材料制备与合成.doc

1.材料科学与工程的科学方面偏重于研究材料的合成与制备，组成与结构，性能及其使用效能各组元本身及其相互间关系的规律。工程方面则则着重于研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发及生产出材料，提高材料的使用效能，以满足社会的需要。2 复合材料 是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成 特点 1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面； 2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；3） 复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。复合原则A. 优势（优良特性）互补原则B. 求异相容原则C. 性能（用途）先定原则D. 制备可能性、成本可行性原则 4 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性能、使用效能。探索这四个要素之间的关，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。5材料制备和材料合成的区别 合成 主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法(如溶胶凝胶法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成。制备 也研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料，这一点是与合成相同的，但制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。简而言之合成与制备就是将原于、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程6.电热体 NI-CR FE-CR-AL此种发热体不能再还原气氛中使用，此外还应该尽量避免与碳，硫酸盐，水玻璃，石棉，以及有色金属及其氧化物接触，发热体不应急剧升降温，因他会使致密的氧化膜产生裂纹，以致脱落。 8。SiC电热体在使用过程中，电阻率缓慢增大的现象叫“老化“是电热体氧化的结果。SiC发热体有效寿命结束在其常温下电阻值为初始值两倍的时候9 用于测量物体温度的物体的物理性质，要 连续 单值 重复性 以便于精确测量 10 温度测量方法 有接触式和非接触式两种a 接触式测温就是测温元件要与被测物体有良好的热接触，使两者处于相同的温度，由测温元件感知被测物体温度的方法。b非接触式与接触式相反，测温元件不与被测物体接触，而是利用物体的热辐射或电磁性质来测定物体的温度.接触式温度计有1膨胀式温度计2电阻式温度计3热电式温度计非接触式温度计可分为:1辐射温度计2亮度温度计3比色温度计由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。11 获得低温的方法通常获得低温的途径有相变制冷、热电制冷、等焓与等熵绝热膨胀等。12 高压合成高压是一种典型的极端物理条件，能够有效地改变物质的原子间距和原子壳层态，因而作为一种原子间距调制、信息探针和其他特殊应用的手段，几乎渗透到绝大多数的前沿课题的研究中.高压合成，就是利用外加的高压力，使物质产生多型相变或发生不同物质间的化合，而得到新相、新化合物或新材料。得到新现象，新规律，新物质，新性能，新材料。12.真空的获得，4个表征，起始压强，临界反压强，极限压强，抽气速率。12 超高真空系统和一般真空系统的明显差别是清洁度。静态实验 线1表示系统已达到泵的极限真空度，不漏气，没放气源，系统压力不变，是个好系统 线2没有达到泵的极限真空度，静态下压力不变，同上。没达到预期的真空度，是真空泵 线3未能达到极限真空度，且在静态下压力增加，但到达一定值就不再增加了，说明系统不漏气，但系统存在放气源，不清洁，表明系统漏气，当漏气率与泵的抽速达到平衡时，真空度再也不能提高了，故达不到泵的极限真空度。13 分离（separation）的概念 分离是一种假设状态，在这种状态下，不同的物质被分开了（isolation）。 含有m种化学组分的混合物被分成m个常量范围。 把m种化学组分分成m种纯的形式，并把它们置于m个独立的容器中。 