第一章
一.单晶的主要特性及应用领域；单晶生长方法的分类。
单晶主要特性：单晶内部晶格位向完全一致，各向异性. 应用领域：金刚石加工业，偏光镜，压电水晶，单晶硅板，水晶装饰等. 生长方法分类：气相生长，溶液生长，熔体生长，固相生长。
二.溶液生长方法分为几种？他们依据的的基本原理？何为水热生长法？α-水
晶生长的基本过程，关键设备优缺点及应用？
溶液生长方法分类：降温法，蒸发法，凝胶法，水热生长法. 基本原理：将原料溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶
体在过饱和溶液的亚稳区生长，并要求在整个生长过程中溶液都保持在亚稳区，
使析出的溶质都在籽晶上长成单晶.
降温法—改变温度；蒸发法—减少溶剂；凝胶法—化学反应控制过饱和度；亚稳
相法—亚稳相控制过饱和度. 水热生长法：在高温高压下的过饱和水溶液中结晶的方法. α-水晶过程：液态二氧化硅（1713℃）→四方(1478℃) →正交(870℃) →六方
(573℃) →（α—SiO2）
设备：特制高压釜 . 优点：生长低温固相单晶，高粘度材料，高气压材料，晶体形状完美，热应力小，
宏观缺陷少，
缺点：需特制高压釜以及保护措施，适当大小优质晶粒，生长过程不能观察，生
长速度慢，时间长.
应用：棱镜，滤光片，偏光镜等.
三.熔体生长的方法有那些？依据的基本原理。生长过程，适用范围以及优缺点.
正常—凝固法：晶体提拉法泡生法，弧熔法
逐区熔化发：水平区熔法，垂直区熔法，基座法，焰熔法
基本原理：将结晶物质加热到熔点以熔化，再一定温度下冷却，用各种方法缓慢
移动固液界面使熔体逐渐凝成晶体
适用：现代电子，光电子所需单晶材料，如SiGsAs.Al
2O 3
四.晶体提拉法和坩埚移动法的主要特点，设备优缺点以及应用.
1.提拉法主要特点：
设备：单晶炉，加热器，控制器，坩埚 . 优点：生长速度快，纯度高，完整性好. 缺点：坩埚使熔体有污染，含易挥发物质，熔体组分控制困难，适用范围有一定
限制.
适用：无破坏性相变，较低蒸汽压或离解压的同成分熔化的化合物或纯元素如单
晶硅.
2.坩埚移动法特点：熔体在坩埚中逐渐冷却而凝固，坩埚可垂直或水平放置，固
液界面移动一般采用坩埚也可移动加热炉. 设备：特定结构的坩埚；热梯度单晶炉；程序控温设备. 优点：原料密封，成分易控制；可长大尺寸晶体；可同时多块生长，效率高. 缺点：不适合生长冷却体积增大的材料，易引入杂质或较大内应力，若采用籽晶
法生长不好控制，难于观察，生长周期长. 应用：适用碱金属和碱土金属的卤族化合物，如NaI等半导体化合物如AgGaSe.
