更完全，组织结构更趋于一致。一般陶瓷：烧结温度1150 1250 oC ，保温1 h以内；精陶素：1120 1250 oC ，保温2 3 h；日用陶瓷：1230 1400 oC ，保温1 2 h。陶瓷烧结工艺具体可分为常压烧结，热压烧结，反应烧结，重烧结，高温烧结高温等静压烧结和陶瓷微波烧结，自蔓延合成烧结等。2、名词解释：主晶相。 第十章21.复合材料：有两种或以上物理或化学性质不同的物质组合而成，其性能优于任何一相多相固体材料。其通常由占主要份额的基体材料和起改善性能的少量增强材料组合而成。复合材料的原料包括集体才料和增强材料。基体材料主要来自：金属材料、陶瓷材料、聚合物材料。以连续相出现。增强材料主要包括各种高性能纤维，晶须、颗粒。22.分散相的作用：主要承接相，能提高机体材料的力学性能的物质。增强材料包括：增强纤维，颗粒，晶须。增强材料来源：增强纤维及颗粒或弥散的填料。基体来源：金属材料、陶瓷材料、聚合物材料。.复合材料的特点：（1）多相：至少两相；（2）独立性：相是独立的，组成和性能独立；（3）复合效益：具备不同于组成相的独特的性能或效益；（4）固相：复合产物为固相；（5）可设计性：组成和性能具有可设计性。复合材料的命名:将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。如玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材称为“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，简写为“玻璃纤维/环氧复合材料”；碳纤维和金属基体构成的复合材料称为“碳/金属复合材料”；碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”。 第十一章23.纳米材料：它是显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。低维材料按维度分：零维材料（超微粒子）: