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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。
材料合成与制备方法材料合成是材料科学领域中的关键环节，合成方法的选择直接影响到材料的性能和应用。
本文将介绍几种常见的材料合成方法和制备技术，包括化学合成、物理合成和生物合成等。
一、化学合成化学合成是一种通过化学反应来制备新材料的方法。
通常需要原料物质在特定条件下进行反应，生成目标产物。
常见的化学合成方法包括溶液法、气相法和固相法等。
1. 溶液法溶液法是一种将原料物质溶解在适当的溶剂中，通过溶液中物质的扩散、固相沉淀和晶体生长等过程，制备出所需的材料的方法。
这种方法操作简单，适用于多种材料的合成。
2. 气相法气相法是一种将原料物质气化或溶解在惰性气体中，通过气相反应生成目标产物的方法。
这种方法通常用于制备高纯度、高质量的材料，适用于一些高温、高真空条件下的合成。
3. 固相法固相法是一种将原料物质混合均匀后，在高温条件下进行反应生成目标产物的方法。
这种方法适用于高温烧结、固相反应等制备过程。
二、物理合成物理合成是一种利用物理方法实现材料合成的方式。
常见的物理合成方法包括熔融法、机械合成和溅射法等。
1. 熔融法熔融法是一种将原料物质加热至熔化状态后冷却凝固成材料的方法。
这种方法通常用于金属材料、陶瓷材料等的制备，具有制备工艺简单、成本低廉的优点。
2. 机械合成机械合成是一种通过机械力对原料物质进行机械混合、压缩、研磨等过程，实现材料合成的方法。
这种方法适用于一些不容易发生化学反应的材料，可以制备出高性能的复合材料。
3. 溅射法溅射法是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材表面原子或分子脱落并沉积在基底上形成薄膜的方法。
这种方法适用于制备薄膜、涂层等材料，广泛应用于电子、光电等领域。
三、生物合成生物合成是一种利用生物体或生物体系来合成材料的方法。
常见的生物合成方法包括生物体内合成、发酵法和生物模板法等。
1. 生物体内合成生物体内合成是一种利用生物体自身代谢过程中产生的物质合成材料的方法。
这种方法适用于生物体本身就能够合成目标产物的情况，具有环境友好、资源可再生的优点。
材料合成与制备
材料合成与制备是材料科学领域中的重要内容，它涉及到材料的制备方法、合成工艺、原料选择等方面，对材料的性能和应用具有重要影响。
在材料科学的研究和应用中，合成与制备是一个至关重要的环节。
首先，材料合成与制备的方法多种多样，根据不同材料的特性和要求，可以采用溶液法、气相沉积法、固相法、溶胶-凝胶法等多种方法。
溶液法主要是通过溶液中的化学反应来合成材料，气相沉积法则是通过气相中的化学反应来合成材料，固相法是通过固态反应来制备材料，而溶胶-凝胶法则是通过溶胶和凝胶的过程来制备材料。
这些方法各有特点，可以根据具体情况来选择合适的方法。
其次，材料的合成工艺对材料的性能和应用具有重要影响。
合成工艺包括原料的选择、反应条件的控制、制备工艺的优化等方面。
原料的选择直接影响到合成材料的成分和结构，反应条件的控制则会影响到合成反应的进行和产物的性质，制备工艺的优化则可以提高材料的纯度、均匀性和稳定性。
此外，材料合成与制备还需要考虑到材料的用途和性能要求。
不同的材料用途和性能要求会对合成与制备提出不同的要求，比如光学材料需要具有特定的透明度和折射率，电子材料需要具有特定的导电性和磁性等。
因此，在合成与制备过程中需要充分考虑到材料的用途和性能要求，进行相应的工艺设计和调整。
总的来说，材料合成与制备是材料科学中的重要环节，它涉及到材料的制备方法、合成工艺、原料选择等方面，对材料的性能和应用具有重要影响。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的合成方法和工艺，充分考虑到材料的用途和性能要求，才能制备出符合要求的材料，为材料科学的发展和应用提供有力支持。
第2章材料合成与制备的主要途径材料合成与制备的方法很多，从材料的物态上看，材料合成与制备的主要途径可以分为三种类型，即：基于液相—固相转变的材料制备；基于固相－固相转变的材料制备；基于气相—固相转变的材料制备。
2.1 基于液相—固相转变的材料制备基于液相—固相转变的材料制备一般可分为两类：一类是从熔体出发，通过降温固化得到固相材料，如果条件适合并且降温速率足够慢可以得到单晶体，如果采用快冷技术可以制备非晶(玻璃态)材料；另一类则从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经固化得到固相材料。
2.2.1 从熔体制备单晶材料单晶材料的制备必须排除对材料性能有害的杂质原子和晶体缺陷。
低杂质含量、结晶完美的单晶材料多由熔体生长得到。
熔体生长中应用得最广的方法是直拉法(Czochralski法)生长。
直拉法的特点是所生长的晶体的质量高，速度快。
半导体电子工业所需的无位错Si单晶就是采用这种方法制备的。
图2.l是直拉法晶体生长的示意图。
