无机新型材料绪论

1、第一部分第一部分 绪绪 论论 材料学科发展概况 制备材料的新技术 教学目的及要求教学目的及要求 对无机材料的发展概况和前沿领域（新型材料和制对无机材料的发展概况和前沿领域（新型材料和制 备材料的新技术）有基本和概况性的了解，以开阔专业备材料的新技术）有基本和概况性的了解，以开阔专业 视野，增强创新意识和创新能力视野，增强创新意识和创新能力 教教 学学 内内 容容 重点介绍重点介绍新型无机材料发展概况新型无机材料发展概况、制备材料的新技制备材料的新技 术术（溶胶凝胶技术溶胶凝胶技术、等离子体技术、等离子体技术* *、化学气相沉积与化学气相沉积与 物理气相沉积技术物理气相沉积技术* *、激光技术、

2、微波烧结、自蔓延高温、激光技术、微波烧结、自蔓延高温 合成等）、合成等）、低维材料低维材料（纳米粉体纳米粉体、晶须、光导纤维、碳、晶须、光导纤维、碳 纤维、纤维、金刚石与类金刚石薄膜金刚石与类金刚石薄膜* *等）、等）、新型功能材料新型功能材料（非（非 晶态材料、梯度功能材料、纳米材料晶态材料、梯度功能材料、纳米材料* *、高温超导材料高温超导材料* * 等）等）和先进复合材料和先进复合材料 【注注】下划线为重点，打下划线为重点，打* *号的为难点号的为难点 成成绩绩评评定定 采用考勤、作业和期末考试相结合的评定方式。采用考勤、作业和期末考试相结合的评定方式。 其中：其中： 考勤占考勤占101

3、0（随机点名随机点名1010次，每缺席一次扣次，每缺席一次扣1 1分，分， 累计累计3 3次取消参加期末考试资格次取消参加期末考试资格） 作业占作业占3030（计算和文献查阅。手写，谢绝打印。计算和文献查阅。手写，谢绝打印。 若发现抄袭，双方均酌情扣分若发现抄袭，双方均酌情扣分） 期末考试占期末考试占6060 新型无机材料作为一类新材料，应从对 新材料的整体认识中去界定和把握，而新材 料的产生是与材料学科的发展密切相关的， 故应首先对材料学科的发展概况有基本的了 解，在材料学科发展的大背景中去认识新材 料的特性和发展趋势 第一章 材料学科发展概况 l材料的重要性和历史地 材料的重要性和历史地

4、位位 l材料的分类 材料的分类 l材料学科发展趋势 材料学科发展趋势 l材料科学与工程 材料科学与工程 l新材料 新材料 l新型无机材料 新型无机材料 1.1 材料的重要性和历史地位材料的重要性和历史地位 历史地位：人类文明发展水平的重要标志历史地位：人类文明发展水平的重要标志 现实重要性：现代文明的一大支柱现实重要性：现代文明的一大支柱 1.1.1 材料是人类文明发展水平的重要标志材料是人类文明发展水平的重要标志 石器时代石器时代 制陶业 制陶业 青铜器时代（公元前 青铜器时代（公元前5000年）年） 铁器时代（公元前铁器时代（公元前1200年）年） 近代工业革命（近代工业革命（1818世纪

5、末世纪末, ,钢铁产量成为国力重要标钢铁产量成为国力重要标 志，我国开展全民大炼钢铁运动志，我国开展全民大炼钢铁运动） 新技术革命（新技术革命（2020世纪中叶，硅半导体、功能陶瓷世纪中叶，硅半导体、功能陶瓷等等无机无机 材料材料重新成为材料主体重新成为材料主体 新石器时代）新石器时代） 1.1.2 材料是现代文明一大的支柱材料是现代文明一大的支柱 l材料、信息、能源材料、信息、能源 被誉为现代文明的三大支柱被誉为现代文明的三大支柱 l新材料、信息技术、生物技术新材料、信息技术、生物技术 是新技术革命的主要标志是新技术革命的主要标志 1.2 材料的分类材料的分类 l按组成分类按组成分类 金属材

6、料（纯金属，合金）金属材料（纯金属，合金） 无机非金属材料（水泥无机非金属材料（水泥 玻璃玻璃 陶瓷陶瓷 人工晶体人工晶体 碳素材料等）碳素材料等） 有机高分子材料有机高分子材料 复合材料复合材料 l按性质分类按性质分类 结构材料（主要应用材料的力学性能用于制做承重材料和构件）结构材料（主要应用材料的力学性能用于制做承重材料和构件） 功能材料（主要功能材料（主要应用材料的物理性能用于制做功能部件应用材料的物理性能用于制做功能部件） l按用途分类按用途分类 建筑材料建筑材料 航空航天材料航空航天材料 电子材料电子材料 生物材料生物材料 能源材料等能源材料等 1.3 材料学科发展趋势材料学科发展趋