五.逐区熔化法和泡生法的生长方法、特点、优缺点、应用。
1.（1）逐区熔化法生长方法：熔区被限制在一狭窄范围内，熔区向多晶原料方向移动，生长靠晶体长大和多晶原料消耗实现。
（2）特点：体系由晶体熔体多晶组成，有两个固液界面：一个结晶，一个熔化（3）优点：纯度高
（4）应用：单导体材料，硅单晶，宝石等生产
2.（1）泡生法的生长方法：受冷籽晶与熔体接触，界面温度低于熔点，籽晶开始生长，降低熔体温度，晶体不断生长
（2）特点：晶体生长不与坩埚接触，应力减小
第二章
一.何为非晶态?微观结构是什么？
1传统定义：以不同方法获得的以结构无序为主要特征的固体物质状态
2技术同：从熔体冷却在室温下还保持熔体结构的固态物质状态也称过冷的液体
3一般认为：组成物质的原子分子的空间排列不成周期性和平移对称性晶态的长程有序受到破坏但因原子间相互关联作用使其在几个原子间距的小区间内仍保持形貌和组分短程有序的特殊物质状态统称非晶态
4特征：只有小区间的短程有序衍射花样上无结晶态的表征电镜下无晶粒晶界等衍射反差
二.非晶态材态的分类与特性
1分类：非晶态合金也称金属玻璃成分金属元素结构与玻璃相似无定形材料非晶态半导体材料非晶态高分子材料非晶态超导体非晶态玻璃
2特性：高强度高韧性抗腐蚀性软磁特性超导电性光学性质（光吸收光导电光致发射）光照下产生非平衡载流子引起材料电导率变化的光学现象
三.非晶固体的的形成条件
1晶核形成的热力学势垒△G*要大液体中无成核杂质
2结晶动力学势垒要大物质在Tm或液相温度处粘度要大
3粘度与温度相似时Tm或液相温度要低
4原子要实现较大的重新分配达到共晶点附近的组成
四.非晶态材料的制备原理方法与特点
1原理：根本条件是足够快的冷却速度，形成原子或分子混乱排列状态。热力学在一定范围内保留下来，气相液相晶态—非晶态，设法降低熔体临界温度冷速Rc。
2方法:1粉末冶金：获得非晶粉末成型烧结
2气相直接凝聚法：由气相—非晶态固体PVD CVD
3液相极冷法：A喷枪法少量金属装入带孔石墨坩埚加热融化用冲击波使熔体从小孔喷在钢板上冷却成膜（厚度不均疏松多孔冷速大）
B锤铝法导热面快速下降液珠极冷成玻璃（厚度均匀光滑）但冷速不够
C离心法材料加入石英管加热熔化熔体喷射到高速旋转内壁最易形成玻璃表面精度高但难取出）
D压延法熔化金属流入一对高速转之间形成金属玻璃条带条带两面光滑均匀性高
E单辊法熔体喷射到高速转辊面上形成连续带工艺易控制条带宽带可控制
F熔体沾出法高速旋转圆盘接近熔体表面沾出薄层冷却成条（冷速不太高常用制备晶合金）
G熔滴法合金棒下端电子束加热熔化液滴接触转动辊面拉长冷固成丝带污染小
不需坩埚适合制备高熔点合金条带
五.何为粉末冶金法气相直接凝聚法液体极冷法
1用液相极冷获得非晶粉末或液相粉末法获得非晶带破碎成粉末再用粉末冶金
法压制或粘结成型经烧结成非晶的过程
2由气相直接凝聚成非晶态固体的方法
3将液态金属以大于100000K/S速度极冷使液态金属中较紊乱的原子排列保留到固体获得金属玻璃的方法
六.喷枪法锤沾法特点及存在问题
七.何谓CVD法真空蒸发法溅射法？它们的区别
1CVD法高温下原料气体与基片表面相互作用发生化学反应获得与原成分不同薄膜材料的方法
2真空蒸发法在真空中将预先配置好的材料加热蒸发出的原子沉积在衬底上成
膜的方法
3溅射法在0.133-13.3Pa Ar气氛中施加高电场生成高能Ar离子轰击靶材表面使靶材原子逸出沉积于衬底下形成薄膜的方法
区别：1装置不同2气氛不同（分别是原料气真空Ar气）3形成薄膜不同（分别是与原料相同与靶材相同）
第三章
一.什么是复合材料？复合材料的种类和特点？
（1）两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成的一种多相固体材料。（2）种类：按基体类型分类：聚合物复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料。
（3）特点：A。由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一直偶那个的新型材料组分之间存在明显界面，B各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各自组分的特点，赋予电一材料不具备的优良特殊性能。
C具有可设计性
二.何为纤维与晶须？目前复合材料常用的增强纤维和晶须有哪些？
（1）纤维:凡是能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料（2晶须：具有一定长径比得纤维状单晶体