利用混合物中各组分在物理或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的程。分离的目的： 确认对象物质或准确测定其含量； 获取单一纯物质或某类物质以作它用； 浓缩（富集）某个或某类物质； 消除干扰，提高分析方法选择性和灵敏度14 平衡分离过程借助分离媒介(如热能、溶剂或吸附剂)使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离15 速度差分离过程速率分离过程是在某种推动力(浓度差、压力差、温度差电位差等)的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。这类过程所处理的原料和产品通常属于同一相态，仅有组成上的差别16 吸附分离利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。透析-超滤分离技术：原理：透析是采用半透膜作为滤膜，试式样中的小分子经扩散作用不断透出膜外，而大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。17扩散：扩散现象是由于物质中存在浓度梯度、化学位梯度、温度梯度和其它梯度所引起的物质输运过程。流体中的扩散传质过程往往总是具有很大的速率和完全的各向同性，而固相扩散具有各向异性和扩散速率低的特点。固体中原子或离子的迁移受到一定排列方式的其他质点的限制17.扩散系数的物理意义：固体中质点的扩散系数决定于质点的有效跃迁频率T和迁移自由行程2的乘积，不同晶体结构和迁移机制将具有不同的T RU18 固相反应概论定义：狭义：固相反应物之间发生化学反应生成新的固相产物的过程。广义：凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应。类型可包括固-固，固-液，固-气之间的反应。特点：1多数固相反应时发生在两种或两种以上组分界面上的非均相反应2.固相反应一般包括相界面上的化学反应和物质迁移两个过程。3.固相反应通常在高温下进行，传质，传热过程对反应速度影响很大。4.固相反应发生的温度一般会低于反应物的熔点，这一温度是指反应物内部质点呈明显扩散时的温度，常称为泰曼温度。19 杨德尔的原因：没有考虑反应截面随反应进行而改变的现象。20 烧结A 概念：烧结的目的是把粉体转变为致密体。烧结与固相反应的区别主要在于烧结不一定依赖于化学反应的作用，可以在不发生化学反应的情况下形成坚固的烧结体。 B 烧结特点及过程：烧结过程一般都伴随着气孔率降低，颗粒总表面积减少，表面自由能减少及晶粒生长等特点。C 整个过程一般分为三个阶段：1 初期阶段：随着烧结温度的提高和烧结时间的延长，固体颗粒间开始产生键合和重排，颗粒相互靠拢，空隙和气孔迅速减少，但仍以点接触为主，总表面积基本不变。II. 烧结中期：出现明显的传质过程，颗粒间逐渐呈现面接触,粒界面积增加，而固-气表面积减少，晶粒随晶界移动而长大。III. 烧结后期：传质过程继续，粒界进一步扩大，气孔则逐渐缩小变形,形成闭气孔，或随晶界移动而逐渐消失，最终成为坚固致密体E 固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝聚，扩散传质等过程。F 蒸发-凝聚：特点：粒度小于10m，蒸气压高，传质明显；颗粒间中心距离不变，坯体不发生收缩，球的形状改变为椭圆。G 液相烧结的主要传质方式有：流动传质、溶解-沉淀传质等。二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶粒消耗时的异常长大过程。21 二次再结晶的推动力是大晶粒晶面与邻近高表面能和小曲率半径的晶面相比有较低的表面能22 二次再结晶的原因：原始粒度不均匀、烧结温度偏高、烧结速率太快、坯体成型压力不均匀，局部有不均匀液相等。23 防止二次再结晶的方法：控制温度与烧结时间，引入适当的添加剂以抑止晶界的快速移动，并有效地加速气孔的排除。24 共沉淀法 是指在含有多种阳离子的可溶性盐溶液中，加入沉淀剂后，所有阳离子完全沉淀并将原有阴离子洗去，经高温分解或脱水得到氧化物的方法沉淀条件：K离子积Ksp，沉淀出现，直至达到此条件平衡。没有沉淀产生。A1/A2=Ksp(A1B)/(A2B) 大于时先出现A1B25 高温加压下水热反应具有三个特征：第一是使重要离子间的反应加速；第二是使水解反应加剧；第三是使其氧化还原电势发生明显变化。