7、势 长期以来人们已习惯于将材料分为金属材料、长期以来人们已习惯于将材料分为金属材料、 无机材料和有机高分子材料，各类材料有特定的组无机材料和有机高分子材料，各类材料有特定的组 成结构、不同的性能和应用范围，与之相应，材料成结构、不同的性能和应用范围，与之相应，材料 专业也按此划分，自成体系。然而近些年来材料领专业也按此划分，自成体系。然而近些年来材料领 域出现的、日渐明显的多样化基础上的域出现的、日渐明显的多样化基础上的“一体化一体化” 趋势和信息爆炸，正日益强烈地冲击着传统的体系趋势和信息爆炸，正日益强烈地冲击着传统的体系 和观念，主要体现在三个方面和观念，主要体现在三个方面 （1）各类材料

8、间的界线趋于模糊）各类材料间的界线趋于模糊 l已出现非晶态的已出现非晶态的“金属玻璃金属玻璃” l 一定条件下金属可以获得一定条件下金属可以获得“超塑性超塑性” l 在通常为绝缘体的氧化物中发现了在通常为绝缘体的氧化物中发现了“高温超导体高温超导体” l 高分子材料中也有导体、半导体甚至铁磁体高分子材料中也有导体、半导体甚至铁磁体 l 通常是脆硬的陶瓷和水泥领域也已开发出通常是脆硬的陶瓷和水泥领域也已开发出 “增韧陶瓷增韧陶瓷”和和“韧性无缺陷水泥韧性无缺陷水泥” l 大量出现的各种复合材料、梯度材料和原子尺度的大量出现的各种复合材料、梯度材料和原子尺度的 层状层状“超结构材料超结构材料”更难

9、以归属某一传统材料类别更难以归属某一传统材料类别 （2）应用上各类材料间的相互替代与复合）应用上各类材料间的相互替代与复合 l工程塑料成为新的建筑结构材料工程塑料成为新的建筑结构材料 l高分子复合材料已用作车身和机身材料高分子复合材料已用作车身和机身材料 l已出现水泥船、玻璃钢船和全塑船已出现水泥船、玻璃钢船和全塑船 在某一应用领域固守某些传统材料已非明智在某一应用领域固守某些传统材料已非明智 l 与相互替代的情形相比，各类材料间的复合化与相互替代的情形相比，各类材料间的复合化 趋势更是势不可挡，综合性能优异的新型复合材趋势更是势不可挡，综合性能优异的新型复合材 料层出不穷料层出不穷, 不断演

10、绎着材料版的不断演绎着材料版的“这边风景独好这边风景独好” （3）各类材料间理论和分析检测手段的互通）各类材料间理论和分析检测手段的互通 l研究金属范性变形时提出的位错理论已成功用于指导半导研究金属范性变形时提出的位错理论已成功用于指导半导 体的缺陷工程，大大提升了半导体的性能体的缺陷工程，大大提升了半导体的性能 l针对玻璃的脆性体断裂理论（认为微裂纹前端的应力集中针对玻璃的脆性体断裂理论（认为微裂纹前端的应力集中 致使玻璃的实际强度大大低于理论强度）在金属材料中的致使玻璃的实际强度大大低于理论强度）在金属材料中的 应用使金属的断裂预测和韧性提高获得突破性进展；后来应用使金属的断裂预测和韧性提

11、高获得突破性进展；后来 又应用于陶瓷材料，发展出使陶瓷韧化的相变增韧、纤维又应用于陶瓷材料，发展出使陶瓷韧化的相变增韧、纤维 增韧和微粉增韧等有效手段，出现了增韧陶瓷增韧和微粉增韧等有效手段，出现了增韧陶瓷 采用和借鉴其他材料的原理、方法和采用和借鉴其他材料的原理、方法和 手段已成为改进材料性能的重要途径手段已成为改进材料性能的重要途径 从现有的趋势看，在各类不同材料研究中从现有的趋势看，在各类不同材料研究中 发展起来的理论和方法，正通过相互借鉴、沟发展起来的理论和方法，正通过相互借鉴、沟 通和启发逐渐汇聚成统一的整体，一个适用于通和启发逐渐汇聚成统一的整体，一个适用于 各类材料的统一理论体系

