《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）
.
. 薄膜材料与薄膜技术
第一章
1.真空度划分：
粗真空：105-102Pa 接近大气状态 热运动为主
低真空：102-10-1Pa
高真空：10-1-10-6Pa
超高真空：<10-6Pa
2.吸附与脱附 物理吸附与化学吸附
气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象
物理吸附：没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、一般只在低温下发生
化学吸附：在较高温度下发生、不容易脱附，只有气体和固体表面原子接触生成化合物才能产生吸附作用。
气体脱附：是吸附的逆过程。
3.旋片式机械真空泵
用油来保持各运动部件之间的密封，并靠机械的办法，使该密封空间的容积周期性地增大，即抽气；缩小，即排气，从而达到连续抽气和排气的目的。
4.分子泵
牵引泵：结构简单、转速小、压缩比大（效率低）
涡轮式分子泵：抽气能力高、压缩比小（效率高）
5.低温泵
深冷板装在第二级冷头上，温度为10-20k，板正面光滑的金属表面可以去除氮、氧等气体，反面的活性炭可以吸附氢、氦、氖等气体。通过两极冷头的作用，可以达到去除各种气体的目的，从而获得超高真空状态。
6.真空的测量
电阻真空计：压强越低，电阻越高 （p↓→R↑） 测量范围105---10-2Pa
热偶真空计：压强越低，电动势越高（p↓→Ɛ↑） 测量范围102----10-1Pa
电离真空计：三种（BA型、热阴极、冷阴极）
A：灯丝 （发射极）F：栅极（加速极） G：收集极
第二章
1.薄膜制备的化学方法
以发生一定化学反应为前提，由热效应引起或由离子的电致分离引起。（热激活、离子激活）
2.热氧化生长
在充气条件下，通过加热基片的方式可以获得大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜。
3.化学气相沉积
优缺点：
优点（记住四条）：
①成核密度高，均匀平滑的薄膜。 .
. ②绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜。
③不需要昂贵的真空设备。
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
第一章
1、什么是Young方程?接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？
答：Young方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv,γSL,γLv与接触角θ之间的关系式,亦称润湿方程，表达式为：γsv—γSL=γLvCOSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。
关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0。cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好;90°＜θ＜180°,液体不润湿固体;θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。
2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒,试气温骤降至293K,水气的过饱和度（P/Ps)达4，已知在293K时，水的表面能力为0.07288N/m，密度为997kg/m3,试计算：
（1）在此时开始形成雨滴的半径。
（2）每一雨滴中所含水的分子数。
答:（1）根据Kelvin公式有
开始形成的雨滴半径为：
将数据代入得：
（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=NAn ，n=m/M=V/M，得
3、在293k时，把半径为1.0mm的水滴分散成半径为1.0μm的小水滴,试计算(已知293K时水的表面Gibbs自由为0。07288J 。m—2）（1）表面积是原来的多少倍?（2）表面Gibbs自由能增加了多少？（9分）
答：(1）设大水滴的表面积为A1，小水滴的总表面积为A2，则小水滴数位N，大水滴半径为r1,小水滴半径为r2.
又因为将大水滴分散成N小水滴，则
推出 = 故有
即表面积是原来的1000倍。
（2）表面Gibbs自由能的增加量为
=4*3。142*0。07288*[109*（10—6)2—（10-3)2］
=
第二章
1、什么是CMC浓度？试讨论影响CMC的因素。请设计一种实验测定CMC的方法。
