四川大学新型无机材料习题答案

1、第一部分1Sol-Gel(水解聚合)法制备材料的工艺过程（1）均相溶液的制备；（2）溶胶的形成；（3）凝胶化过程；（4）凝胶的干燥；（5）干凝胶的热处理；2Sol-Gel技术的特点和优势 Sol-Gel法的实质是采用介观层次上性能受到控制的源物质(Sol)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态、几何构型、粒级和均匀性等进行控制。它具有下列特点和优势：（1）合成温度低l 比传统方法低400500l 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分的特殊性能玻璃的制备成为可能l 烧结温度大幅降低，可制备一些用常规方法难以制备的高温陶瓷材料（2）制品形式多样l

2、 纤维、薄膜、多孔陶瓷分离膜、纳米复合材料；超微粉体、气凝胶；致密（多孔）陶瓷/玻璃、高分子复合陶瓷/玻璃。（3）特别适于薄膜和纤维制备；（4）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；（5）设备简单，工艺灵活，制品纯度高。3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 体、平衡等离子体和非平衡等离子体之间是什么关系？ 低温等离子体包括两类: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4激光的主要特点1）单向性：方向完全一致的轴向光2）单色性：频率只对应21(E2-E1)/h3）超高光强：能在几微米至几十微米直径范围内，产生

3、几万乃至几百万度高温第二部分1何为超微粉、表面效应、小尺寸效应？ 超微粒子的粒径介于原子团簇(1nm)和机械粉碎极限粒径(1m)之间，是纳米粒子(1100nm)和亚微米粒子(0.1 1m)的统称，其集合体即为超微粉体，涵盖了纳米粉和亚微米粉两类物性差异明显的粉体材料 表面效应：表面原子的特性与内部原子炯异,普通粉体由于比表面小,表面原子所占比例和其对粉体物性的影响均可忽略不计; 但粉体超微化至纳米尺度后,表面原子所占比例急上升,从而使物性发生巨大变化,此即表面效应。小尺寸效应：纳米粉的尺寸与光波和电磁波的波长同量级，使其对光波和电磁波的吸收增强，反射性大大减弱。同时粒径的减小，还会使粒子的电子

4、能级或能带结构发生变化。按金属粒子导电电子数(N)与能级间距()间的久保关系： 对于普通粉体，N, 0；而纳米粒子的N为有限数值，由此产生的能级分裂和能隙增大将使纳米粉的光、热、电、磁等物理性质发生显著变化，此即小尺寸效应。2与同质普通材料相比，超微粉的物性主要发生了哪些显著变化？（1）熔点、烧结和晶化温度降低（2）磁性能增强（3）对光和电磁波的宽频带强吸收（4）催化活性大大增强3气相制备超微粉的主要方法气相法按组成质点产生方式可以分为蒸发凝聚法和反应凝聚法，它们又分为下述方法：4何为直接沉淀、均匀沉淀、超临界干燥和微乳液合成？1）直接沉淀法：直接沉淀出目标产物的方法，其特点是无需煅烧，粒度可

5、控性好，比如BaTiO3。2）均匀沉淀法：沉淀剂在溶液内缓慢、均匀生成的方法，其特点是粉体化学均匀性好，烧结活性高，如过渡金属的氧化物、硫酸盐等。3）超临界干燥就是在使湿沉淀中的溶剂处于超临界状态下，通过恒温减压排除流态化的溶剂实现干燥；4）微乳液合成：微乳液是由表面活性剂、助表面活性剂 (醇类)、油相和水相组成的、外观透明的W/O型乳液，乳液颗粒大小在几至几十纳米之间，尺寸相对稳定，即使动态破裂，也会迅速重组。这种微乳液滴如同一个个微型反应器，使内部水相中生成的固体粒子大小受制于微乳液滴的尺寸。两种微乳液混合时，由于乳液颗粒间的碰撞、融合与破裂，不同液滴间发生物质交换，遂反应形成钴铁氢氧化物

6、。经分离、甲醇-氯仿混合溶液洗涤除去油相、干燥和煅烧，得到粒径小于50nm的CoFe2O4 第四章 一维材料1 何为晶须？其主要特点及用途1）晶须：在人工控制条件下，以近似单晶形式生长的一种短纤维材料。2）特点：晶体结构近乎完整，强度亦接近理论值。因其亚微米级直径很难容纳普通晶体材料常有的各种缺陷3）用途：主要用作复合材料强化剂，以增强金属、陶瓷、树脂、玻璃等的强度和韧性。如晶须强化增韧的陶瓷刀具，晶须强化的高比强金属和塑料用于航空航天结构材料、建材和体育器材；强化增韧玻璃用作机械防腐耐磨衬材等。2SiO2碳热还原制晶须的主要反应和机制经酸处理和碳化稻壳既作硅源又作碳源形成的核有两种“命运”：

