材料的合成与制备222.doc

材料的合成与制备摘要：本文就以下四种材料的合成与制备进行讨论：SIC纳米材料、三元层状Ti2AlC陶瓷材料、光转换材料、多孔材料，内容涉及它们的合成与制备方法、应用领域、意义、表征、研究现状及发展趋势等内容。关键词：材料，合成与制备，制备方法，研究现状，发展趋势Compounding and Preparation of MaterialsAbstract:At the present age,the development of industry is facing is an important problem,which is the compounding and preparation of materials.There is four materials discussed in this text : SIC nanophase materials，three-way layered Ti2AlC ceramic material,light converted material, porosint. The content involves methods of compounding and preparation,application area,meaning,token,research actuality and trend of development.key words:Materials, compounding and preparation, methods of preparation, research actuality ,trend of development.引言随着经济社会的不断发展，人们对材料的需求越来越大，材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、 国防建设和人民生活密切相关。新型材料(先进材料)是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。材料的合成与制备在新型材料的发展进程中起到至关重要的作用。本文主要以下四种材料的合成与制备进行讨论。一、SIC纳米材料SIC是第三代间接宽禁带半导体材料，具有工作温度高、热导率高、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、本征载流子浓度低、抗辐射能力强、化学稳定性好等特点，是制造高温、高频、大功率电子器件的理想材料，是90年代以来国际上半导体的研究热点。SIC纳米材料除具有SIC块体材料的优异性能外，由于尺寸处在纳米尺度，因量子尺寸效应和表面效应等，会产生一些特殊的光学和电学性能，是制备纳米电子器件的重要候选材料。SIC纳米材料的制备和结构性能研究，成为半导体领域研究的热点。由于纳米材料在各个学科领域的应用都十分广泛，必然会不断涌现出更新的更好的制备方法，希望能在结构、组成、排布、尺寸、取向等方面更大的突破，制备出更适合各个领域发展需要，具有更多预期功能的纳米材料。下表是晶须在复合材料中的当前应用及展望：应用领域应用范围国防改进的装甲，轴承，发动机燃烧器，高性能雷达天线材料和红外整流罩，低能见性部件，直升机和喷气飞机零件等环保用于处理苛刻环境的环保系统和部件，过滤器和洗涤器，辐射管和焚烧炉，废水处理系统等航空轴承，燃烧器电池，燃烧系统和阀门，高温电力辅助构件如起动机上旋转部件，封盖，骨架，保温系统，透平机部件等汽车催化剂转换器，驾驶系统零部件，固定边界的通流加热器，燃料喷射器，低热排泄的内燃机及其它热机零件，阀门等化工促发器和点火器，机械喷盖，喷嘴，辐射管和燃烧器，同流加热器，汽油重整裂化器，耐火材料，阀门等电子行业高性能多层集成块封装，多层电容器，压力和气体传感器，衬底等能源轴承，陶瓷汽车机，废热发电装置，过滤器，电池（固体氧化物），高温结构部件，流量控制阈，石油精炼加热器等生物陶瓷人造牙齿，骨头，关节等一维SIC纳米材料因为处在纳米尺度，不但具有大尺寸材料所具有的性质外还具有优异的力学性能，其弹性和强度比其大尺寸材料要高很多，可用作陶瓷、金属和聚合物的增强材料；一维siC纳米材料还可望作为场发射材料，具有闭场强低，电流密度大，高温稳定性好等优异特点，利用这一特性可制成第三代型电子光源，并将在图像显示技术方面发挥巨大作用。因此，如何大量可控地制备一维SIC纳米材料就显得十分重要。根据使用的碳源的状态，制备SIC纳米线的方法可分为固、液、气相碳源法。固相碳源法又可分为碳纳米管模板法、电弧放电法、电阻加热蒸发法、氧化物辅助生长法。液相碳源法即溶胶一凝胶法，其基本工艺过程示意如下: 原料一可分散体系一溶胶一凝胶一纳米材料。气相碳源法也称为浮动催化剂法，浮动催化剂法的反应物包括催化剂都是气体，反应易于发生，且产量较大1。一维SIC纳米材料的研究在国内也方兴未艾，目前至少有七个课题组主要从事SIC纳米材料的制备和研究。代表人物主要有上海交大的张亚非、中山大学的邓少芝、天津理工大学的刘技文、中科院煤化所的郭向云、青岛理工大学的李镇江等。