(完整word版)材料合成与制备期末复习题

1、第零章绪论1 .材料合成：材料合成是指促使原子或分子构成材料的化学或物理过 程；2 .材料制备：材料制备是指研究如何控制原子与分子使其构成有用的 材料，但材料制备还包括在更为宏观的尺度上控制材料的 结构，使其具备所需的性能和使用效能。3 .材料合成与制备的最终目标是： 制造高性能、高质量的新材料以满 足各种构件、物品或仪器等物件的日益发展的需求。4 .材料合成与制备的发展方向： 材料的高性能化、复合化、功能化、 低维化、低成本化、绿色化；5 .影响热力学过程自发进行方向的因素：(1)能量因素；(2)系统的 混乱度因素；6 .隔离系统总是自发的向着嫡值增加的方向进行。7 .论述反应速率的影响因素

2、：(1)浓度对反应速率的影响：对于可逆反应，增加反应物浓度可以使平衡向产物方向移动，因此， 提高反应物浓度是提高产率的一个办法， 但如果反应物成本很高，将 反应物之一在生成后立即分离出去或转移到另一相中去，也是提高反 应产率的一个很好的办法。对于有气相的反应，如果反应前后气体物 质的反应计量数不等，则增加压力会有利于反应向气体计量数小的方 向进行。另外，对于多个反应同时进行的反应，则应按主反应的情况 来控制反应物的配比；(2)温度对反应速率的影响：对于一个可逆反应，正反应吸热，则逆反应就放热；如果正反应放热， 则逆反应就吸热，升高温度有利于反应向吸热方向进行， 不利于放热 反应；对于放热反应，

3、用冷水浴或冰浴使其降温的办法有利于反应的 进行，但影响反应速率。实际生产中，要综合考虑单位实际内的产量 和转化率同时进行；（3）溶剂等对反应速率的影响：溶剂在反应中的作用：一是提供反 应的场所，二是发生溶剂化效应。溶剂最重要的物理效应即溶剂化作 用，化学效应主要有溶剂分子的催化作用和容积分子作为反应物或产 物参与了化学反应。若溶剂分子与反应物生成不稳定的溶剂化物，可 使反应的活化能降低，加快反应速率；若生成稳定的溶剂化物，则使 反应活化能升高，降低反应速率；若生成物与溶剂分子生成溶剂化物， 不论它是否稳定，都会使反应速率加快。第一章溶胶-凝胶法1 .溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，是指

4、微小的固体颗粒悬浮 分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。2 .凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系.被分散的物质形成连续 的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体。3 .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，通过抑制各 种化学反应条件，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，形成凝胶。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。4 .粒子间的两个力：（1）颗粒间的范德华力； 双电层静电排斥能 5.增加粒干间能奉通常有三个基本途

5、径:（1）使胶粒带表面电荷；（2）利 用空间位阻效应；（3）利用溶剂化效应。6.由溶胶制备瓣胶的具体方法：(1)、使水、醇等分散介质挥发或冷却溶胶，使其形成过饱和液，而 形成凝胶。(2)、加入非溶剂，如在果胶水溶液中加入适量酒精后，即形成凝胶。(3)、将适量的电解质加入胶粒亲水性较强的憎液型溶胶， 即可形成 凝胶。(4)、利用化学反应产生不溶物，并控制反应条件可得凝胶。7 .溶胶一凝胶合成方法的适用范围：(1)块体材料(2)多孔材料(3)纤维材料(4)复合材料(5)超细粉体材料(6)薄膜及涂层材料8 .溶胶-凝胶合成生产工艺种类程类化学特征狡体型调整pH值或加 入电解质使粒 子表面电荷中 和，