常用的增强纤维：玻璃纤维，碳纤维，硼纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维
常用的增强晶须：碳化硅晶须，氧化铝晶须，氮化硅晶须
三.树脂基复合材料的基体材料有哪些？试论述制备方法工艺过程及优缺点，这类材料的性能特点及应用。
（1）基体材料：不饱和聚酯树脂，环氧树脂，聚酰亚胺，双马来酰亚胺树脂等。（2）制备方法：手糊成型，模压成型，喷射成型，挤出成型，连续缠绕成型，层压成型，注射成型。
（3） A手糊工艺：模具准备→涂脱模剂
树脂胶液配制→手糊成型→脱模→后处理→检验→制品
增强材料准备，先在模具上涂一层脱模剂，将含有固化剂的树脂混合物涂刷在模具上，铺一层剪裁好的纤维织物，压挤织物排除气泡，再涂再铺，重复至所需厚
度。
优点：不受产品尺寸，形状限制，可生产尺寸大量小形状复杂产品，工艺简单，可在产品不同部位增补材料。
缺点，效率低，劳动强度大，条件差，质量不易控制。力学性能差。
B模压成型
金属模具准备→图脱模剂
模塑料→模压成型→固化→脱模→后处理→检验→制品
定量模塑料或颗粒状树脂与短纤维混合物放入敞开金属对模中，闭模，加热，融化。压力下充满模腔。
优点：效率高，尺寸精确，表面光洁，复杂制品，一次成型，尺寸重复性好，容易实现自动化。缺点：模具设计复杂成本高，只适合中小批量生产。
C连续缠绕工艺
纱团→侵胶→烘干→纱→张力控制→加热粘流→纵环向缠绕→芯模→固化→脱模→打模喷添→成品
优点；规整度高，精度高，可实现等强度设计，比强度，比模具量高，缺点:投资大
D层压成型→只生产板材
性能：高比强度，高比模量，抗疲劳性能好，减震性好，安全性好，可整体成型，加工性能好，及具有多种功能，耐高温。耐老化，材料强度低。
应用：火箭，卫星天线。支撑结构，交通运输;汽艇，轻型车辆外壳，保险杠，航空。
石油化工：玻璃钢用于化工管道。建筑：透明玻璃，透明暖房。
四.金属基复合材料的常用基体材料有哪些？主要制备方法？工艺过程，优缺点，与传统金属材料相比性能优点应用。
（1）基体材料：Al基，Ni基，Ti基，Cu基。
（2）制备方法；固态法：粉末冶金法，金属粉末和增强相均匀混合，固化成锭，挤压，轧制优点：温度低界面反应可控制，增强相与基体任意比例混合，利于净成型，二次加工型好。缺点：工艺复杂，基体须为粉末。
热压扩散结合法：高温下施压，使纤维与基体依靠扩散结合（静压力扩散结合）
B 液态法：压铸成型法：含增强材料的金属熔体倒入预热模具，迅速加压使其凝固。
优点：组织细化，无气孔，工艺设备简单，成本低，质量稳定。
半固态铸造成刑法（流变铸造法）：基体合金在固液两相区内搅拌，加入增强物，分布均匀，界面结合好时加热到浇注温度，浇注成型。（组织细化，致密，分散均匀）适短纤维，晶须增强。
液态浸渍法
C 原位复合法：（增强材料从基体中直接生成）共晶合金定向凝固法：（增
强材料共晶形式析出）直接氧化法：制备Al
2O
3
/Al 反反应生成法：
（自蔓延高温合成SHS法）加热后，反应依靠自身放热继续进行。
O与传统金属比：伸长率、断面收缩率很低应用：AL基航天器结构、发动机构件
Ni基 Ti基：发动机、叶片、驱动轴等
五、陶瓷基复合材料所用基体和增强材料有哪些？主要制备方法、工艺过程、优缺点，这类材料的性能及应用。
1、基体：Al
2O
3 、
Si
3
O
4。
SiC玻璃增强材料：C纤维、B纤维、SiC晶须、Al
2
O
3
晶须、SiC颗粒等。
2、制备：粉末泥浆浸渍法（适长纤维）：纤维浸料、缠卷、烘干、切断、层叠、热压烧结
优缺点：纤维取向可自由调节，不能制备大尺寸制品，致密度低
热压烧结法：长纤维切短与陶瓷粉混合，再热压烧结。
优点：成型压力低、致密度高、生长效率低、成本高（缺点）
晶须或颗粒增韧：晶须颗粒分散——与基体混合均匀——成型——烧结——加工。
烧结方法：热压烧结，热等静压烧结，微波烧结等。
Ⅲ性能特点：高比模量、比强度、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、高温耐磨性好、耐高温抗氧化。
Ⅳ应用：航空航天：隔热瓦、飞机整流罩发电领域：热气轮机、涡轮盘等石油化工：催化剂载体、热交换器冶金：耐火材料、钢液过滤材料机械与汽车工业：刀具模具耐磨轴承材料
六、什么是CLC复合材料？说明其性能及应用，制备工艺流程。
Ⅰ由C纤维或各种碳织物或石墨化脂碳及化学沉积C所形成的复合材料。
Ⅱ特性：良好的抗烧蚀性，抗热冲击，超热环境下高强度等。
应用：宇宙飞行器，结构材料，热防护材料
Ⅲ制备工艺流程：预成型坯体，浸渍，碳孔致密化、石墨化等。
第四章
一、试论述功能陶瓷的一般制备工艺？成型方法有哪些？等静压成型的特点。Ⅰ备料——坯料制备——干燥造粒——成型烧结——加工——制品
