各类材料技术分析总结.docx
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各类材料技术分析总结
目录
1、材料的电镜（扫描、透射）分析·····························3
2、硅太阳电池材料与技术·····································6
3、电池材料与电动汽车········································8
4、生物医学信息材料与技术····································10
5、有机发光材料与技术·······································13
6、无机发光材料与LED·······································15
7、高分子材料················································17
材料的电镜（扫描、透射）分析
一、扫描电镜分析
扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，
将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成
电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。
（细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。
1、目的：
利用扫描电镜可进行观察纳米材料、进
口材料断口的分析、直接观察大试样的原始表
面、观察厚试样、观察试样的各个区域的细节、在大视场、低放大倍数下观察样品、进行从高倍到低倍的连续观察、从试样表面形貌获得多方面资料
2、原理：
电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。
在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。
由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：
二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。
这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。
由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。
扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。
3、存在的问题样本是在真空条件下观察，因此无法进行活样本观察。
电子束可能会破坏样本的结构，使观察不够准确。
二、透射电镜分析
透射电镜，即透射电子显微镜（TransmissionElectron
Microscope，简称TEM），通常称作电子显微镜或电镜（EM），
是使用最为广泛的一类电镜。
透射电镜是一种高分辨率、
高放大倍数的显微镜，是材料科学研究的重要手段，能提供
极微细材料的组织结构、晶体结构和化学成分等方面的信息。
透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万
倍。
由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片（通常为50～100nm）。
其制备过程与石蜡切片相似，但要求极严格。
2、仪器组成：
：
照明系统，成像光学系统；记录系统；真空系统;电气系统。
3、样品的制备
粉末样品的制备
用超声波分散器将需要观察的粉末在溶液中分散成悬浮液。
用滴管滴几滴在覆盖有碳加强火棉胶支持膜的电镜铜网上。
待其干燥后，再蒸上一层碳膜，即成为电镜观察用的粉末样品。
薄膜样品的制备
块状材料是通过减薄的方法制备成对电子束透明的薄膜样品。
制备薄膜一般有以下步骤：
（1）切取厚度小于0.5mm的薄块。
（2）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。
为避免严重发热或形成应力，可采用化学抛光法。
（3）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于500nm薄膜。
硅太阳电池材料与技术
一、目的：
1、了解硅电池的基本结构。
2、了解硅太阳电池的基本原理。
3、了解硅太阳电池的发展形势。
二、对太阳能电池材料一般的要求
1、半导体材料的禁带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率：
3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定
三、硅太阳能电池工作原理与结构：
硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。
当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N型半导体。
晶体硅的发电过程：
P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧聚集，产生电位差。
当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：
正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：
正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。
黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。
N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。
（三）制备方法及步骤：
1.制作二氧化钛膜
（1）先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨
（2）接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜
（3）把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却
2.利用染料为二氧化钛着色
把二氧化钛膜进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。
3.制作正电极
由染料着色的TiO2为电子流出的一极（即负极）。
正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。
，然后在导电面上均匀地涂上一层石墨。
4.加入电解质
利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。
5.组装电池
把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。
把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。
这样，能电池就做成了。
6.电池的测试
在室外太阳光下，检测太阳能电池是否可以产生电流。
（四）小结：
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。
单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。
为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。
四，太阳能发展趋势，从以上几个方面的讨论可知，作为太阳能电池的材料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。
而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电池存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池。
因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。
由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。
提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。
因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。
因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。
也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。
近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。
电池材料与电动汽车
一、目的1、了解锂电池的工作原理。
2、了解锂电池对电动汽车发展的影响。
电动汽车是21世纪绿色交通工具，使用锂离子电池是电动汽车的主流，但同样面临很大挑战。
（二）原理：
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：
Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。
由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。
所以，锂电池长期没有得到应用，在锂电池已经成为了主流。
该反应为氧化还原反应。
锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳．常见的正极材料主要成分为LiCoO2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中．放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合．锂离子的移动产生了电流。
核心材料
电池的电极材料
1、正极材料
（1）锂正极材料：
主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2。
（2）聚合物正极材料：
主要是杂环聚合物如聚砒咯（Ppy）、聚噻吩（PTh）及其衍生物。
2、负极材料
（1）碳材料：
主要为天然石墨、焦碳和碳纤维等，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
（2）基于氧化锡的负极材料：
利用SnO、SiO2和少量的Al2O3、B2O3、P2O3等的混合物在氩气氛围下逐渐升温到1000℃或略高温度下加热12h，可制得含二价锡的混合氧化物
生产工艺
混料-涂布-辊压-分切-卷绕/叠片-装配-注液-化成-分容
四、锂离子电池主要优点
1、能量比比较高。
具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；
2、使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；
3、额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；
4、具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；
5、自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；
6、重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；
7、高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；
8、绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
9、生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。
四、锂电池在科技中存在的问题
1、锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。