6、蒸发溶剂使 粒子形成凝胶1. 密集的粒子前驱体溶胶粉末形成凝胶网络2. 凝胶中固相是由金属无机化合物与含量较高3. 凝胶诱明：强添加剂之间薄膜的反应形成度较弱的密集粒子ku前驱体水解和1.由前驱体得主要是金属薄膜块体到的无机聚合物构成的凝胶网络2.刚形成的凝胶体积与前驱体溶液体积完全一聚合物样3.证明凝胶形炫氧化物纤维聚合粉末成的参数凝胶时间随着过程中的其它参数变化而变化4.凝胶透明络合物络合反应导致1.由氢键连接金属醇盐、硝薄膜的络合物构成凝较大混合配合酸盐或醋酸粉末1体的络合物的2 .凝胶在湿气中可能会溶解3 .廨胶诱明盐纤维9 .溶胶-凝胶合成工艺设备：(1)有恒温加热的搅拌器；(2)真

7、空干燥箱；(3)马弗炉10 .溶胶-凝胶合成材料的基本过程：(1)溶液溶胶化；(2)凝胶化成型(3)固化处理11在溶液-溶胶化阶段中，胶液的获得方法有三种 ：(1)超细粉和溶液机械混合形成胶液(2)金属无机化合物或金属醇盐水解(3)金属有机化合物水解12 .凝胶质量好坏的影响因素： 前驱体选择:反应配比；溶液 pH值； 反应温度；反应时间等。(1)前驱体原料的选择：金属无机盐作为溶胶-凝胶合成反应的原料具 有价格低廉的特殊优点，可以用作产业化生产的原材料；(2)水解度的影响；(3)催化剂的影响；(4)溶胶浓度的影响；(5)反应温度的影响；(6)络合剂的使用。13 .溶胶-凝胶法应用(1)一气凝

8、胶；(2) A12O3耐热涂层；(3)溶胶凝胶-自蔓延制备生物玻璃粉体。气凝胶:是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的纳米多孔网络固 态非晶材料。溶胶-凝胶自蔓延合成技术：是指有机盐凝胶或有机盐(燃料)与金属硝 酸盐在加热过程中发生氧化还原反应， 燃 烧产生大量的气体，可自我维持并合成所 需燃烧物的材料的合成工艺。第二章水热与溶剂热合成1 .水热法：是指在特制的密闭反应器(反应釜)中，采用水溶液作为 反应体系，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在 反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方 法。2 .在水热条件下，水的作用： 既可作为溶剂又可作为矿化剂,在液态 或

9、气态下还是传递压力的媒介。水热合成技术最大的缺点是： 反映周期长。3 .溶剂热法：实在水热法的基础上发展起来的一种新的材料制备方 法，江水热法中的水换成有机溶剂或非水溶酶(如有机胺、醇、氨、 四氯化碳或苯等)，采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无 法长成、易氧化、易水解或对水敏感的材料，如田V族半导体化合 物、氮化物、硫族化合物、新型磷(碎)酸盐分子筛三维骨架结构等。4 .与水热法相比，溶剂热法具有以下优点：(1)在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或 水中氧的污染；(2)非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料的范围大大扩大， 比如氟化物，氮化物，硫化合物等均可作为溶剂热反应

10、的原材料； 同时，非水溶剂在亚临界或超临界状态下独特的物理化学性质极 大地扩大了所能制备的目标产物的范围；(3)由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比 水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶；(4)由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中， 且不受破坏，同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成 某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料；(5)非水溶剂的种类繁多，其本身的一些特性，如极性与非极性、 配位络合作用、热稳定性等，为我们从反应热力学和动力学的角 度去认识化学反应的实质与晶体生长的特性，提供了研究线索。5 .水热法基本原理：水热法常用氧化物或者氢氧化物或凝

11、胶体作为前驱物，以一定的填充比进入高压釜，它们在加热过程中溶解度随温度升高而增大，最终导致溶液过饱和，并逐步形成更稳定的新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱体或中间产物与最终产物之间的溶解度差，即反应向吉布斯焓减小的方向进行。但严格的说，水热技术中几种重要的反应机理并不完全相同，即并非都可用这种“溶解-结晶”机理来解释，水热反应的微观机理是急需解决的问题。同时，反应过程中的有关矿化剂的作用，中间产物对产物的影响等也不十分清楚。水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：? “均匀溶液饱和析出”机制由于水热反应温度和体系压力的升高，溶质在溶液中溶解度降低并达到饱和，以某种化合物结晶态形式从溶液中析