熔体置于坩埚中，一块小单晶，称为籽晶，与拉杆相连，并被置于熔体的液面处。
加热器使单晶炉内的温场保证坩埚以及熔体的温度保持在材料的熔点以上，籽晶的温度在熔点以下，而液体和籽晶的固液界面处的温度恰好是材料的熔点。
随着拉杆的缓缓拉伸(典型速率约为每分钟几毫米)，熔体不断在固液界面处结晶，并保持了籽晶的结晶学取向。
为了保持熔体的均匀和固液界面处温度的稳定，籽晶和坩埚通常沿相反的方向旋转(转速约为每分钟数十转)。
显然，这种旋转使得长成的单晶对转轴有柱面对称性。
高压惰性气体(如Ar)常被通人单晶炉中防止污染并抑制易挥发元素的逃逸。
对易挥发材料也可采用液封技术，即在熔体表面覆盖一层不挥发的惰性液体，如生长GaAs单晶时使用的液封材料是B2O3。
图2.1 直拉法单晶生长示意图1：籽晶；2：熔体；3、4：加热器坩埚下降法又称定向凝固法，也是一种应用广泛的晶体生长技术。
其基本原理是使装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，如图2.2所示。
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。
材料的合成与制备材料的合成与制备是现代科学技术领域中一个非常重要的研究方向，它涉及到材料的物理、化学性质以及在工程应用中的性能表现。
材料的合成与制备技术的发展，对于推动材料科学和工程技术的进步具有重要意义。
本文将从合成与制备的基本原理、常见方法及其应用等方面进行介绍。
首先，材料的合成与制备是指通过化学反应、物理方法或生物技术等手段，将原料转化为所需的材料。
合成与制备的基本原理包括原料选择、反应条件控制、反应机理等内容。
在材料的合成过程中，原料的选择对于最终产物的性能具有至关重要的影响。
同时，合成过程中的反应条件控制也是至关重要的，例如温度、压力、溶剂选择等因素都会影响反应的进行和产物的性质。
此外，了解反应的机理对于优化合成过程、提高产物纯度和性能也具有重要意义。
其次，常见的材料合成与制备方法包括化学合成、物理合成和生物合成等。
化学合成是指通过化学反应将原料转化为所需的产物，常见的化学合成方法包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等。
物理合成是指通过物理手段将原料转化为所需的产物，常见的物理合成方法包括溅射法、磁控溅射法、电化学沉积等。
生物合成是指利用生物技术手段进行材料的合成与制备，例如利用微生物、植物等生物体进行材料的合成。
不同的合成方法适用于不同类型的材料，选择合适的合成方法对于提高产物的纯度和性能具有重要意义。
最后，材料的合成与制备在各个领域都有着广泛的应用，例如在材料科学、化工、能源、环境等领域中都有着重要的地位。
在材料科学领域，合成与制备技术的发展推动了新型材料的研发和应用，例如纳米材料、功能材料等的合成与制备技术的进步为材料科学的发展提供了重要支持。
在化工领域，合成与制备技术的发展为新型化工产品的研发和生产提供了重要技术支持。
在能源和环境领域，合成与制备技术的应用也为新能源材料、环境治理材料等的研发和应用提供了重要技术支持。
总之，材料的合成与制备是一个非常重要的研究方向，它涉及到材料的物理、化学性质以及在工程应用中的性能表现。
高等学校教材：材料合成与制备实验
材料合成与制备实验是一种常见的大学实验，是合成新材料的基本实验方法。
材料合成与制备实验能够帮助研究者研究新材料的性能、结构和性质，并进一步探索新材料的应用。
材料合成与制备实验的基本步骤主要包括：首先，根据实验的要求，按照一定的比例准备各种原料；其次，将原料混合，并在一定的温度和压力下进行反应；最后，将反应液浓缩、分离、结晶，然后用一定的方法测量所得到的材料的性质，以确定材料的性质。
材料合成与制备实验的最终目的是研究新材料的性能，以便开发出更好的产品。
考虑到材料合成与制备实验的重要性，高校在进行实验教学时应以安全为首要考虑因素，加强实验安全知识的培训，以及实验室的安全管理。
同时，高校还应针对实验教学的特点，提高教学质量，加强实验室的设备维护，建立实验室安全管理系统，提高实验技术水平，以保证实验教学质量。
总之，材料合成与制备实验是高校实验教学的重要组成部分，它能够帮助研究者研究新材料的性能、结构和性质，因此高校应继续加强实验教学，以提高实验教学质量。
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
于平衡态时，晶体将调整自己的形状以使本身的总界面自由能降至最小，这就是Walff定理。
3.试说明布里奇曼-斯托克定向凝固法生长晶体的基本思想。
答：B-S法是在一个温度梯度场内生长单晶，在单一固—液界面上成核。
待结晶的材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，坩埚可垂直或水平放置。
使坩埚下降通过一个温度梯度，或使加热器沿坩埚上升。
4.试说明直拉法生长晶体过程中晶体直径的主要控制因素。
答：①控制加热功率；②调节热损耗Qs；③利用帕尔帖效应；④控制提拉速率。
5.简述气相生长的原理和方法。
