材料制备与合成
年级：09级
姓名：喻永强
班级：材料1班
学号：09140112
2013-1-7
新型萘系高效减水剂的合成
摘要：本文用廉价的草浆碱木素和萘等为原料合成新型萘系减水剂。在合成实验中，确定了合成新型萘系减水剂的适宜工艺条件，缩合时间和温度，以及最佳掺量。该新型萘系高效减水剂的合成解决了萘系减水剂坍落度损失过快的缺点，以及木素磺酸盐系减水剂缓凝现象明显，减水效果不足的缺点，使其具备两者的各自的优点，即减水率高、坍落度损失少、合成成本低。
关键词：萘；草浆碱木素；减水剂；合成；性能测试
1.前言
随着我国基本建设的迅猛发展，对建筑混凝土外加剂质量及施工工艺提出了更高的要求。高效减水剂主要有萘系、木素磺酸盐、三聚氰胺系和聚羧酸系等。至今为止，萘系减水剂依然占据主要地位。自从发明了萘系高效减水剂以来，该类高效减水剂已成为混凝土高效减水剂的主导产品。随着混凝土技术的不断发展，尤其是高性能混凝土的出现，要求所加入的高效减水剂应具有减水率高，流动性大，能有效的控制坍落度损失等功能，但是萘系高效减水剂虽然减水率高，流动性大，但是坍落度损失过快，不利于商品混凝土集中搅拌，直接影响到减水剂的使用效果；因此如何解决萘系减水剂坍落度损失过快的缺点已成为进一步推广应用该类高效减水剂必须解决的首要问题。而相反的木素磺酸盐坍落度损失少但减水效果低等不足，所以当前国内外十分重视提高萘系和木素磺酸盐系减水剂性能的研究。本文试图用廉价的草浆碱木素和萘为主要原料合成新型萘系高效减水剂，使其在生产过程中表现出性能互补而弥补其不足。
萘系减水剂是阴离子型高分子表面活性剂，具有较强的固液界面活性作用，其吸附在水泥颗粒表面后，能使水泥颗粒的（-负电位大幅度降低（绝对值增大）。因此萘系高效减水剂分散减水作用机理是以静电斥力作用为主，兼有其他作用力；萘系减水剂的气-液界面活性小，几乎不降低水的表面张力，因而起泡作用小，对混凝土几乎无引气作用；萘系减水剂由于不含有羟基（-OH），醚基（-O-）
等亲水性强的极性基团，故对水泥无缓凝作用。
萘系高效减水剂掺量为水泥的0.3%-1.5%，最佳掺量为0.5%-1.0%，减水率在15%-30%之间。由于萘系高效减水剂提高了拌和物的稳定性和均匀性，因此能减小混凝土的泌水。在混凝土中加入萘系高效减水剂，在水泥用量和水灰比相同的情况下，混凝土坍落度随该类减水剂的掺量增加而明显增大，而混凝土的抗压强度并不降低。在保持水泥用量及坍落度相同的条件下，减水率及混凝土抗压强度将随减水剂掺量的增大而增大，开始时增大速度较快，但当掺量达到一定值后，增大速度则迅速降低。萘系减水剂对不同品种的水泥的适应性强，可配制早强、高强和蒸养混凝土，也可配制免振捣自密实混凝土。保持混凝土的坍落度与强度不变，掺入水泥质量的0.75%的该类减水剂，可节约水泥约20%。采用萘系减水剂配制的混凝土，不但抗压强度有明显的提高，而且抗拉强度、抗折强度、棱柱强度和弹性模量均有相应的提高，并且对钢筋无锈蚀作用，同时具有早强作用。萘系高效减水剂用于减少混凝土用水量而提高强度或节约水泥时，混凝土收缩值不小于不掺的空白混凝土；用于增大坍落度而改善和易性时，收缩值略高于或等于不掺的空白混凝土，但也不会超过技术指标规定的限制1×10-4。萘系高效减水剂对混凝土徐变得影响与对收缩影响的规律相同，指示当掺高效减水剂而不节约水泥时，抗压强度明显提高，而徐变明显减小。萘系高效减水剂能显著提高混凝土的抗渗性能，对抗冻性能、抗碳化性能均有所提高。
2.实验部分
2.1 主要试剂：草浆碱木素：pH=11.13，硫含量1.14%；萘：分析纯；水泥：普通硅酸盐类；浓硫酸：≥98％；甲醛溶液：37.0%~40%；NaOH溶液：30%~45%。
2.2 主要仪器：三口烧瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，电热恒温水浴锅，电子天平，水泥净浆搅拌仪，温度计，滴液漏斗，FT-IR Avatar 360，DMPY-2C型表面张力仪，JS94H型微电泳仪，DELTA320 pH计等。
2.3 合成原理：
（1）磺化反应
一般采用浓硫酸作为磺化剂，磺化反应如下
为提高B一萘磺酸的产率，要控制好反应条件，实验证明，温度在160~1 65℃，磺化时间2小时，萘与H
SO．的摩尔比在1：1．3～1．4时为宜。
2
（2）水解反应
