材料合成与制备 - 复习资料（有答案）-

1、第一章溶胶-凝胶法名词解释1. 胶体(Colloid:胶体是一种分散相粒径很小的分散体系,分散相粒子的质量可以忽略不计,粒子之间的相互作用主要是短程作用力。2. 溶胶:溶胶是具有液体特征的胶体体系,是指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。分散粒子是固体或者大分子颗粒,分散粒子的尺寸为1nm-100nm,这些固体颗粒一般由103个-109个原子组成。3. 凝胶(Gel:凝胶是具有固体特征的胶体体系,被分散的物质形成连续的网络骨架,骨架孔隙中充满液体或气体,凝胶中分散相含量很低,一般为1%-3%。4. 多孔材料:是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。一、填

2、空题1.溶胶通常分为亲液型和憎液型型两类。2.材料制备方法主要有物理方法和化学方法。3.化学方法制备材料的优点是可以从分子尺度控制材料的合成。4.由于界面原子的自由能比内部原子高,因此溶胶是热力学不稳定体系,若无其它条件限制,胶粒倾向于自发凝聚,达到低比表面状态。5.溶胶稳定机制中增加粒子间能垒通常用的三个基本途径是使胶粒带表面电荷、利用空间位阻效应、利用溶剂化效应。6.溶胶的凝胶化过程包括脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。7.溶胶-凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。8.搅拌器的种类有电力搅拌器和磁力搅拌器。9.溶胶凝胶法中固化处理分为干燥和热处理。10.对

3、于金属无机盐的水溶液,前驱体的水解行为还会受到金属离子半径的大小、电负性和配位数等多种因素的影响。二、简答题溶胶-凝胶制备陶瓷粉体材料的优点?制备工艺简单,无需昂贵的设备;对多元组分体系,溶胶-凝胶法可大大增加其化学均匀性;反应过程易控制,可以调控凝胶的微观结构;材料可掺杂的范围较宽(包括掺杂量及种类,化学计量准确,易于改性;产物纯度高,烧结温度低等。第二章水热溶剂热法名词解释1、水热法:是指在特制的密闭反应器(高压釜中,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、溶剂热法:将水热法中的水换成有机溶剂

4、或非水溶媒(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。3、超临界流体:是指温度及压力都处于临界温度或临界压力之上的流体。在临界状态下,物质有近于液体的溶解特性以及气体的传递特性。4、微波水热合成:微波加热是一种内加热,具有加热速度快,加热均匀无温度梯度,无滞后效应等特点。微波对化学反应作用是非常复杂的,但有一个方面是反应物分子吸收了微波能量,提高了分子运动速度,致使分子运动杂乱无章,导致熵的增加,降低了反应活化能。二、填空1、在溶剂热条件下,溶剂的物理化学性质如密度、介电常数、粘度、分散性等相互影响,与通常条件下相差很大

5、。相应的,它不但使反应物(通常是固体的溶解、分散过程及化学反应活性大为增强,使得反应能够在较低的温度下发生;而且由于体系化学环境的特殊性,可能形成以前在常规条件下无法得到的亚稳相。2、超临界流体的密度、溶剂化能力、粘度、介电常数、扩散系数等物理化学性质随温度和压力的变化一十分敏感,即在不改变化学组成的情况下,其性质可由压力来连续调节。3、在一般情况下,水是极性溶剂,可以很好的溶解包括盐在内的大多数电解质,对气体和大多数有机物则微溶或不溶,水的密度几乎不随压力改变。4、微波水热的显著特点是可以将反应时间大大降低,反应温度也有所下降,从而在水热过程中能以更低的温度和更短的时间进行晶核的形成和生长,

6、反应温度和时间的降低,限制了产物微晶粒的进一步长大,有利于制备超细粉体材料。5、物质的介电常数越大,吸收微波的能力越强,在相同时间内的升温越大。在微波场中,能量在体系内部直接转化,水和醇类都有过热的现象出现。6、水热法是在百余年前由地质学家模拟地层下的水热条件研究某些矿物和岩石的形成原因,在实验室内进行仿地水热合成时产生的。7、水热法常用氧化物或者氢氧化物或凝胶体作为前驱物,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。8、晶粒粒

