318材料制备原理课后作业地的题目Word格式.docx
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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，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。
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。
2、简述水热与溶剂热合成存在的问题？
（1）水热条件下的晶体生长或材料合成需要能够在高压下容纳高腐蚀性溶剂的反应器，需要能被规范操作以及在极端温度压强条件下可靠的设备。
由于反应条件的特殊性，致使水热反应相比较其他反应体系而言具有如下缺点：
a无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。
b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。
c安全性差，加热时密闭反应釜中流体体积膨胀，能够产生极大的压强，存在极大的安全隐患。
（2）水热反应的反应机理还有待分析。
目前，晶体生长机理的理论体系在某些晶体生长实践中得到了应用，起到了一定的指导作用。
但是，迄今为止，几乎所有的理论或模型都没有完整给出晶体结构、缺陷、生长形态与生长条件四者之间的关系，因此与制备晶体技术研究有较大的距离，在实际应用中存在很大的局限性。
3、请画出水热与溶剂热合成的一般工艺流程图？
1.3化学气相沉积法
（1）化学气相沉积；
（2）APCVD；
（3）LPCVD。
化学气相沉积:
化学气相沉积乃是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。
简单来说就是：
两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。
APCVD：
所谓的APCVD，顾名思义，就是在压力接近常压下进行CVD反应的一种沉积方式。
LPCVD：
低压CVD的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作能力，降低到大约100Torr（1Torr=133.332Pa）一下的一种CVD反应。
利用在低压下进行反应的特点，以LPCVD法来沉积的薄膜，将具备较佳的阶梯覆盖能力。
1.4自蔓延高温合成
自蔓延高温合成。
自蔓延高温合成（self-propagationhigh-temperaturesynthesis，简称SHS），又称为燃烧合成（combustionsynthesis）技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导做用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。
2、同其它常规工艺方法相比，SHS技术具有的优点是什么？
SHS技术同其它常规工艺方法相比，具有以下九个方面的优点：
（1）节省时间，能源利用充分；
（2）设备、工艺简单；
（3）产品纯度高（因为SHS能产生高温，某些不纯物质蒸发掉了），反应转化率接近100%；
（4）不仅能生产粉末，如果同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品；
（5）产量高（因为反应速度快）；
（6）扩大生产规模简单，从实验室走向工业生产所需的时间短，而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品；
（7）能够生产新产品，例如立方氮化钽；
（8）在燃烧过程中，材料经历了很大的温度变化，非常高的加热和冷却速率，使生成物中缺陷和非平衡相比较集中，因此某此产物比用传统方法制造的产物史具有活性，更容易烧结；
（9）可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物以及亚稳定相等。
1.5等离子体合成
（1）等离子体；
（2）放电等离子体烧结；
（3）物质的四态。
等离子体：
等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，
放电等离子体烧结：
也称等离子活化烧结，是指利用脉冲电流产生的脉冲能，放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术
物质的四态：
是宇宙中物质存在的四种状态，包括固、液、气、等离子体四种状态。
第2章特种陶瓷制备原理
作业题
1、结合本课程学习情况，请谈谈目前国内特种陶瓷的发展现状以及今后的发展趋势。
答案要点：
1）谈发展现状。
我国的特种陶瓷是五六十年代为支撑我国“两弹一星”的研制而发展起来的。
通过国家从“六五”到“十一五”的科技攻关，以及“863”计划、“973”计划的重点支持，特种陶瓷从研究开发到应用和产业化都取得了很大的进展。
经过几十年的发展，陶瓷基片、陶瓷电容器、陶瓷滤波器、压电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、绝缘陶瓷、泡沫陶瓷等等，都已实现了产业化。
目前特种陶瓷已形成了一个具有相当规模的新材料产业。
据国家统计局数据显示，截止2006年，我国共有规模以上特种陶瓷制造企业397家，实现工业总产值185亿元，其中从事功能陶瓷的单位占70%，从事结构陶瓷的单位占30%，主要分布在山东、江苏、湖南、江西、辽宁、福建、上海、广东等省市。
有关数据统计，2010年我国特种陶瓷产值达到400多亿元，市场需求巨大。
2）特种陶瓷产品的发展趋势。
在未来十年内，特种陶瓷的发展状况将仍以功能陶瓷为主轴，同时带动结构陶瓷的发展。
