材料合成与制备
材料合成与制备
作业习题：一、名词解释1. 胶体(Colloid)：胶体是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
2. 溶胶：是具有液体特征的胶体体系，是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。
分散粒子是固体或者大分子颗粒，分散粒子的尺寸在1~100nm之间，这些固体颗粒一般由103~109个原子组成。
3. 凝胶(Gel)：凝胶是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网络骨架，骨架孔隙中充满液体或气体，凝胶中分散相含量很低，一般在1%~3%之间。
4. 溶胶－凝胶法(Sol-gel)：是采用具有高化学活性的含材料成分的液体化合物为前驱体（通常是金属有机醇盐或无机化合物），在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解、缩聚化学反应，通过抑制各种反应条件，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经过陈化，胶粒间缓慢聚合，形成了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，形成了凝胶。
凝胶再经过低温干燥，脱去其间溶剂而成为一种多孔空间结构的干凝胶或气凝胶，最后，经过烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
5. 多孔材料：是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
6. 水解度R：是水和金属醇盐物质的量比，即溶胶－凝胶反应过程中加水的量的多少。
二、填空题1.溶胶通常分为亲液型和憎液型两类。
2. 材料制备方法主要有物理方法和化学方法。
3. 化学方法制备材料的优点是可以从分子尺度控制材料的合成。
4. 由于界面原子的自由能比内部原子高，因此溶胶是热力学不稳定体系，若无其它条件限制，胶粒倾向于自发凝聚，达到低比表面状态。
5. 溶胶稳定机制为胶体稳定的DLVO理论。
6. 计算颗粒间范德华力通常用的两种模型为平板粒子模型、球型粒子模型。
7. 溶胶稳定机制中增加粒子间能垒通常用的三个基本途径是使胶粒带表面电荷、利用空间位阻效应、利用溶剂化效应。
材料合成与制备方法
A.晶核形成的热力学势垒 要大，液体大
C.在粘度与温度关系相似的条件下， 或液相温度要低
D.原子要实现较大的重新分配，达到共晶点附近的组成。
2）结构模型
A.微晶模型：基本思想是：大多数原子与其最近邻原子的相对位置与晶体情形完全相同，这些原子组成一纳米至几十纳米的晶粒，长程有序性消失主要是因为这些微晶取向散乱、无规的原因。
答：B—S法的构思是在一个温度梯度场内生长单晶，在单—固——液界面上成核。待结晶的材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，坩埚可垂直或水平放置，使坩埚下降通过一个温度梯度，或使加热器沿坩埚上升。
第二章、
1.试说明非晶态的概念与特性
答：1）概念：非晶体物质是介于晶体和液体之间有序度的一种聚集态，其在小于几个原子间距的小区间内（1~1.5nm），仍然保持形貌和组分的某些有序特征而具有短程有序但长程无序的特殊物质状态。
2.试推导液固生长系统的相变驱动力。
解：设晶体流体的界面面积为A，垂直于界面的位移为∆X，系统的吉布斯自由能的降低为∆G，界面上单位面积的驱动力为f；驱动力做功：f·A·∆X=—∆G
f=-∆G·A·∆X=-∆G·∆V
生长驱动力在数值上等于生长单位体积的晶体所引起的系统吉布斯自由能的变化，负号表示界面向流体中位移引起系统自由能降低。
2）特性： a.高强度、高韧性b.抗腐蚀性c.软磁特性d.超导电性e.光学性质：光吸收、光电导、光致发射f.其它性质：室温电阻率高，负的电阻温度系数。
