先進(jìn)材料制備基礎(chǔ)理論-總復(fù)習(xí)

1、2024/3/23,1,先進(jìn)材料制備基礎(chǔ)理論,1.考試時(shí)寫明班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)2.開卷考試，時(shí)間：10.12.30號(hào)周四上午8：0——9：50；地點(diǎn)：教學(xué)館104,2024/3/23,2,材料的地位、作用、和發(fā)展,材料(Materials) 是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是先于人類存在的，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的使用和制備水平反映人類社會(huì)文明的水平。材料是人類文明的里程碑。,2024/3/23,3,材料的地位、作用、和發(fā)展

2、,材料是人類能用以制作有用物件的物質(zhì)。人類發(fā)展的歷史表明，材料是社會(huì)進(jìn)步的物資基礎(chǔ)與先導(dǎo)。它是人類賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物資基礎(chǔ)，同時(shí)又是人類社會(huì)發(fā)展的先導(dǎo)，它是人類進(jìn)步的里程碑。很難想象，如果沒有材料，人類社會(huì)的生活將會(huì)是一種什么樣的狀況。自20世紀(jì)70年代，人們就把信息、能源和材料譽(yù)為人類文明的三大支柱，把材料的重要性提到了一個(gè)前所未有的高度。20世紀(jì)80年代，人們又把新材料技術(shù)、信息技術(shù)與生物技術(shù)一起列為高新技術(shù)

3、革命的重要標(biāo)志。,2024/3/23,4,材料的分類,材料的分類方法很多，通常是按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料(常稱高分子材料)復(fù)合材料每一類又可分為若干大類,2024/3/23,5,材料的分類,按照材料的發(fā)展歷史來分類——將材料分為傳統(tǒng)材料和新型材料（先進(jìn)材料）兩者并無嚴(yán)格區(qū)別，它們是互相依存、互相促進(jìn)、互相轉(zhuǎn)化、互相替代的關(guān)系；傳統(tǒng)材料的特征為：需求量大、生產(chǎn)規(guī)模大，但環(huán)境污染嚴(yán)重；新型

4、材料是建立在新思路、新概念、新工藝、新檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以材料的優(yōu)異性能、高品質(zhì)、 高穩(wěn)定性參與競(jìng)爭(zhēng)，屬高新技術(shù)的一部分。新型材料的特征是：投資強(qiáng)度較高、更新?lián)Q代快、風(fēng)險(xiǎn)性大、知識(shí)和技術(shù)密集程度高，一旦成功，回報(bào)率也較高，且不以規(guī)模取勝。,2024/3/23,6,材料的要素,性質(zhì)和現(xiàn)象—賦予了材料的價(jià)值和應(yīng)用性。使用性能—是材料在使用條件下應(yīng)用性能的度量。結(jié)構(gòu)與成分—包括了決定材料性質(zhì)和使用性能的原子類型和排列方式。合成和

5、加工—實(shí)現(xiàn)了特定原子排列。,2024/3/23,7,材料的要素,2024/3/23,8,材料的要素,4個(gè)要素反映了材料科學(xué)與工程研究中的共性問題。正是在這4個(gè)要素上，各種材料相互借鑒、相互補(bǔ)充、相互滲透。抓住了這4個(gè)要素，就抓住了材料科學(xué)與工程研究的本質(zhì)。而各種材料，是其特征所在，反映了該種材料與眾不向的個(gè)性。其中合成和加工、受加工影響的使用性能是兩個(gè)關(guān)鍵要素,2024/3/23,9,材料科學(xué)的目的,高分子材料、金屬材料和無機(jī)非金屬

6、材料，不論其形狀大小如何，其宏觀性能都是由其化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定的。只有從不同的微觀層次上正確地了解材料的組成和組織結(jié)構(gòu)特征與性能間的關(guān)系，才能有目的、有選擇地制備和使用材料。材料科學(xué)的主要目的就是從電子、離子、原子、分子的層次上闡明各種材料的組成、制備工藝、分子或原子結(jié)構(gòu)與性能間的相互關(guān)系,2024/3/23,10,材料的組成,材料通常都是由原子或分子結(jié)合而成的，也可以說是由各種物質(zhì)組成的，而物質(zhì)是由一種或一種以上元素組成的。如