7、度是衡量粉体性能的一项重要指标,其大小的改变直接影响粉体的特性。尤其是粉体的晶粒度减小到纳米级时,粉体的特性产生较大的变化。因此降低粉体的晶粒粒度对制备纳米粉体和纳米陶瓷具有十分重要的意义。9、影响水热反应的因素有温度、压力、保温时间及溶液组分、pH 值、有无矿化剂和矿化剂种类。所有这些因素都将影响最终产物的大小、形貌、物相等性质。水热反应温度是化学反应和晶体生长的重要影响因素,它决定反应速率常数的大小。简述题1、简述水热与溶剂热合成存在的问题?(1水热条件下的晶体生长或材料合成需要能够在高压下容纳高腐蚀性溶剂的反应器,需要能被规范操作以及在极端温度压强条件下可靠的设备。由于反应条件的特殊性,

8、致使水热反应相比较其他反应体系而言具有如下缺点:a·无法观察晶体生长和材料合成的过程,不直观。b·设备要求高耐高温高压的钢材,耐腐蚀的内衬,技术难度大温压控制严格、成本高。C·安全性差,加热时密闭反应釜中流体体积膨胀,能够产生极大的压强,存在极大的安全隐患。(2水热反应的反应机理还有待分析,目前,晶体生长机理的理论体系在某些晶体生长实践中得到了应用,起到了一定的指导作用。但是,迄今为止,几乎所有的理论或模型都没有完整给出晶体结构、缺陷、生长形态与生长条件四者之间的关系,因此与制备晶体技术研究有较大的距离,在实际应用中存在很大的局限性。2、与水热法相比,溶剂热法具有

9、怎样的特点?(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的原料的范围大大扩大,如氟化物、氮化物、硫属化合物等均可作为溶剂热反应的原材料;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

10、位络合作用、热稳定性等,为人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,提供了许多值得研究和探讨的线索。第三章电解法名词解释1. 超电位:实际开始分解的电压往往要比理论分解电压大一些,两者之差称之为超电压。2. 阳极效应:在某些熔盐点解过程中,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。3 电位序:各元素按照它们的标准电极电位数值的大小排列出来的顺序。二、填空题1. 无机物电解反应可分为电还原和电氧化两大类。2. 依结构与功能的不同,隔离器(separator大致分为隔板、多孔隔

11、离器和隔膜和离子交换膜3种类型。3. 电化学反应器一般由阴极、阳极、电解质溶液和隔离器组成。当电流通过反应器时,溶液中的离子在电场作用下发生迁移,电极上则发生电子传递反应,从而构成电流回路。4. 通常所说的电解液按其组成及结构可分为电解质溶液和熔融电解质两大类。电解质溶液按溶剂不同又分为电解质水溶液和非水电解质溶液。5. 电极过程大致可分为以下三类:金属电极过程、气体电极过程和电解氧化还原。6. 电解槽中的离子导体除常见的电解质溶液外,尚有熔盐、固体电解质或超临界流体等。三、简答题1、电极上产生超电位的原因有哪些?影响超电位的因素?原因:(1浓差过电位:由于电解过程中电极上发生了化学反应,消耗

12、了电解液中的有效成分,使得电极附近电解液的浓度和远离电极的电解液的浓度(本体浓度发生差别而造成。(2电阻过电位:由于电解过程中在电极表面形成一层氧化物的薄膜或其他物质,对电流的通过产生阻力而引起的。(3活化过电位:由于在电极上进行的电化学反应速率往往不大,易产生电化学极化,从而引起过电位。在电极上有氢或氧形成时,活化过电位更为显著。电解时所观察到的过电位一般不是单纯的某一种,可能是三种都出现,应根据具体反应和实际情况而定。影响因素:(1电极材料;(2析出物质的形态:通常金属的超电压较小,气体物质的超电压较大;(3电流密度:电流密度增大,超电压随之增大。第四章气相沉积法一.名词解释1. 化学气相

13、沉积:是通过化学反应的方式,利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源,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。2. 物理气相沉积: 以物理机制来进行薄膜沉积而不涉及化学反应的沉积技术,所谓物理机制是物质的相变化现象,如蒸镀,蒸镀源有固态转化为气态溅镀,蒸镀源则由气态转化为电浆态。3. 氧化还原反应沉积:一些元素的氢化物有机烷基化合物常常是气态的或者是易于挥发的液体或固体,便于使用在CVD技术中。如果同时通入氧气,在反应器中发生氧化反应时就沉积出相应于该元素的氧化物薄膜。4. 化学合成反应沉积:由两种或两种以上的反应原料气在沉积反应器中相互作用合成得到