12、正在构建和形成各类材料的统一理论体系正在构建和形成 不过，要建立起成熟完整的新的材料理论不过，要建立起成熟完整的新的材料理论 体系，还有很长一段路要走体系，还有很长一段路要走 1.4 材料科学与工程（大材料）材料科学与工程（大材料） 为顺应材料发展的一体化趋势，推动各类材料为顺应材料发展的一体化趋势，推动各类材料 在研究方法、基础理论、制备、检测方面的相互借在研究方法、基础理论、制备、检测方面的相互借 鉴，促进复合材料发展，以及有利于培养具有更广鉴，促进复合材料发展，以及有利于培养具有更广 阔专业视野和应变能力的新材料开发人才阔专业视野和应变能力的新材料开发人才, “材料科材料科 学与工程学与

13、工程” 在美国学者的倡导下，于在美国学者的倡导下，于20世纪世纪70年代年代 应运而生，并很快为各国学者广泛接受，设立材料应运而生，并很快为各国学者广泛接受，设立材料 科学与工程系宽口径培养材料人才已成为各国高校科学与工程系宽口径培养材料人才已成为各国高校 的普遍选择的普遍选择 材料科学与工程的特点材料科学与工程的特点 l为交叉学科为交叉学科 l是合成制备是合成制备组成结构组成结构性质性质使用效能四位使用效能四位 一体、相互关联的知识开发与应用的学科体系一体、相互关联的知识开发与应用的学科体系 l面向材料开发与有效运用，有很强的应用背景面向材料开发与有效运用，有很强的应用背景 1.5 新新 材

14、材 料料 新材料是指新近研制成功或正在研制中新材料是指新近研制成功或正在研制中 的，具有较传统材料更优异的性能或特殊功的，具有较传统材料更优异的性能或特殊功 能，对高技术、新产业的形成与发展具有推能，对高技术、新产业的形成与发展具有推 动作用的一类材料。所以人们总是将新材料动作用的一类材料。所以人们总是将新材料 与高技术相提并论与高技术相提并论 新材料的特点新材料的特点 l知识密集知识密集往往运用了当代科技的最新成就，往往运用了当代科技的最新成就， 或是多学科交叉研究的产物或是多学科交叉研究的产物 l技术密集技术密集其制备往往利用了一些极端条件其制备往往利用了一些极端条件 和尖端工艺工程控制技

15、术和尖端工艺工程控制技术 l资金密集资金密集设备投资大、开发难度和风险大、设备投资大、开发难度和风险大、 技术保密性强、更新换代快技术保密性强、更新换代快 l附加值高附加值高其价格远远高于原料成本，使用其价格远远高于原料成本，使用 价值亦非传统材料所能比肩价值亦非传统材料所能比肩 新材料开发的主要动向新材料开发的主要动向 l9090年代美国年代美国“国家关键技术报告国家关键技术报告”中材料领域列中材料领域列 出五大关键技术项目：材料合成与加工、电子与出五大关键技术项目：材料合成与加工、电子与 光电子材料、陶瓷、复合材料、高性能金属与合光电子材料、陶瓷、复合材料、高性能金属与合 金金 l资料统计

16、显示，当前最受关注的六大材料为：光资料统计显示，当前最受关注的六大材料为：光 电子信息材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、电子信息材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、 新型金属材料、高性能塑料、超导材料新型金属材料、高性能塑料、超导材料 1.6 新型无机材料新型无机材料 新型无机材料与传统无机材料新型无机材料与传统无机材料 （玻璃、陶瓷、水泥等）在原料、工艺、（玻璃、陶瓷、水泥等）在原料、工艺、 组成结构、形态和性能上均有所不同，组成结构、形态和性能上均有所不同， 因而有着完全不同的特点和应用领域因而有着完全不同的特点和应用领域 新型无机材料的特点新型无机材料的特点 l原料纯化：原料纯化：用纯化原

17、料，并对原料状态进行控制用纯化原料，并对原料状态进行控制 l工艺精细化：工艺精细化：采用更有力的工艺控制与过程干预采用更有力的工艺控制与过程干预 l组成形态多样化：组成形态多样化：出现单晶、薄膜、纤维、超微出现单晶、薄膜、纤维、超微 粉、复合等新形态，组成也遍粉、复合等新形态，组成也遍 及各种不同元素间的化合物及各种不同元素间的化合物 l高性能与多功能化：高性能与多功能化：性能更好，大多具有独特的性能更好，大多具有独特的 性质和特殊功能性质和特殊功能 新型无机材料的重要应用领域新型无机材料的重要应用领域 l信息：信息：传感、传输、存储和处理材料传感、传输、存储和处理材料 l航空航天：航空航天：