12、出。当采用金属盐溶液为前驱物，随着水热反应温度和体系压力的增大，溶质（金属阳离子的水合物）通过水解和缩聚反应，生成相应的配位聚集体（可以是单聚体，也可以是多聚体）当其浓度达到过饱和时就开始析出晶核，最终长大成晶粒。? “溶解-结晶”机制当选用的前驱体是在常温常压下不可溶的固体粉末、凝胶或沉淀时，在水热条件下，所谓“溶解”是指水热反应初期，前驱物微粒之间的团聚和联接遭到破坏，从而使微粒自身在水热介质中溶解，以离子或离子团的形式进入溶液，进而成核、结晶而形成晶粒；“结晶”是指当水热介质中溶质的浓度高于晶粒的成核所需要的过饱和度时，体系内发生晶粒的成核和生长，随着结晶过程的进行，介质中用于结晶的物料

13、浓度又变得低于前驱物的溶解度，这使得前驱物的溶解继续进行。如此反复，只要反应时间足够长，前驱物将完全溶解，生成相应的晶粒。? “原位结晶 ”机制当选用常温常压下不可溶的固体粉末，凝胶或沉淀为前驱物时，如果前驱物和晶相的溶解度相差不是很大时，或者“溶解-结晶”的动力学速度过慢，则前驱物可以经过脱去羟基(或脱水)，原子原位重排而转变为结晶态。晶体生长习性的研究就是对“晶体结构晶体生长条件晶体生长形态晶体缺陷”这四者关系的研究。将水热条件下纳米晶粒的形成过程可分为三个阶段：? 生长基元与晶核的形成? 生长基元在固-液生长界面上的吸附与运动? 生长基元在界面上的结晶或脱附成核理论晶核的生长在结晶过程中

14、起起决定性作用。晶体生长理论：从微观角度看，晶体生长过程可以看做一个基元过程。基元过程包括以下主要步骤：(1)基元的形成。(2)基元在生长界面的吸附。(3)基元在界面的运动。(4)基元在界面上的结晶或脱附。6 .溶剂热基本原理水热与溶剂热合成化学有如下特点：（1）在水热与溶剂热条件下，反应物性能的改变，活性的提高，使其不但可以降低反应温度，而且可以代替部分固相反应和完成一些其他制备方法难以进行的反应，如合成低熔点化合物、有较高蒸气压而不能在融体中生成的物质和高温分解相等；（2）在水热与溶剂热法条件下，存在着溶液的快速对流与溶质的有效扩散， 且多数反应物能溶于水或非水溶媒，使反应在液相或气相的快

15、速对流中进行，溶液、（相对）低温、等压环境有利于生长极少缺陷、热应力小、完美的晶体，并能均匀地进行掺杂以及易于控制产物晶体的粒度；（3）由于水热与溶剂热合成始终在密闭高压釜中进行，可通过控制反应气氛（溶液组分、温度、压力、可化剂、pH 等 ）而形成合适的氧化还原环境，使其能合成、开发出一系列介稳结构、特种凝聚态与聚集态的新物质；（4）水热与溶剂热合成的密闭条件有利于进行那些对人体健康有害的有毒反应，尽可能减少环境污染；（5）水热与溶剂热合成体系一般处于非理想非平衡状态，因此，应该用非平衡热力学研究合成化学问题；（6）水热与溶剂热合成的可操作性和可调变性，将使其成为衔接合成化学和合成材料的物理性