在磺化时不可避免的生成一部分a-萘磺酸，a-萘磺酸不利于缩聚反应，需将a-萘磺酸转化为β-萘磺酸以利于缩聚反应，在120℃左右水解，酸度控制在30 左右，水解时间 0．5h为宜。
（3）合成反应
β-萘磺酸与碱木素在甲醛条件下缩聚反应
（4）碱液中和反应
在磺化和缩聚过程中均有过量硫酸未反应，这些残余硫酸以及反应生成的烃基磺酸盐在合成的最后阶段用碱类将他们中和成盐。
2.4 实验方法
2.4.1 新型萘系减水剂的合成
(1) 磺化反应：将计量的固体萘加热至熔化并不停搅拌，加入计量的浓硫酸，控制温度。
(2) 水解反应：降温，加计量的水，反应30 min。
(3) 将计量的β-萘磺酸加热熔化，加入计量的草浆碱木素，补加浓硫酸，并加入甲醛，控温。
(4) 中和反应：用氢氧化钠溶液中和pH至7~9。
合成流程：
2.4.2 结构表征
用FT-IR Avatar 360表征合成的新型减水剂的结构。
2.4.3 减水剂性能研究
（1）测定表面张力
采用毛细管法测量减水剂溶液的表面张力。
（2）ζ电位的测定
本实验测ζ电位的方法为显微电泳法，使用WD-9408D 显微电泳仪测定。通过测定一定电场强度下固体颗粒在液相中的迁移方向和速度来判断ζ电位的极性和计算ζ的大小。
（3）表面吸附量
配制一定浓度的减水剂溶液，与水泥拌和3 min(W／C=4．O)，静置一段时间，去上层清液，用800型离心沉淀器(转速4000 r／rain)分离10 min，稀释分离出来的液相，用752型紫外一可见光分光光度计测定其浓度，根据吸附前后的浓度差计算吸附量。
（4）水泥净浆流动度
根据GB 8076一2010《混凝土外加剂匀质性试验方法》测试，W/C=O．35。测定水泥净浆流动度。
（5）混凝土性能
混凝土抗压强度按GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试；坍落度按GB50080--2002《普通混凝土拌和物性能试验方法》进行测试。
2.4.4 掺量的确定
在水灰比一定的条件下，比较不同掺量的水泥净浆流动度。
3.结果与讨论
3.1 正交实验结果和分析
3.1.1 正交实验结果
通过正交实验研究β-萘磺酸与碱木素的质量比、浓硫酸用量、缩合温度以及缩合时间对水泥净浆流动度的影响，一般用水泥净浆流动度来表征减水剂对水泥净浆的分散效果，水泥净浆流动度越大，减水剂与水泥的相容性就越好，减水分散效果越好，减水率越高。因素水平表和正交实验表见表1和表2。
表1 因素水平表
水平 萘磺酸与碱
木素的质量比
A 浓硫酸用量
B
缩合温度
C
缩合时间
D
1 1：1 1:0 95-100℃ 2.5h
2 2:1 1:0.05 101-105℃ 3.0h
3 3:1 1:0.1 106-110℃ 3.5h
表2 正交实验表
序号 A B C D 水泥净浆流动度/mm
1 1 1 1 1
2 1 2 2 2
3 1 3 3 3
4 2 1 2 3
5 2 2 3 1
6 2 3 1 2
7 3 1 3 2
8 3 2 1 3
9 3 3 2 1
K1
K2
K3
极差
通过对极差的大小比较可以得出β-萘磺酸与碱木素的质量比、缩合时间、缩合温度、碱木素与浓硫酸的质量比对水泥净浆流动度的影响大小。
（1）原料影响
以水泥净浆流动度为纵坐标，以β-萘磺酸与碱木素的质量比为横坐标作曲线图，根据水泥净浆流动度随着原料比的变化趋势，确定水泥净浆增加速率变快的区域确定原料的最佳质量比。同时由方差分析来看该因素对水泥净浆流动度的影响性。
（2）浓硫酸的影响
作以水泥净浆流动度为纵坐标，浓硫酸用量为横坐标的曲线图，由图得出水泥净浆流动度变化趋势。由方差分析来看该因素对水泥净浆流动度的影响。考虑到浓硫酸的强腐蚀性以及成本等问题看是否必须加入浓硫酸。
（3）缩合温度影响
以水泥净浆流动度为纵坐标，以缩合温度为横坐标作曲线图3。由曲线变化趋势得出最佳缩合温度。
（4）缩合时间影响
以水泥净浆流动度为纵坐标，以缩合时间为横坐标做图。随着缩合时间的延长，产品的水泥净浆流动度先快速增加再缓慢增加的区域即为最佳缩合时间。
根据资料表明：通过正交实验，影响水泥净浆流动度大小的因素顺序为：A>D>C>B，即β-萘磺酸与碱木素的质量比> 缩合时间> 缩合温度> 碱木素与浓硫酸的质量比。水泥静浆流动度最大时的工艺条件为适宜条件，即β-萘磺酸与碱木素的质量比为2∶1~3∶1；缩合温度为101~105℃；缩合时间为3.0~3.5 h。值得提出的是该工艺可以不使用浓硫酸，条件更为温和。
3.2 结构表征
