功能材料设计作业

1、功能材料设计与制备作业第一章 绪论1、名词解释功能材料：指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。光电效应：在光的照射下，物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电现象。形状记忆合金：即拥有“记忆"效应的合金压电陶瓷：指某些陶瓷介质在力的作用下，产生形变，能引起介质表面带电的陶瓷超导材料：指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。智能材料：是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。非晶态合金：合金原子呈长程无序的非结晶状态的合金。2、 请简述功能材料发展特点（结合实例进行论述）。 1) 金属功能材料发展特点

2、：开发比较早；被广泛应用，或具有广泛应用的前景；非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，极有发展前景。 2) 无机非金属功能材料发展特点：以功能玻璃和功能陶瓷为主；新型功能玻璃的发展以光功能玻璃为代表；功能材料之间的界限开始变得模糊。第二章 材料设计1、材料设计：是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。2、材料设计主要包含哪几个环节？1）建立材料性质数据库：确定材料功能特性和效用2）成分和组织结构设计：有经验法，半经验法与基本计算法3）合成和加工工艺设计：从微观到宏观尺度对结构予以控制4）使用性能设计第三章 粉体制备1. 选择合适的工

3、艺分别制备片状和球状-Al2O3粉体，写出制备方法、过程及如何控制粒径和纯度。1）制备高纯片状-Al2O3：以硫酸铝Al(NO3)3·9H2O(分析纯)和水溶性高分子为原料。将硫酸铝与水溶性高分子混合研磨均匀，放入烧杯中直接于150干燥箱中加热30min,得到面包状黄色蓬松状产物，该产物在10001200保温12h,获得高纯片状-Al2O3。可以通过控制球磨工艺得到不同粒径的片状-Al2O3。2）制备球状-Al2O3粉体：以硝酸铝、氨水为原料采用化学沉淀法制备出-Al2O3的前驱物-氢氧化铝,经过煅烧过程晶型转变及-Al2O3晶粒；其中通过在氧化铝前驱体里混入隔离相,得到需要的-Al

4、2O3纳米颗粒的粒径、分散性。2. 分别用沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳法、水热法和熔盐法设计制备SnO2纳米粉体，给出制备方法、实验流程和XRD及电镜图，并对比这五种方法的优缺点。1.水热合成法精确称量 0. 126 g草酸(1 mmoL)和 0.36 gCTAB(1 mmoL),搅拌溶解于25 mL水中,加入0.225g SnCl2·2H2O(1 mmoL),搅拌得到乳白色溶液,将溶液移入容积为100 mL的压力反应釜内, 160分别加热2 h、6 h、24 h。 待反应釜冷却至室温后将产物离心分离,用蒸馏水、无水乙醇分别洗涤三次,常温干燥即得到 SnO2纳米粉体。2.溶胶-凝胶法向

5、SnCl4水溶液中加入一定比例的有机分散剂，在适当温度下慢慢低价NH3·H2O直接形成SnO2溶胶为止，在该温度下静止老化后得到凝胶，将此凝胶离心分离，用蒸馏水洗去Cl-,采用有机试剂脱水和超声分散后，再经干燥、煅烧等热处理，研磨后得到SnO2纳米粉。主要流程见下图。3.微乳液法微乳液通常由表面活性剂, 助表面活性剂、油和水或电解质水溶液在适当的比例下自发形成的透明或半透明的、低黏度和各向同性的热力学稳定体系。潘庆谊等研究了阴离子表面活性剂组成的微乳液在纳米 SnO2气敏材料合成中的应用。实验结果表明,由 AES(丙烯腈/三元乙丙橡胶/苯乙烯共聚物)或 K12(十二烷基硫酸钠)和丁醇

6、组成的微乳液可得到平均晶粒粒度只有6 nm左右的均匀分散 SnO2粉体,用这种材料组成的气敏元件无需掺杂即具有较高的气体灵敏度。4.化学沉淀法化学沉淀法是将沉淀剂加入到包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中, 使溶液发生水解反应,形成不溶性的氢氧化物, 水合氧化物或盐类从溶液中析出, 然后将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去, 经过热分解或脱水处理, 就可以得到纳米尺度的粉体材料。采用超声-沉淀法, 以五水合四氯化锡为主要原料,氨水为沉淀剂,在2030 Hz的超声场中辐射。 得到的氧化锡粉体的平均晶粒尺寸为13 nm.该法制备的纳米 SnO2粉体分散良好,粒子分布均匀,团聚现象较少。 这四种方法的优缺点

7、比较如下表：3. 表面活性剂的分类及CMC、HLB的定义。按极性基团的解离性质分类 : 1、 阴离子表面活性剂 ：硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠 2、阳离子表面活性剂：季铵化物 3、两性离子表面活性剂：卵磷脂，氨基酸型，甜菜碱型 4、非离子表面活性剂： 脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦，聚山梨酯。 HLB：亲水亲油平衡,用以衡量表面活性剂分子中极性基、非极性基两部分的相对强度。CMC：临界胶束浓度，表面活性剂在溶液中形成胶束时的最低浓度。4. 熔盐法制备粉体时，盐的选择很关键，需要注意哪些问题？ 熔盐法中盐的种类对所制备粉体的形貌和性质非常关键，选择盐的种类时要遵循以下原则：1) 对晶体材料应具有足够大的