随着能源开发、空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、传感技术等新技术的发展，对材料的结构和功能特性将提出越来越高要求，开发和有效利用高性能、多功能材料引人瞩目。
陶瓷材料具有从脆性到超塑性、从绝缘到超导、从隔热到导热、从柔软到超硬以及耐高温、耐腐蚀、质量轻等特点，其性能变化范围之大、材料组成之多是金属材料和有机高分子材料无法相比，因而成为新材料的发展重心。
如今，在新材料世界里，陶瓷材料与金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势，同时它们又互相复合，取长补短，成为推动科学技术发展和人类社会进步的物质基础。
特种陶瓷虽然发展很快，但在相关技术上还有待完善和提升。
为了更好地推动特种陶瓷的研发和应用，实现商品化生产，今后的研究与开发重点主要是：
（1）高纯超细粉末原料的产业化制备技术和产品的系列化、标准化。
（2）高性能陶瓷的特殊成型、烧结、精密加工技术研究。
（3）特种陶瓷基础技术的研究，包括材料设计、模拟仿真、烧结机理、检测技术等。
（4）特种陶瓷的薄膜化或非晶化技术研究。
（5）新型功能陶瓷包括敏感陶瓷、叠层陶瓷、生物陶瓷与超导陶瓷的研究。
（6）陶瓷的纤维化技术以及纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术和连续化工艺装备研究。
（7）高性能工程陶瓷：
包括陶瓷发动机、燃气轮机、高温密封阀、轴承、泵、风机、炼钢轧辊、喷管等的研制。
（8）多孔陶瓷特别是用于熔融金属过滤和高温粉尘、废气处理的泡沫陶瓷研制。
（9）陶瓷与陶瓷或陶瓷纤维与其它材料的复合技术研究。
2、何谓粉体的粒度和粒度分布？
粒度是颗粒在空间范围所占大小的线性尺寸，这是所有颗粒的平均大小。
粒度分布是指各种不同大小颗粒所占的百分比。
分为频率分布和累积分布。
频率分布表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量；
累积分布表示小于或大于某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量。
3、粉体的各种制备方法中，试比较机械粉碎法、固相法、液相法、气相法的优缺点。
机械粉碎法：
优点是操作简单，直接由粗颗粒来获得细粉。
缺点是所得粉体纯度小，均匀性不好，不易获得粒径在1um以下的微细颗粒。
后三种方法与机械粉碎法相比，优点是纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细，并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。
固相法：
通常需要较复杂的设备，且不易控制粉体颗粒，合成过程中反应较复杂。
液相法：
易控制组成，能合成复合氧化物粉；
添加微量成分很方便，可获得良好的混合均匀性等。
但是必须严格控制操作条件，才能使生成的粉末保持溶液所具有的、在离子水平上的化学均匀性。
气相法：
１）金属化合物原料具有挥发性，容易精制（提纯），而且生成粉料不需要进行粉碎，另外，生成物的纯度高；
２）生成颗粒的分散性良好；
３）只要控制反应条件，易得到颗粒直径分布范围较窄的微细粉末；
４）容易控制气氛。
4、什么是一次颗粒？
二次颗粒？
颗粒团聚原因有哪几种？
一次颗粒——是指粉体颗粒中没有堆积、絮联等结构的最小单元。
二次颗粒——是指发生了一定程度团聚的颗粒。
粉体颗粒发生团聚的原因主要有以下五种：
1）分子间的范德华引力；
2）颗粒间的静电引力；
3）吸附水分的毛细管力；
4）颗粒间的磁引力；
5）颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力。
5、陶瓷的成形方法有哪些？
试分别叙述其优缺点？
1）注浆成型。
适应于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。
此法设备简单，对大小和形状复杂的制品都适用，但劳动强度大，占地面积大，生产周期长，不利于机械化和自动化操作，制品质量差，产量低。
2）热压铸成型。
它是利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属模具在压力下进行成型的，冷凝后坯体能保持其形状。
此法适合形状较复杂，精度要求高的中小型产品的生产。
设备简单，操作方便，劳动强度不大，生产效率较高，模具磨损小；
但利用此法工序比较复杂，耗能大，工期长等。
3）挤压成型。
一般是将真空练制的泥料，放入挤制机内，这种挤制机一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。
此法污染小，操作易于自动化，可连续生产，效率高。
但挤嘴结构复杂，加工精度要求高，此外，由于加入的溶剂和结合剂较多，因此坯体在干燥和烧成时收缩较大，性能受到影响。
4）轧膜成型。
适宜生产1mm以下的薄片状制品。
采用此法成形的坯体干燥和烧结时，横向收缩大，易出现变形和开裂。
5）干压成型。
将粉料加少量结合剂，然后将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体。
优点：
1）具有工艺简单，操作方便，周期短，效率高，便于实行自动化生产；
2）其成型的坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高等。
缺点：
1）对大型坯体生产有困难，模具磨损大、加工复杂、成本高；
2）加压只能上下加压，压力分布不均，致密度不均，收缩不均，会产生开裂、分层等现象。
6）等静压成型。
又叫静水压成型，它是利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。
利用等静压成型，1）可以成型以一般方法不能生产的形状复杂、大件及细而长的制品，而且成型质量高。