7、眾所周知的鋼鐵、水泥、陶瓷、玻璃、塑料和木材等材料，各自均有固定的特性，組成這些材料的主要元素有：鐵(Fe)、硅(Si)、鈣(Ca)、鋁(A1)、碳(C)、氧(O)、氮(N)、氫(H))等，是地球上廣泛存在的元素。按原子或分子的結(jié)合與結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)的不同，材料的組成可分成固溶體、聚集體和復(fù)合體三大類。,2024/3/23,11,材料的組元,組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)稱為材料的組元(或稱組分)。組元可以是純?cè)?，也可以是穩(wěn)定的化合物。金

8、屬材料的組元多為純?cè)?如普通碳鋼的組元是Fe與C)，陶瓷材料的組元多為化合物(如Y2O3—ZrO2陶瓷的組元是Y2O3 和ZrO2)。,2024/3/23,12,材料中的相,材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做相。相與相之間有明顯的界面，可以用機(jī)械的方法把它們分離開。在界面上，從宏觀的角度來看，性質(zhì)的改變是突變的。若材料是由成分、結(jié)構(gòu)均相同的同種晶粒構(gòu)成的，盡管各晶粒之間有界面隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。若材料是由成

9、分、結(jié)構(gòu)都不同的幾種晶粒構(gòu)成的，則它們屬于幾種不同的相。,2024/3/23,13,晶體、晶界與晶粒,2024/3/23,14,材料的組織,材料組織分為微觀組織(結(jié)構(gòu))與宏觀組織。 微觀組織也叫做微細(xì)組織、顯微組織，是由原子的種類及其排列狀態(tài)決定的。微觀組織又分為晶體結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)(無定形)結(jié)構(gòu)。 宏觀組織是用肉眼可以觀察到的粗大組織，有時(shí)是指用放大倍數(shù)為20—100倍以下的放大鏡可以觀察到的組織，可以分為單一組織和復(fù)合組織，這些組織

10、又可進(jìn)一步細(xì)分。,2024/3/23,15,固溶體,兩種以上的原子或分子溶合在一起時(shí)的狀態(tài)統(tǒng)稱為溶體。溶體一般是原子或分子的均勻混合物，不是化合物。液態(tài)溶體稱為溶液。而固態(tài)溶體是溶質(zhì)組元溶入溶劑組元的晶格中所形成的單相固體。合金與陶瓷中不少是屬于固溶體。固溶體保持溶劑組元的晶格類型。,2024/3/23,16,固溶體,有兩類固溶體間隙固溶體—在溶劑A的晶格間隙中有溶質(zhì)B的原子填入所形成的固溶體。置換固溶體—溶劑A晶格中的原子被溶

11、劑B的原子所取代而形成的固溶體。,2024/3/23,17,無機(jī)非金屬材料的化學(xué)組成,無機(jī)非金屬材料包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和 水泥等材料。陶瓷是無機(jī)非金屬材料的主體，現(xiàn)在在不少西方國(guó)家，陶瓷實(shí)際上已是各種無機(jī)非金屬材料的通稱。陶瓷同金屬材料和高分子材料一起成為現(xiàn)代工程材料的三大支柱。,2024/3/23,18,高分子材料的化學(xué)組成,與低分子化合物相比較，高分子化合物最突出的特點(diǎn)是相對(duì)分子質(zhì)量非常高，通常是在

12、104以上，且相對(duì)分子質(zhì)量事實(shí)上是一個(gè)平均值，存在相對(duì)分子質(zhì)量的分布；低分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量一般小于500，且相對(duì)分子質(zhì)量是均一的。高分子化合物的另一個(gè)特點(diǎn)是其主鏈中不含離子鍵和金屬鍵。,2024/3/23,19,高分子材料的化學(xué)組成,合成高分子化合物是由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯：化學(xué)反應(yīng)式可寫成：nCH2=CHCl [CH2-CHCl-]n。從中可以看出，聚氯乙烯是由許多氯乙烯小分