Ⅱ成型方法：①压制成型、模压成型、等静压成型，热等静压成型（HIP）②注浆成形
③可塑法成型：挤压成型，扎模成型④热压铸成型。
Ⅲ等静压优点：克服单向压制坯料压力分布不均的缺点利用液态或气态介质能均匀各方向施压的方法。
二、什么是烧结?方法有哪些？热等静压烧结的优点？
Ⅰ使成型坯体在高温下发生一系列物化反应生成预期显微结构，通过物质传递变成致密化具有一定强度和固定外形的过程。
Ⅱ方法：常压烧结，热压烧结，热等静压烧结，反应微波烧结，自蔓延合成烧结等。
Ⅲ热等静压优点：压力均匀，制品密度均匀，力学性能波动小，烧结温度低，粒径易控制等。
三、SnO2系气敏陶瓷添加剂主要作用
Sb2O3、V2O5降低起始阻值，使之半导体化 MgO、PbO、CaO：
CdO、PbO、CaO：延缓烧结改善老化性能 SiO2：防止晶粒长大，稳定灵敏度延长寿命。
PbC（钯石棉，PdCl2）Pt、Mo（钼酸，钼粉）ThO2提高灵敏度（作为催化剂）
四、MCT湿敏陶瓷制备工艺流程：
MgO、Cr2O3——称重——球磨——干燥——干燥——造粒——干压——烧结（材料制造）——切片——电极——引线——装配——测试（元件制造）
五什么是正逆压电效应？以DET为例阐述压电陶瓷制备工艺，并说明压电陶瓷的应用。
1正压电效应：由应力诱导出电极化（电场）的现象
逆压电效应：由电场诱导出应力（应变）的现象
2 DET制备（锆钛酸铅）
配料—球磨—过滤干燥—预烧—二次球磨—过滤干燥—过筛—成型—排塑—烧结—精修—上电极—烧银—极化—测试
预烧：650℃保温1—2h，850℃保温2h，保持氧化气氛
烧结：氧气氛中进行，控制PbO蒸发降低温度减少时间
极化：直流极化，使铁电畴转向，电场3—5MV/m温度100—105℃时间热油5min，冷油20min。
3应用：压电陶瓷点火器，倒车雷达，压电陶瓷变压器（高压电棒，高压防盗），压电换能器，声纳，B超探头，压电振荡器。
六铁氧体磁性来源，晶体结构，分类，制备工艺及应用
1来源：铁氧体中两磁性离子间距较大，且中间夹着氧离子，形成铁磁性电子自旋间的超交换作用，使氧离子两旁磁性离子的磁矩反向排列且反向排列磁矩不相等，有剩余磁矩表现出来铁氧体磁性。
2结构：尖晶石型，石榴石型，磁铅石型
3分类：（按性质和用途分）
软磁铁氧体，硬磁铁氧体，旋磁铁氧体，矩磁铁氧体，压磁铁氧体，磁泡铁氧体4制备工艺
配料—混合—预烧—成型—烧结—热处理
5应用：软磁铁氧体：磁芯材料，磁头材料
硬磁铁氧体：泳磁材料，扬声器，微电机
矩磁铁氧体：磁光磁声存储器（元件）
压磁铁氧体：超声换能元件，磁记录材料磁带，软硬磁盘
第五章
一SiC粉料制备方法有哪些？什么是SHS法其优点是？
1方法：碳热还原法，气相沉积法，自蔓延高温合成法（SHS）
2 SHS：将原料均匀混合加热到反应温度以上，发生化学反应，反应依靠该自身反应放出的热量维持继续进行的方法。
优点：节能，工艺简单，产品纯度高
二简述用Si粉和SiO
2制备Si
3
N
4
陶瓷的工艺方法
1 Si粉直接氮化法：3Si+2N
2—Si3N
4
将一定细度和纯度Si粉置炉中通入N2加热得到Si
3N
4
粉
SiO
2还原法： 3SiO
2
+2N2+6C— Si
3
N
4
+6CO
2 反应烧结Si
3N
4
3Si+2N
2
—（1400℃）Si
3
N
4
将Si粉按制品形状要求成型后，在氮化炉中加热氧化【硅粉—磨细—成型—素坯氮化—机械加氮化烧结—研磨加工—成品
三制造Al
2O
3
陶瓷的原料中Al
2
O
3
粉为什么要预烧？试述Al
2
O
3
陶瓷制备工艺，制
性及应用。
1 使r—Al
2O
3
转变a—Al
2
O
3
防止烧成收缩过大，利于成型烧结，排除原料中Na2O
等低熔点杂质挥发物。
2 原料煅烧—配料—球磨—成型—烧结
3高强度高温稳定性：装置瓷火箭，导弹导流罩
高硬度高耐磨性：切屑工具，模具，模料，人造宝石低介电损耗，高电阻率高绝缘性：火花塞，电路基熔点高，抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管
离子导电性：太阳能电池，蓄电池材料
生物相容性：人工骨，人工关节
光学特性:高压钠灯管Al
2O 3
四、透明AL
2O
3
陶瓷应注意哪些工艺环节、工艺特点
1、原料制备：要求纯度＞99.9%；加入适量MgO，阻止气孔封闭，限制晶粒长大。
2、特点：采用高纯超细粉，掺入尽可能少添加剂，将气孔和杂质充分排除，适
当控制晶粒尺寸，使制品密度接近理论密度。
五、说明AL
2O
3
ZrO
2
SiC Si
3
N
4
陶瓷主要特性和应用
1、AL
2O 3
2、ZrO
2
