无机材料合成与制备.docx

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无机材料合成与制备

化学转移应用：

1.形成大而完美的单晶2.分离提纯物质3.合成新化合物

低温分离：

1.分级冷凝2.分级减压蒸发3.吸附分离4.分馏5.化学分离

当两种化合物通过它们挥发性的差别进行分离不容易时使用。

高压下无机化合物变化：

1.提高反应速率和产物转化率，降低合成温度，缩短合成时间2.可以合成一些常压高温方法难于合成的化合物3.高压有增加物质的密度，对称性、配位数的作用，可以缩短键长4.非平衡相变中，高压可以使非晶体发生晶化5.晶体的能带结构在高压条件下发生改变6.容易获得单相物质

低热固相反应：

扩散、反应、成核、长大

规律：

1.潜伏期2.无化学平衡3.拓扑化学控制原理4.分步反应5.嵌入反应

应用：

1.合成原子簇化合物2.合成新的配合物3.合成固配化合物

水热法：

在T＞100°，P＞1mPa的环境下过饱和睡溶液中进行结晶的方法。

方法：

金属盐、氧化物、氢氧化物的前驱体溶液在T＞100°，P＞1mPa的环境下过饱和形核，长大成晶体。

应用：

1.合成晶体2.合成多孔材料3.合成其他方法得不到的材料

优点：

1.生成低温固相单晶，高粘度材料2.生成高蒸生压，分解的材料3.晶体发育好，几何形状完美

过程：

1.在高压釜中加入适量的原料到溶解区2.待溶解的原料溶解后，由于温差产生对流，原料向生成区扩散3.高温的饱和溶液至籽晶区形成过饱和溶液而结晶4.冷却析出部分溶质的溶液又流向下部5.循环