7、1）独立晶核，长成晶粒；2）嵌入熔媒液滴，按VLS机制长成晶须 2）VLS机制：在反应温度有熔媒液滴作晶须“孵化器”，晶须原料气体先溶入熔媒液滴，至一定过饱和度后，便在成核势垒较低的固液界面处析出核晶，并在生长过程中逐渐将液滴抬起，最终生长为晶须。3试述光纤通信的原理和特点1）全反射原理：当光束从光密介质入射进入光疏介质，同时发生界面反射和折射，其中折射角随着入射角增大而增大，当入射角达到某一临界值时，折射角变为，不再发生折射而全部反射回原来介质的现象。为满足全反射条件，光纤可做成折射率芯高、外低的阶梯型结构或折射率逐渐递减的分级结构。2）特点：容量大、封闭传输、损耗小、抗干扰能力强、保密性好

8、4光纤是怎样制造的？光纤的制造分为制预制棒和用预制棒拉制光纤两部分，制造方法的不同主要体现在预制棒上，有管内沉积法、管外沉积法和双坩锅法之分。管内法的所有制作过程均在封闭的空间内进行，杂质不易进入，适于制造低损耗光纤。但该法预制棒的尺寸无法做得很大，因而光纤的连续长度受到限制管外法便于制作大预制棒，可连续拉制出很长的光纤，是光纤得高效制造方法。双坩埚法：将纤芯玻璃和包层玻璃分别加入内外坩埚，在制造渐变型光纤时，决定玻璃折射率的离子在双坩锅的喷嘴处进行热扩散交换，实现折射率的连续变化。并且只要连续向双坩锅中添加材料，就可连续地生产光纤。 5何为碳纤维？其主要特点是什么？碳纤维是有机纤维经热解、碳

9、化而成的一种纤维状高聚碳。特点：比重小，沿纤维方向具有很高的抗张强度和杨氏模量。6制备PAN基碳纤维有哪几个工艺环节？1）预氧化（最重要的工艺步骤，充分与否对产品性能影响很大）200300 ，空气中，张拉原纤（防止纤维收缩，促使结构择优取向），得到黑色、遇火不燃的预氧化纤维。2）碳化与石墨化：预氧化纤维在N2氛围脱水缩合得高强型碳纤维；在Ar氛围脱氢石墨化得高弹型纤维（石墨纤维）。3）表面处理：为促进碳纤维与基体间的有效结合，常需对碳纤维进行表面处理包括1）表层活化：a.通过氧化腐蚀使表面粗化b.表面接枝活性基团2）表面涂层：a.保护性涂层b.相容性涂层具体工艺流程图如下：第五章 薄膜7蒸镀、

10、溅射、离子镀的基本原理，相互间的特点比较及其优势应用领域答：1）基本原理a.蒸镀：将加热蒸发的气态镀料凝聚沉积于基材表面来制取薄膜。b.溅射：用荷能粒子（一般采用离子）轰击镀料（靶），使击出的气态镀料在基片（工件）表面沉积成膜。原理：入射离子撞击靶面原子时产生弹性碰撞，把动能传给靶面原子，该原子又将获得的动能向内部其他原子传递，经一系列的级联碰撞，使其中某一原子获得指向靶面外的动量，并克服表面势垒，脱离靶面c.离子镀：在基体上施加偏压，使蒸发气放电电离。利用产生离子对基体和覆盖层的持续轰击作用进行真空镀膜的方法。2）特点对比蒸镀：气态镀料粒子的能量低(0.040.2eV)，蒸镀薄膜的附着强度在

11、三种 PVD 中最低，只适于镀制对附着强度要求不高的纯金属薄膜溅射：镀料粒子能量高(约10eV)，较高的能量有利于膜基结合，而且沉积粒子在基片表面的迁移率也大，膜层致密。可镀制纯金属膜和合金膜（多靶溅射或采用合金靶）。离子镀：膜基结合牢固，膜层致密。(a.成膜之初，击出的基材原子部分电离后返回靶面与膜材共混形成伪扩散层，缓和了界面应力，增大了附着强度；b.轰击产生的热效应强化膜基扩散结合；c.提高沉积面镀料粒子的迁移率，有助于膜层致密化；d.清洗基材表面，使其表面粗糙、活化，有利于膜基结合)3）应用领域蒸镀：适于镀制对附着强度要求不高的纯金属薄膜，如电极的导电膜、玻璃的装饰膜，尤以塑料薄膜镀铝