A：热导率小，化学稳定性好，耐蚀性高：高温绝缘材料，耐火材料坩埚
B：硬度高，耐磨性好：刀具磨具剪刀
C：半导体性：高温发热体
D：强度高、韧性好：发动机构件、连杆、轴承
E：敏感特性：传感器、探头、汽车尾气检验
F：FSZ作:高温燃料电池（隔膜材料）
3、SiC：热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性好，良好的导热性、耐辐射性。
火箭尾喷管喷嘴、燃气机轴承、内燃机器件、炉管、核燃料包封材料
4、Si
3N
4
：超硬、耐磨、抗蚀、高温抗氧化、抗冷热冲击、耐高温、不易传热、
摩擦系数小。切削工具、高温轴承、燃气轮机叶片、坩埚、炉衬、发动机气
缸盖、活塞环等。
六、ZrO
2
基体结构有几种？为什么难以烧成致密瓷？如何解决？采用何种方法
获得稳定或部分稳定的ZrO
2
？
① m- ZrO
2（单斜）→t- ZrO
2
(四方)→c- ZrO
2
(立方) 三种
② t- ZrO
2→m- ZrO
2
相变为无扩散型相变，为M相变特征，烧结时，伴随约
5%体积膨胀，常导致构件开裂，故难以烧成致密瓷。
③在ZrO
2
加入适当立方晶型氧化物（2价或3价），其金属离子与Zr4+相差
不大，如MgO、Y
2O
3
、CaO等，高温烧结时与ZrO
2
形成立方固溶体消除单斜
相四方相，想转变时体积膨胀从而得到致密瓷
《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
作业习题： 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，分散相粒子的重量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。 2. 溶胶：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，分散粒子的尺寸在1~100nm之间，这些固体颗粒一般由103~109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，一般在1%~3%之间。 4. 溶胶－凝胶法(Sol-gel)：是采用具有高化学活性的含材料成分的液体化合物为前驱体（通常是金属有机醇盐或无机化合物），在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解、缩聚化学反应，通过抑制各种反应条件，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经过陈化，胶粒间缓慢聚合，形成了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，形成了凝胶。凝胶再经过低温干燥，脱去其间溶剂而成为一种多孔空间结构的干凝胶或气凝胶，最后，经过烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 5. 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。 6. 水解度R：是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。 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. 溶胶稳定机制为胶体稳定的DLVO理论。 6. 计算颗粒间范德华力通常用的两种模型为平板粒子模型、球型粒子模型。 7. 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。 8. 溶胶的凝胶化过程包括脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。 9. 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。 10. 搅拌器的种类有电力搅拌器和磁力搅拌器。 11. 溶胶凝胶法中固化处理分为干燥和热处理。 12. 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。 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和临界压力之上的流体。在超临界状态下，物质有近于液体的溶解特性以及气体的传递特性：粘度约为普通液体的0.1～0.01；扩散系
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.