2.试说明常见非晶态的分类
答： 1）非晶态合金
2）非晶态半导体材料
3）非晶态超导体
4）非晶态高分子材料
5）非晶态玻璃
3.试说明非晶态材料的形成条件和结构模型
6.说明影响CVD的参数
材料合成与制备方法
材料合成与制备方法材料合成是材料科学领域中的关键环节，合成方法的选择直接影响到材料的性能和应用。
本文将介绍几种常见的材料合成方法和制备技术，包括化学合成、物理合成和生物合成等。
一、化学合成化学合成是一种通过化学反应来制备新材料的方法。
通常需要原料物质在特定条件下进行反应，生成目标产物。
常见的化学合成方法包括溶液法、气相法和固相法等。
1. 溶液法溶液法是一种将原料物质溶解在适当的溶剂中，通过溶液中物质的扩散、固相沉淀和晶体生长等过程，制备出所需的材料的方法。
这种方法操作简单，适用于多种材料的合成。
2. 气相法气相法是一种将原料物质气化或溶解在惰性气体中，通过气相反应生成目标产物的方法。
这种方法通常用于制备高纯度、高质量的材料，适用于一些高温、高真空条件下的合成。
3. 固相法固相法是一种将原料物质混合均匀后，在高温条件下进行反应生成目标产物的方法。
这种方法适用于高温烧结、固相反应等制备过程。
二、物理合成物理合成是一种利用物理方法实现材料合成的方式。
常见的物理合成方法包括熔融法、机械合成和溅射法等。
1. 熔融法熔融法是一种将原料物质加热至熔化状态后冷却凝固成材料的方法。
这种方法通常用于金属材料、陶瓷材料等的制备，具有制备工艺简单、成本低廉的优点。
2. 机械合成机械合成是一种通过机械力对原料物质进行机械混合、压缩、研磨等过程，实现材料合成的方法。
这种方法适用于一些不容易发生化学反应的材料，可以制备出高性能的复合材料。
3. 溅射法溅射法是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材表面原子或分子脱落并沉积在基底上形成薄膜的方法。
这种方法适用于制备薄膜、涂层等材料，广泛应用于电子、光电等领域。
三、生物合成生物合成是一种利用生物体或生物体系来合成材料的方法。
常见的生物合成方法包括生物体内合成、发酵法和生物模板法等。
1. 生物体内合成生物体内合成是一种利用生物体自身代谢过程中产生的物质合成材料的方法。
这种方法适用于生物体本身就能够合成目标产物的情况，具有环境友好、资源可再生的优点。
材料合成与制备的基本途径课件
高能球磨技 术
电子信息领域
集成电路 电子元器件 显示技 术
生物医学领域
生物材料 药物载体 生物检测
航空航天领域
01
轻质复合材料
02
功能涂层
03
发动机材料
新材料的开 发
高性能复合材料 功能材料 生物材料
新技术的探索
01
原子层沉积技术
利用物理或化学方法在基底表面 逐层沉积材料原子，实现纳米级 别的精确控制。
02
分子束外延技术
在单晶衬底上生长单层或超薄晶 体薄膜，广泛应用于半导体器件 和光电器件等领域。
03
激光诱导化学气相 沉积技术
利用激光诱导化学反应在基底表 面沉积材料，具有高精度、高效 率的特点。
环境友好型的材料合成与制备
绿色化学合成 生物合成 循环利用与再生
• 材料合成与制备的基本概念 • 材料合成与制备的物理方法 • 材料合成与制备的化学方法 • 材料合成与制备的新技术 • 材料合成与制备的应用领域 • 材料合成与制备的未来发展
材料合成与制备的定义
总结词
材料合成与制备是指通过一系列物理、化学或生物过程，将所需物质转化为详细描述
适用范围
优点
缺点
熔炼法是一种通过高温 将原料熔化成液态，再 经冷却凝固得到材料的 制备方法。
熔炼法通常在高温炉中 进行，通过加热将原料 熔化为液态，然后进行 冷却凝固，得到所需材 料。这种方法可以制备 出高质量、高纯度的金 属、合金和化合物等。
适用于制备金属、合金、 金属化合物等材料。
材料合成与制备的基本原则
总结词
材料合成与制备需要遵循一定的基本原则，以保证获 得高质量的新型材料。
详细描述