18、烧蚀、复合增强材料，吸波涂层等烧蚀、复合增强材料，吸波涂层等 l能源：能源：光电转换材料、电池电极、超导磁体等光电转换材料、电池电极、超导磁体等 l生物医学：生物医学：人工骨科、齿科和韧带材料、生物人工骨科、齿科和韧带材料、生物 相容性涂层等相容性涂层等 第二章第二章 制备材料的新技术制备材料的新技术 新材料总是与新技术的运用联系在一起新材料总是与新技术的运用联系在一起 的，一如区熔提纯单晶生长技术之与硅锗半的，一如区熔提纯单晶生长技术之与硅锗半 导体、高温高压技术之与合成金刚石、急冷导体、高温高压技术之与合成金刚石、急冷 技术之与非晶态材料、热等静压技术之与高技术之与非晶态材料、热等静压技术

19、之与高 性能陶瓷、气相沉积技术之与集成电路和光性能陶瓷、气相沉积技术之与集成电路和光 导纤维导纤维 当今制备材料新技术的主要特点当今制备材料新技术的主要特点 l利用超高温、超高压、超高真空、微重力、强磁利用超高温、超高压、超高真空、微重力、强磁 场、强辐射、急速冷却等极端条件场、强辐射、急速冷却等极端条件 l对材料制备的工艺过程和组织结构实施严格监控对材料制备的工艺过程和组织结构实施严格监控 l 溶胶凝聚技术 溶胶凝聚技术 l 等离子体技术 等离子体技术 l 激光技术 激光技术 2.1 溶胶凝胶溶胶凝胶(Sol-Gel)技术技术 即金属有机或无机化合物即金属有机或无机化合物( (前驱物前驱物)

20、 )经经 溶液溶液 溶胶溶胶 凝胶凝胶 干燥固化，在溶胶或干燥固化，在溶胶或 凝胶状态下成型凝胶状态下成型( (纤维、薄膜、块体纤维、薄膜、块体) )，再，再 经热处理转化为氧化物或其它化合物固体经热处理转化为氧化物或其它化合物固体 材料的方法，是应用胶体化学原理制备无材料的方法，是应用胶体化学原理制备无 机材料的湿化学方法，已成为受到普遍重机材料的湿化学方法，已成为受到普遍重 视的无机材料制备新技术视的无机材料制备新技术 2.1.1 Sol-Gel工艺方法工艺方法 l传统胶体法传统胶体法 l水解聚合法水解聚合法 l络合物法络合物法 方法方法特点特点前驱物前驱物凝胶的化学特征凝胶的化学特征适用

21、适用 传统传统 胶体法胶体法 通过调节通过调节pH值或值或 加入电解质中和加入电解质中和 颗粒表面电荷，颗粒表面电荷， 再经溶剂蒸发促再经溶剂蒸发促 使颗粒形成凝胶使颗粒形成凝胶 无机化合物无机化合物1 凝胶中固相成分含量高凝胶中固相成分含量高 2 凝胶由稠密颗粒间的分凝胶由稠密颗粒间的分 子间力建立子间力建立 3 凝胶强度低，通常不透明凝胶强度低，通常不透明 粉体粉体 薄膜薄膜 水解水解 聚合法聚合法 通过前驱物的通过前驱物的 水解和聚合形水解和聚合形 成溶胶和凝胶成溶胶和凝胶 金属醇盐金属醇盐1 凝胶由前驱体水解产生的凝胶由前驱体水解产生的 无机聚合物建立无机聚合物建立 2 凝胶与溶胶体积

22、相当凝胶与溶胶体积相当 3 凝胶化进程控制时间凝胶化进程控制时间 4 凝胶是透明的凝胶是透明的 薄膜薄膜 块体块体 纤维纤维 粉体粉体 络合络合 物法物法 由络合反应形成由络合反应形成 具有较大或复杂具有较大或复杂 配体的络合物配体的络合物 金属醇盐金属醇盐 硝酸盐硝酸盐 乙酸盐乙酸盐 1 凝胶由络合物通过氢键凝胶由络合物通过氢键 建立建立 2 凝胶在水中能液化凝胶在水中能液化 3 凝胶是透明的凝胶是透明的 薄膜薄膜 粉体粉体 纤维纤维 2.1.2 水解聚合法的工艺原理水解聚合法的工艺原理 水解聚合工艺流程水解聚合工艺流程 （1）均相溶液的制备）均相溶液的制备 l为确保醇盐水解在分子水平上进行