16、质之间的桥梁。7 .水热与溶剂热合成方法的适用范围? （ 1）微孔材料（ 2）制备超细（纳米）粉末（ 3）制备薄膜? （ 4）低温生长单晶(5)合成新材料、新结构和亚稳相第三章电解合成1 .电解合成的特点：优点：(1)在电解中调节电极电位，能提供高电子转移的功能，这种功 能可以使之达到一般化学试剂所不具备的氧化还原能力，同时可 改变电极反应速度；(2)控制电极电位和选择适当的电极、溶剂等方法，使反应按人 们所希望的方向进行，故反应选择性高，副反应较少，可制备出 许多特定价态的化合物，这是任何其它方法不能比拟的；(3)电化学反应所用的氧化剂或还原剂是靠电极上失电子或得电 子来完成的，在反应体系中

17、除原料和生成物外通常不含其他反应 试剂。因此产物不会被污染，也容易分离和收集，因此，可得到 收率和纯度都较高的产品。对环境污染少。(4)电化学过程的电参数(电流、电压)便于数据采集、过程自 动化与控制，由于电氧化还原过程的特殊性，能制备出许多其它 方法不能制备的物质和聚集态，而且电解梢可以连续运转。不足之处：耗电量大、电解梢结构复杂、电极活性物质的寿命短、生 产管理和技术水平要求高。2 .电导率的物理意义：是电极面积各为1cm2,两电极相距1cm时溶 液的电导，其数值与电解质种类、溶液浓度及温度等因素有关。3 .不论强、弱电解质，浓度增大时，电导率均呈现 先增加后降低 的趋 势。4 .电动势的

18、大小与温度、压力、浓度以及热力学状态函数等因素有关。5 .电位序有较大的实用意义：由电位序可知，在标准情况下氢前面的金属都是容易氧化的金属，氢后面的是难氧化的金属，前面的金属能把电位序表中排在后面的金属从盐溶液中置换出来；可计算由任何两组金属组成的电池的电动势。6 .发生反应物价态的增加即氧化反应，这个金属电极即为阳极 。在与电源负端连接的电极金属上电子充足，因此， 发生反应物质价态的降低即 还原反应，这个金属电极即为负极 。7 .电极上产生超电位的原因：( 1)浓差过电位；( 2)电阻过电位；( 3)活化过电位8 .电解过程大致可分为以下三类：(1)金属电极过程，包括金属电沉积和金属溶解，如

19、 Ni2+2e=Ni (镀 镇的阴极过程)和Cu (粗铜)=Cu2+2e (铜电解精炼的阴极过程)；(2)气体电极过程，如电解盐酸溶液的阴、阳极反应2H2+2e=H2 和2Cl-=Cl2+2e；电解氧化还原过程，如 MnO42-+e MnO等。9 .电解合成的适用范围在水溶液、非水溶剂和熔融盐中，通过电氧化或电还原过程可以合成出多种类型与不同聚集状态的化合物和材料，主要一下几个方面：(1) 电解盐的水溶液和熔融盐以制备金属、某些合金和镀层；(2) 通过电化学氧化过程制备最高价和特殊高价的化合物；(3) 含中间价态或特殊低价元素化合物的合成；(4) C、B、Si、P、S、Se等二元或多元陶瓷型化

20、合物的合成(5) 非金属元素间化合物的形成；(6) 其它方法难以合成的混合价态化合物、簇合物、嵌插型化合物、 非计量氧化物。例如：合成纳米材料、电极材料、功能材料、超导材料等。10 .电解合成设备进行电解的装置叫 电化学反应器，又名电解池，工业上称电解梢，高 温熔盐体系叫电解炉。电解合成最基本的装置包括 5部分：电源、阴极和阳极、电解容 器、电压测量仪表、电流测量仪表。11 .几个重要的电解合成术语(1)电流效率(”)；(2)电能耗；(3)电能效率(，)；(4)时空产率 12.电解合成工艺流程通常包括电解合成前处理、电解合成、电解合 成后处理各步，其中电解合成是最重要的步骤。13 .水溶液中电

