材料合成与制备方法-复习.ppt

考试方式：闭卷 满分：100分 题型 一、填空题（1分×10空） 二、选择题（2分×10） 三、名词解释（5分×4） 四、简答题（6分×5） 五、论述题 （10分×2）（前四章）,材料合成与制备方法 复习,重点：前四章,1-溶胶－凝胶法,1 . 溶胶（Sol） 又称胶体溶液。指在液体介质（主要是液体）中 分散了1-100nm粒子(基本单元)，且在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体体系。溶胶也是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗运动的体系。,溶胶态分散系示例,概念,2. 凝胶（Gel）胶体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系，它是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网络。,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，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。,4. 双电层 溶胶体系中，静电引力使颗粒吸引反离子向其表面靠拢，并排斥同离子， 固体表面电荷与溶液中反电荷形成了双电层结构。,2. 提高溶胶稳定性的三个基本途径 (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。,1. 溶胶不是物质而是一种“状态”。,3. 溶胶-凝胶过程，按照溶胶的形成原理分为胶体型无机、聚合物型、络合物型,4. 溶胶形成过程中催化剂的影响,5. 凝胶点是指流变性质的突然改变，即容器倾斜45º时，溶胶不流动,知识点,1. 如何用溶胶凝胶法制备薄膜及涂层？,将溶液或溶胶通过适当方法在基板上形成液膜，经凝胶化后通过热处理可转变成无定形态（或多晶态）膜或涂层,提拉浸渍法,旋转涂覆法,丝网印刷法,喷雾涂层法 电沉积法 细管涂镀技术,2. 溶胶凝胶法制备薄膜及涂层的成膜机理是什么？ 将处理的基底和溶胶相接触，在基底毛细孔产生的附加压力下，溶胶倾向于进入基底孔隙，当其中介质水被吸入孔道内同时胶体粒子的流动受阻在表面截留，增浓，缩合，聚结而成为一层凝胶膜。,简答与论述,,3. 凝胶的产生途径有哪些？,改变温度：利用物质在同一种溶液中的不同温度时的溶解度不同， 通过升、降温度来实现胶凝，从而形成凝胶; 转换溶剂：用分散相溶解度较小的溶剂替换溶胶中原有的溶剂可以 使体系胶凝，从而得到凝胶，如固体酒精的制备; 加电解质：溶液中加人含有相反电荷的大量电解质也可以引起胶凝而得到凝胶，如在Fe(OH)3溶胶中加人电解质KCI可使其胶凝; 进行化学反应：使高分子溶液或溶胶发生交联反应产生胶凝而形成凝胶，如硅酸凝胶、硅一铝凝胶的形成。 除去溶剂：使聚合产物的浓度增大，当存在一定程度的交联时，发生溶胶-凝胶的转变，粘度突然增大。 用酸或碱催化以促进水解和缩聚反应的发生。,4. 溶胶形成过程中水解度的影响（加水量），并举例说明？,水解度R≥2，TEOS水解反应使大部分的-OR基团脱离，产生-OH基团，形成了部分水解的带有-OH的硅烷，在这些部分水解的硅烷之间容易反应形成二聚体，这些二聚体不再进行水解，而是发生交联反应形成三维网络结构，从而缩短了凝胶化时间. 水解度R≤2，水解反应则产生了部分水解的带有-OH的硅烷，从而消耗掉大部分水，缩聚反应较早发生，形成TEOS的二聚体，硅酸浓度减少，凝胶时间延长,（1）系统含水量比较低的情况下：反应产物一直受到水解速度的控制，更倾向于形成链状结构：,以研究最多的Si(OR)4（R＝CH3，C2H5）－ROH－H2O系统为例，体系中最先发生水解反应：,,（2）当加水量增大时：由于水解速度快，聚合反应主要或全部以失水缩聚的方式进行，从而形成具有二维或三维结构的聚合物，其水解和缩聚反应可表达为： 总的净反应为：,9,水热法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-水热与溶剂热合成法,概念,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.