比较碱木素、普通萘系减水剂以及新型萘系减水剂的傅立叶红外谱图。从谱图中看新型萘系减水剂与普通萘系减水剂和碱木素在结构上是否有很大差别，如果图谱明显的不同则说明新型萘系减水剂是一种新的物质。
3.3 性能研究
记录掺入不同量减水剂溶液的表面张力、水泥颗粒表面吸附量的大小于表3，评价新型萘系改性剂的效果
表3
减水剂含量（wt%）
表面张力（N/m）吸附量（mg/g）
萘系减水剂新型萘系减水剂萘系减水剂新型萘系减水剂
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
（1）表面张力
萘系减水剂是一种表面活性物质，它降低了水泥－水界面的界面张力，有利于水泥颗粒的分散；以减水剂浓度为横坐标，以表面张力为纵坐标作曲线图。比较图中普通萘系减水剂与新型高效减水剂溶液的表面张力，可以得出新型萘系减水剂的减水效果，若新型萘系减水剂的表面张力小于普通萘系减水剂则表明新型萘系减水剂的效果优于普通萘系减水剂。
（2）吸附量
以吸附量为纵坐标，减水剂含量为横坐标作图，比较新型减水剂与普通萘系减水剂曲线中水泥颗粒吸附量的极限值，若新型萘系减水剂对水泥颗粒的吸附量极限值较小，则表示吸附后溶液中减水剂的浓度较高，对体系分散作用较强，使得体系流动性更大，效果更好。资料表明普通萘系减水剂的吸附量极限值为0.06%。
（3）ζ电位的经时变化
以ζ电位为纵坐标，时间为横坐标作曲线图，比较新型减水剂与普通萘系减水剂中ζ电位的变化，水泥颗粒ζ电位的绝对值下降较慢的则表示保坍作用较强。
（4）水泥净浆流动度的经时变化
比较掺入两种不同减水剂的水泥净浆的经时变化，水泥净浆流动度变化较小的减水剂效果较好。
（5）混凝土性能
在相同水灰比下，测得混凝土坍落度经时损失以及抗压强度变化，比较普通
萘系减水剂和新型减水剂的坍落度损失以及抗压强度于表4。
表4 相同水灰比下混凝土性能
减水剂种
类水灰
比
坍落度经时损失（cm）/损失率（%）抗压强度（MPa）/抗压强度比（%）
0h 0.5h 1.0h 1.5h 2.0h 3d 7d
基准0.61
FDN 0.61
新型FDN 0.61
3.4 最佳掺量的确定
绘制新型萘系减水剂掺量与水泥净浆流动度的曲线图，水泥净浆流动度最大值对应的减水剂含量即为最佳掺量，并计算该掺量下的减水率。
4.可行性分析
该合成实验在理论上可行，且根据查阅资料表明，该新型萘系减水剂在各方面均优于普通萘系减水剂，保坍效果明显。且由已知合成该新型萘系减水剂的红外光谱图可以看出两者与甲醛之间确实发生了不同于它们单独与甲醛的反应。该新型萘系高效减水剂在的最佳掺量为0.9%左右，减水率大约为44,74%。产品的颜色为黄褐色，固含量为96.18%，pH值为7.55；表面张力为74.97×103 N.m-1；氯离子含量为0.179%；硫酸钠含量为13.16%；当水灰比为0.35，产品的掺量为0.9%时，水净浆流动度为214mm。
参考文献：
[1] 蔡希高.高性能外加剂主导官能团理论[J].化学建材,1999 (1):24- 27.
[2] 雷燕军.B- 萘磺酸钠缩甲醛与木钙复合高效减水剂及其复合效应试验研究[J].混凝土,2002 (4):12- 14.
[3] 齐亚非. 高俊刚.改性萘系减水剂的合成与性能表征[J].化学建材,2003
(3):28- 30.
[4] 徐寿昌.有机化学[M].北京:高等教育出版社,1993.
[5] 胡建华,杨武利,汪长春,等1 萘系高效减水剂合成和性能研究[J]1 复旦学报(自然科学版),2000,(1):115～1181
[6] 焦学瞬1C2F 萘系高效减水剂的研究[J]1日用化学品科学,2000,(增
1):139～1411
[7] 蔡希高1 高性能混凝土外加剂主导官能团的合成[J ]1 化学建材,2000, (4) :34～361
[8] 刘伟区、罗广建，萘系减水剂与粘稠剂复合物的性能研究，化学建材，(5)：199(1994)
[9] 罗永会，金树新，杨惠先，萘系高效减水剂的缓释改性研究，混凝土与水泥制聚羧酸改性萘系高效减水剂，(6)：l5—17(2000)
[10] 郭玉忠.接枝改进萘系减水剂的研究［J］.江苏建材,2003,（2）：7,8.
[11] 陈建奎.混凝土外加剂原理与应用[M].2版.北京：中国计划出版社，2004:232—241.
[12］宋波，魏金尤，改性萘系高效减水剂的制备与性能［J］，化学建材，2003,（12）：45.