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。
第一部分无机合成的基础知识 知识点：溶剂的作用与分类 例如：根据溶剂分子中所含的化学基团，溶剂可以分为水系溶剂和氨系溶剂根据溶剂亲质子性能的不同，可将溶剂分为碱性溶剂、酸性溶剂、两性溶剂和质子惰性溶剂。 例如：丙酮属于（）溶剂：A 氨系溶剂 B 水系溶剂 C 酸性溶剂 D 无机溶剂 进行无机合成，选择溶剂应遵循的原则： （1）使反应物在溶剂中充分溶解，形成均相溶液。 （2）反应产物不能同溶剂作用 （3）使副反应最少 （4）溶剂与产物易于分离 （5）溶剂的纯度要高、粘度要小、挥发要低、易于回收、价廉、安全等 试剂的等级及危险品的管理方法 例如酒精属于（） A 一级易燃液体试剂B二级易燃液体试剂C三级易燃液体试剂D四级易燃液体试剂 真空的基本概念和获得真空的方法
低温的获得及测量 高温的获得及测量 第二部分溶胶-凝胶合成 溶胶－凝胶法：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/醇解、缩聚化学反应，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。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。 金属醇盐是介于无机化合物和有机化合物之间的金属有机化合物的一部分，可用通式M(OR)n来表示。M是价态为n的金属，R代表烷基。 *金属醇盐可看作是醇ROH中羟基的H被金属M置换而形成的一种诱导体 *金属氢氧化物M（OH）n中羟基的H被烷基R置换而成的一种诱导体。 *金属醇盐具有很强的反应活性，能与众多试剂发生化学反应，尤其是含有羟基的试剂。 例如：关于溶胶-凝胶合成法中常用的金属醇盐，以下说法错误的是(D ) A金属醇盐可看作是醇ROH中羟基的H被金属M置换而形成的一种诱导体 B金属醇盐可看作是金属氢氧化物M(OH)n中羟基的H被烷基R置换而成的一种诱导体。 C金属醇盐具有很强的反应活性，能与众多试剂发生化学反应，尤其是含有羟基的试剂。 D 异丙醇铝不属于金属醇盐 溶胶-凝胶合成法的应用 溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。 溶胶与凝胶结构的主要区别： 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，粒子自由运动，分散的粒子大小在1～1000nm之间，，具有流动性、无固定形状。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，无流动性，有固定形状。 溶胶-凝胶合成法的特点： （1）能与许多无机试剂及有机试剂兼容，通过各种反应物溶液的混合，很容易获得需要的均相多组分体系。反应过程及凝胶的微观结构都较易控制，大大减少了副反应，从而提高了转化率，即提高了生产效率。 （2）对材料制备所需温度可大幅降低，形成的凝胶均匀、稳定、分散性好，从
仅供参考， 1.单晶：即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列。或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。 2.非晶：组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，仍然保持形貌和组分的某些有序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称为非晶态。 3.真空蒸镀：真空蒸镀是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。 4.溅射成膜：溅射是指荷能离子轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜。这种制备薄膜的方法称为溅射成膜。 5.化学气相沉积：当形成的薄膜在基片表面与其他组分发生化学反应，获得与原成分不同的薄膜材料，这种存在化学反应的气相沉积称为化学气相沉积。 6.三温度法：在制备薄膜时，必须同时控制基片和两个蒸发源的温度，所以也称三温度法。 7.超晶格薄膜：超晶格的概念始于半导体超晶格，半导体超晶格是将两种或两种以上组分不同或导电类型不同的极薄半导体单晶薄膜交替地外延生长在一起形成的周期性结构材料。8.热等静压：热等静压是用惰性气体作为传递压力的介质，将原料粉末压坯或将装入包套的粉料放入高压容器中，降低烧结温度，避免晶粒长大，获得高密度、高强度的陶瓷材料。9.原位凝固：原位凝固就是指颗粒在悬浮液中的位置不变，靠颗粒之间的作用力或者悬浮体内部的一些载体性质的变化，从而使悬浮体的液态转变为固态。 10.巨磁阻薄膜：材料的电阻率将受材料磁化状态的变化而呈现显著的变化。 11.