26 胶体的基本性质：光学性质：丁达尔效应（胶体粒子对光的散射作用引起的）动力学性质：布朗运动电学性质：电泳现象稳定性：胶体带电，胶体颗粒间相同电荷的相互排斥是胶体稳定存在的基础，一旦电荷被中和，稳定性被破坏，出现絮凝27 溶胶-凝胶法 就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成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。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料28 自蔓延燃烧法 其基本原理是利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发的进行下去，以获得具有指定成分和结构的燃烧产物。29 燃烧波峰淬熄法：利用铜楔块快速冷却, 将发生在燃烧波前沿的各种转变“凝固”到室温, 从而保留下重要的信息进行分析。32 微波诱导催化反应一些化合物不直接显著地吸收微波能，通过某种强烈吸收微波的“敏化剂”作为催化剂或催化剂载体，把微波能传递给这些物质而诱发化学反应，称为微波诱导催化反应微重力实验系统：1.地面模拟系统2.轨道实验系统33 超重力技术实质是利用离心场的作用使传质过程得到极大强化。机械合金化：通过机械研磨中高速运动的硬质钢球间相互碰撞，粉末粒子反复进行溶结，断裂，再溶结过程，使晶粒不断细化，达到纳米级别，但纯度低，颗粒分布不均匀。35 纳米材料的基本特性：1. 表面效应：2小尺寸效应：3. 量子尺寸效应：4. 量子隧道效应：富勒烯是碳的同素异形体，属于无机化合物，但富勒烯及其衍生物分子结构和化学性质又像芳香烃分子，因此也能归属有机化合物。36 C60的结构 60个碳原子在12个正五边形和20个正六边形组成的具有32个平面的多面体的顶点上，是一个高度对称的分子。37 富勒烯的分离与提纯升华法：在真空或惰性气体环境中，将烟灰加热到400oC，C60升华出来，从而与其他物质分离。高效液相色谱法重结晶法柱色层法： 化学络合分离提纯法：38 光子晶体的概念：光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。39 光子带隙或禁带是指一个频率范围的电磁波不能在这个光子晶体里传播，即当入射光的频率落在光子带隙时，它被全反射，不能穿过光子晶体40 机械合金化技术简介物理过程：高能球磨是一个高能量干式球磨过程。简单地说，它是在高能量磨球的撞击研磨作用下，使研磨的粉末之间发生反复的冷焊和断裂，形成细化的复合颗粒，发生固态反应形成新材料的过程 球-粉末-球的碰撞引起塑性粉末的压扁和加工硬化，当被压扁的金属粒子重叠时，原子级洁净的表面紧密地接触，发生冷焊，形成由各组分组成的多层的复合粉末粒子，同时发生加工硬化的组分及复合粒子的断裂。冷焊与断裂不断重复，有效地“揉混”复合粉末的内部结构，其不断细化并越来越均匀，形成均匀细化的复合颗粒。 由于复合颗粒内有大量的缺陷和纳米微结构，进一步高能球磨时发生固态反应形成新的合金材料。形状记忆合金：利用一些材料的晶体结构的相互转变来开发其形状记忆功能41 薄膜制备的方法1原子沉积：物料在原子，分子尺度的分散状态下，在沉积基体表面上行成外加覆盖层2、颗粒沉积：物料以微米量级尺寸的宏观颗粒状态到达基体表面，行程外加覆盖层3、整体覆盖：物料以宏观整体状态施加到基体表面上，行成外加覆盖层4、表面改性：通过荷能束以及其其他各种物理，化学，机械作用，使基体表面的组成，结构形貌发生变化，形成内生覆盖层42 溶胶-凝胶( Sol-gel )法：以一定的无机盐或有机盐溶液为原料，经过适当的水解和缩聚反应，再在基体表面凝胶成薄膜，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)是利用气态物质在一固体表面进行原子、分子间的化学反应，生成固态沉积物的过程。后经干燥和烧结获得一定结构的表面。43 溅射成膜 溅射是离子轰击物质表面，并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，从而将物质表面原子激发出来的过程。44 磁控溅射磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量磁控溅射的特点：(a) 二次电子以园滚线的形式在靶上循环运动，路程足够长，电子使原子电离的机会增加。