《无机材料合成》实验教学大纲 课程名称：无机材料合成 课程编号：0 总学时：36 适用对象：材料化学本科专业 一、教学目的和任务： 《无机材料合成》是材料化学专业的一门必修课。本课程的任务是通过各种教学环节，使学生掌握单晶材料的制备、薄膜的制备、非晶态材料制备、复合材料的制备、功能陶瓷的合成与制备、结构陶瓷的制备、功能高分子的制备、催化材料制备、低维材料制备等，使学生获得先进材料合成与制备的基础知识，毕业后可适应化工材料的科学研究与技术开发工作。 二、教学基本要求： 在全部教学过程中，应始终坚持对学生进行实验室安全和爱护公物的教育；简单介绍有效数字和误差理论；介绍正确书写实验记录和实验报告的方法以及基本操作和常规仪器的使用方法。无机材料的制备方法、薄膜制备的溶胶-凝胶法、纳米晶的水热合成法、纳米管的气相沉积法的原理和基本操作方法，材料结构表征和性能测试的结果的正确分析，并在此基础上研究材料结构和性能的关系。培养学生的实际动手操作能力；深刻领会课本所学的理论知识，具有将理论知识应用于实践中的能力。 三、教学内容及要求 实验一无机材料合成(制备)方法与途径 实验仪器：计算机 实验内容：认识无机材料合成中的各种元素、化学反应；相关中外文摘、期刊的查阅方法。 实验要求：了解无机材料合成的基本方法、途径与制约条件 实验二晶体合成 实验仪器：磁力搅拌器、烧杯 实验内容：晶体的生长 实验要求：了解晶体的基本分类与应用；熟悉晶体生长的基本原理；重点掌握晶体合成的技术与方法。 实验三薄膜制备 实验仪器：压电驱动器、磁力搅拌器、烧杯 实验内容：薄膜材料的制备 实验要求：掌握薄膜材料的分类与应用；薄膜与基材的复合方法、途径以及制约条件； 实验四胶凝材料的制备
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10^3个-10^9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
《材料合成与制备》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程编号：10050280 课程中文名称：材料合成与制备 课程英文名称：Synthesis and Preparation of Materials 课程性质：专业主干课 考核方式：考试 开课专业：材料科学与工程、材料物理、材料化学 开课学期：5 总学时：40+16 其中40学时理论授课，16学时实验课 总学分：2.5+1 二、课程目的和任务 《材料合成与制备》课程针对目前21世纪新材料的发展趋势，总结和概括了几种目前热点形态材料和高新材料的常用合成和制备方法。通过本课程的学习，能够使学生对目前几种常见新材料制备方法的发展概况、制备原理、操作设备以及制备工艺方法等有一定的了解和掌握；通过理论课与实验课的结合，学生能够熟悉几种常见形态新材料的制备工艺流程和工艺方法控制手段，这不仅能够锻炼学生操作实验的动手能力，而且在操作过程中，能够理论和实践相结合，对材料的形成机理进行深入的分析和了解，培养了学生发现问题、分析问题和解决相关材料合成和制备方面问题的基本能力，培养学生创新意识，为今后的生产实践和科学研究打下坚实的基础。 三、教学基本要求 要求根据目前新材料的发展趋势，重点结合21世纪高性能材料、低维材料、功能材料、绿色材料以及复合材料的发展方向，将材料学、化学、物理学等学科内容融入材料合成与制备技术中，使学生熟练掌握材料合成与制备的基本原理、工艺方法和技术流程，通过对材料合成机理及实验设备的了解，能够针对具体要求制定材料的合成与制备工艺，并能够完成新材料合成与制备某技术的专题研究任务。 四、教学内容与学时分配
第0章绪论（2学时） 第一章溶胶－凝胶法（4学时） 第二章水热与溶剂热合成（4学时） 第三章电解合成（4学时） 第四章化学气相沉积（4学时） 第五章定向凝固技术（4学时） 第六章低温固相合成（4学时） 第七章热压烧结（4学时） 第八章自蔓延高温合成（4学时） 第九章等离子体烧结合成技术（4学时） 课程总结（2学时） 五、教学方法及手段 教师讲授、研讨式教学、多媒体教学 六、上机实验内容 七、前修课程、后续课程 前修课程：大学物理、大学化学、材料科学基础、物理化学、材料物理八、教材及主要参考资料 教材： [1]乔英杰. 材料合成与制备[M]. 北京：化学工业出版社，2009年
材料合成与制备复习纲要 我们不是抄答案，我们只做知识的搬运工。 ——无机复习提纲编辑协会宣言试卷构成：填空：15 分 选择：7*2=14 分（共7 题，一题2 分） 名词解释：5*3=15 分（共5 题，一题3分） 问答题：8+12*4=56（第一题8 分，其余四道题每题12 分）注：划线知识点为李老师审阅后所加，疑为重点，望各位复习时多加注意第1 章：经典合成方法 1实验室常用的加热炉为：高温电阻炉 2电炉分为：电阻炉，感应炉，电弧炉，电子束炉 3电阻发热材料的最高工作温度：硅碳棒1400C、硅化钼棒1700C、钨丝1700C 真空、 5氧化物发热体：在氧化气氛中，氧化物发热体是最为理想的加热材料。 6影响固相反应的因素: （1）反应物化学组成与结构，反应物结构状态（2）反应物颗粒尺寸及分布影响。 7化学转移反应：把所需要的沉积物质作为反应源物质，用适当的气体介质与之反应，形成一种气态化合物，这种气态化合物通过载气输运到与源区温度不同的沉积区，再发生逆反应，使反应源物质重新沉积出来，这样的反应过程称为化学转移反应。 8化学转移反应条件源区温度为T2,沉积区温度为T1:如果反应是吸热反应，则 r H m为正，当T2>T1时，温度越高，平衡常数越大，即从左往右反应的平衡常数增大，反应容易进行，物质由热端向冷端转移，即源区温度应大于沉积区温度，物质由源区转移至沉积区。如果反应为放热反应，r H m为负，则应控制源区温度T2 小于沉积区温度T1,这样才能实现物质由源区向沉积区得转移。如果r H m近似为0, 则不能用改变温度的方法来进行化学转移。 9低温合成中，低温的控制主要有两种方法：①恒温冷浴②低温恒温器 10高压合成：就是利用外加的高压力，使物质产生多型相转变或发生不同物质间的化合，从而得到新相，新化合物或新材料。 种类：①静态高温高压合成方法②动态高温高压合成方法 第2 章：软化学合成方法 1软化学合成方法: 通过化学反应克服固相反应过程中的反应势垒，在温和的反应条件下和缓慢的反应进程中，以可控制的步骤逐步地进行化学反应，实现制备新材料的方法。2软化学法分类：溶胶——凝胶法，前驱物法，水热/ 非水溶剂热合成法，沉淀法，支撑接枝工艺法，微乳液法，微波辐射法，超声波法，淬火法，自组装技术，电化 3绿色化学：主要特点是“原子经济性” ，即在获取新物质的转换过程中充分利用原料中的每个原子，实现化学反应中废物的“零排放” 。因此，既可充分利用资源又不污染环境。 4软化学与绿色化学的关系：两者关系密切，但又有区别。软化学强调的是反应条件的温