水热与溶剂热合成的生产设备为高压釜，有不锈钢外壳和聚四氟乙烯内衬构成,10,水热生长体系中的晶粒形成有哪三种机制？,“均匀溶液饱和析出”机制由于水热反应温度和体系压力的升高，溶质在溶液中溶解度降低并达到饱和，以某种化合物结晶态形式从溶液中析出。,“溶解-结晶”机制所谓“溶解”是指水热反应初期，前驱物微粒之间的团聚和联接遭到破坏，从而使微粒自身在水热介质中溶解，以离子或离子团的形式进入溶液，进而成核、结晶而形成晶粒。当水热介质中溶质的浓度高于晶粒的成核所需要的过饱和度时，体系内发生晶粒的成核和生长，随着结晶过程的进行，介质中用于结晶的物料浓度又变得低于前驱物的溶解度，这使得前驱物的溶解继续进行。如此反复，只要反应时间足够长，前驱物将完全溶解，生成相应的晶粒。,“原位结晶”机制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。,简答和论述,（1）营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液（溶解阶段）； （2）由于体系中存在十分有效的热对流及溶解区和生长之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被输运到生长区（输运阶段）； （3）离子、分子或离子团在生长界面上吸附、分解与脱附； （4）吸附物质在界面上的运动； （5）结晶。,水热条件下晶体生长包括哪几个步骤？,粉体的晶粒粒度与粉体形成时的成核速度有关，成核速度越快，由此制得的粉体的晶粒粒度就越小，对于溶液体系，如果采取一定的措施，加快成核速度，即在相对较短的时间内形成相对较多的晶核，由于在成核过程中溶质被大量消耗，在生长过程所提供的溶质就会相对减少，则可以使产物的晶粒粒度减少。,为什么在水热合成体系中，在不改变其它反应条件的情况下，在一相当短的时间内使反应物浓度有极大的增加，可以大大加快成核速率，从而达到减小产物晶粒粒度的目的？,在高温高压的水热体系中，水的性质发生哪些变化及对水热反应的影响？ 离子积升高，水的电离常数随反应温度压力的上升而增加，常温常压不溶于 水的矿物或有机物会溶解，水热条件下也能诱发离子反应或促进水解反应。 水的粘度和表面张力随温度升高而下降，这使得离子和分子的活动性大为增 加，在水热溶液中存在着十分有效的扩散，从而使得水热晶体生长较其他水 溶液晶体生长具有更快的生长速率。 水的热扩散系数增加，水的密度降低水热溶液比常温常压下具有更大的对流 驱动力，促进基元物质在界面运动，有利于成核结晶。 蒸汽压变高，可以增加分子间碰撞的机会而加速反应,填充度通常在50%-80%为宜。,3-电解合成,14,电解液按其组成及结构分为：电解质溶液、熔融电解质,浓度增大时，电导率均呈现先增加后降低的趋势。 原因：在一定浓度范围内，随着电解质溶液浓度的增 加，电解质溶液中导电质点数量的增加占主导，因而 溶液的电导率随之增加；当浓度增加到一定程度后， 由于溶液中离子间的距离减小，相互作用增强，使离 子运动速度减小，电导率下降。,电解质溶液的浓度如何影响电导率？,电极反应作为一种界面反应，是直接在“电极/溶液”界面上实现的。,电极上产生超电位的原因：浓差过电位、电阻过电位、活化过电位,简答,知识点,15,什么是电动势和理论分解电压？ 电动势：在一个电化学反应器中，当无电流通过时，两电极之间自发产 生的电位差。 对电解池来说，则为电解反应所需的最低电压值，也就是理论分解电压。,金属的电位序有什么实用意义？ 由电位序可知，在标准情况下氢前面的金属都是容易氧化的金属，氢后面的是难氧化的金属，前面的金属能把电位序表中排在后面的金属从盐溶液中置换出来；可计算由任何两组金属组成的电池的电动势。,电解合成的基本原理是什么？通电前，电解质中的离子常处于无秩序的运动中，通直流电后，离子作定向运动。阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被还原；阴离子向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化。,16,什么是电解定律（法拉第定律） 电解时，电极上发生变化的质量与通过的电量成正比，且每通过1F电量 可析出1mol任何物质。