13、子打開雙鍵連接而成的由相同結(jié)構(gòu)單元多次重復(fù)組成的大分子鏈。這種可以聚合成高分子化合物的低分子化合物稱為單體。組成高分子化合物的相同結(jié)構(gòu)單元稱為重復(fù)單元，每個(gè)重復(fù)單元又稱作大分子鏈的一個(gè)鏈節(jié)，一個(gè)高分子化合物中重復(fù)單元的數(shù)目n叫做鏈節(jié)數(shù)，在大多數(shù)場(chǎng)合下鏈節(jié)數(shù)可稱為聚合度，記為DP。例如聚氯乙烯的單體是氯乙烯，鏈節(jié)是-CH2-CHCl-，聚合度為300～2500，相對(duì)分子質(zhì)量為2萬～16萬。,,2024/3/23,20,材料的結(jié)構(gòu),材料的結(jié)

14、構(gòu)是指材料的組成單元(原子或分子)之間相互吸引和排斥作用達(dá)到平衡時(shí)的空間排布，從宏觀到微觀可分成不同的層次，即宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)。宏觀組織結(jié)構(gòu)是用肉眼或放大鏡能觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)。顯微組織結(jié)構(gòu)或稱亞微觀結(jié)構(gòu)是借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu)，其尺寸約為10-7~10-4m。比顯微組織結(jié)構(gòu)更細(xì)的一層結(jié)構(gòu)即微觀結(jié)構(gòu)包括原子及分子的結(jié)構(gòu)以及原子和分子的排列結(jié)構(gòu)。一般分子的

15、尺寸很小，故把分子結(jié)構(gòu)排列列為微觀結(jié)構(gòu)。但對(duì)高分子化合物，大分子本身的尺寸可達(dá)到亞微觀的范圍。,2024/3/23,21,晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),晶體結(jié)構(gòu)的基本特征所謂晶體是指原子或原子團(tuán)、離子或分子按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的物質(zhì)，即從內(nèi)部結(jié)構(gòu)—原子(原子團(tuán))或分子排列的特征來看，晶體結(jié)構(gòu)的基本特征是原子或分子在三維空間呈周期性的規(guī)則而有序地排列，即存在長(zhǎng)程的幾何有序。,2024/3/23,22,晶體結(jié)構(gòu)的基本特征,固體也可能只由一塊結(jié)構(gòu)均

16、勻的大晶體構(gòu)成，稱為單晶。單晶體是各向異性的均勻物體，具有一定的熔點(diǎn)，生長(zhǎng)良好時(shí)呈現(xiàn)規(guī)則的外形。晶體的宏觀形貌可以是一維的、二維的或三維的。,2024/3/23,23,晶體結(jié)構(gòu)的基本特征,多晶材料的晶粒大小相差極為懸殊。就其粒徑而言可小至微米(如粘土的粒子)甚至納米(超細(xì)TiO2粒于)，大到厘米(如黃銅的粒子)。實(shí)際上，晶體中的原子總是在平衡位置附近進(jìn)行熱振動(dòng)。晶體中又包含著種種缺陷(如點(diǎn)缺陷、線缺陷和體缺陷等)，造成結(jié)構(gòu)的不完

17、整性。,2024/3/23,24,材料的制備方法概述材料的制備方法主要涉及到原材料的選用與合成和制備工藝過程與方法兩方面的內(nèi)容，而兩者是密切相關(guān)的。,1.選用什么樣的原料或通過一定的方法合成所需的原材料是首先需要考慮的問題。2. 選擇的制備工藝過程和方法在一定程度上與所選用的原材料有關(guān)，反之一旦確定了工藝過程和方法，則應(yīng)根據(jù)工藝方法的特點(diǎn)和要求來選擇合適的原材料。選用合適的設(shè)備，也是制備優(yōu)良材料的關(guān)鍵之一。,2024/3/23,2

18、5,材料的制備方法概述,},2024/3/23,26,先進(jìn)材料制備技術(shù)與特點(diǎn),先進(jìn)材料(Advanced Materials)是新材料（New Materials）和具有高性能的傳統(tǒng)材料的總稱，既包括具有優(yōu)良性能的新材料，又包括具有高性能的傳統(tǒng)材料。,2024/3/23,27,4. 先進(jìn)材料的主要分類：1）先進(jìn)金屬材料 記憶金屬、金屬玻璃（非晶態(tài)，堅(jiān)硬）、 超塑性金屬（軟如面條）、功能材料等2）先進(jìn)陶瓷材料