化学沉积：

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。

要求：

1.原料必须是气体，或者在高温容易气化，拥有很高的纯度2.通过沉积反应易于生产所需要的材料沉积物，副反应产物一定是气体，主反应物一定是固体3.整个反应要易于控制

步骤：

1.进入气体，由于有浓度梯度，所以扩散边界层2.吸附在基片上3.接触后反应4.由于粒子找不到合适位置，解析5.抽离。

生态物与反应物进入气流层，离开系统

微波：

是一种频率在300mHz到3000GHz，即波长在0.1mm到1000mm范围内的电磁波

加热机理：

极性分子会产生偶极矩，不过约为零。

微波作用后，出现偶极矩极化，偶极矩不再为零。

在外力电磁场的作用下，无论极性分子还是非极性分子，都会产生电子相对于原子核的移动和原子核之间的位移。

对于非均相体系来说，外加电磁场对界面电荷产生界面极化。

由于微波是交变电场，使极性分子不断改变方向，运动加剧，分子剧烈碰撞产生热，把电磁能转化为热能。

特点：

1.加热快2.加热均匀3.节能高效4.易于控制5.清洁卫生6.安全无害

薄膜：

厚度很小的二维材料

特性：

1.熔点降低2.表面散射3.表面能级

晶体结构：

单晶、多晶、非晶

微观结构：

1.薄膜呈现柱状与空穴结构2.柱状垂直于基片表面生长3.层面界面明显

缺陷：

空位、位错、杂质、晶界

附着力：

范德华力、静电力、化学键合

内应力：

拉应力、压应力

外延：

薄膜可沿单晶基片的结晶轴方向呈单晶生长。

（同质外延异质外延）

条件：

1.吸附原子必须有高的迁移率2.基片与薄膜材料的结晶相容性3.要求基片干净、光滑、稳定

薄膜生长模式岛状生长：

原子首先沉积在裸露的衬底表面，逐步形成小岛，衬底表面上的小岛可能同时增长，也可以部分分解成单个原子，同时可以在形成薄膜前在大范围内进行重新排列。

层状生长：

以单层开始，然后进行第二层生长，生长薄膜的晶向基本上由第一层的晶向所决定

复合生长：

是层状生长与岛状生长混合的生长模式。

先层状生长，之后在一层或若干层之上再进行岛状生长

薄膜形核：

自发形核：

完全是在相变自由能的推动下进行；非自发形核：

还有其他因素起到了作用

均匀形核：

核心不依附于任何杂质自发形成，形核势垒很大，要过冷到很低的温度才有结晶；非均匀形核：

核心依附于液相。

原子沉积过程：

1.气相原子的沉积或吸附2.表面扩散3.体扩散

物理气相沉积：

在真空条件下，采用物理方法，将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的技术。

类型：

蒸发沉积溅射镀膜离子镀膜

真空蒸镀的方式：

电阻加热蒸发电子束蒸发高频加热激光加热

化学镀特点：

1工艺简单，适用范围广，不需要电源，2镀层与基体的结合强度好3成品率高，成本低，溶液可循环使用，副反应少4无毒，环保5投资少

溶液镀膜法：

在溶液中利用化学反应或电化学反应在基片表面沉积薄膜的技术

方法：

化学反应沉积阳极氧化电镀溶胶凝胶

电镀原理：

阳极失去电子，溶解；阴极得到电子，沉淀

优点：

常温下进行，膜层细致，无针孔，平整，不粗糙，厚度易控制，设备不复杂

缺点：

影响因素多，只能在金属上镀膜

表征：

厚度的测量，形貌和结构的表征，成分分析

厚度：

几何厚度、光学厚度、质量厚度方法：

光学法、机械法、电学法

显微结构的表征

结构表征方法：

X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、低能电子衍射

成分成分分析方法：

X射线能量色散谱、俄歇电子能谱、X射线光电子能谱

新型陶瓷与传统区别及特点

区别：

1.原材料不同2.化学组成不同3.品种不同4.制备工艺不同5.用途不同

特点；1.陶瓷的结合键一般为离子键和共价键2.显微组织的不均匀性和复杂性。

新型陶瓷材料一般经过原料粉碎配制，成型和烧结等过程，其显微组织是由晶体相，玻璃相和气相组成，而各种相的相对量变化很大，分布不均匀，但陶瓷材料一旦烧结成型，不能用冷热加工工艺改变由显微组织和结构。

粉体要求：

高纯、超微细、0.1μm~1μm

制备方法：

机械法（滚筒、搅拌、行星）、化学合成法

粉碎定义：

一种大块物变成小块的物料并产生新表面的过程。

目的：

增加反应速率，有利于物料的均匀混合，便于原料颗粒内的成分进行分离，提高物料的工艺性能，便于输送和储存

球星球磨机原理：

当筒体旋转时，带动研磨体旋转，靠离心力和摩擦力的作用，将磨球带到一定高度当离心力小于其自身重量时，研磨体下落，冲击下部研体及筒壁，而介于其间的粉体受到冲击和研磨。

特点：

1.进料粒度在980纳米左右，出料粒度小于74纳米2.球磨灌转速快，球磨效率高，具有公转和自传3.结构紧凑，操作方便，噪音低，无污染

液相法：

直接沉淀、均匀沉淀、共沉淀法

陶瓷粉体成型前预处理过程：

1.原料煅烧（去除原料的杂质，去除化学结合和物理附水、气分、有机物）2.原料的混合（干混、湿混）3.制粒（普通，压块，喷雾制粒法）4.塑化（物料中加入塑化剂，使物料具有可塑性的过程）

成型：

注浆成型、压制成型、塑性成型

干压影响：

1.气体2.坯体水分3.加压次数对层裂4.压制时间

烧结：

热压、反应、等离子

热压烧结定义：

针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过程，因势利导，加以利用的一种热压烧结的方法。

特点：

成型压力小，烧结温度不大，烧结时间短，得到晶粒细小，致密度高和机械，电学性能良好的产品，无需添加烧结助剂和成型助剂，可生产高纯度的陶瓷产品。

反应烧结定义：

通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减小，并烧结成为具有一定温度和尺寸精度的成品的工艺。

特点：

质量增加，可以制造尺寸精确的制品，迁移过程发生在长距离范围内，反应速度取决于传质和传热过程，液相反应烧结工艺在形式上同粉末冶金中的熔浸法类似。

氧化物非氧化物的特点：

1与碳结合材料比较，它们具有优越得多的常温和高温抗折温度。

2.较强的抗氧化性3.与氧化物比较，它们具有较好的抗热震性4.抗渣侵蚀性好

相变过程：

气相→固相过饱和度液相→固相熔体过冷

形核机理：

获得结晶驱动力，首先形成新相的核，体系内出现两相界面

晶体的生长机制：

1.完整光滑界面生长机制：

在一个尚未生长完全的界面上找出最佳生长位置2.非完整光滑界面生长机制：

晶面上存在的螺旋位错可以作为晶体生长的源头，或者可以对光滑晶面的生长起到催化作用3.其他位错生长机制

助溶剂法：

原理：

将组成结晶物质的原料在高温下溶解于低熔点的助溶剂中，使之形成饱和溶液，然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发戎机等方法，使熔融液过饱和，从而使结晶物质析出生长的方法