,什么是槽电压？ 槽电压由下述各电压组成： 反抗电解质电阻所需的电压：电解质像普通的导体一样对电流 通过有一种阻力，反抗这种阻力所需的电压 ＝ IR1 完成电解反应所需的电压：该电压用来克服电解过程中所产生 的原电池的电动势 ＝ E可逆 电解过程的超电压，E不可逆 反抗输送电流金属导体的电阻和反抗接触电阻需要的电压 ＝ IR2 E槽＝E可逆+ E不可逆+IR1+ IR2,17,在电极与溶液之间形成的界面上进行的电极反应分为哪几个步骤？ 反应物粒子自溶液本体向电极表面传递 反应物粒子在电极表面或电极表面附近液层中进行某种转化 在电极与溶液之间的界面上进行得失电子的电极反应 电极反应产物在电极表面或电极表面附近液层中进行某种转化 电极反应产物自电极表面向溶液本体传递。,电流密度如何影响着阴极析出物的状态？ 电流密度低：晶核生长充分，生成大的晶状沉积物（沉淀） 电流密度高：成核速率大于晶体生长速率，细的晶粒或粉末状。 电流密度很高：晶体朝着金属离子浓集的那边生长，呈树状或团粒状。 导致H2的析出，在极板上生成斑点 pH值的局部增高而沉淀出一些氢氧化物或碱式盐,18,什么是阳极效应？端电压急剧升高，电流则强烈下降，同时，电解质与电极之间呈现润湿不良现象，电解质好像被一层气体膜隔开似的，电极周围还出现细微火花放电的光圈。,4-化学气相沉积,19,CVD过程中，原料可以用气态源也可以用液态源,液态源的输送方法：冒泡法、加热液态源、液态源直接注入法（喷淋法）,CVD加热系统 反应室的侧壁温度为Tw，放置硅片的基座温度为Ts 热壁式CVD系统：Tw等于Ts 冷壁式CVD系统： Tw小于Ts 冷壁系统能够降低在侧壁上的沉积，减小了反应剂的损耗，也减小壁上颗粒剥离对沉积薄膜质量的影响。,知识点,20,在一个基片上沉积多层薄膜时采用模块式CVD： 多个反应室，不同薄膜分别沉积，互不干扰；基片通过机械手在真空下传递，不引入外界污染。,21,什么是气缺现象？如何减缓这种现象？ 在LPCVD系统中，因为表面反应速度控制沉积速率，而表面反应速度又正比于表面上的反应剂浓度，要想在各个硅片表面上沉积厚度相同的薄膜，就应该保证各个硅片表面上的反应剂浓度是相同的。 然而对于只有一个入气口的反应室来说，沿气流方向因反应剂不断消耗，靠近入气口处沉积的膜较厚，远离入气口处沉积的膜较薄 ，称这种现象为气缺现象。,什么是化学气相沉积？ 通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。,简答和论述,,(1)由于反应速度随着温度的升高而加快，可通过在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高沉积速率，补偿气缺效应的影响，减小各处沉积厚度的差别。 (2)采用分布式的气体入口，就是反应剂气体通过一系列气体口注入到反应室中。需要特殊设计的沉积室来限制气流交叉效应。(3)增加反应室中的气流速度。当气流速度增加的时候，在单位时间内，靠近气体入口处的沉积速率不变，薄膜沉积所消耗的反应剂绝对数量也就没有改变，但所消耗的比例降低，更多的反应剂气体能够输运到下游，在各个硅片上所沉积的薄膜厚度也变得更均匀一些。,,化学气相沉积按照哪五个主要步骤进行？ (a)反应物已扩散通过界面边界层； (b)反应物吸附在基片的表面； (c)化学沉积反应发生，表面迁移； (d)部分生成物已扩散通过界面边界层； (e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统,雷诺数如何判断流动的方式？ Re2100, 湍流,24,什么是定向凝固？ 在材料部分熔化状态下，通过移动固－液界面，以实现晶体特定方向生长。 途径：采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶。,5-定向凝固,二元合金的凝固过程中固液界面液相区内形成成分过冷条件？1. 由于溶质原子在液相中固溶度>固相中固溶度，当单向合金冷却凝固时，溶质原子被排挤到液相中去，在液相一侧，形成溶质原子的富集层。随着离开固液界面距离增大，溶质质量分数逐渐降低。2. 在凝固过程中，由于外界冷却作用，在固液界面固相一侧不同位置上的实际温度不同，外界冷却能力强，实际温度低；相反实际温度高。