2）可以不增加操作难度而比较方便地提高成型压力，而且压力作用效果比其他干压法好。
3）由于坯体各向受压力均匀，其密度高而且均匀，烧成收缩小，因而不易变形。
4）模具制作方便、寿命长、成本较低。
5）可以少用或不用粘接剂。
但此设备价格昂贵也限制了它的大规模的应用。
7）带式成型法。
可分为流延法（或叫刮片法）和薄片挤压法两种。
前者成型用的坯料为料浆状，后者为泥团状。
一般采用流延法。
流延法适合制备小于0.2mm以下，表面光洁度好、超薄型的制品。
流延法成型设备并不复杂，且工艺稳定，可连续操作，便于生产自动化，生产效率高。
但利用此成型法粘结剂含量高，因而收缩率较大。
6、名词解释
1）烧结；
2）固相烧结和液相烧结；
3）烧成温度；
4）热压烧结；
5）等静压烧结；
6微波烧结
1）烧结：
是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。
其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。
2）固相烧结和液相烧结：
在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程称为固相烧结；
同样，粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程称为液相烧结。
3）烧成温度：
是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作时的止火温度。
4）热压烧结：
是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。
5）等静压烧结：
是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。
6）微波烧结：
是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。
第3章结构陶瓷的制备
1、制造Al2O3陶瓷的原料Al2O3粉为什么要预烧？
预烧的目的：
1）使γ-Al2O3全部转变为α-Al2O3，减少烧成收缩。
由于工业Al2O3中含有γ-Al2O3，它在1200℃以上将不可逆转地转变为α-Al2O3，同时伴有14%左右的体积收缩。
为消除这种收缩，在制坯前应对工业Al2O3进行预烧。
2）排除Al2O3原料中的Na2O，提高原料的纯度。
2、名词解释：
相变增韧，微裂纹增韧。
1）相变增韧。
ZrO2颗粒弥散在其它陶瓷基体中，当基体对ZrO2颗粒有足够的正应力，而ZrO2的颗粒度又足够小，则其相变温度可降至室温以下，这样在室温时ZrO2仍可以保持四方相。
当材料受到外应力时，基体对ZrO2的压抑作用得到松弛，ZrO2颗粒即发生四方相到单斜相的转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果，这就是ZrO2的相变增韧。
2）微裂纹增韧。
部分稳定ZrO2陶瓷在由四方相向单斜相转变，相变出现了体积膨胀而导致产生微裂纹。
由ZrO2陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，以及裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用。
从而提高了断裂能，称为微裂纹增韧。
3、BeO陶瓷的生产过程中要特别注意什么？
BeO粉末及其蒸气对人体有毒害，会引起呼吸道疾病、慢性铍肺以及皮肤溃疡等疾病。
因此在生产BeO陶瓷时，要采取严格的保护措施：
1）生产时，应使BeO原料呈潮湿状态，或者是容器及粉末带静电，可防止BeO粉尘产生和飞扬。
2）各工序加强抽风除尘，净化生产场地的空气。
各工序均采用密封装置及处于负压状态，可防止粉尘逸出。
3）操作人员必须戴口罩和橡皮手套，防止直接接触和粉尘的侵入，上下班应换衣、洗澡。
4）通风系统必须有过滤措施，防止BeO粉尘扩散，对污水和废渣进行专门的存放和处理。
4、与氧化物陶瓷比较，非氧化物陶瓷有何特点？
非氧化物陶瓷在以下三方面不同于氧化物陶瓷：
1）非氧化物在自然界中很少存在，需要人工来合成原料，然后再按陶瓷工艺来做成陶瓷制品；
2）在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物，因此必须在保护性气体（如N2、Ar等）中进行；
3）氧化物原子间的化学键主要是离子键，而非氧化物一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷一般比氧化物难熔和难烧结。
5、下列缩写分别代表什么？
PSZ，ZTA，TZP，SPS，PTC。
PSZ代表部分稳定氧化锆；
ZTA代表氧化锆增韧氧化铝；
TZP代表四方氧化锆多晶体；
SPS代表放电等离子烧结法；
PTC代表正温度系数热敏电阻。
6、碳化物陶瓷主要有哪些？
它们的共同特点是什么？
碳化硅的主要晶型有哪些？
它们间各有何异同？
典型碳化物陶瓷材料有碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）、碳化钛（TiC）、碳化锆（ZrC）、碳化钒（VC）、碳化钽（TaC）、碳化钨（WC）和碳化钼（Mo2C）等。
它们的共同特点是熔点高，许多碳化物的熔点都在3000℃以上，其中HfC和TaC的熔点分别为3887℃和3877℃。
SiC有多种晶型，低温型为立方相β-SiC，2100℃向高温型α-SiC转变。
SiC没有熔点，2300℃开始升华，2700℃以上分解为Si蒸气和石墨。
第4章功能陶瓷的制备
1、常用的压电陶瓷的性能参数有哪些？
举例说明压电陶瓷的应用？
压电陶瓷的性能参数有：
1）弹性常数；
2）机械品质因素；
3）压电性、压电常数与压电方程；
4）机电耦合系数。
主要应用有：