在进行材料合成与制备时，需要遵循一定的基本原则。 首先，要确保所使用的原料纯度高、质量稳定，以保证 最终获得高质量的新型材料。其次，要精确控制反应条 件和参数，如温度、压力、气氛等，以确保反应过程顺 利进行并获得所需的结构和性能。此外，还需要注意安 全问题，如防止爆炸、中毒、腐蚀等危险情况的发生。 最后，要重视环境保护和资源利用效率，尽可能采用绿 色合成方法和循环利用技术，以降低对环境的负面影响。
材料合成与制备 第1章 溶胶-凝胶法
溶胶凝胶化目前主要分为脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。
脱水凝胶化过程中(加入强亲水性物质，例已醇)，胶粒脱水，扩 散层中电解质溶解质浓度增加，凝胶化能垒降低。
碱性凝胶化过程中， Mn+ 可通过O2-、OH- 或An-(酸根离子)与配 体 简桥言联之，。体影系响加因入素有OHp-H，值胶、粒温表度面、正A电n-荷的减性少质，、能M(垒H2高O度)n+降的低浓。度等。
(3)溶剂化作用也能稳定溶胶。破坏胶粒之间的有序溶剂层， 使胶粒表层脱除溶剂并相互接触需要一定的溶剂化能量。这种 效应对于亲液溶胶更加明显。
反之，由溶胶制备凝胶的具体方法有以下几种： (1)使水、醇等分散介质挥发或冷却溶胶，使其成为过饱和 液，而形成冻胶。 (2)加入非溶剂，如在果胶水溶液中加入适量酒精后，即形 成凝胶。 (3)将适量的电解质加入胶粒亲水性较强的憎液型溶胶，即 可形成凝胶。 (4)利用化学反应产生不溶物，并控制反应条件可得凝胶。
前驱物溶液(溶 胶)由金属无机 化合物与添加剂 之间的反应形成
密集的粒子
粉末、薄 膜
有机聚合物 型Sol-Gel
过程
前驱物的控制 水解和缩聚
1.由前驱物得到的无机聚合物构 成凝胶网络 2.刚形成的凝胶体 积与前驱物溶液体积完全一样 3. 凝胶形成的参数--胶凝时间随着 过程中其它参数的变化 而变化 4.凝胶透明
3、 20纪80年代以后，广泛应用于功能材料、特种陶瓷材料、晶 体、薄膜材料 、超微粉体、有机-无机杂化材料的制备和应用。从 1981年开始，每二年举办一次溶胶-凝胶科学技术国际会议。溶胶-凝 胶科学已经成为材料科学与工程研究领域的一个重要分支。
三、溶胶-凝胶合成方法的原理
现代溶胶-凝胶技术一般是以金属有机醇盐或无机盐为原料， 溶解于一定的溶剂中形成金属化合物的溶液，然后进行水解、聚合 形成溶胶、凝胶。
材料合成与制备第2章材料合成与制备的主要途径
第2章材料合成与制备的主要途径材料合成与制备的方法很多，从材料的物态上看，材料合成与制备的主要途径可以分为三种类型，即：基于液相—固相转变的材料制备；基于固相－固相转变的材料制备；基于气相—固相转变的材料制备。
2.1 基于液相—固相转变的材料制备基于液相—固相转变的材料制备一般可分为两类：一类是从熔体出发，通过降温固化得到固相材料，如果条件适合并且降温速率足够慢可以得到单晶体，如果采用快冷技术可以制备非晶(玻璃态)材料；另一类则从溶液出发，在溶液中合成新材料或有溶液参与合成新材料，再经固化得到固相材料。
2.2.1 从熔体制备单晶材料单晶材料的制备必须排除对材料性能有害的杂质原子和晶体缺陷。
低杂质含量、结晶完美的单晶材料多由熔体生长得到。
熔体生长中应用得最广的方法是直拉法(Czochralski法)生长。
直拉法的特点是所生长的晶体的质量高，速度快。
半导体电子工业所需的无位错Si单晶就是采用这种方法制备的。
图2.l是直拉法晶体生长的示意图。
熔体置于坩埚中，一块小单晶，称为籽晶，与拉杆相连，并被置于熔体的液面处。
加热器使单晶炉内的温场保证坩埚以及熔体的温度保持在材料的熔点以上，籽晶的温度在熔点以下，而液体和籽晶的固液界面处的温度恰好是材料的熔点。
随着拉杆的缓缓拉伸(典型速率约为每分钟几毫米)，熔体不断在固液界面处结晶，并保持了籽晶的结晶学取向。
为了保持熔体的均匀和固液界面处温度的稳定，籽晶和坩埚通常沿相反的方向旋转(转速约为每分钟数十转)。
显然，这种旋转使得长成的单晶对转轴有柱面对称性。
高压惰性气体(如Ar)常被通人单晶炉中防止污染并抑制易挥发元素的逃逸。
