材料合成与制备_第一章

《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年撰写人签字：院（系）教学院长（主任）签字：。

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。

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。

第一章绪论1．材料按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四类。

2．材料合成与制备是通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料。

研究内容：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技术，从而指定节能、经济、环保的合成路线及开发新型结构和功能的材料。

3．材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。

第二章无机材料合成实验技术1．表征真空泵的工作特性的四个参量：起始压强、临界反压强、极限压强、抽气速率。

2．平衡分离过程：借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。

3．速率分离过程：在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。

4．吸附分离过程：利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。

特点：①多数吸附剂具有良好的选择性，同时，被吸附组分又可在不同的条件下脱附，方便被吸附组分的分别收集和吸附剂的再生利用；②吸附剂化学稳定性好，分离所得产物纯度高；③吸附与解吸速度快，为快速分离和获得小体积淋洗液创造了条件；④吸附剂价廉易得，实验操作简单；⑤为了增加表面作用位置，吸附剂通常制成多孔结构和大比表面积。

吸附机理：⑴吸附作用机理复杂，包括静电吸附、氢键作用、离子交换、络合作用等多种物理和化学过程；⑵从分子间作用力的观点来看，吸附作用是吸附剂表面的立场与吸附质分子之间相互作用的结果，主要是物理吸附；⑶硅胶、Al2O3表面含有大量羟基及O原子，能与许多物质形成氢键。

氢键和电荷转移相互作用均产生较强的吸附能；⑷极性吸附剂与极性分子之间的吸附力较强，选择性也较高。

《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.《材料制备与合成[料]》教学大纲课程编号：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、金属材料学一、课程性质、目的与任务【课程性质】材料制备与合成[料]是材料科学与工程专业重要的专业选修课。

材料工程基础第一章材料的制备与合成1.制备材料的3种途径：⑴第一个途径：通过原材料熔化精炼提纯，冷凝成固体（多晶、单晶或非晶的结构）的途径。

⑵第二个途径：用多种方法制成备用的高纯粉末（单相或合金、化合物）原料，使其进一步加工固结成材的粉末冶金技术。

⑶第三个途径：从石油、天然气裂解产物中或煤炭等物质中获得化合物单体，将低分子的单体经过聚合反应合成为高分子聚合物，以块状或粉体等形式存在。

2.化工生产流程：攻头、保尾、控中间。

3.高炉炼铁原料：⑴铁矿石；⑵熔剂（作用：降低脉石熔点和去硫）；⑶燃料：常用的燃料主要是焦炭。

4.高炉炉渣：⑴主要由SiO2、Al2O3和CaO组成，并含有少量的MnO、FeO和CaS等。

⑵作用：①通过熔化各种氧化物控制金属的成分；②浮在金属液表面的炉渣能保护金属，防止金属被过分氧化，防止热量损失，起到隔热作用，保证金属不致过热。

5.造渣除P、S：P的含量高会引起钢的冷脆。

2Fe2P + 5FeO + 4CaO = 9Fe + (CaO) 4·P2O5钢中硫含量高，造成钢的热脆性。

FeS+CaO→CaS+FeO6.铝的生产流程电解法制备金属铝必须包括两个环节：一是从含铝的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝得到纯铝。