8、溶解度，一般应为1050wt。2) 在尽可能宽的温度范围内，不会形成稳定的其它化合物，所要的晶体是唯一的稳定相。3) 熔盐在晶体中的固溶度应尽可能小，为避免熔盐作为杂质进入晶体，应选用与晶体不易形成固溶体的化合物作熔盐。4) 应具有尽可能小的粘滞性，以利于溶质和能量的输运，从而有利于溶质的扩散和潜熟的释放，这对于生长高完整性的单晶是极为重要的。5)应具有尽可能低的熔点和尽可能高的沸点，以便选择方便的和较宽的生长温度范围。6)应具有很小的挥发性(除熔盐挥发法外)、腐蚀性和毒性。7)应易溶于对晶体无腐蚀作用的某种液体溶剂中，如水、酸或碱性溶液等，以便将生长得到的晶体从凝固的熔盐中分离出来。8)在熔

9、融状态时，其比重应尽量与结晶材料相近，否则上下浓度不均一，引起晶粒生长的不均匀。5. 简述球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨的工作原理及适用范围。1.球磨：利用介质和物料之间的相互研磨和冲击使物料粒子粉碎。小于1m的粒子达到20。2.振动磨：研磨介质对物料进行冲击、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。相应产品的平均粒径可达1m以下。 3.搅拌磨其粉碎原理与球磨类似。 适于制备轧膜成型和流延法成型用的浆料。 4.胶体磨：利用一对固体磨子和高速旋转磨体的相对运动所产生的强大剪切、摩擦、冲击等作用力来粉碎或分散物料粒子的。产品粒径可达1m。第四章 薄膜制备1、什么是物理气相沉积（PVD）？简单介绍其主要过程。定

10、义：在真空度较高的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质粒子（可以是原子、分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。主要过程包括气相物质的产生、运输与沉积。其技术关键在于如何将源材料转变为气相粒子。2、 真空蒸发系统主要由哪三个部分组成？哪个部分是最关键的，主要起什么作用？蒸发装置主要包括哪些类别？选择三种典型蒸发装置，比较其原理、特点和适用领域。 真空蒸发系统由真空室、蒸发源/蒸发加热装置、基片架及基片加热装置三部分构成；其中最为重要的是蒸发源/蒸发加热装置，其起到热源和支撑作用。 蒸发装置包括：电阻加热蒸发，闪烁蒸发，电子束蒸发，激光熔融蒸发，电弧蒸发等。 3、

11、与蒸发法相比，溅射镀膜主要有哪些优点和缺点？溅射装置可以按哪些特性分为哪些类别？选择三种典型溅射装置，比较其镀膜原理、工艺特点和适用领域。与蒸镀法相比，溅射法 优点：1.溅射的速度比蒸镀快很多.2.蒸镀不能控制厚度,而溅射可以用时间控制厚度.3.溅射法较蒸镀法适合大规模的生产4.薄膜与基底结合力比蒸镀强5.溅射的膜均匀,蒸镀的膜中心点厚,四周薄. 缺点：1.溅射比蒸镀工作真空低一个数量级,所以膜层的含气量要比蒸镀高.2.溅射不适用于低硬度材料,如非金属材料.3.溅射不适用于非导电材料.分类：溅射装置的比较：4、 简述化学气相沉积镀膜的概念及特征，基本分类如何？ 化学气相沉积：气态反应物在一定条

12、件下，通过化学反应，将反应形成的固相产物沉积于基片表面，形成固态薄膜的方法。5、 电化学镀膜与化学镀的区别是什么？ 电化学镀是电流通过在电解液中的流动而产生化学反应，在阳极或阴极上沉积薄膜的方法。 化学镀在无电流通过（无外界动力）时借助还原剂在金属盐溶液中使目标金属离子还原，并沉积在基片表面上形成金属/合金薄膜的方法。 两者本质区别：电镀：反应驱动力来自外加电场赋予的能量；化学镀：反应驱动力来自溶液体系自身的化学势！6、 为什么镀膜前要对基片进行严格的清洗？ 1）薄膜与玻璃结合力强弱直接与玻璃表面的干净程度有关系。 2）如不加清洗，在镀膜前看不到的脏污，会在镀膜后成为颜色不均匀现象。7、 真空

13、泵可分为哪两大类？简述各类真空泵类型及其工作压强范围。另分析说明实用的真空抽气系统为什么往往需要多种真空组成复合抽气系统？真空泵分为：旋片式机械泵和油扩散泵 两类。 1）旋片式泵分为：旋片式、定片式、滑阀式； 工作区间：单级：1051 Pa；双级：10510-2 Pa 2）油扩散泵工作区间：110-6 Pa。第五章 一维纳米材料1、简述一维纳米材料制备的六种思路。1）利用晶体本身各向异性的晶体结构；2） 引入液-固界面来降低晶种的对称性；3） 用各种具有一维形貌的模板；4） 用合适的包覆剂；5） 零维纳米结构的自组装；6） 降低微结构的尺寸。2、 热蒸发法制备一维纳米材料的基本过程。 原材料蒸发往管腔内通入载气在低温区放置衬底（催化剂）当蒸气到达衬底在衬底上生长出准一维纳米结构。3、简述VLS机制制备一维纳米材料的过程及所得产物特征。 VLS机制：气体原