21、沉积金属时电解液的组成必须符合以下几个要求：(1)含有一定浓度的欲得金属的离子，并且性质稳定；(2)电导性能好；(3)具有适于在阴极析出金属的pH值；(4)能出现金属收率好的电沉积状态；(5)尽可能少地产生有毒和有害气体。14 .熔盐特性(1)高温离子熔盐对其它物质具有非凡的溶解能力：一些用一般湿 化法不能进行反应的矿石、难熔氧化物和渣，以及超强超硬、高温难 熔物质，可望在高温熔盐中进行处理。(2)熔盐中的离子浓度高、粘度低、扩散快、导电率大，从而使 高温化学反应过程中传质、传热、传能速率快、效率高。(3)金属/熔盐离子电极界面间的交换电流i0特别高，达到 1-10A/cm2使电解过程中的阳极

22、氧化和阴极还原不仅可以在高温高速下进行，而且能耗低；动力学迟缓过程引起的活化过电位和扩散过 程引起的浓差过电位都较低，熔盐电解生产合金时，往往伴随去极化 作用。(4)常用熔盐作为溶剂，用于电解制备金属等。(5)不少熔盐在一定温度范围内具有良好的热稳定性，它可使用 的温度区间从100c1100c (有的更高)，可根据需要进行选择(见 表 3.8)。(6)熔盐的热容量大、贮热和导热性能好；(7)某些熔盐耐辐射；(8)熔盐的腐蚀性较强。15.阳极效应是指：端电压急剧升高、电流则强烈下降，同时， 电解质与电极之间呈现润湿不良现象，电解质好像被一层气体膜隔开 似的，电极周围还出现细微火花放电的光圈。16

23、.应用举例1.氯碱生产；2.熔盐电解制备铝；3.铝电解过程中的阳极效应；第四章化学气相沉积1 .化学气相沉积：乃是通过化学反应的方式.利用加热、等离子激 励火光辐射等各种能源，在反应器内使七台或蒸汽状态的化学物质在 气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。这种技术可以提高材料抵御环境作用的能力， 如提高材料表面的硬 度、耐磨性和耐腐蚀性；他还可以赋予材料某些功能特性，包括光、 电、磁、热、声等各种物理和化学性能。2 .化学气相沉积法的概念：化学气相沉积简单来说就是两种或两种以 上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反 应，形成一种新的材料，沉积到气体表面上。从气相中

24、析出的固体的 形态主要有以下几种：在固体表面上形成薄膜、晶须和晶粒，在气体中形成粒子。3为适应CVD技术的需要，选择原料、产物及反应类型等通常需满足以下几点基本要求：(1)反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸汽压 而易于挥发成蒸汽的液态或活固态物质，且有很高的纯度；(2)通过沉积反应已与生成所需要的材料沉积物，其他副产物均易 挥发而留在气相排出或易于分离；(3)反应易于控制。4化学气相沉积法的原理：是通过化学反应的方式,利用加热等离子 激励火光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质 在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。化学气相沉积反应技术的反应原理：C

25、VD是一种材料表面改性技术。 它利用气相间的反应，在不改变基体材料的成分和不削弱基体材料的 强度条件下，赋予材料表面一些特殊的性能。用于化学气相沉积技术的通反应类型通常有如下五种：(1)热分解反应；原理：是最简单的沉积反应。利用热沉积反应沉积材料一般在简单的 单温区炉中进行，其过程通常是首先在真空或惰性气氛下将衬底加热 到一定温度，然后导入反应气态源物质使其发生热分解， 最后在衬底 上沉积出所需的固态原料。热分解法可应用于制备金属、半导体以及绝缘材料等。(2)氧化还原反应沉积；(3)化学合成反应沉积；(4)化学输运反应沉积；(5)等离子体增强的反应沉积。化学气相沉积法合成生产的工艺种类包含的系