7.炼铝过程中为什么要加入冰晶石（Na3AlF6）？①氧化铝的熔点（2050℃）太高，对电解设备的耐高温性能要求过高。

②当用冰晶石（熔点1010℃）作熔剂时，氧化铝溶解于其中（溶解度约10%），将与氧化= 938℃），这时可在1000℃以下进行电解。

通常的电解温度是铝形成低熔点共晶（T共950-970℃。

8. 单晶制备方法⑴熔体法：从结晶物熔体中生长晶体，制备大单晶和特定形状晶。

①提拉法；②坩埚下降法；③泡生法；④水平区熔法；⑤浮区法。

⑵常温溶液法：常温溶液是指水、重水或液态有机物作为溶剂的溶液。

在这类溶液中，可以生长完整性高、均匀性好的大尺寸晶体，易观察。

材料合成与制备材料合成与制备是现代材料科学领域的重要研究内容之一，它涉及到材料的结构设计、合成方法、制备工艺等方面，对于材料的性能和应用具有重要的影响。

在这篇文档中，我们将重点介绍材料合成与制备的基本概念、常见方法和技术，希望能够为相关领域的研究者和学习者提供一些参考和帮助。

材料合成是指通过化学反应或物理方法将原料转化为所需的材料。

合成方法的选择通常取决于所需材料的性质、结构和用途。

常见的材料合成方法包括溶液法、固相法、气相法、激光烧结法等。

溶液法是指将原料溶解在溶剂中，通过控制溶液的温度、浓度、PH值等条件来实现材料的合成。

固相法是指将原料混合后在高温条件下进行反应，通常用于制备无机材料。

气相法是指将原料蒸发成气体后在一定条件下进行反应，适用于制备纳米材料和薄膜材料。

激光烧结法是指利用激光束对原料进行加热和烧结，可以实现高温、快速、均匀的材料合成。

材料制备是指将合成好的材料进行成型、加工和表面处理，以满足特定的使用要求。

常见的材料制备方法包括热压成型、注塑成型、挤压成型、烧结等。

热压成型是指将粉末材料放入模具中，在一定温度和压力下进行成型。

注塑成型是指将熔融的塑料通过注射机注入模具中进行成型。

挤压成型是指将熔融的金属材料通过挤压机挤压成型。

烧结是指将粉末材料在一定温度下进行烧结，使其颗粒相互结合形成致密的材料。

在材料合成与制备过程中，需要考虑原料的选择、反应条件的控制、设备的选择和操作技术等方面的问题。

合成和制备的过程需要严格控制各项参数，以确保所得材料的质量和性能。

同时，还需要考虑材料的成本、环保性、可持续性等方面的问题，以实现材料的可持续发展和应用。

总的来说，材料合成与制备是材料科学领域中非常重要的研究内容，它直接影响到材料的性能和应用。

通过合理选择合成方法和制备工艺，可以获得具有特定结构和性能的材料，为材料科学和工程领域的发展和应用提供重要支撑。

希望本文所介绍的内容能够对相关领域的研究者和学习者有所帮助，也欢迎大家对材料合成与制备的研究进行进一步的探讨和交流。

材料合成与制备1. 引言材料合成与制备是一项重要的科学研究领域，涉及到从原材料到最终产品的整个过程。

通过合成和制备材料，我们可以获得具有特定性质和功能的新材料，以满足不同领域的需求。

本文将介绍材料合成与制备的基本概念、方法和应用。

2. 材料合成的基本概念2.1 材料合成的定义材料合成是指通过化学反应、物理方法或其他途径将原始物质转化为具有期望性质和结构的新物质。

这一过程可以包括单一组分材料的制备，也可以是复合材料的合成。

2.2 材料合成的分类根据原始物质和反应方式的不同，材料合成可以分为以下几类：•化学气相沉积（CVD）：通过气相反应在固体表面上生成薄膜或纳米颗粒。

•溶液法：利用溶液中溶解度差异来实现晶体生长或纳米颗粒形成。

•固相法：通过固态反应在固体材料中生成新的晶相或化合物。

•电化学法：利用电化学反应来合成材料，如电沉积、电解等。

•水热合成：利用高温高压水环境下的化学反应来合成材料。

3. 材料制备的基本概念3.1 材料制备的定义材料制备是指通过加工和处理原始材料，将其转化为具有特定形状、结构和性质的最终产品。

这一过程可以包括物理加工、化学处理、热处理等。

3.2 材料制备的分类根据加工方式和处理方法的不同，材料制备可以分为以下几类：•熔融法：将原始材料加热至熔点，使其熔化后再冷却固化成所需形状。

•粉末冶金法：将粉末材料通过压制、烧结等工艺制备成所需形状。

•涂覆法：通过涂覆技术将液态或粉末材料均匀地覆盖在基底上，形成所需表面层。

•光刻技术：利用光敏物质的特性，在光照和化学处理的作用下制备微米或纳米尺度的结构。

•3D打印技术：通过逐层堆积材料来制备三维结构。

4. 材料合成与制备的方法材料合成与制备的方法多种多样，具体选择哪种方法取决于材料的性质、结构和应用要求。

以下是一些常用的方法：4.1 化学合成化学合成是指通过化学反应将原始物质转化为所需材料。

常见的化学合成方法包括溶液法、气相法、固相法等。

例如，利用溶液法可以通过溶解金属盐和还原剂来合成金属纳米颗粒。