23、，须先制备醇盐与为确保醇盐水解在分子水平上进行，须先制备醇盐与 水的均相溶液，再加水水解水的均相溶液，再加水水解 l因醇盐水溶性差，需加入既与醇盐互溶、又与水互溶因醇盐水溶性差，需加入既与醇盐互溶、又与水互溶 的醇类的醇类 ，其加入量须保证避开三元不混溶区，其加入量须保证避开三元不混溶区 （2）溶胶的形成原理）溶胶的形成原理 水解反应水解反应： 酸性酸性：(RO)(RO)3 3SiOR + HSiOR + H3 3O O+ + 亲电取代 亲电取代 (RO) (RO)3 3SiOH + HOR + HSiOH + HOR + H+ + 碱性 碱性： (RO)(RO)3 3SiOR + SiOR

24、+ OHOH- - 亲核取代 亲核取代 (RO)(RO)3 3SiOH + ORSiOH + OR- - 缩聚反应：缩聚反应： 失水缩聚：失水缩聚： SiOH + HOSi SiOSi + HSiOH + HOSi SiOSi + H2 2O O 失醇缩聚：失醇缩聚： SiOH + ROSi SiOSi + ROH SiOH + ROSi SiOSi + ROH 酸性条件下，亲电取代的活性随醇盐分子中酸性条件下，亲电取代的活性随醇盐分子中OR的减少而下的减少而下 降降,很难水解至很难水解至Si(OH)4，而缩聚反应在充分水解前即开始，而缩聚反应在充分水解前即开始,故故 水解缩聚产物的交联度低水

25、解缩聚产物的交联度低;而碱性条件下则容易获得高交联度而碱性条件下则容易获得高交联度 （3）凝胶化过程）凝胶化过程 缩聚反应形成的聚合物小颗粒逐渐聚集长大缩聚反应形成的聚合物小颗粒逐渐聚集长大 形成小粒子簇，后者进而相互连接成横跨整个体形成小粒子簇，后者进而相互连接成横跨整个体 系的三维粒子簇连续固相网络，液相则包裹在固系的三维粒子簇连续固相网络，液相则包裹在固 相骨架中，失去流动性，由粘弹性的相骨架中，失去流动性，由粘弹性的 Newton Newton 体体 转变为具有触变性的转变为具有触变性的 Bingham Bingham 体体 （4）凝胶的干燥）凝胶的干燥 l湿凝胶裹挟着大量的水和溶剂，

26、干燥过程往往伴随着湿凝胶裹挟着大量的水和溶剂，干燥过程往往伴随着 很大的体积收缩，易引起开裂很大的体积收缩，易引起开裂 l引起凝胶收缩开裂的应力主要来自毛细管力，后者又引起凝胶收缩开裂的应力主要来自毛细管力，后者又 源于凝胶骨架中液体的表面张力，因而解决开裂问题源于凝胶骨架中液体的表面张力，因而解决开裂问题 可从增强固相骨架和消除液相表面张力两方面入手可从增强固相骨架和消除液相表面张力两方面入手 l可消除气液界面的超临界干燥是受到推崇的有效方法可消除气液界面的超临界干燥是受到推崇的有效方法 （5 5）干凝胶的热处理）干凝胶的热处理 l热处理是使干凝胶转热处理是使干凝胶转 变为组成、结构和性变为

27、组成、结构和性 能均满足设计要求的能均满足设计要求的 无机材料制品无机材料制品 l热处理伴随有较大的热处理伴随有较大的 体积收缩和气体释放，体积收缩和气体释放， 故升温速率不宜快故升温速率不宜快 l升温制度将决定制品升温制度将决定制品 是晶态还是非晶态是晶态还是非晶态 析晶析晶区区 2.1.3 Sol-Gel技术的特点和应用技术的特点和应用 Sol-Gel Sol-Gel法的实质是采用介观层次上性能受法的实质是采用介观层次上性能受 到控制的源物质到控制的源物质(Sol)(Sol)取代传统工艺中的生取代传统工艺中的生 原料，可在材料制备的初期就对其化学状原料，可在材料制备的初期就对其化学状 态、