材料合成与制备方法（金属篇） 第一章单晶材料的制备 1.单晶体经常表现出电、磁、光、热等方面的优异性能，广泛用于现在工业的诸多领域。 2.固—固生长法即是结晶生长法。其主要优点是，能在较低的温度下生长；生长晶体的形状是预先固定的。缺点是难以控制成核以形成大晶粒。 3.结晶通常是放热过程的证明：对任何过程有△G=△H-T△S,在平衡态时△G=0，即 △H=T△S。这里△H是热焓的变化，△S是熵变，T是绝对温度。由于在晶体生长过程中，产物的有序度要比反应物的有序度要高，所以△S<0，△H<0，故结晶通常是放热过程。 4.应变是自发过程，而退火是非自发过程的证明：对于未应变到应变过程，有△E1-2=W-q,这里W是应变给予材料的功，q是释放的热，且W>q。△H1-2=△E1-2+△（pv），由于△（pv）很小，近似得△H1-2=△E1-2。而△G1-2=△H1-2-T△S=W-q-T△S，在低温下T△S可忽略，故△G1-2=W-q>0。因此使结晶产生应变不是一个自发过程，而退火是自发过程。（在退火过程中提高温度只是为了提高速度） 5.再结晶驱动力：经过=塑性变形后，材料承受了大量的应变，因而储存大量的应变能。在产生应变时，发生的自由能变化近似等于做功减去释放的热量。该热量通常就是应变退火再结晶的主要推动力。应变退火再结晶推动力可以由下式给出：△=W-q+G S+△G0。这里W是产生应变或加工时所做的功，q是作为热而释放的能量，G S是晶粒的表面自由能，△G0是试样中不同晶粒取向之间的自由能差。 6.晶粒长大的过程是：形核—焊接—并吞。其推动力是储存在晶粒间界的过剩自由能的减少，因此晶界间的运动起着缩短晶界的作用，晶界能可以看做晶界之间的一种界面张力，而晶粒的并吞使这种张力减小。 7.若有一个晶粒很细微的强烈的织构包含着几个取向稍微不同的较大的晶体，则有利于二次再结晶。再结晶的驱动力是由应变消除的大小差异和欲生长晶体的取向差异共同提供的。 8.在应变退火中，通常在一系列试样上改变应变量，以便找到退火期间引起一个或多个晶粒生长所必须的最佳应变量或临界应变。一般而言，1%~10%的应变足够满足要求，相应的临界应变控制精度不高于0.25%. 9.均匀形核：形成临界晶核时，液、固相之间的自由能差能供给所需要的表面能的三分之二，另三分之一则需由液体中的能量起伏提供。△G*=1/3A**σ。
材料合成与制备期末复习题 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熵值增加的方向进行。 7.论述反应速率的影响因素: (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，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;(2)双电层静电排斥能 5.增加粒子间能垒通常有三个基本途径:(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.由溶胶制备凝胶的具体方法:
材料合成与制备 《材料合成与制备》课程教学大纲一、课程说明 (一)课程名称、所属专业、课程性质、学分; 课程名称:材料的合成与制备 所属专业:材料化学 课程性质:专业必修课 学分:2学分(36学时) (二)课程简介、目标与任务、先修课与后续相关课程; 课程简介: 材料的合成与制备课程是介绍现代材料制备技术的原理、方法与技能的课程，是材料化学专业一门重要的专业必修课程。 目标与任务:通过本课程的学习，使学生掌握材料制备过程中涉及的材料显微组织演化的基本概念和基本规律;掌握材料合成与制备的基本途径、方法和技能;掌握目前几种常见新材料制备方法的发展、原理、及制备工艺;培养学生树立以获取特定材料组成与结构为目的材料科学研究核心思想，培养学生发现、分析和解决问题的基本能力，培养创新意识，为今后的材料科学相关生产实践和科学研究打下坚实的基础。 先修相关课程: 无机化学、有机化学、物理化学、材料科学基础 (三)教材与主要参考书 教材:自编讲义 主要参考书: 1. 朱世富，材料制备科学与技术，高等教育出版社，2006
2. 许春香，材料制备新技术，化学工业出版社，2010 3. 李爱东，先进材料合成与制备技术，科学出版社，2013 1 二、课程内容与安排 第一章引言 1.1 材料科学的内涵 1.2 材料科学各组元的关系 (一)教学方法与学时分配 讲授，2学时。 (二)内容及基本要求 主要内容:材料科学学科的产生、发展、内涵;材料科学与工程学科的四个基本组元:材料的合成与制备、材料的组成与结构、材料的性质与性能、材料的使用效能;材料科学四组元的相互关系。 【掌握】:材料科学学科的内涵、材料科学学科的四组元、四组元间的相互关系。 【了解】:几个材料合成与制备导致不同组成与结构并最终决定性质与性能的科研实例。 【难点】:树立以获取特定材料组成与结构为核心的学科思想。第二章材料合成与制备主要途径概述 2.1 基于液相-固相转变的材料制备 2.3 基于固相-固相转变的材料制备 2.4 基于气相-固相转变的材料制备 (一)教学方法与学时分配 讲授，2学时。
《材料制备与合成[料]》课程简介 课程编号：02034916 课程名称：材料制备与合成/Preparation and Synthesis of Materials 学分: 2.5 学时：40 （课内实验(践)：0 上机：0 课外实践：0 ） 适用专业：材料科学与工程 建议修读学期：6 开课单位：材料科学与工程学院材料物理与化学系 课程负责人：方道来 先修课程：材料化学基础、物理化学、材料科学基础、金属材料学 考核方式与成绩评定标准：期末开卷考试成绩（占80%）与平时考核成绩（占20%）相结合。 教材与主要参考书目： 教材：《材料合成与制备》. 乔英杰主编.国防工业出版社，2010年. 主要参考书目：1. 《新型功能材料制备工艺》, 李垚主编. 化学工业出版社，2011年. 2. 《新型功能复合材料制备新技术》.童忠良主编. 化学工业出版社，2010年. 3. 《无机合成与制备化学》. 徐如人编著. 高等教育出版社, 2009年. 4. 《材料合成与制备方法》. 曹茂盛主编. 哈尔滨工业大学出版社，2008年. 内容概述： 本课程是材料科学与工程专业本科生最重要的专业选修课之一。其主要内容包括：溶胶-凝胶合成法、水热与溶剂热合成法、化学气相沉积法、定向凝固技术、低热固相合成法、热压烧结技术、自蔓延高温合成法和等离子体烧结技术等。其目的是使学生掌握材料制备与合成的基本原理与方法，熟悉材料制备的新技术、新工艺和新设备，理解材料的合成、结构与性能、材料应用之间的相互关系，为将来研发新材料以及材料制备新工艺奠定坚实的理论基础。 