12、应用最多溅射： 除镀制纯金属膜外，溅射法镀合金膜也非常方便。既可采用多靶共溅射、通过控制各个靶的溅射参数得到一定成分的合金膜，也可以直接用合金靶溅射得到与靶成分完全一致的膜。离子镀：航空用固体润滑膜、涡轮叶片耐热镀层、防腐蚀镀膜、导电膜、硬化膜、装饰膜以及用于精密焊接、精微密封、表面修补。8什么是分子束外延？其特点和主要应用 1）概念：分子束外延（MBE）以蒸镀为基础发展起来的外延膜生长技术；是在超高真空条件下，用分子束或原子束输运源进行外延生长的方法。2）特点：1）由于系统超高真空，薄膜纯度高；2）源和衬底分别加热，生长温度低；3）生长速度低，原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；4）M

13、BE是一个动力学过程，可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体；5）可以原位检测，从而可严格控制薄膜的生长和性质；3）应用：镀制超薄膜（单层或有限分子层数）和超晶格膜，用于激光器和光电转换器。9金刚石有哪些性能特点？1）硬度最高；2）热导率最大；3）极高的电阻率；4）透光范围宽，透光率高；5）最佳的耐腐蚀与耐候性。10简述制备金刚石薄膜的技术关键根据碳的相图，热力学不利于形成金刚石薄膜，金刚石薄膜制备的关键是在制膜工艺中设法从动力学角度创造有利于金刚石相形成的条件，并有效抑制石墨和非晶碳相的生成。11何为类金刚石薄膜？简述其结构和性能特点类金刚石薄膜（DLC ）为含氢的非晶碳膜（a-C:H），具有

14、以下结构和性能：1） 结构:结晶状态以非晶态为主，含少量金刚石微晶相；键成分以sp3为主，亦有sp2和sp键存在；物相除DLC碳相外，通常还有金刚石相、 石墨相、C-H (sp2) 相和C-O (sp) 相； 2） 性能上，具有类似金刚石的高硬度、高热导率、高电阻率、良好的化学稳定性及从红外到紫外的高透光率，突出的生物相容性（血液相容性），且与金刚石薄膜相比，还具有沉积温度低、面积大、表面平滑、附着性好、对基材的适应性强等优势，比金刚石薄膜更易于也更适合于工业应用。第三部分第六章 高技术陶瓷及其制备方法1. 何为等静压成型、热等静压烧结、自蔓延高温合成？1）等静压成型是利用封闭容器内液体任一处

15、所受压力可等量传递至液体内部其他各处的帕斯卡原理，对密封于容器中的液体施压，进而作用于与液体接触的塑性模具(橡胶、塑料)，使密封于其中的粉体在各个方向均匀受压致密化的方法。2）热等静压烧结:由气体压缩机导入高压气体，通过加热炉对工件进行加热。根据帕斯卡定律高压气体将均衡作用于工件所有表面，于是在高温高压同时作用下，工件产生均匀收缩并烧结成制品。3）自蔓延高温合成:即通过引燃原料粉体(A、B)间的放热反应，利用反应热使邻近物料继发反应直至结束(自蔓延)，从而以极少的外供能量、极快的合成速率得到材料制品(AB)的低成本制备法。2. 微波烧结的原理和特点 1）原理：是将微波这一高频电磁场作用于陶瓷素

16、坯，使其内部的电性（离子、电子）或可极化组分剧烈运动（电导损耗）或易向极化(极化损耗)，由此产生的微观组分间的摩擦、碰撞等能量耗散作用（介质损耗）将微波能转化为热能，使坯体在短时间内迅速升至高温，实现快速烧结。2） 特点:烧结速度快；整体均匀加热；烧结温度低；烧结速度快；无热惯性；晶粒小；高效节能。第七章 纳米陶瓷1. 纳米陶瓷及其主要性能特点纳米陶瓷是多晶结构中晶粒尺寸为纳米量级（自然，其晶界、缺陷、孔隙尺寸亦在纳米级）的一类陶瓷。主要性能特点：1）高晶界扩散系数，且其扩散激活能与表面的扩散激活能相当；2）力学性能大大改善:a.强度、硬度大幅提高；b.常温下表现出较好的韧性和一定的延展性；c