这些研究多以无机或有机试剂为原料，在催化剂作用下，以气一液一固(VLS)反应模式进行。所有这些研究对未来的一维碳化硅纳米材料在纳米光电器件、纳米传感器等方面的应用具有重要的意义。尽管己经有如此多的SIC一维纳米材料的合成方法，但大部分产率较低，生长过程控制困难，且设备复杂，生产成本较高，不利于SIC一维纳米材料的大规模可控制备，从而阻碍了SIC纳米器件的研究开发及应用。纳米材料的复合是有Roy和Komamenid等人于1984年首次提出，由于平均粒径小、表面原子多、比表面积大，使得纳米复合材料较常规复合材料具有更优异的物理与化学性能，在电磁光声热力学、催化和生物等方面呈现出其特有的性能，被称为是“21世纪最有前途的材料”之一。科学家们希望利用纳米材料已经挖掘出来的奇特物理化学力学性能，设计制备高性能的复合纳米材料，基体材料包括聚合物、陶瓷、合金等。纳米材料作为一种新型的材料，已经展现了良好的应用前景，目前其应用已经涉及到物理化学化工材料等众多领域。二、三元层状Ti2AlC陶瓷材料原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。 接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。 陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围）.在这里我们仅讨论新型层状陶瓷材料Ti2AlC。 新型层状陶瓷材料Ti2AlC以其优异性能吸引了国内外众多学者探索该材料。它们既具有金属的性能(在常温下,具有很好的导热性和导电性、较低的维氏硬度、较高的弹性模量和剪切模量、可进行机械加工;在较高温度下具有塑性)又具有陶瓷的性能(高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能)。Nowoty等1首先用Ti粉,石墨粉,Al粉在真空管中加热数百小时合成了少量的Ti2AlC粉,并测定了其基本结构。Schuster和Nowoty等人2用Ti粉,TiC粉,Al粉以及石黑粉将粉末封装在抽真空的石英管内,经电孤熔融,水中淬火后得到Ti2AlC。Pietzka和Schuster3用Ti粉,TiC粉,Al粉以及C粉冷压后,在钨炉内氢气环境下,烧结后得到Ti2AlC。Barsoum等4,5人用Ti粉, C粉,Al4C3粉为原料,热等静压合成了高纯致密的Ti2AlC块状材料。国内目前对Ti2AlC材料研究开展较少,只有为数不多的文献报道2,3,因此开展这类三元陶瓷材料的研究具有重要的科学意义和理论价值。以Ti/Al/C微粉为原料,其中C粉是采用活性碳,分别采用放电等离子(SPS)烧结工艺4和热压烧结工艺成功地制备出了Ti2AlC陶瓷块状材料,并利用XRD,SEM等对反应产物进行研究，合成制备层状陶瓷材料的研究结果表明5所合成材料的纯度与原始配合比中低熔点的元素密切相关,原料中Al的熔点最低,试样加热到高温时,Al容易挥发致使样品中Al的数量减少。因此,本研究在原料配比中特意增加Al的量以补偿Al在高温时的挥发。用Ti,Al,C元素单质粉,采用放电等离子和热压烧结工艺均可以合成Ti2AlC块状材料。采用放电等离子烧结工艺时,配比组成为n(Ti)n(Al)n(C)=21.21时,在30MPa,1100下成功地制备了高纯、致密Ti2AlC材料,该合成烧结温度是迄今所报道的最低温度。而采用热压工艺时,则很难合成高纯的Ti2AlC陶瓷材料6。研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。这里应该和量子力学，纳米技术，表面化学等学科关联起来。陶瓷学科成为一个综合学科。这种发展在一定程度上和高分子成型关联起来。它们应当相互影响。三、光转换材料一般来说,光转换材料都是由基体材料和掺杂离子(过渡金属离子或稀土离子)组成,其光转换性是指光转换材料吸收外界激发光源的能量,引起电子能级跃迁,从而产生发射光源的性质。白光LED是新一代半导体照明光源,高效光转换材料的合成制备是其关键技术之一。研究人员在光转换材料的基本理论方面积累了丰富的经验,对于新型的光转换材料研究具有重要的指导意义。传统的光转换材料体系有：YAGCe3+光转换材料、硫属化合物基光转换材料。目前,基于YAGCe3+光转换材料的白光LED已经实现了商业化,在室外照明等方面获得了一定的应用。为了实现普通照明,研究者仍需继续提高YAGCe3+的各项性能指标,尤其是显色指数,主要有两条实现途径:调整掺杂离子的种类和用量,进行光谱剪裁,弥补红光不足的缺陷;加入红色荧光粉,改善光谱性能。关于硫属化合物的制备工艺,传统的合成方法往往涉及毒性气体H2S(保护气体),因此新型的无毒化合成工艺显得意义重大【7】。关于硫属化合物基光转换材料的研究,应当在保持其良好荧光特性的前提下,朝着稳定性改善和绿色合成工艺探索等方向不断发展。