溶胶-凝胶法：是指有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，在经过高温热处理而制成氧化物或其他化合物固体的方法。 12.LB薄膜：是一种超薄有机薄膜，即在水-气界面上将不溶解有机分子或生物分子加以紧密有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体表面上。 1.试说明再结晶驱动力。 答：用应变退火方法生长单晶，通常是通过塑性变形，然后在适当的条件下加热等温退火，温度变化不能剧烈，结果使晶粒尺寸增大。 对于未应变到应变，根据热力学第一定律，有： △E1-2=W—q；△H1-2=△E1-2+△（pV）由于△（pV）很小，近似得：△H1-2=△E1-2 △G1-2= =W—q—T△S 低温下T△S可忽略，故△G1-2≈W—q 即产生应变时，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。 应变退火再结晶的推动力公式为:△G=W—q+Gs+△G0 2.简述Walff定理的基本内容。 答：在恒温恒压下，一定体积的晶体处于平衡态时，其总界面自由能为最小，也就是说，趋
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：
新材料合成与制备
1 前沿 纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代,英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年，《 Nanostructured Materials 》正式出版, 标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima 首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991 年开始把纳米技术列入“政府关键技术”, 我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目[1]。所以，纳米材料的制备在当前材料科学研究中占据极为重要的位置,新的材料制备工艺和过程的研究对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。制备出清洁、成分可控、高密度( 不含微孔隙) 的粒度均匀的纳米材料是制备合成工艺研究的目标。因此,如何控制及减少纳米材料尤其是界面的化学成分及均匀性、以及如何控制晶粒尺寸分布是制备工艺研究的主要课题[2]。 2 纳米材料的特性及其特性[3] “纳米材料”的命名出现在20世纪80年代,它是指三维空间中至少有一维处于1nm -100nm 或由它们作为基体单元构成的材料。 2.1 纳米材料的分类 纳米材料按维数可分为三类: (1)零维,如纳米尺度颗粒、原子团簇等；(2)一维,如纳米丝、纳米棒、纳米管等；(3)二维,如超薄膜、多层膜、超晶格等。按照形态一般分为四类:(1)纳米颗粒型材料；(2) 纳米固体材料；(3) 颗粒膜材料；(4) 纳米磁性液体材料。 2.2 纳米材料的特性 纳米材料具有普通材料所不具备的三大效应: (1)小尺寸效应,指当纳米粒子的尺寸与传统电子的德布罗意波长以及超导体的相干波长等物理尺寸相当或
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
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
第一章 1.实现快速凝固的途径有哪些？ 答：a.动力学急冷法 b.热力学深过冷法 c.快速定向凝固法 2.用单辊法制备金属带材的快速凝固工艺特点是什么？ 答：答：①单辊需要以2000~10000r∕min的高速度旋转，同时要保证单辊的转速均匀性很高，径向跳动非常小，以控制薄膜的均匀性②为了防止合金溶液的氧化，整个快速凝固过程要在真空或保护性气氛下进行③为了获得较宽并且均匀的非晶合金带材，液流必须在单上均匀成膜，液流出口的设计及流速的控制精度要求很高。 3.常用金属线材的快速凝固方法有哪些？它们的工艺特点是什么？ 答：a.玻璃包覆熔融的线法。特点：容易成型、连续等径、表面质量好的线材。但生产效率低，不适合生产大批量工业用线材。 b.合金熔液注入快冷法。特点：装置简单，但液流稳定性差，流速较低、难控制速率，不能连续生产。 c.旋转水纺线法。特点：原理和装置简单、操作方便、可实现连续生产。 d.传送带法。特点：综合了b、c法，可实现连续生产，但装置较复杂，工艺参数调控较难，传送速率不快。 第二章 1喷射成形的基本原理是什么？其基本特点有哪些？ 答：原理：在高速惰性气体的作用下，将熔融金属或合金液流雾化成弥散的液态颗粒，并将其喷射到水冷的金属沉积器上，迅速形成高度致密的预成形毛坯。 特点：高度致密，低含氧量，快速凝固的显微组织特征，合金性能高，工艺流程短，成本低，高沉积效率，灵活的柔性制造系统，近终形成形，可制备高性能金属基复合材料。 