The course of preparation and synthesis of materials is one of the most important specialized elective courses for the undergraduate students majoring in materials science and engineering. It includes the following parts: sol-gel method, hydrothermal/solvothermal reaction method, CVD method, directional solidification technique, low-heating solid-state reaction method, hot-pressing sintering technique, self-propagating high-temperature synthesis, and SPS technique. Its purpose is to enable students to master the basic principles and methods of preparation and synthesis of materials, and grasp the new techniques, new processes and new equipments, and further understand the relationship among the synthesis, structure, properties and the applications of materials. The course can lay a firm theoretical foundation for the research and development of new materials and new processes in the future for students.
中南林业科技大学课程考试试卷 课程名称：无机材料合成与制备；试卷编号：A 卷；考试时间：100分钟 一、是非题（1分×23=23分，选全对或全错，计零分） 1 生长驱动力在数值上等于生长单位体积的晶体所引起的吉布斯自由能的降低。（ √ ） 2 微波有很强的穿透力，微波加热时能深入到样品内部，其燃烧波首先从样品的表面向内部传播，最终完成微波烧结。（ × ） 3 提拉法中旋转籽晶的目的是获得更好的温度和浓度的均匀性。（ √ ） 4 热电偶是接触式温度传感器，可直接与被测物质接触，不受环境介质如烟雾、尘埃、CO 2、水蒸气等影响，准确度较高。（ √ ） 5 等离子体在CVD 中的作用是将反应气体激活成活性离子，提高低沉积温度；加速反应物表面的扩散作用，降低成膜速率。（ × ） （提高） 6 降低到-150 ℃(123K)称为普通制冷或普冷，降低到-150 ℃至4.2K 之间称为深度冷冻或深冷，降低到4.2K 以下称为极冷。（ √ ） 7 相比溅射成膜，蒸发法时，沉积原子的能量很低，一般不易形成形态3型的薄膜组织。（ × ）（T ） 8 在形态2和形态3型低温薄膜沉积组织的形成过程中，原子的扩散能力不足，因而这两类生长又称为低温抑制型生长。（ × ）（1和T ） 9 磁控溅射的缺点是靶材的利用率不高，一般低于40%。（ √ ） 10 过冷度越大,越容易非均匀成核；凸面杂质形核效率最高，平面次之，凹面最差。（ × ） 11直接凝固成型是依靠有机单体交联形成高聚物，温度诱导絮凝成型是依靠分散剂的分散特性。（ × ） 12 不具挥发性FeO 和WO 3在HCl 存在时，生成FeCl 2 、WOCl 4、水蒸气，就可以通过相转移反应制得完美的钨酸铁晶体。（ ） 13气体的低温分级冷凝就是气体混合物通过不同低温的冷阱而分离，气体通过冷阱后其蒸汽压小于13.33 Pa —冷凝彻底；大于13.33 Pa —认为不能冷凝，穿过了冷阱。 （ × ） 14 流动法比降温法有利于生长大尺寸单晶，蒸发法适合溶解度较大而温度系数很小的物质，凝胶法可在室温下生长一些难溶的或对热敏感而不便使用其他方法的晶体。（ √ ） 15用单相共沉淀法制备出单一尺寸的球形氢氧化铝颗粒的关键是通过尿素，在水溶液中缓慢分解释放出OH-，使溶液中碱性均匀地、缓慢地上升，从而使氢氧化物沉淀在整个溶液中同时生成。（ × ） 16 大块非晶合金的制备思路是非均匀形核的推迟和均匀形核的避免。（ √ ） 17 非晶态材料衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态的任何斑点和条纹，用电镜看不到 学院 专业班 年 姓名 学 装订线(答题不得超过此线)
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熵值增加的方向进行。 7.论述反应速率的影响因素： （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，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；（2）双电层静电排斥能 5.增加粒子间能垒通常有三个基本途径：(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.由溶胶制备凝胶的具体方法：
专 业 课 程 设 计 题 目： 年产1200万支四磨汤口服液生产工艺设计 院 部： 化 学 化 工 学 院 专业： 材料化学 班级： 1101 学号： 学生姓名： 导师姓名： 李 谷 才 完成日期： 2014年6月21日
课程设计任务书 院部：化学化工学院专业：材料化学班级：1101 姓名： 指导教师： 教研室主任：黄先威 院教学院长： 2014年6月21日
目录 1 引言 (1) 2年产1200万支四磨汤口服液生产工艺设计 (2) 2.1 四磨汤的制备方法 (2) 2.1.1 处方设计 (2) 2.1.2 四磨汤制备方法 (2) 2.2 四磨汤生产工艺设计 (2) 2.2.1 原料预处理 (2) 2.2.2 浸出 (4) 2.2.3浸出液的净化 (4) 2.2.4浓缩配液 (4) 2.2.5分装灭菌 (4) 2.2.6包装 (5) 2.3 物料衡算及设备选择 (6) 2.3.1 原材料预算 (6) 2.3.2生产设备 (6) 2.4生产过程要求与措施 (8) 2.5排污方面 (8) 2.6酒精回收 (9) 2.7劳动组织、岗位定员、工时定额与产品生产周期 (9) 2.7.1劳动组织 (9) 2.7.2 岗位定员 (10) 2.7.3工时定额 (10) 3 总结 (11) 参考文献 (11)