26、统：一般而言，任彳BfCVD系统，均包含一个反应器、一组气体传输系统、 排气系统及工艺控制系统等。第五章定向凝固技术1 .定向凝固:在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和凝固熔体中 建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝 固，获得具有特定取向柱状晶的技术。2 .定向凝固技术的工艺参数：（1）凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度 GL ;（2）固液界面向前推进的速度R ;（3） GL/R值是控制晶体长大形态的重要判据。3定向凝固基本原理：即利用晶体的生长方向与热流方向平行且相反 的自然规律在铸型中建立特定方向的温度梯度， 是熔融合金沿着与热 流方向相反的方向，按照要求的结晶

27、取向进行凝固的结晶工艺。4.传统定向凝固技术：（1）发热剂法；（2）功率降低法（PD法）；（3） 高（快）速凝固法（HRS）; （4）液态金属冷却法（LMC法）；（5） 流态床冷却法（FBQ法）。用什么冷却？?第六章低热固相合成1 .固相反应：广义:指由固态物质参加的反应。狭义：有固体物质直接参加的反应，它既包括固-固反应， 也包括固-气反应和固-液反应。2 .根据固相化学反应发牛的温度将固相化学反应分为三类： （1）低热固相反应（反应温度 100 C）;(2)中热固相反应(100 CX反应温度 600 C);(3)高热固相反应(反应温度 600 C).3.20世纪90年代中期，Kaupp等通

28、过原子力显微镜观察有机固相反 应，提出了三步反应机理，即 相重建、相转变、晶体分解或分 离。 4.新泉领导的研究小组1988年开始报导“固态配比化学反应研究” 系列。5.低热固相合成影响因素分析：(1)固体结构对其反应性的影响；(2)固体的Tammann温度对其反应性的影响；(3)反应温度对低温固相合成的影响；(4)外力作用对固相反应的影响；(5)颗粒尺寸影响；(6)杂质的影响；(7)固体缺陷的影响；(8)结晶水的影响。第七章热压烧结1 .尧U 是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总称。2 .烧结过程可以分为两大类：(1)不加压烧结；(2)加压烧结3 .热压烧结的原理：(1)固体粉末烧结的过

29、程和特点坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩，致密度提高，强度 增加烧结程度可以用坯体收缩率、气孔率或体积密度与理论密度之 比等来表征。在热力学上，所谓烧结是指系统总能量减少的过程根据其变化特点来划分烧结阶段:烧结初期烧结中期烧结后期(2)固体粉末烧结的本征热力学驱动力(1)本征过剩表面能驱动力可以用下述简单方法估计本征过剩表面能驱动力数量级。假定烧结前粉末系统的表面能为 Ep,烧结成一个致密的立方体后的表面能为Ed,忽略形成晶界能量的消耗，则本征驱动力为：A=代入晶体材料的摩尔质量 Wm(g/mol),固-气表面能丫 sv(J/m2),粉末比表面Sp(cm2/g),致密固体密度d(g/cm3

30、),则有：_ ) 1 =/ |-I1 I ， I由于'',则可近似为要想在适当的烧结时间内获得烧结体的充分致密化， 粉末颗粒系统应当满足下式关系：式中Dv体积扩散系数，cm2/ss2a粉末粒度，pm例如，Dv的数量级为10-12cm2/s,则粉末粒度要在1区m左右。如 果Dv太低，则某些共价键材料（如Si的Dv为10-14cm2/s）若要充分 地烧结致密化就要求使用粒度 0.5 w m左右的粉末。一般金属粉末的Dv比陶瓷粉末的Dv大，因而金属粉末的粒度可以 粗些.而陶瓷则须细粉末才能获得好的烧结结果， 这与烧结经验是完 全吻合的。（2）本征Laplace应力除了松散烧结（也称重力烧结）之外，粉末总是在被压制成某种形状 的压坯后再进行烧结的；这样的颗粒系统就有另外两个本征的特点： 颗粒之间的接触相颗粒之间存在着空隙”或称孔洞；系统表面的减少。自由能的降低主要是通过孔洞的收缩来实现的。烧结开始时，孔洞的形状并不是球形