如果在固液界面液相一侧，溶液中的实际温度低于平衡时液相线温度，出现过冷现象，形成固相的可能性而影响界面的稳定性。,如何判断液固界面稳定性（对平界面、胞晶、枝晶形态)？,晶体生长过程中,,若不存在成分过冷，当平直的固液界面上产生凸起，过热的环境会将其熔化，平面界面继续保持。,若界面前沿存在成分过冷，界面前沿形成的凸起会因为处于过冷区而发展，平界面失稳，导致树枝晶的形成。,27,,什么是液态金属冷却法（LMC法）？常用的液态金属有哪些？在快速凝固法的基础上，以液态金属代替水，作为模壳的冷却介质，模壳直接浸入液态金属冷却剂中，散热大大加强，以至在感应器底部迅速发生热平衡，造成很高的温度梯度。 实验室：Ga-In合金和Ga-In-Sn合金 工业应用：Sn液,28,什么是连续定向凝固技术（OCC法） ？ 铸型温度高于金属或合金液的凝固温度。铸型只能约束金属或合金液的形状， 而不会在其表面发生金属的凝固。凝固界面通常是凸向液相的。这一凝固界面 形态利于获得定向或单晶凝固组织。 例如：制备单晶铜导线,6-固相合成方法的概念,29,低热固相反应 在室温或近室温（≤100℃）的条件下，固相化合物之间所进行的化学反应。,固相反应经历四个阶段： 扩散——反应——成核——生长,低热固相反应的温度很低，一般在小于100℃。在通常情况下仅需要反应物在玛瑙研钵中研磨即可。,固相反应一旦发生即可进行完全，不存在化学平衡。,知识点,30,靠分子间力(范德华力)相连，晶格容易变形，外界分子容易地嵌入,固体,分子固体 —— 延伸固体,一维固体 二维固体 三维固体 ——,低维固体,零维晶体 ——,稳定性最强,反应活性最强,,,,化学键作用仅在分子范围内有效，作用最弱，分子的可移动性强,化学键作用贯穿整个晶格，致密的结构，外界物质难进入,,反应活性,,固体结构对其反应性的影响,零维结构>一维结构>二维结构>三维结构,固相合成的原理是什么？ 起始于两个反应物分子的扩散接触，生成的产物分子分散在母体反应物 中，只能当作一种杂质或缺陷的分散存在。当产物分子集积到一定大小 ，才能出现产物的晶核，从而完成成核过程。随着晶核的长大，达到一 定的大小后出现产物的独立晶相。,什么是固相反应的拓扑化学控制原理？ 液相反应中： 反应物分子处于溶剂的包围中，分子碰撞机会各向均等，因而反应主要由反应物的分子结构决定。 固相反应中： 各固体反应物的晶格高度序排列，晶格分子移动困难 合适取向的晶面上的分子足够地靠近，并提供反应中心，使固相反应得以进行，这就是固相反应特有的拓扑化学控制原理。,颗粒尺寸对固相反应的影响？,32,在固相条件下，化学反应的速率通常与反应剂的表面积成正比。反应物的颗粒尺寸不同，它们的比表面积及固体缺陷结构也会发生变化。,颗粒越小，比表面，反应截面 ， 反应能力和扩散能力,反应物粒径分布的影响：颗粒尺寸分布越集中对反应速率越有利,33,什么是矿化剂，矿化剂对固相反应的影响？ 矿化剂：在反应过程中不与反应物或反应产物起化学反应,但可以不同的方式和程度影响反应的某些物质。 矿化剂作用 1.形成固溶体，从而使晶格活化 2.形成低共熔物，使物系在较低温度下出现液相，加速扩散和对固体的溶解 3.形成某种活性中间体，处于活化状态 4.矿化剂对反应物离子产生极化，促使其晶格畸变和活化,34,7-热压烧结,,热压烧结：指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时，对其施加单袖压力的烧结过程。 宏观定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、体积收缩、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。 微观定义：固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，质点获得足够的能量，进行迁移使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶,概念,35,烧结是一个自发的不可逆过程，系统表面能降低是推动烧结进行的基本动力。,黏附作用是烧结的初级阶段，导致粉体颗粒间产生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。