1引言 四磨汤由木香，槟榔，枳壳，乌药四味药组成[1]，药物纽成虽简单，但临床应用较多且取得了不错的疗效。后世医家对其临床应用有很多研究和阐述。近几年来的大量资料报道表明，该方在临床上的应用范围日益广泛，充分体现了祖国医学的博大精深[2,3]。四磨汤原出自于宋代严用和著《济生方》，由人参、乌药、槟榔、沉香组成。其功用为破滞降逆，补气扶正。方中沉香降气平喘，槟榔行气破滞，乌药调肝顺气，人参补气扶正。用法采取浓磨温服，则力专效速，故方以四磨汤命名[4]。现在临床上所用四磨汤口服液主要组成一般为木香，槟榔，枳壳，乌药[5]。《成方便读》日：“若纯实无虚者，即可去参加枳壳。”《本草纲目》云：“木香乃三焦气分之药，能升降诸气。”故现在一般所用四磨汤偏于行气降逆，破滞消满。该方药物组成虽简单，但在临床上的应用已涉及到内外妇儿各科且取得了较好的疗效。本品为棕黄色至棕色的澄清液体；气芳香，味甜、微苦，具有顺气降逆，消积止痛。用于婴幼儿乳食内滞证，症见腹胀、腹痛、啼哭不安、厌食纳差、腹泻或便秘；中老年气滞、食积证、症见脘腹胀满、腹痛、便秘以及腹部手术后促进肠胃等功能[6]。 基于四磨汤在医疗上的良好功效，故对其生产工艺进行研究设计，以期能够获取更为方便有效的生产方式。设计内容主要分为三部分，第一部分主要是四磨汤生产的工艺流程；第二部分主要为生产过程的物料衡算和设备选择；第三部分为生产过程的一些标准及人事安排等。
第一章 1、1 溶胶凝胶 1、什么是溶胶——凝胶？ 答：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，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。 2、基本原理（了解） 3、设备：磁力搅拌器、电力搅拌器 4、优点：该方法制备块体材料具有纯度高、材料成分易控制、成分多元化、均匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等 5、工艺过程：自己看 6、工艺参数：自己看 2、1水热与溶剂热合成 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，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境。 2、溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：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、优点：a、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； b、非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大； c、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； d、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 4、生产设备： 高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备；（分类自己看),高压容器一般用特种不锈钢制成, 5、合成工艺：选择反应物核反应介质——确定物料配方——优化配料顺序——装釜、封釜——确定反应温度、压力、时间等试验条件——冷却、开釜——液、固分离——物相分析 6、水热与溶剂热合成存在的问题：1、无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。2、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。3、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。 7、水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型： a、“均匀溶液饱和析出”机制 b、“溶解-结晶”机制 c、“原位结晶”机制
第1章溶胶－凝胶法(Sol-gel method) ?胶体:分散相粒径很小的胶体体系,分散相质量忽略不计, 分子间作用力主要为短程作用力. ?溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子 是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之间。 ?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，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。 ?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，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。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。 ?水解度：是水和金属醇盐的物质的量之比。 ?老化时间：从凝胶开始到凝胶干燥前的时间称为老化时 间 ?利用溶胶凝胶法制备陶瓷粉体材料所具有的优点？ 1.工艺简单,无需昂贵设备; 2.对于多组元系统,该法可以大大增加化学均匀性; 3.易于控制,凝胶微观结构可调控; 4.掺
杂范围广,化学计量准确,易于改性;5产物纯度高,烧结温度低. 第二章水热与溶剂热合成 ?水热法(Hydrothermal Synthesis)，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，通过对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。 ?溶剂热法（Solvothermal Synthesis）：将水热法中的水 换成有机溶剂或非水溶媒（例如：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。 ?原为结晶：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。 ? 一。溶剂热合成的优点： 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范围大大扩
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H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炳侑增加的方向进行。 7 ?论述反应速率的影响因素: (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，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。实际生产屮，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。溶剂最重耍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.溶胶一凝胶法：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;（2）双电层静电排斥能