28、几何构型、粒级和均匀性等进行控制态、几何构型、粒级和均匀性等进行控制 （1）合成温度低）合成温度低 l比传统方法低比传统方法低400400500500 l可在熔化、析晶或分相温度以下制备均可在熔化、析晶或分相温度以下制备均 匀玻璃，使一些含难熔或高温易分解组匀玻璃，使一些含难熔或高温易分解组 分的特殊性能玻璃的制备成为可能分的特殊性能玻璃的制备成为可能 l烧结温度的大幅降低，可制备一些用常烧结温度的大幅降低，可制备一些用常 规方法难以制备的高温陶瓷材料规方法难以制备的高温陶瓷材料 （2）制品形式多样）制品形式多样 （3 3）特别适于薄膜和纤维制备）特别适于薄膜和纤维制备 （4 4）在制备复合材

29、料、特别是纳米）在制备复合材料、特别是纳米 复合材料方面具有独到的优势复合材料方面具有独到的优势 （5 5）设备简单，工艺灵活，制品纯度高）设备简单，工艺灵活，制品纯度高 教学要求教学要求 （1 1）Sol-Gel(Sol-Gel(水解聚合水解聚合) )法制备材料的工艺过程法制备材料的工艺过程 （2 2）Sol-GelSol-Gel技术的特点和优势技术的特点和优势 2.2 等离子体技术等离子体技术 l等离子体是一种电离气体，由离子、电子及中性粒子等离子体是一种电离气体，由离子、电子及中性粒子 等组成，为物质的一种高能量聚集状态等组成，为物质的一种高能量聚集状态(第四态第四态) l等离子体中粒子

30、的能量可达数十、甚至上千电子伏特等离子体中粒子的能量可达数十、甚至上千电子伏特 (1eV=1.160485104K），其常规加热手段难以企及），其常规加热手段难以企及 的高温、超高温状态，可使通常条件下不能发生或速的高温、超高温状态，可使通常条件下不能发生或速 率很慢的化学反应成为可能或瞬间完成，这种热力学率很慢的化学反应成为可能或瞬间完成，这种热力学 或动力学效应使等离子体技术成为材料创新与合成的或动力学效应使等离子体技术成为材料创新与合成的 强有力手段强有力手段 2.2.1 等离子体的产生等离子体的产生 l为获得等离子体态，须使气体电离，而气体电离是气为获得等离子体态，须使气体电离，而气体

31、电离是气 态粒子间相互碰撞的结果。因而从技术的角度可通过态粒子间相互碰撞的结果。因而从技术的角度可通过 热电离、放电电离和辐射电离等使气体变为等离子体热电离、放电电离和辐射电离等使气体变为等离子体 l材料领域广泛应用的是气体在电场中的放电电离，用材料领域广泛应用的是气体在电场中的放电电离，用 于电离的电场可以是直流的，亦可为交变电场，故有于电离的电场可以是直流的，亦可为交变电场，故有 直流放电和高频（交流）放电两种不同放电电离方式直流放电和高频（交流）放电两种不同放电电离方式 (1) 直流放电直流放电 在在ABAB段段( (无光放电无光放电),),随着电源功率增加随着电源功率增加, ,电压升高

32、电压升高, ,荷电粒子能荷电粒子能 量增大量增大, ,与气体分子碰撞电离的几率增加；与气体分子碰撞电离的几率增加；B B点以后点以后, ,进入高效进入高效 电离区电离区, ,电源功率的增加使电流密度迅速增大电源功率的增加使电流密度迅速增大, ,介质电阻持续降介质电阻持续降 低低, ,从而保持电压恒稳从而保持电压恒稳, ,体系微弱发光体系微弱发光；至；至C C点点, ,离子的能量已达离子的能量已达 从阴极轰出电子的水平从阴极轰出电子的水平, ,大量的二次电子不但使大量的二次电子不但使CDCD段电压陡降段电压陡降, , 也大大促进了气体的电离；也大大促进了气体的电离；至至D D点点, ,击出电子的

33、数量与其碰撞电击出电子的数量与其碰撞电 离的消耗达到平衡离的消耗达到平衡, ,放电达到自持放电达到自持, ,体系发出明亮的辉光体系发出明亮的辉光；此后；此后, , 高密度电离区逐渐向阳极推进高密度电离区逐渐向阳极推进, ,并最终翻越阳极排斥势垒并最终翻越阳极排斥势垒(EF),(EF), 造成造成F F点介质击穿点介质击穿: :极间电压消失极间电压消失, ,电流密度激增电流密度激增, ,产生弧光放电产生弧光放电 直流辉光放电直流辉光放电 阴极辉光区阴极辉光区 二次电子的初始能二次电子的初始能 量较低量较低,与气体分子的碰撞只与气体分子的碰撞只 使其激发发光使其激发发光,而不至电离；而不至电离；