,热压烧结常用的模具材料是石墨,在热压烧结的扩散传质过程中，颈部空位过剩，空位从颈部表面不断地向颗粒的其他部位扩散，而固体质点则向颈部逆向扩散，达到气孔充填的结果。,粘滞流动与塑性流动 粘性流动传质：在在外力场（如表面张力）作用下质点(或空位)优先沿此作用力的方向移动，呈现定向物质流。 塑性流动传质：如果表面张力足以使晶体产生位错，这时质点通过整排原子的运动或晶面的滑移来实现物质传递。,知识点,36,什么是溶解和沉淀传质？ 固相分散于液相中，并通过液相的毛细管作用在颈部重新排列，成为更紧密的堆积物；细小颗粒（其溶解度较高）以及一般颗粒的表面凸起部分溶解进入液相，并通过液相移到粗颗粒表面（这里溶解度较低）而沉淀下来 。,什么是热等静压 ？ 对装于包套之中的松散粉末加热的同时从各个方向对试样进行均匀加压的烧结过程。压力传递介质为惰性气体。,热压烧结过程中，什么是蒸发和凝聚（气相传质）？ 由于颗粒之间表面曲率的差异，造成各部分蒸气压不同，物质从蒸气压铰高的凸曲面蒸发，通过气相传递．在蒸气压较低的凹曲面处(两颗粒间的预部）凝聚，这样就使颗粒间的接触面积增加，颗粒和气孔的形状改变，从而使颈部逐渐被填充，导致坯体逐步致密化。,37,,自蔓延合成方法的概念 利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发的进行下去，以获得具有指定成分和结构的燃烧产物。,8-自蔓延高温合成,自蔓延合成的要求： 1、剧烈的放热反应 2、产物的绝热燃烧温度Ta大于1800K； 绝热温度Ta大于产物熔点，存在液相，反应易进行,38,如何利用离心自蔓延高温合成制备钢管陶瓷内衬？ 即将铝热剂置于钢管内，旋转钢管，然后将铝热剂点燃。铝热剂发生反应并放出大量的热，使得燃烧合成产物熔化。由于金属比重较氧化物大，这样在离心力作用下金属和氧化物发生分离，使之氧化物位于最内层，金属位于钢管和氧化物之间，这样制成的陶瓷复合管。,SHS焊接陶瓷的原理是什么？ 利用活性元素在陶瓷的界面处与陶瓷发生界面反应来改善陶瓷的表面状态，以提高焊料反应产物与陶瓷的润湿性。,9-SPS合成技术原理,1. 等离子烧结技术 通过将特殊电控制装置发生的直流脉冲电压加到粉体试样上，除了能利 用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外， 还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等 离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结 技术。 2 等离子体 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系,概念,,10-激光合成,激光是如何产生的？ 把材料中处于低能级的电子送到高能级上，并积累起来成为粒子反转分布，然后再给高能级上的电子一个适当的激发力量，电子便会突然从高能级跃回到低能级，伴随着这种跃迁，原子会以光的形式释放能量，这种能量很大的光就是激光。,激光的一些特性与材料合成的关系？ 利用激光的方向性，可实现微区域的高温化学反应 激光的单色性，使光子的能量与反应所需激活能相匹配，是提高量子效率的一个基本条件，激励某些化学反应 。 利用激光的高亮度，可以使它成为一种特殊的热源，利用这种热源直接加热、蒸发、解离化学物质，就可以使许多繁杂、艰难的化学操作变得简单可行。 利用激光的能量集中，可以进行材料的表面热处理和表面氧化,,微波加热大体上可认为是介电加热效应 由于微波是一种每秒振荡上百亿次的电磁场，放在这样的电磁场中，分子的排列方向就要每秒钟随之改变上百亿次，这样，大量分子吸收了微波的能量而高频率的剧烈的转动，便产生了大量的内能，使物体的温度升高。,微波提高化学反应速率的主要原因？ 微波作用于反应物后，加速了分子运动速度，提高了分子的平均能量，即相对降低了反应的活化能，大大增大了分子的碰撞频率，从而使反应迅速完成。,物质与微波间的作用 金属，反射微波，常用作微波炉的内腔材料 绝缘体，反射或使微波穿透，可用作家用微波炉的炊具、支架及窗口材料等 电介质，吸收微波， CuO、Fe3O4,10-微波合成,