对易挥发材料也可采用液封技术，即在熔体表面覆盖一层不挥发的惰性液体，如生长GaAs单晶时使用的液封材料是B2O3。
图2.1 直拉法单晶生长示意图1：籽晶；2：熔体；3、4：加热器坩埚下降法又称定向凝固法，也是一种应用广泛的晶体生长技术。
其基本原理是使装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，如图2.2所示。
新版材料合成与制备.pdf
第一章绪论1．材料按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四类。
2．材料合成与制备是通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料。
研究内容：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技术，从而指定节能、经济、环保的合成路线及开发新型结构和功能的材料。
3．材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。
第二章无机材料合成实验技术1．表征真空泵的工作特性的四个参量：起始压强、临界反压强、极限压强、抽气速率。
2．平衡分离过程：借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。
3．速率分离过程：在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。
4．吸附分离过程：利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。
特点：①多数吸附剂具有良好的选择性，同时，被吸附组分又可在不同的条件下脱附，方便被吸附组分的分别收集和吸附剂的再生利用；②吸附剂化学稳定性好，分离所得产物纯度高；③吸附与解吸速度快，为快速分离和获得小体积淋洗液创造了条件；④吸附剂价廉易得，实验操作简单；⑤为了增加表面作用位置，吸附剂通常制成多孔结构和大比表面积。
吸附机理：⑴吸附作用机理复杂，包括静电吸附、氢键作用、离子交换、络合作用等多种物理和化学过程；⑵从分子间作用力的观点来看，吸附作用是吸附剂表面的立场与吸附质分子之间相互作用的结果，主要是物理吸附；⑶硅胶、Al2O3表面含有大量羟基及O原子，能与许多物质形成氢键。
氢键和电荷转移相互作用均产生较强的吸附能；⑷极性吸附剂与极性分子之间的吸附力较强，选择性也较高。
材料的合成与制备
材料的合成与制备材料的合成与制备是现代科学技术领域中一个非常重要的研究方向，它涉及到材料的物理、化学性质以及在工程应用中的性能表现。
材料的合成与制备技术的发展，对于推动材料科学和工程技术的进步具有重要意义。
本文将从合成与制备的基本原理、常见方法及其应用等方面进行介绍。
首先，材料的合成与制备是指通过化学反应、物理方法或生物技术等手段，将原料转化为所需的材料。
合成与制备的基本原理包括原料选择、反应条件控制、反应机理等内容。
在材料的合成过程中，原料的选择对于最终产物的性能具有至关重要的影响。
同时，合成过程中的反应条件控制也是至关重要的，例如温度、压力、溶剂选择等因素都会影响反应的进行和产物的性质。
此外，了解反应的机理对于优化合成过程、提高产物纯度和性能也具有重要意义。
其次，常见的材料合成与制备方法包括化学合成、物理合成和生物合成等。
化学合成是指通过化学反应将原料转化为所需的产物，常见的化学合成方法包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等。
物理合成是指通过物理手段将原料转化为所需的产物，常见的物理合成方法包括溅射法、磁控溅射法、电化学沉积等。
生物合成是指利用生物技术手段进行材料的合成与制备，例如利用微生物、植物等生物体进行材料的合成。
不同的合成方法适用于不同类型的材料，选择合适的合成方法对于提高产物的纯度和性能具有重要意义。
最后，材料的合成与制备在各个领域都有着广泛的应用，例如在材料科学、化工、能源、环境等领域中都有着重要的地位。