14、所需要的无机薄膜或其它材料形式的方法。二.填空1在MOCVD过程中,金属有机源(MO源可以在热解或光解作用下,在较低温度沉积出相应的各种无机材料,2.等离子增强反应沉积中,由于等离子体中正离子、电子和中性反应分子相互碰撞,可以大大降低沉积温度,例如硅烷和氨气的反应在通常条件下,约在850左右反应并沉积氮化硅,但在等离子体增强反应的条件下,只需在350左右就可以生成氮化硅。3. 其他各种能源例如利用火焰燃烧法,或热丝法都可以实现增强反应沉积的目的。不过燃烧法主要不是降低温度而是增强反应速率。利用外界能源输入能量有时还可以改变沉积物的品种和晶体结构。例如,甲烷或有机碳氢化合物蒸汽在高温下裂解生成炭

15、黑,炭黑主要是由非晶碳和细小石墨颗粒组成。第五章定向凝固技术一、名词解释1.定向凝固:在凝固过程中采用强制手段,在凝固金属和为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. 超高温度梯度定向凝固:这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合,利用感应加热机中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。3. 电磁约束成形定向凝固:该技术是将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料,并利用在金属熔体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形,获得特定形状铸

16、件的无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。二、填空1. 柱状晶包括柱状树枝晶和胞状柱晶。这种柱晶组织大量用于高温合金和磁性合金的铸件上。2. 定向凝固过程的两个基本环节是加热和冷却。3. 电磁约束成形定向凝固包括无接触电磁约束和软接触电磁约束两种方案。4. 结晶体本身的界面晶体学各向异性的差异程度,决定了初始的晶体学取向。讨论题:1.简述获得定向凝固柱状晶的基本条件?合金凝固时热流方向必须是定向的。在固液界面应有足够高的温度梯度,避免在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心,使径向横向生长受到限制。另外,还应该保证定向散热,绝对避免侧面型壁生核长大,长出横向新晶体。因此,要尽量抑制液态合金的形

17、核能力。提高液态金属的纯洁度,减少氧化、吸气形成的杂质污染是用来抑制形核能力的有效措施。但是,对于某些合金系,常规化学组成中含有很多杂质,以致即使采用很高的GL/R比值,都不足以使液体合金的成核得到抑制。2.简述定向凝固技术的不足?(1工业上广泛应用的快速凝固法,其温度梯度只能达到100K/cm左右,凝固速率很低,导致凝固组织粗大,偏析严重,致使材料的性能潜力没有得到充分发挥。(2ZMLMC法虽然可以达到较高的温度梯度,使组织细化,材料的性能显著提高,但尚只能使用于实验室研究,无法实现工业生产。(3目前凝固工艺都是利用熔模精铸型壳室合金成形的,粗厚、导热性能差的陶瓷模壳一方面严重降低合金熔体中

18、的温度梯度及凝固速率,另一方面,模壳材料在高温条件下对合金产生污染,降低材料性能。第六章低温固相合成一、名词解释1. 低温固相反应:反应温度低于100的固相化学反应。2. 固配化合物:低热固相配位化学反应中生成的有些配合物只能稳定地存在于固相中,遇到溶剂后不能稳定存在而转变为其它产物,无法得到它们的晶体,因此表征这些物质的存在主要依据谱学手段推测,这也是这类化合物迄今未被化学家接受的主要原因。将这一类化合物称为固配化合物。二、填空1. 固相化学反应能否进行,取决于固体反应物的结构和热力学函数。2. 延伸固体按连续的化学键作用的空间分布可分为一维、二维和三维固体。3. 固相化学反应根据固相化学反

19、应发生的温度分低热固相反应、中热固相反应和高热固相反应反应。4. Kaupp等通过原子力显微镜观察有机固相反应,提出了三步反应机理:相重建、相转变、晶体分解或分离。5. 按照参加反应的物种数,可将固相反应体系分为单组分固相反应和多组分固相反应。6. 杂质能影响反应物的缺陷结构,可以改变反应速率。并且有可能与反应物形成固溶体降低起始反应温度,使反应速率加快。7. 固体之间要发生反应必须使分子间有更多的机会发生接触。因此,研磨、高压或超声波等是增加分子接触,利于分子扩散的有效手段。8. 目前已知的六类非线性光学材料,即无机氧化物及含氧酸盐、半导体、有机化合物、有机聚合物、金属有机化合物、配位化合物