料合成与制 备复习纲要 我们不是抄答案，我们只做知识的搬运工。 ——无机复习提纲编辑协会宣言 试卷构成： 填空：15 分 选择：7*2=14 分（共7 题，一题2 分）名词解释：5*3=15 分（共5 题，一题3 分）问答题：8+12*4=56（第一题8 分，其余四道题每题12 分）注：划线知识点为李老师审阅后所加，疑为重点，望各位复习时多加注意第1 章：经典合成方法 1实验室常用的加热炉为：高温电阻炉 2电炉分为：电阻炉，感应炉，电弧炉，电子束炉 3电阻发热材料的最高工作温度：硅碳棒1400C、硅化钼棒1700 C、钨丝1700C 真空、 5氧化物发热体：在氧化气氛中，氧化物发热体是最为理想的加热材料。 6影响固相反应的因素: （1）反应物化学组成与结构，反应物结构状态物颗粒尺 2）反应寸及分布影响。 7化学转移反应：把所需要的沉积物质作为反应源物质，用适当的气体介质与之反应，形成一种气态化合物，这种气态化合物通过载气输运到与源区温度不同的沉积区，再发生逆反应，使反应源物质重新沉积出来，这样的反应过程称为化学转移反应。 8化学转移反应条件源区温度为T2,沉积区温度为T1 :如果反应是吸热反应， 则r H m为正，当T2> T1时，温度越高，平衡常数越大，即从左往右反应的平衡常数增大，反应容易进行，物质由热端向冷端转移，即源区温度应大于沉积区温度，物质由源区转移至沉积区。如果反应为放热反应，r H m为负，则应控制源 区温度T2小于沉积区温度T1，这样才能实现物质由源区向沉积区得转移。如果r H m近似为0,则不能用改变温度的方法来进行化学转移。 9低温合成中，低温的控制主要有两种方法：①恒温冷浴②低温恒温器 10高压合成：就是利用外加的高压力，使物质产生多型相转变或发生不同物质间的化合，从而得到新相，新化合物或新材料。 种类：①静态高温高压合成方法②动态高温高压合成方法第2章：软化学合成方法 1软化学合成方法: 通过化学反应克服固相反应过程中的反应势垒，在温和的反应条件下和缓慢的反应进程中，以可控制的步骤逐步地进行化学反应，实现制备新材料的方法。 2软化学法分类：溶胶——凝胶法，前驱物法，水热/ 非水溶剂热合成法，沉淀
新型6xxx系铝合金板材热加工工艺和成分优化及其相关机理研究 学号：s2******* ：高洁 专业：材料科学与工程
摘要 6xxx系铝合金作为可热处理强化的合金，其具有中等的强度、良好的耐蚀性、较好的成形性以及较低的密度，但是成形性能、烤漆硬化能力和弯边性能等有待进一步提高。其中成形性能的提高主要取决于微观组织和织构的调控，而这主要受合金成分及热加工工艺的影响。因此，从合金成分和热加工工艺的角度合理调控Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的微观组织以及第二相粒子的尺寸、形状和分布是实现成形性能优化的有效方法。 本文首先针对中铝科学技术研究院制备的新型Al-Mg-Si-Cu-Zn合金采用不同热加工工艺对组织和织构演变的影响进行了研究，并且优化出一种较好的热加工工艺。其次设计开发了新型6xxx系铝合金(Mn和Zn元素均有变化)，研究Mn元素的变化对合金基体富铁相粒子尺寸、形状及分布的影响，以及Zn元素的添加对合金微观组织、织构及性能的影响。 随着新型Al-Mg-Si-Cu-Zn合金在中间退火前冷轧变形量的增加，使合金基体的粒子得到充分破碎及获得较大的形变储能，使得中间退火后细小的第二相粒子能够更加充分回溶进基体，而一些细小且难溶的富铁相粒子仍然保留在合金基体上。因此合金的再结晶组织和织构将会发生显著变化，并使T4P态合金的力学性能达到最优。 对于新设计开发的6xxx系铝合金，随着Mn含量的改变，合金的组织、再结晶织构和性能都会发生一定程度的变化。Mn含量的提高，会增加基体富铁相粒子的浓度，变形过程中会形成不同尺度的粒子，它们之间在再结晶时的协同配合作用，可以显著使得再结晶晶粒的细化以及织构弱化，塑性应变比r值的提高。添加Zn元素能够显著细化再结晶晶粒，对再结晶织构的影响不大。
第一章课后习题 一、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：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。 3. 凝胶(Gel)：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. 溶胶－凝胶法(Sol-gel)：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，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经化胶粒间缓慢聚合，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。 5. 水解度R：水和金属醇盐物质的量比，即溶胶—凝胶反应过程中加水的量的多少。 6. 分散系：物质以一种或多种物质分散于另一种物质中的存在形式。 二、填空题 1. 溶胶通常分为亲液型和憎液型两类。 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. 计算颗粒间德华力通常用的两种模型为平板粒子模型、球型粒子模型。 6. 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。 7. 溶胶的凝胶化过程包括脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。 8. 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。 9. 搅拌器的种类有采用电机带动搅拌叶片来进行原料混合的搅拌器和磁力搅拌 器。 10. 溶胶凝胶法中固化处理分为干燥和热处理。 11. 对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。 三、说明溶胶-凝胶法的原理及基本步骤。 四、溶胶凝胶法的使用围 五、溶胶－凝胶法制备块体材料的优点 六、什么是浓缩法，什么是分散剂法？ 第二章课后习题 一、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，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。 2、溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：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