方法：升华法：蒸气输运法：气相反应法：
原理：对于某个假设的晶体模型，气相原子或者分子，在一定条件下被晶体吸收，形成稳定的二维晶核。
在晶面上产生台阶，再俘获吸收原子，开始运动。
蔓延整个表面，晶体便会生长一成原子高度。
如此反复循环即能生长晶体。
6.试说明非晶态的概念与特性。
答：概念：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。
特性：1、高强度、高韧性；2、抗腐蚀性；3、软磁特性；4、超导电性；5、非晶半导体的光学性质：1）光吸收；2）光电导；3）光致发射；6、其他性质：非晶态材料还有诸如室温电阻率高和负的电阻温度系数。
7.试说明常见非晶态的分类。
答：非晶态材料的分类：1.非晶态合金；2.非晶态半导体材料；3.非晶态超导体；4.非晶态高分子材料；5.非晶体玻璃。
8.试说明非晶态材料的形成条件和结构模型。
答：可以将形成条件概括为以下四点：
①晶核形成的热力学势垒△G*要大，液体中不存在成核杂质；
②结晶的动力学势垒要大，物质在Tm或液相温度处的粘度要大；
③在粘度与温度关系相似的条件下，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。
结构模型：1、微晶模型：该模型认为非晶态材料是由微晶粒所组成。
根据这一模型，“晶粒”尺寸只有一纳米到几十纳米。
微晶内的短程序和晶态相同，但是长程无序，微晶之间原子的排列方式和液态结构相似。
9.拓扑无序模型：拓扑无序模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性。
拓扑无序是指模型中原子的相对位置是随机的无序排列的。
该模型强调结构的无序性。
10.试说明非晶态材料的制备原理。
答：获得非晶态最根本的条件：①足够快的冷却速率；②冷却到材料的再结晶温度以下。
制备非晶的两个技术关键：①必须形成原子或分子混乱排列的状态；②将非晶热力学亚稳态
在一定的温度范围内保存下来，并使之不向晶态发生转变。
11.什么叫三温度法/四温度法？
答：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。
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，再加一蒸发源，就形成了四温度法。
12.什么是溅射？影响溅射率的主要因素？
答：溅射：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。
溅射率是决定溅射成膜快慢的主要因素之一。
影响溅射率大小的主要因素有入射离子能量、入射角度、靶材及表面晶体结构。
其中入射离子能量起决定性的作用。
13.说明溅射机制的动能转移论。
答：这种观点认为，轰击离子对靶材轰击时，与靶材原子发生了弹性碰撞，从而获得了与入射原子相反方向的动量，撞击表面而形成溅射原子。
14.说明影响CVD的参数。
1.反应体系成分：CVD原料通常要求室温下为气体。
2.气体的组成：气体成分是控制薄膜生长的主要因素之一；
3.压力CVD制膜可采用封管法、开管法和减压法三种；
4.温度：温度是影响CVD的主要因素。
15.说明什么叫分子束外延（MBE）。
答：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，再加一蒸发源，就形成了四温度法。
为了控制元素的量，需要使蒸发源发出的所有组成元素分子呈束状，而不构成整个腔体气氛，这就是分子束外延法的思想。
16.说明微波电子回旋共振CVD原理、技术及应用。
答：原理：ECRPCVD由放电室、沉积室、微波系统、磁场线圈、气路与真空系统等几个主要部分组成。
处于放电室的等离子体在磁场中做回旋运动，使电子的回旋运动频率与微波频率相同；处于回旋共振条件下的电子有效地吸收微波功率而获得高的能量，从而产生高活性和高密度的等离子体。
技术：ECRPCVD可在低的气体流量、衬底不加热的情况下高速沉积高质量薄膜。
应用：ECRPCVD已成功用于沉积多种薄膜。
17.简述微波烧结的优点。
微波烧结模式与常规烧结相比，具备以下特点：
（1）不需元件也不需绝热材料，结构简单，制造维修方便；
（2）可快速加热烧结；（3）便于复杂形状大部件烧结；（4）高效节能；
（5）无热源污染，有利于制备高纯陶瓷；
（3）可改进材料的微观结构和宏观性能，获得细晶高韧的结构陶瓷材料。
18.影响非晶态稳定性的因素：a动力学因素b合金化效应c尺寸效应d位形熵e化学因素
19.成型制备技术新工艺：a压力渗滤工艺 b注射成型法 c带式浇注式流延成型
d化学蒸汽渗透法 e热等静压法
20.陶瓷原位凝固胶态成型工艺：a凝胶注模成型工艺 b温度诱导絮凝成型工艺
c胶态振动注模成型工艺 d直接凝固注模成型工艺 e快速凝固成型技术
21.溶胶-凝胶法的技术特点：
1.操作温度远低于玻璃熔融温度。
2.应用较为灵活。
3.从熔液反应开始，制备材料能在分子水平上达到高度均匀，严格控制材料的组成。
4.制备气溶胶是一种结构可以控制的新型非晶固态材料，具有很多特殊性质。
5.缺点：薄膜的致密性较差。