20、。第七章热压烧结一、名词解释1、烧结:随着温度的上升和时间的延长,固体颗粒相互键联,晶粒长大,空隙(气孔和晶界渐趋减少,通过物质的传递,其总体积收缩,密度增加,最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体。2、热压烧结:热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。3、固相烧结:是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定的气氛保护下,保温一段时间的操作过程。4、热等静压:是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。二、填空1、烧结可以分不加压烧结和加压烧结。2、烧结时所设定的温

21、度为烧结温度,所用的气氛称为烧结气氛,所用的保温时间称为烧结时间。3、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。4、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。5、在热力学上,所谓烧结是指系统总能量减少的过程。6、一般烧结过程,总伴随着气孔率的降低,颗粒总表面积减少,表面自由能减少及与其相联系的晶粒等变化。7、烧结中期有明显的传质过程。8、决定烧结致密化速率主要有三个参数:颗粒起始粒径、粘度、表面张力。9、溶解-沉淀传质过程的推动力是细颗粒间液相对毛细管压力。10、热等静压的压力传递介质为惰性气体。11、热压烧结工艺制度有最高烧结温度、保温时间、降温方式

22、、气氛的控制、压力。12、烧结温度、时间和物料粒度是三个直接影响热压烧结的因素。三、简述题1、简述影响热压烧结的因素?烧结温度、时间和物料粒度是三个直接影响热压烧结的因素。因为随着温度升高,物料蒸汽压增高,扩散系数增大,粘度降低,从而促进了蒸发-凝聚、离子和空位扩散以及颗粒重排和黏性塑性流动过程,使烧结加速。这对于黏性流动和溶解-沉淀过程的烧结影响尤为明显。延长烧结时间一般都会不同程度地促进烧结,但对黏性流动机理的烧结较为明显,而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。(1温度和保温时间的影响(2压力的影响(3物料的影响(4气氛的影响(5液相的影响(6添加剂的影响2、简述扩散传质的影响因素?影响扩散

23、传质的因素比较多,如材料组成、材料的颗粒度、温度、气氛、显微结构、晶格缺陷等,其中最主要的是温度和组成。在陶瓷材料中阴离子和阳离子两者的扩散系数都必须考虑在内,一般由扩散较慢的离子控制整个烧结速率。加入添加物,增加空位数目,也会因扩散速率变化而影响烧结速率。第八章自蔓延合成一、填空题1、自蔓延高温合成方法的最早应用是黑色炸药。2、自蔓延高温合成,或称燃烧合成。4、用自蔓延高温合成技术可制备许多新型材料,如功能倾斜材料、蜂窝状陶瓷材料、单晶体超导材料、各向异性材料、金属间化合物及金属陶瓷等复合材料。5、SHS复合技术系统包括SHS制粉技术、SHS烧结技术、SHS致密化技术、SHS冶金技术、SHS

24、焊接技术和SHS气相传质涂层技术等。6、SHS技术而临的最大问题是合成过程难以控制。7、根据SHS燃烧波传播的方式,可将SHS分为自蔓延和“热爆”两种方式。8、非稳态SHS过程根据波的特征,又可分为振荡燃烧、螺旋燃烧、表面燃烧和重复燃烧。9、在SHS合成过程中,实现由反应物结构转化为产物结构的区域是燃烧区。10、SHS合成中的固-固反应,对于指定的材料体系,预加热温度和颗粒大小是影响合成产品的主要因素。11、在SHS合成过程中,如果需要加压,则加压方式有单向加压、等静压、准等静压及动态加载法。12、SHS烧结技术技术适用于制备多孔材料、氮化物材料、耐火材料和建筑材料。13、常用的SHS致密化技

25、术有液相致密化技术、SHS粉末烧结致密化技术、SHS结合压力致密化技术。14、根据机械加压的方式不同,可将机械加压密实化技术分为弹簧机械加压、燃烧合成热压、液压传动的快速加压等。二、名词解释1、自蔓延高温合成:是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导来合成材料的一种技术,当反应物一旦被引燃,便会自动向尚未反应的区域传播,直至反应完全,是制备无机化合物高温材料的一种新方法。2、SHS烧结:直接完成所需形状和尺寸的材料或物件的合成与烧结,是将粉末或压坯在真空或一定气氛中直接点燃,不加外载,凭自身反应放热进行烧结和致密化。三、简述题1、要成功地进行离心熔铸,应满足的条件有哪些?可燃的SHS混合物;燃烧产物为高温熔体;燃烧温度高于基体的熔点;涂层和基体之间可形成冶金结合。SHS离心铸造工艺的主要技术参数有SHS混合物的燃烧温度、产物的熔