特点：

生长温度低；设备简单；晶体生长周期长；晶体一般较小

气液固技术制备晶须材料的原理：

普通的气相生长是从气相直接析出固相，VLSi法与之有一点不同，是从气相析出固相的过程是通过溶液作媒介的。

非晶态特点：

普遍存在；结构特征性能与时间有关（老化）；微观上结构及动力学不均匀；原子尺度纳米效应局部特性；长程无序、短程有序；从热力学上看处于亚稳状态

玻璃特性：

1.各向同性2.介稳性3.熔融态转变为玻璃态是渐变的，可逆的，在一定温度范围内完成，无固定熔点4.熔融态转变为玻璃态过程中，物理化学性质连续变化

结构学说：

1.微晶子学说：

无论温度升高或者降低，硅酸盐玻璃在打到573℃时，性质必然发生反常变化，而573℃正是石英由α型向β型变的温度，认为玻璃是高度分散晶体的集合体。

要点：

1.硅酸盐玻璃是由各种硅酸盐和二氧化硅等微晶体组成，玻璃中的金属离子和SiO4离子团或更复杂的硅氧离子团以一定数量结合2.这些微晶体不是正常晶格构造的晶体，而是原子有序排列的微区

2.无规则网络学说：

凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也是一个我、三维空间网络所构成，这种网络是离子多面体构筑起来的，晶体结构网咯是由多面体无数有规则的重复而构成的，而玻璃种结构多面体的重复没有规律性

非晶形成原理：

1.非晶形成能力（理论上只要冷却速度足够快，所有合金都能形成非晶态合金）2.热力学分析（合金组元数的增多使△S增大，导致紧密的随机程度增加）3.动力学分析（抑制形核和结晶的条件是提高非晶形成能力的条件）4.键合条件（共价键、离子键电负性大）5结构条件（组元之间具有较大原子尺寸差的合金有利于玻璃的形成）

浮法成型玻璃特点：

1.质量好表面平整度、透光率、处理质量均达到磨光玻璃的水平2.能生产超薄和超厚的玻璃3.生产能力强，窑的熔化量大，玻璃牵引速度快。

凝胶注模原理：

陶瓷粉体溶于有机物的水溶液中，经球磨后形成高固相体积分散的悬浮体，然后注入一定形状的模具中，通过有机的凝胶反应，进行原位网状聚合，粉体颗粒聚集在一起以使单位溶液成为负载陶瓷粉体的低载体，通过交联作用使浆料形成聚合物的凝胶。

通过干燥去除凝胶部件的溶剂，同时由于聚合物的横向连接，聚合物不会随溶剂迁移。

工艺：

将有机单位和交联剂溶于水溶剂或有机溶剂，配制或预混液，再将陶瓷粉体和分散剂

再将陶瓷粉体和分散剂加入预混液，球磨，真空除泡，制备出低粘度高固相体积分数的浓悬浮液，然后在注模前依次加入引发剂和催化剂，充分搅拌均匀后，将浆料注入非多孔模具中，在一定温度下引发有机单体聚合或三维网状聚合物凝胶，并将陶瓷颗粒原位粘结固话形式湿坯，脱膜后干燥，得到高强度坯体，最后烧结，获得样品。

特点：

适用范围广，可制备单相材料和复合材料，水敏感性和不敏感性材料；可制备出复杂形状的部体，同时该工艺制备出的生坯强度高，可以进行机械加工，有机物含量少，排除较易；成型坯体组分与密度均匀、缺陷少，烧结后坯体收缩很小，可实现成型过程的连续化和机械化。

影响因素：

1.固体体积分数2.有机物比例及含量3.pH值及分散剂4.引发剂、催化剂用量5.气泡消除6.固化

直接凝固成型：

原理：

基于内部化学反应来调节陶瓷浆料的ph值以及增加电解质的浓度使双电层的电位为零，以受控的醇催反应再次调节ph值，或改变浆料中的离子浓度，控制陶瓷泥浆胶体的分散。

凝聚状态，从而使高固相含量的浆料膜前反应缓慢进行，浆体保持低黏度，注模后反应加快进行，浆料凝固，便其固化成型。

工艺：

首先制备出固相体积分数高达50vdl%以上，低黏度，分散性好，流动性好，以及静电稳定的悬浮液。

然后将浆料温度降到0到5°，在悬浮液中加入延迟反应的生物酶或底物，悬浮体注入模具后，升温至20到50°，与底物反应，通过酶的催化反应调节