新型的光转换材料体系: 硅酸盐基光转换材料、氮化物和氮氧化物基光转换材料、有机物基光转换材料。由于硅酸盐基光转换材料避免了多种光转换材料的配比调控问题,提高了白光的重现性。因此,关于新型的单一紫外激发硅酸盐基光转换材料的研究,具有较大的发展前景。另外,该体系中关于颗粒形貌对荧光性能的影响方面的研究相对较少,因此探索新的合成工艺,制备具有良好颗粒形貌的光转换材料,仍需开展大量的研究工作。氮化物和氮氧化物基光转换材料具有良好的热稳定性和化学稳定性,并且容易实现光谱剪裁,但是合成成本相对偏高。探索低成本的合成工艺,仍有待于进一步的研究。另外,通过改善合成粉体的形貌进行荧光性能优化,也是十分有意义的研究方向,如尝试采用软化学方法进行材料制备。有机物基光转换材料虽然稳定性较差,但是其优良的荧光性能和良好的工艺性能,在白光LED产品开发方面的竞争优势明显,因而具有十分广阔的应用前景。白光LED作为新一代绿色节能照明光源具有巨大的应用前景。而高效光转换材料的合成制备是其关键技术之一。关于YAGCe3+等传统光转换材料体系的广泛研究,对于开发新型的光转换材料具有重大的指导意义。总的来说,影响光转换材料的因素主要包括光转换材料的晶体场、猝灭效应、激发光源、光转换材料的颗粒形态等。通过对这些因素的控制，可以有效地调整光转换材料的发光性质，从而实现对光转换型白光LED的控制。作为新型的单一紫外激发硅酸盐基光转换材料，由于避免了多种光转换材料的配比调控问题，在提高白光的重现性方面具有较大的竞争优势；SiAlON陶瓷具有其良好的热稳定性、化学稳定性,可以实现长寿命光转换材料；有机物基光转换材料虽然稳定性较差,但具有较高的发光效率,应用潜力较大。白光LED的研制是一个系统工程,包括半导体发光芯片和光转换材料的开发。目前，发光芯片技术相对成熟，光转换材料的开发和优化则仍有大量的工作有待研究。随着更多新型光转换材料的开发和应用，白光LED必将在不久的将来取代传统光源产生巨大的综合效益。四、多孔材料按照国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔材料可以按它们的孔径分为三类：小于2nm为微孔(micropore)；25nm为介孔(mesopore)；大于50nm为大孔(macropore)，有时也将小于0.7nm的微孔称为超微孔【8】。多孔材料由于具有较大的比表面积、吸附容量和许多特殊的性能，在吸附、分离、催化等领域得到广泛的应用。近年来，微观有序多孔材料以其种种特异的性能引起了人们的高度重视。多孔材料的合成方法很多，有溶胶-凝胶法、水热合成法、沉淀法、化学腐蚀法等合成方法，但目前应用最多的是溶胶-凝胶法和水热合成法。溶胶-凝胶合成法是一种传统的、也是近年应用最多的合成方法。溶胶-凝胶合成法具有下列优点容易获得所需的均相多组分体系；低温可控；能够合成特定结构的孔材料。在溶胶-凝胶合成法中结合模板技术是目前研究的热点。目前，溶胶-凝胶合成中大多都采用了模板技术。其基本过程是采用不同类型的模板剂，以其形成的超分子结构为模板，通过溶胶-凝胶过程，在无机物与有机物之间的界面引导作用下，自组装成孔径分布窄且孔道结构规则有序的多孔材料。根据模板的类型,可将其分为：表面活性剂模板、嵌段共聚物模板、有机小分子模板、乳液模板和单分散聚合物颗粒模板等。目前的溶胶-凝胶合成中，往往是在传统的工艺中结合其他的制备工艺和合成手段共同来制备多孔材料的，这样更有效的对多孔材料的孔径、孔分布和性能等进行控制。水热合成是指高温高压下在水(水溶液)或溶剂、蒸汽等流体中进行有关化学反应。通常结合其他合成技术来共同制备多孔材料，譬如，结合模板技术、微波技术、溶胶-凝胶等合成法来合成多孔材料。在水热合成中，利用模板技术通过选用合适的模板剂或改变合成条件等均可达到对孔的控制和调节。阎鑫等首次采用模板造孔技术通过水热法成功的合成了纳米微孔NixZn(1-x)Fe2O4晶体。水热合成在微孔和介孔材料制备方面有着重要的应用，制备的材料具有水热稳定性高、有序性好和孔径分布集中等优点，而被广泛应用。Mizuno N等用水热合成法合成了介孔钒磷氧化物材料，通过改变体系的pH值，可得到六方、四方和层状的介孔材料。何红运等水热体系合成了Co-沸石。荆学珍等在Na2O-ZnO-SiO2-H2O水热体系中成功的合成了VPI-7锌硅分子筛。近年,多孔材料的制备合成得到了很大的发展已经基本实现了对孔径、壁厚及部分形貌的控制，随着各种不同模板剂的发现和合成技术的运用，目前对多孔材料的研究正走向系统化、理论化并逐渐转入了工业化开发阶段。但是，如何控制多孔材料的结构特征；如何提高材料的水热稳定性；如何制备更大尺寸的有序孔材料；以及功能化、大孔径、多维交叉、复杂孔道分子筛和合成研究；杂化介孔分子筛的研究；孔隙度微孔级、特别是纳米级和埃米级无机非金属多孔材料的开发，已成为该领域重点研究方向。五、小结材料合成与制备在当代工业发展中有重要作业，本文对SIC纳米材料、三元层状Ti2AlC陶瓷材料、光转换材料、多孔材料四种材料的合成与制备进行了讨论，内容涉及它们的合成与制