34、阴极暗区阴极暗区 电子使气体分子电离电子使气体分子电离, 产生大量离子和低速电子产生大量离子和低速电子,相相 对于电子对于电子,正离子质量大，移正离子质量大，移 动速度慢的多动速度慢的多,故这一区域堆故这一区域堆 积着大量正电荷积着大量正电荷,电压差近乎电压差近乎 全部外加电压全部外加电压,是能量高度集是能量高度集 中的、制备反应的核心区域中的、制备反应的核心区域 负辉区负辉区 暗区产生的低速电子被暗区产生的低速电子被 加速加速,又获得激发分子的能量又获得激发分子的能量 法拉第暗区、正辉区法拉第暗区、正辉区 性质同前性质同前, 只是电子和离子数的大幅减只是电子和离子数的大幅减 少少,致使这一较

35、大空间内二者致使这一较大空间内二者 的密度几乎相等的密度几乎相等,电压降极小电压降极小 弧光放电弧光放电 l通常条件下，弧光放电等离通常条件下，弧光放电等离 子体的温度为子体的温度为50006000K l若采用右图所示的装置若采用右图所示的装置,将等将等 离子体限制在狭小空间内离子体限制在狭小空间内,并并 外置冷流体冷却弧柱外置冷流体冷却弧柱,则由此则由此 产生的热压缩效应、磁压缩产生的热压缩效应、磁压缩 效应和机械压缩效应会使弧效应和机械压缩效应会使弧 柱变细柱变细,温度急剧升高温度急剧升高,形成温形成温 度高达度高达20000K以上、以近似以上、以近似 音速的速度从电极喷嘴喷出音速的速度从

36、电极喷嘴喷出 的等离子体射流的等离子体射流等离子弧等离子弧 l等离子弧已广泛用于机械加等离子弧已广泛用于机械加 工中的切割、焊接、喷涂、工中的切割、焊接、喷涂、 超微粉体合成和薄膜的沉积超微粉体合成和薄膜的沉积 （2）高频放电）高频放电 l若将直流放电中的电场变为交流电，频率低时，相当若将直流放电中的电场变为交流电，频率低时，相当 于正负电极交替的直流电场，使气体随之发生电离和于正负电极交替的直流电场，使气体随之发生电离和 消电离，不能形成稳定的等离子体消电离，不能形成稳定的等离子体 l若交变电场的频率足够高（若交变电场的频率足够高（1MHz1MHz），以致交变周期），以致交变周期 小于电离和

37、消电离所需时间（小于电离和消电离所需时间（1010-6 -6s s），使离子浓度来 ），使离子浓度来 不及变化，而电子则在放电空间做往复运动，大大增不及变化，而电子则在放电空间做往复运动，大大增 加了与气体分子碰撞几率，因而高频放电的自持要比加了与气体分子碰撞几率，因而高频放电的自持要比 直流放电容易得多，放电电压明显降低直流放电容易得多，放电电压明显降低 l与直流放电集中在极板附近不同，高频放电不会发生与直流放电集中在极板附近不同，高频放电不会发生 电极烧损及由此引起的等离子体和产品污染，有利于电极烧损及由此引起的等离子体和产品污染，有利于 制备高纯材料制备高纯材料 l高频放电按频率可分为射

38、频（高频放电按频率可分为射频（ 10105 5 MHz MHz）放电和微）放电和微 波放电，前者又有感应耦合和电容耦合两种不同方式波放电，前者又有感应耦合和电容耦合两种不同方式 微波微波 发生器发生器 环形器环形器 定向定向 耦合器耦合器 矩形波导矩形波导 三螺针三螺针 调配器调配器 发射发射 天线天线 等离子体球等离子体球 基板基板 石英钟罩石英钟罩 均流罩均流罩 模式转换器模式转换器 样品台样品台 电容耦合电容耦合电感耦合电感耦合 反应气体反应气体 真空泵真空泵 真空计真空计 2.2.2 等离子体的特性等离子体的特性 (1) (1) 等离子体的温度等离子体的温度 = mv= mv2 2 =

39、 kT = kT 低温等离子体：部分电离的等离子体低温等离子体：部分电离的等离子体 平衡等离子体高压等离子体热等离子体平衡等离子体高压等离子体热等离子体 非平衡等离子体低压等离子体冷等离子体非平衡等离子体低压等离子体冷等离子体 高温等离子体：完全电离的等离子体高温等离子体：完全电离的等离子体 1 2 3 2 （2 2）等离子体的浓度（密度）等离子体的浓度（密度） 需用正离子浓度和电子浓度表征，当等离子体中需用正离子浓度和电子浓度表征，当等离子体中 只有一价正离子时，可用等离子体浓度等效描述只有一价正离子时，可用等离子体浓度等效描述 （3 3）等离子体的电离度）等离子体的电离度 A AA A+