19、 金屬陶瓷、玻璃陶瓷、透光陶瓷等3）先進(jìn)高分子材料 塑料反滲透膜、功能高分子材料、高吸水樹脂（5000倍）4）先進(jìn)信息材料 半導(dǎo)體材料、光導(dǎo)纖維、信息存儲(chǔ)材料,2024/3/23,28,5）先進(jìn)復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等6） 生物醫(yī)學(xué)材料 人造腎臟、人工關(guān)節(jié)、人造心臟等7）納米材料 納米陶瓷材料、納米磁性材料、納米電子材料、納米仿生材料8）先進(jìn)電池材

20、料 鎳氫電池材料、鋰電池材料、燃料電池材料等。,2024/3/23,29,先進(jìn)材料制備方法,先進(jìn)金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等都是由化學(xué)和物理方法合成與加工制備的。先進(jìn)材料是通過合成與加工手段制備出來的，合成與加工過程就是建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，獲得具有高性能的材料。合成是利用化學(xué)和物理方法將原子和分子組合在一起，制造先進(jìn)材料，其中化學(xué)方法是主要的

21、。加工主要指成型加工，是用物理和化學(xué)方法在較大尺度上改變形狀，冷加工以物理方法為主，熱加工以化學(xué)方法為主。,2024/3/23,30,,,2024/3/23,31,1.改良西門子法提純制備多晶硅材料三個(gè)關(guān)鍵過程:（1）硅粉和氯化氫在流化床上進(jìn)行反應(yīng)以形成中間化合物三氯氫硅；（2）將三氯氫硅進(jìn)行分餾以獲得ppb級(jí)高純的狀態(tài)；（3）將超純?nèi)葰涔栌脷錃馔ㄟ^化學(xué)氣相沉積(CVD) 還原成所需的產(chǎn)品-半導(dǎo)體級(jí)多晶硅。涉及反應(yīng)：Si+

22、 3HCl→ SiHCl3 + H2 （ 1）SiHCl3 + H2 → Si+ 3HCl （ 2）2( SiHCl3)→ Si+ 2HCl+ SiCl4（ 3）,2024/3/23,32,2. 硅烷（甲硅烷）熱分解法提純制備多晶硅材料硅烷的制備硅烷的提純硅烷的熱分解3SiCl4+ Si+ 2H2 → 4SiHCl3（1）2SiHCl3→ SiH2Cl2+ SiCl4 （2）3SiH2Cl2→ SiH4

23、+ 2SiHCl3（3）SiH4 → Si+ 2H2 （ 4）,2024/3/23,33,3. 在利用硅烷熱分解法生產(chǎn)多晶硅的過程中采用一種以四氟化硅為原料的無氯化工藝，包括哪幾個(gè)步驟？無氯化工藝4個(gè)步驟：(l) 氫化 Na+Al+2H2=NaAlH4(2) 四氟化硅生成 H2SiF6(氟硅酸)=SiF4+2HF(3) 硅烷生成

24、 SiF4+NaAlH4=SiH4+NaAlF4 (副產(chǎn)物)(4) 多晶硅生成 SiH4=Si+2H2,2024/3/23,34,4. 區(qū)熔法提純制備高純材料的原理？描述：熔區(qū)在一個(gè)長(zhǎng)試樣上緩慢移動(dòng)，使雜質(zhì)在K01（液相中雜質(zhì)小于固相中雜質(zhì)）時(shí)集中于頭部，以實(shí)現(xiàn)分離雜質(zhì)的目的，最終在錠中部有高的純度。,,頭,尾,2024/3/23,35,5. 列舉幾種提純制備高純多晶硅材料的方法？改良西門子法硅

25、烷熱分解法區(qū)域熔煉法定向凝固法碳（鋁）熱還原二氧化硅法真空冶金法熔融電解法,2024/3/23,36,陶瓷部分,1.燒結(jié)的定義及驅(qū)動(dòng)力燒結(jié)是指高溫條件下，坯體表面積減小，孔隙率降低、機(jī)械性能提高的致密化過程。燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力是粉體的表面能降低和系統(tǒng)自由能降低。,2024/3/23,37,2.常見的燒結(jié)方法1） 普通燒結(jié)：傳統(tǒng)陶瓷在隧道窯中進(jìn)行燒結(jié)，特種陶瓷大都在電窯中進(jìn)行燒結(jié)。2） 熱壓燒結(jié)：在燒結(jié)過程中同時(shí)對(duì)坯料施加壓力