17、.可望具有室温超塑性；3）电学性能增强:快离子导电性能，介电性能大为增强；4）新的光学性质:异常红外吸收、异常发光、非线性光学等。5) 热性能的变化: 纳米陶瓷的比热和热膨胀系数增大2. 制备纳米陶瓷的技术关键解决原粉纳米化带来的粉体团聚、素坯开裂和烧结过程中晶粒的快速长大等棘手的工艺难题采用无团聚纳米粉体是制备纳米陶瓷的必要前提 3. 纳米陶瓷的制备方法（综述或各例）包括粉体制备、成型和烧结，关键在于解决粉体团聚、素坯开裂和烧结晶粒快速长大等问题。具体包括以下几点：1）采用无团聚纳米粉体；2）采用造粒、分级递进式加压、超高压或脉冲高压以改进干法成型，或采用湿法成型。常用蒸发凝聚原位加压成型。

18、3）快速烧结（放电等离子体烧结、微波烧结、爆炸烧结）；同时抑制晶粒长大（热等静压烧结、超高压低温烧结）。4.纳米陶瓷的应用（综述或各例）1）防护材料。抗弹抗冲、抗爆震、抗击穿、抗烧蚀车辆装甲防护、防弹背心、高射速射武器；2）高温材料。高温抗氧化、低密度、高断裂韧性、抗蚀耐磨航空舰艇、军用涡轮发动机；3）人工器官。强度、韧性、硬度、生物相容性骨修复、骨置换4）吸收材料。纳米SiC高温吸波性隐身材料5）压电陶瓷。激光技术、传感技术、精密加工、计量检测等6）其它应用。具有自清洁和防雾功能的建筑陶瓷材料；储氢材料、热交换器、微孔过滤器第八章 高温超导陶瓷5.超导电性有哪些方面的表现？超导体在什么条件下

19、才具有超导电性？1）表现：零电阻（产生原因：库珀对的形成）；零电阻意味着电流可以在超导体内无损耗地传输抗磁性迈斯纳(W.Meissner)效应；置于外磁场中的超导体具有完全的抗磁性，即其表面会感生反向磁场阻止外磁场的穿透而使超导体的内部磁场始终为零，此即迈斯纳效应，是超导体独有的另一基本特性。利用这一特性，可以实现磁悬浮超导结约瑟夫逊(B.O.Josephson)效应；两块超导体被一层绝缘介质隔开时，只要绝缘层厚度小于约20埃，库珀对也应能穿过绝缘层产生没有电阻的超导隧道电流，即这样的结为超导结。2）同时处于临界温度Tc、载流密度Jc、临界磁场强度Hc三个临界条件以下才有超导电性6.超导材料的

20、应用领域及其材料基础1）基于零电阻的大电流、强磁场应用：高能粒子加速磁体、核磁共振谱仪中的超导磁体、稳定电网系统的超导贮能电抗器、磁悬浮列车、体积小、输出功率高的超导电机；2）基于抗磁性（迈斯纳效应）的应用：磁悬浮、导航用超导陀螺仪。3）基于超导结（约瑟夫逊效应）的应用：超导(结) 电子器件（逻辑开关电路）、超导量子干涉仪（地质勘探，航磁反潜）。第四部分第九章 无机复合材料1. 陶瓷复合强化增韧的途径1）陶瓷基粒子复合材料，添加一种或一种以上异相粒子是陶瓷采用最多的强化增韧改性方法，特点是工艺简单，粒子尺寸及分布容易控制，成效明显。若采用纳米颗粒，可获得更好的强化增韧效果，如莫来石复合氧化锆颗粒；2）陶瓷基纤维复合材料（f-CMC），陶瓷中引入碳化硅、氮化硅、氧化铝纤维等无机纤维可大大增加强度，改善脆性，提高使用温度 。这类复合材料中纤维是承载成分基体起粘结纤维和传递力的作用。纤维拔出、纤维与基体解离、纤维的断裂消耗能量防止裂纹进一步扩展从而增强韧性。3）陶瓷基晶须复合材料（w-CMC），强化增韧主要是靠裂纹的偏折和晶须的拔出：导致裂纹偏折的增强相形状不同，增韧效果亦明显不同。当裂纹尖端的应力场使两相界面结合变得足够弱，就会产生晶须拔出现象。同时，在裂纹尖端处，晶须的桥联作用使应力集中显著降低