40、+e e A A N N 3.16p 2 2 1 5 7 1 2 10T exp() W kT （4 4）电中性和德拜长度）电中性和德拜长度 D D （5 5）导电性和磁控性）导电性和磁控性 等离子体具有很强的导电性，并可用磁场控等离子体具有很强的导电性，并可用磁场控 制它的行为，如电弧的旋转、稳定和熄灭等制它的行为，如电弧的旋转、稳定和熄灭等 2 e e T n e 0 k 2.2.4 等离子体化学等离子体化学 等离子体中含有大量电子、离子和其他高能粒等离子体中含有大量电子、离子和其他高能粒 子（如处于激发态的原子、分子），子（如处于激发态的原子、分子），既可活化既可活化 其他反应物，也可作

41、为活性反应物直接参与反其他反应物，也可作为活性反应物直接参与反 应。应。这种高活性反应环境所产生的热力学和动这种高活性反应环境所产生的热力学和动 力学效应，已广泛用于材料的制备和加工处理力学效应，已广泛用于材料的制备和加工处理 （1 1）电子参与的反应）电子参与的反应 H2O + e OH* (激发态) + H O2 + e O2+ 、O+、 O H2 + e H2+ 、H+、 H、H N2 + e N2+ 、N+、 N2m (亚稳态)、N* I2 + e I2 、I、 I+ C2H2 + e CH+ + CH + 2e （2）离子参与的反应）离子参与的反应 Ar+ H2 ArH+ H Ar+

42、 NH3 ArH+ NH2 Ar+ HCl ArH+ Cl Ar+ H2 Ar H2+ C2H2+ C5H6 C2H2 C5H6+ （3）激发态粒子参与的反应）激发态粒子参与的反应 Ar* AB Ar AB+ Ar* AB Ar A B He* H2O He H OH 2.2.4 等离子体技术在材料制备中的应用等离子体技术在材料制备中的应用 （1）利用弧光放电）利用弧光放电 制备超微粉体制备超微粉体 （2）物理气相沉积）物理气相沉积 （3）化学气相沉积）化学气相沉积 2.2 激光技术激光技术 激光也是材料制备和加工的重要手段激光也是材料制备和加工的重要手段 2.3.1 激光的产生激光的产生 l

43、受激吸收受激吸收 l自发发射自发发射 l受激发射受激发射 l粒子数反转粒子数反转 2.3.2 激光的特点激光的特点 l单向性：方向完全一致的轴向光单向性：方向完全一致的轴向光 l单色性：频率只对应单色性：频率只对应21 21 (E(E2 2-E-E1 1)/h)/h l超高光强：能在几微米至几十微米直径范围内，超高光强：能在几微米至几十微米直径范围内， 产生几万乃至几百万度高温产生几万乃至几百万度高温 2.3.3 激光在材料领域的应用激光在材料领域的应用 （1 1）材料表面改性）材料表面改性 l表面掺杂、局部退火和外延生长表面掺杂、局部退火和外延生长 l形成非晶态（冷却速率形成非晶态（冷却速率

44、101014 14K/s K/s） l表面涂层表面涂层 （2）材料加工）材料加工 激光打孔激光打孔 激光切割激光切割 激光焊接激光焊接 （3）激光制备超微粉）激光制备超微粉 （4）激光化学气相沉积）激光化学气相沉积 教学要求教学要求 （3 3）低温等离子体有哪些类型？热等离子体、）低温等离子体有哪些类型？热等离子体、 冷等离子体、低压等离子体、高压等离子冷等离子体、低压等离子体、高压等离子 体、平衡等离子体和非平衡等离子体之间体、平衡等离子体和非平衡等离子体之间 是什么关系？是什么关系？ （4 4）激光的主要特点）激光的主要特点 新型无机材料的特点新型无机材料的特点 l原料纯化：原料纯化：用纯化原料，并对原料状态进行控制用纯化原料，并对原料状态进行控制 l工艺精细化：工艺精细化：采用更有力的工艺控制与过程干预采用更有力的工艺控制与过程干预 l组成形态多样化：组成形态多样化：出现单晶、薄膜、纤维、超微出现单晶、薄膜、纤维、超微 粉、复合等新形态，组成也遍粉、复合等新形态，组成也遍 及各种不同元素间的化合物及各种不同元素间的化合物 l高性能与多