26、，加速了致密化的過程。3） 熱等靜壓燒結(jié)：將粉體壓坯或裝入包套的粉體放入高壓容器中，在高溫和均衡的氣體壓力作用下，燒結(jié)成致密的陶瓷體。4）真空燒結(jié)：將粉體壓坯放入到真空爐中進(jìn)行燒結(jié)。真空燒結(jié)有利于粘結(jié)劑的脫除和坯體內(nèi)氣體的排除，有利于實(shí)現(xiàn)高致密化。,2024/3/23,38,3.幾個(gè)概念：陶瓷——陶器、瓷器和炻器的總稱。礦物——地殼中的化學(xué)元素，經(jīng)過各種地質(zhì)作用所形成的、并在一定條件下相對(duì)穩(wěn)定的單質(zhì)或化合物。物理氣相沉積法(P

27、VD法)——利用電弧、高頻電場(chǎng)或等離子體等高溫?zé)嵩磳⒃霞訜嶂粮邷兀怪畾饣蛐纬傻入x子體，然后通過驟冷，使之凝聚成各種形態(tài)材料的方法。,2024/3/23,39,材料中的相——材料中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做相。材料的組織——材料內(nèi)部的微觀形貌稱為材料的組織。無機(jī)非金屬材料——陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料的總稱。,2024/3/23,40,材料的性能——用于表征材料在給定外界條件下的行為，它

28、是材料微觀結(jié)構(gòu)特征的宏觀反映。復(fù)合材料——指由兩種或兩種以上的不同材料通過一定的方式復(fù)合而構(gòu)成的新型材料，各相之間存在著明顯的界面。,2024/3/23,41,納米材料制備技術(shù)部分,1. 納米技術(shù)與納米材料的基本概念 納米技術(shù)是指在1-100nm尺度空內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。其最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

29、 納米材料又稱為超微顆粒材料，由尺寸在1～100nm間的粒子組成。它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。,2024/3/23,42,納米材料的特性,納米材料跟普通的金屬、陶瓷，和其他固體材料一樣，都是由原子組成，只不過這些原子排列成了納米級(jí)的原子團(tuán)成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm。納米材料具有以下特性：(1) 表面效應(yīng)(2) 小尺寸效應(yīng)(3) 量子尺寸

30、效應(yīng),2024/3/23,43,復(fù)合材料由于其優(yōu)良的綜合性能和性能的可設(shè)計(jì)性被廣泛應(yīng)用于航空航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。納米復(fù)合材料的發(fā)展已經(jīng)成為納米材料工程的重要組成部分。世界發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展新材料的戰(zhàn)略都把納米復(fù)合材料的發(fā)展擺到重要的位置。納米復(fù)合材料被譽(yù)為“21世紀(jì)的新材料”。,納米復(fù)合材料與單一相組成的納米材料不同，它是由兩種或兩種以上的吉布斯固相至少在一個(gè)方向以納米級(jí)大小(1-100nm)復(fù)合而成的復(fù)合材料。,2024/

31、3/23,44,二維三維納米材料是指出尺寸為1-100nm的粒子為主體形成的塊體和薄膜材料，又稱納米固體。納米固體中的納米微粒有三種形式：長(zhǎng)程有序的晶態(tài)、短程有序的非晶態(tài)和只有取向有序的準(zhǔn)晶態(tài)。以納米顆粒為單元沿著一維方向排列形成納米絲，在二維空間排列形成納米薄膜，在三維空間可以堆積成納米塊體，經(jīng)人工的控制和加工，納米微粒在一維、二維和三維空間有序排列，可以形成不同維數(shù)的陣列體系。,2024/3/23,45,2.納米材料的常用制備方法,

32、1）納米粉末的制備方法A 氣相法(1) 氣體中蒸發(fā)法 (2) 化學(xué)氣相反應(yīng)法(3) 化學(xué)氣相凝聚法 (4) 濺射法等。B 液相法(1) 沉淀法 (2) 水解法(3) 噴霧法 (4) 溶劑熱法(高溫高壓)(5) 蒸發(fā)溶劑熱解法 (6) 氧化還原法(常壓)(7) 乳液法 (8) 輻射化學(xué)合成法(9) 溶膠-凝膠法C 固相法(1) 熱分解法 (2) 固相反應(yīng)法(3) 火花放電