(b) 提高了电离效率，工作气压可降低到10-310-4Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作用，提高了沉积速率。(c) 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样，电离产生的正离子能有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰击，制膜过程中温升较小。45 单晶材料的制备关键是避免多余晶核的形成，保证唯一晶核的长大，因此，要求材料纯度高，以避免非均匀形核，过冷度低以防止形成其它晶核。46 成核主要考虑 热力学条件；长大则考虑 动力学条件 晶体生长的起点是成核过程。47 均匀形核在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程均匀形核必须具备的条件为：1 必须过冷，过冷度越大形核驱动力越大；2 必须具备与一定过冷相适应的能量起伏G*或结构起伏r*，但T增大时， G*和r*都减小，此时形核率增大。K为曲折面，三面凹入角，S阶梯面，2面。A49 亚稳态间存在能量位垒，是亚稳态能够存在而不立即转变为稳定态的必要条件，亚稳态和稳定态间的能量位垒来自界面能垂直提拉法制备单晶 先将材料放入坩埚内融化，将籽晶放在籽晶杆上，下降到与熔体接触，然后使坩埚温度缓慢下降，并向上旋转提拉籽晶杆，这样液体以籽晶为核心不断长大，形成单晶体51 提拉法这是一种常见的晶体生长方法，可以在较短时间内生长大而无位错的晶体。晶体生长前，待生长的材料在坩埚中熔化，然后将籽晶浸到熔体中，缓慢向上提拉，同时旋转籽晶，即可以逐渐生长单晶。其中，旋转籽晶的目的是为了获得热对称性。控速度为了生长高质量晶体。52 非晶态材料的最基本的两个特点是：1 原子排布的长程无序 短程有序2处在热力学上的亚稳态。 53非晶态固体形成问题，实质上是物质在冷凝过程中如何不转变为晶体的问题。只要冷却速率大于105oC/s或取适当值，就可以使熔体的质点来不及重排为晶体，从而得到非晶 位形熵是讨论金属玻璃形成与稳定性的最佳参量，而组元原子势垒U则是对金属玻璃的形成于稳定性起着重要作用的因子，相应的作用优先序列应该是U-尺寸差效应-过冷度或冷却速率。54 硬球无规堆积模型建立该模型的做法是将一定容器中装入钢球，用石蜡类物质固定钢球之间的相对位置，然后测量出各球心的坐标，确定堆积密度，由此建立了硬球无规堆积模型其特征是：（1）各向同性相互作用的同种离子在二维空间紧密排列时，总是得到规则排列的“晶体”，只有在三维空间中才能做无规排列，其具有极大的短程密度；（2）无规密堆模型可以看作是由四面体、八面体、三角柱（可附3个半八面体）、Archimedes (阿基米德)反棱柱（可附2个半八面体）以及四角十二面体等（常称Bernal 多面体）组成。如果计算其组成中的四面体和八面体，四面体多（86.2%）、八面体少（15.8%），这是非晶态结构的重要特征.（3）非晶态结构中四面体有错列型和相掩型2种排列方式，据此进行的理论计算与实验测得的径向分布函数非常接近。55 生非晶态材料的制备中长无论哪一类制备的方法都要解决如下两个技术关键：(1) 必须形成原子或分子混乱排列的状态；(2) 将这种热力学亚稳态在一定的温度范围内保存下来，并使之不向晶态发生转变。56 降低熔点可以使合金成分处于共晶点附近，由热力学原理，有G = H TS式中，G为相变自由能差， H和S为焓变和熵变。在熔点处，即TTm时，有可见，要降低熔点，就要减小焓变或提高熵变。而增加合金中的组元数可以有效提高S，降低熔点Tm。也就是说，多元合金比二元合金更容易形成非晶态。57 复合材料概述的定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相组分的材料特点：1 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；2 能保持原组分的部分优点，相互“取长补短，协同作用”，极大弥补了单一材料的缺点，并能产生原组分所不具备的新性能；3可设计性：通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件控制等，使原组分材料的优势互补，最大限度地发挥其性能。58复合材料中基体的作用：1 把增强体粘在一起； 2分配增强体间的载荷； 3保护增强体不受环境影响。：基体金属与增强物的相容性 由于金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层，因