2.喷射成形关键装置指的是什么？雾化喷嘴系统 3.用喷射成形技术制备复合材料时有什么优势？是否任何复合材料都能用该方法来制备？说明理由。 答：主要优势：在于快速凝固的特性、高温暴露时间短、简化工艺过程。 否；因为有的复合材料容易发生界面反应，且高含氧量、气体含量和夹杂含量，工艺复杂和成本偏高等问题。 4.气体雾化法是利用气体的冲击力作用于熔融液流，使气体的动能转化为熔体的表面，从而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒。 5.喷射成形又称喷射雾化沉积或喷射铸造等是用快速凝固方法制备大块，致密材料的高新技术，它把液态金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（熔滴动态致密化）自然结合起来。 6.喷射成型的四个阶段：雾化阶段，喷射阶段，沉积阶段，沉积提凝固阶段。 7.雾化喷射成形工艺一般采用惰性气体。 8.喷射成形装置的技术关键主要包括装置总体布局，雾化喷嘴，沉积器结构，和运动方式。 9.装置结构布局：倾斜布局，垂直布局，水平布局。 10.喷射成形装置应包括：含熔炼部分，金属导流系统，雾化喷嘴，雾化气体控制系统，沉积器及其传动系统，收粉及排气系统。 第三章 1.机械合金化的定义及球磨机理是什么？ 答：（MA）是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与球磨之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备方法。 球磨机理：取决于粉末组分的力学性能，它们之间的相平衡和在球磨过程中的应力状态。
一.填空题: 1.聚合物基复合材料的制备大致可以分为4个步骤 答:增强物的铺放—确定材料形状—基体注入—基体固化。 2.均匀相成核和非均匀相成核 答:在晶体生长过程中,新相核的发生和长大称为成核过程。成核过程可分为均匀成核和非均匀成核。 所谓的均匀成核,是指在一个热力学体系内,各处的成核几率相等。由于热力学体系的涨落现象,在某个瞬间,体系中某个局部区域偏离平衡态,出现密度涨落,这时,这个小局部区域中的原子或分子可能一时聚集起来成为新相的原子集团(称为胚芽。这些胚芽在另一个瞬间可能又解体成为原始态的原子或分子。但某些满足一定条件的胚芽可能成为晶体生长的核心。如果这时有相变驱动力的作用,这些胚芽可以发展成为新的相核,进而生长成为晶体。晶核的形成存在一个临界半径,当晶核半径小于此半径时,晶核趋于消失,只有当其半径大于此半径时,晶核才稳定地长大。 所谓非均匀成核,是指体系在外来质点,容器壁或原有晶体表面上形成的核。在此类体系中,成核几率在空间各点不同。自然界中的雨雪冰雹等的形成都属于非均匀成核。 际上,在所有物质体系中都会发生非均匀成核。有目的地利用体系的非均匀成核,可以达到特殊的效果和作用。 二.名词解释: 非均匀成核:非均匀成核,是指体系在外来质点,容器壁或原有晶体表面上形成的核。 分子束外延法:实际上是改进型的三温度法。当制备三元混晶半导体化合物薄膜时,在加一蒸发源,就形成了四温度法。
模压成型法:将复合材料片材或模塑料放入金属对模中,在温度和压力作用下,材料充满模腔,固化成型,脱模制得产品的方法。 闪蒸法:把合金做成粉末或微细颗粒,在高温加热器或坩锅蒸发源中,使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发。 真空蒸镀:将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华,使之在工件或基片表面析出的过程。 物理气相沉积:在真空条件下,用物理的方法,将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子,并通过气相过程,在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜。 化学镀:通常称为无电源电镀,是利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用,在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。 喷射成型工艺:通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到模具表面,经棍压、固化制得复合材料制件的方法。 短纤维沉积预成型:将短纤维预先制成与制品形状相似的疏松毡状毛坯,然后再浸渍胶液,经压紧固化而得到复合材料制品。 三.简答题 1.均匀形核必须具备的条件: 答:①必须过冷,过冷度越大形核驱动力越大; ②必须具备与一定过冷相适应的能量起伏△G* 或结构起伏r*,当△T增大时,△ G* 和r*都减小,此时的形核率增大。 2.溅射与蒸发的异同点: 答:同:在真空中进行。