2、钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。
3、锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。
4、生产要求条件高，成本高。
（四）、小结及电动汽车发展前景：
电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。
要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。
氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。
但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。
铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。
锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。
生物医学信息材料与技术
一、目的：
1、了解生物材料分类
2、了解生物材料的相关应用
二、原理生物材料是用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。
生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去某种功能，而不能恢复的缺陷部位。
生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。
其主要是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能，一般是指材料与宿主之间的相容性，包括组织相容性和血液相容性。
近年来生物相容性的概念发生了较大变化，其对象不仅为非活性材料，而且也涉及活性材料组织工程，并同时普遍认为生物相容性包括两大原则[2]：
一是生物安全性原则；二是生物功能性原则。
生物医学材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。
人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求激发了对生物材料的需求。
作为世界人口最多的国家，中国已经入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力将更加巨大。
生活节奏的加快、活动空间的扩展和饮食结构的变化等因素，使创伤成为一个严重的社会问题。
我国创伤住院年增长率达7.2%，高居住院人数第二位。
美国1998年用于骨骼-肌肉系统损伤患者的治疗费高达1280亿美元，仅骨缺损患者就达123万，其中80%需用生物医学材料治疗。
随着生物技术的发展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。
人体组织和器官的修复，将从简单的利用机械固定发展到再生和重建有生命的人体组织和器官；从短寿命的组织和器官的修复发展到永久性的修复和替换。
这一医学革命，对生命力学和材料等相关学科的发展提出了诸多需求，对生物医学材料的发展产生了重要的促进作用。
发展我国生物医学材料的建议生物医用材料是材料科学与工程的重要分支。
三、生物材料的一般性能要求
（1）生物相容性
生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。
材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。
（2）力学性能
材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。
（3）耐生物老化性能
材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
（4）成形加工性能
（四）生物医学材料意义
生物医学材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，大概、当前正面临重大突破。
我国加入WTO后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。
我们相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等方面重点投入，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水平，造福人类做出更大的贡献。
有机发光材料与技术
一、目的：
1、了解OLED的基本原理
2、了解有机发光材料的应用前景
二、OLED，即有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode），又称为有机电激光显示（OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD）。
因为具备轻薄、省电等特性，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品，还并未走入实际应用的阶段。
但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势。
三、OLED的结构、原理
OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物（ITO），与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。
整个结构层中包括了：
空穴传输层（HTL）、发光层（EL）与电子传输层（ETL）。
当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。
OLED的特性是自己发光，不像TFTLCD需要背光，因此可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，加上反应快、重量轻、厚度薄，构造简单，成本低等，被视为21世纪最具前途的产品之一。
有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体相似。
当元件受到直流电（DirectCurrent；DC）所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子（Electron）与空穴（Hole）分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-空穴复合（Electron-HoleCapture）。
而当化学分子受到外来能量激发後，若电子自旋（ElectronSpin）和基态电子成对，则为单重态（Singlet），其所释放的光为所谓的荧光（Fluorescence）；反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称为三重态（Triplet），其所释放的光为所谓的磷光（Phosphorescence）。
（四）OLED关键工艺：
氧化铟锡（ITO）基板前处理
（1） ITO表面平整度：
ITO目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造，其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。
一般而言，利用射频溅镀法（RFsputtering）所制造的ITO，易受工艺控制因素不良而导致表面不平整，进而产生表面的尖端物质或突起物。
另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生表面约10-30nm的突起层。
这些不平整层的细粒之间所形成的路径会提供空穴直接射向阴极的机会，而这些错综复杂的路径会使漏电流增加。
一般有三个方法可以解决这表面层的影响?
U一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流，此方法多用于PLED及空穴层较厚的OLED。
二是将ITO玻璃再处理，使表面光滑。
三是使用其它镀膜方法使表面平整度更好。
（2） ITO功函数的增加：
当空穴由ITO注入HIL时，过大的位能差会产生萧基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO/HIL接口的位能差则成为ITO前处理的重点。
一般我们使用O2-Plasma方式增加ITO中氧原子的饱和度，以达到增加功函数之目的。
ITO经O2-Plasma处理后功函数可由原先之4.8eV提升至5.2eV，与HIL的功函数已非常接近。
加入辅助电极，由于OLED为电流驱动组件，当外部线路过长或过细时，于外部电路将会造成严重之电压梯度，使真正落于OLED组件之电压下降，导致面板发光强度减少。
由于ITO电阻过大（10ohm/square），易造成不必要之外部功率消耗，增加一辅助电极以降低电压梯度成了增加发光效率、减少驱动电压的快捷方式。
铬是最常被用作辅助电极的材料，它具有对环境因子稳定性佳及对蚀刻液有较大的选择性等优点。
然而它的电阻值在膜层为100nm时为2Ω，在某些应用时仍属过大，因此在相同厚度时拥有较低电阻值的铝则成为辅助电极另一较佳选择。
但是，铝的高活性也使其有信赖性方面之问题因此，多叠层之辅助金属则被提出，如：
Cr/Al/Cr或Mo/Al/Mo，然而此类工艺增加复杂度及成本，故辅助电极材料的选择成为OLED工艺中的重点之一。
五、OLED在科技应用中的问题
1、寿命通常只有5000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命；
2、不能实现大尺寸屏幕的量产，因此目前只适用于便携类的数码类产品；
3、存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。
无机发光材料与LED
一、目的：
1、了解LED发光原理。
2、了解LED优缺点
二、原理：
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。
（三）应用：
（1）景观照明市场：
包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。
（2）汽车市场：
车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。
背光源市场：
LED作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等众多领域。
（3）交通灯市场：
由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，
（4）特殊工作照明和军事运用：
由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。
（四）小结：
（1）LED的优点：
一、体积小
二、耗电量低：
它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
三、使用寿命长：
使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
四、高亮度、低热量：
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
五、环保：
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。
（2）LED的缺点：
一、LED需要由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。
所以LED灯的散热一定要好。
二、成本高。
高分子材料
一、目的：
1、了解高分子材料概念
2、了解高分子材料在实际当中的应用
二、定义
高分子材料：
macromolecularmaterial，以高分子化合物为基础的材料。
高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。
所有的生命体都可以看作是高分子的集合。
三、高分子材料分类：
高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。
①橡胶是一类线型柔性高分子聚合物
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