1）雷达，电视显象管，阴极射线管，电子复印机等高压电源和压电点火装置；
2）振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源；
3）拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件，超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化等频率高于20KHz的超声器件；
4）探测地质构造，油井故实程度，疾病诊断等各种工业用的超声器件，以及水下导航定位，鱼群探测等；
5）彩电中频滤波器，雷达、自控和计算系统所用带通滤波器等，以及声表面波放大器，振荡器等；
6）加速度计、压力计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计等；
测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺等；
红外探测器可监视领空、检测大气污染浓度、跟踪器等；
位移发生器等；
7）用于电光和声光调制的光阀、光闸，光变频器和光偏转器，声开关等；
光信息存储器，光记忆器等；
铁电显示器，声光显示器等；
8）其它，如压电继电器等。
2、什么是超导体？
超导体的主要类型有哪些？
超导体，是指当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。
超导体的主要类型：
1）从材料来分，可分为三大类，即元素超导体、合金或化合物超导体、氧化物超导体（即陶瓷超导体）。
2）从低温处理方法来分，可分为液氦温区超导体（4.2K以下），液氢温区超导体（20K以下），液氮温区超导体（77K以下）和常温超导体。
3、简述说明超导陶瓷的应用？
1）在电力系统方面。
①输配电。
根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。
②超导线圈。
能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。
③超导发电机。
由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。
2）在交通运输方面。
①制造超导磁悬浮列车。
由于超导陶瓷的强抗磁性，磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上“漂浮”滑行，它是利用超导磁体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来，具有速度高，运行平稳，无噪声，安全可靠等特点。
②超导电磁性推进器和空间推进系统。
3）在选矿和探矿等方面。
在矿冶方面，由于一切物质都具有抗磁性或顺磁性，可以利用超导体来进行选矿和探矿等。
4）在环保和医药方面。
①在环保方面可以利用超导体对造纸厂、石油化工厂等的废水进行净化处理。
②在医药卫生方面，生物体大都具有抗磁性，可以利用超导体作废水处理，以去除细菌、病毒、重金属等毒物。
医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出。
5）在高能核实验和热核聚变方面。
利用超导体的强磁场，使粒子加速以获得高能粒子，以及利用超导体制造探测粒子运动径迹的仪器；
使用大体积高强度超导磁体，可以用于约束带电粒子的活动范围。
比如受控核聚变研究产生的极端高温的等离子体就是用超导磁场约束在磁笼中的。
6）在电子工程方面。
①利用超导体的性质（如约瑟夫逊效应）提高电子计算机的运算速度和缩小体积。
②制成超导体的器件，如超导二极管，超导量子干涉器，超导场效应晶管，超导磁通量子器件等。
7）此外，用Y-Ba-Cu-O系超导做成的天线和发射机，其灵敏度是同样尺寸铜天线的十几倍。
实验表明，高温超导应用于超高频可作毫米波通信，具有很宽的频带和很高的灵敏度，卫星系统可能只需几英寸直径的超导天线，电视画面也将更清晰。
4、磁性陶瓷（铁氧体陶瓷）的有哪几种类型？
按铁氧体的晶体结构可分为三类：
尖晶石型（MFe2O4）；
石榴石型（R3Fe5O12）；
磁铅石型（MFe12O19）（M为铁族元素，R为稀土元素）。
按铁氧体的性质及用途可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、磁泡、磁光、磁记录材料等。
按其结晶状态可分为单晶体和多晶体铁氧体。
按其外观形态可分为粉末、薄膜和体材等。
5、请分析生物陶瓷应具有的性能？
（1）与生物组织有良好的相容性。
是指将生物陶瓷材料代替硬组织（牙齿、骨）植入人体内后，与机体组织（软组织、硬组织以及血液、组织液）接触时，具有良好的亲和性能。
材料与机体软组织都具有良好的结合性。
此外，还要求材料对周围组织无毒性、无刺激性、无致敏性、无免疫排斥性以及无致癌性。
（2）有适当的生物力学和生物学性能。
材料的力学性能与机体组织的生物力学性能相一致，不产生对组织的损伤和破坏作用。
（3）具有良好的加工性和临床操作性。
生物陶瓷植入的目的，是通过人工材料替代和恢复各种原因造成的牙和骨缺损，就要求植入的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床冶疗过程中，操作简便，易于掌握。
（4）具有耐消毒灭菌性能。
生物陶瓷材料是长期植入体内的材料，植入前须进行严格的消毒灭菌处理。
因此，无论是高压煮沸、液体浸泡、气体（环氧乙烷）或γ射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气全消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。
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