在材料科学领域，合成与制备技术的发展推动了新型材料的研发和应用，例如纳米材料、功能材料等的合成与制备技术的进步为材料科学的发展提供了重要支持。
在化工领域，合成与制备技术的发展为新型化工产品的研发和生产提供了重要技术支持。
在能源和环境领域，合成与制备技术的应用也为新能源材料、环境治理材料等的研发和应用提供了重要技术支持。
总之，材料的合成与制备是一个非常重要的研究方向，它涉及到材料的物理、化学性质以及在工程应用中的性能表现。
高等学校教材：材料合成与制备实验
高等学校教材：材料合成与制备实验
材料合成与制备实验是一种常见的大学实验，是合成新材料的基本实验方法。
材料合成与制备实验能够帮助研究者研究新材料的性能、结构和性质，并进一步探索新材料的应用。
材料合成与制备实验的基本步骤主要包括：首先，根据实验的要求，按照一定的比例准备各种原料；其次，将原料混合，并在一定的温度和压力下进行反应；最后，将反应液浓缩、分离、结晶，然后用一定的方法测量所得到的材料的性质，以确定材料的性质。
材料合成与制备实验的最终目的是研究新材料的性能，以便开发出更好的产品。
考虑到材料合成与制备实验的重要性，高校在进行实验教学时应以安全为首要考虑因素，加强实验安全知识的培训，以及实验室的安全管理。
同时，高校还应针对实验教学的特点，提高教学质量，加强实验室的设备维护，建立实验室安全管理系统，提高实验技术水平，以保证实验教学质量。
总之，材料合成与制备实验是高校实验教学的重要组成部分，它能够帮助研究者研究新材料的性能、结构和性质，因此高校应继续加强实验教学，以提高实验教学质量。
材料合成与制备
材料合成与制备材料合成与制备是现代材料科学领域的重要研究内容之一，它涉及到材料的结构设计、合成方法、制备工艺等方面，对于材料的性能和应用具有重要的影响。
在这篇文档中，我们将重点介绍材料合成与制备的基本概念、常见方法和技术，希望能够为相关领域的研究者和学习者提供一些参考和帮助。
材料合成是指通过化学反应或物理方法将原料转化为所需的材料。
合成方法的选择通常取决于所需材料的性质、结构和用途。
常见的材料合成方法包括溶液法、固相法、气相法、激光烧结法等。
溶液法是指将原料溶解在溶剂中，通过控制溶液的温度、浓度、PH值等条件来实现材料的合成。
固相法是指将原料混合后在高温条件下进行反应，通常用于制备无机材料。
气相法是指将原料蒸发成气体后在一定条件下进行反应，适用于制备纳米材料和薄膜材料。
激光烧结法是指利用激光束对原料进行加热和烧结，可以实现高温、快速、均匀的材料合成。
材料制备是指将合成好的材料进行成型、加工和表面处理，以满足特定的使用要求。
常见的材料制备方法包括热压成型、注塑成型、挤压成型、烧结等。
热压成型是指将粉末材料放入模具中，在一定温度和压力下进行成型。
注塑成型是指将熔融的塑料通过注射机注入模具中进行成型。
挤压成型是指将熔融的金属材料通过挤压机挤压成型。
烧结是指将粉末材料在一定温度下进行烧结，使其颗粒相互结合形成致密的材料。
在材料合成与制备过程中，需要考虑原料的选择、反应条件的控制、设备的选择和操作技术等方面的问题。
合成和制备的过程需要严格控制各项参数，以确保所得材料的质量和性能。
同时，还需要考虑材料的成本、环保性、可持续性等方面的问题，以实现材料的可持续发展和应用。
总的来说，材料合成与制备是材料科学领域中非常重要的研究内容，它直接影响到材料的性能和应用。
通过合理选择合成方法和制备工艺，可以获得具有特定结构和性能的材料，为材料科学和工程领域的发展和应用提供重要支撑。
希望本文所介绍的内容能够对相关领域的研究者和学习者有所帮助，也欢迎大家对材料合成与制备的研究进行进一步的探讨和交流。
新材料合成与制备
新材料合成与制备新材料是指在人类科技和工程领域中，通过人工手段经过合成或制备而得到的具备特殊功能或性能的材料。
新材料的研发与制备是一个复杂而具有挑战性的过程，需要综合运用化学、物理、材料科学等多个学科的知识和技术。
新材料的合成和制备过程主要包括以下几个方面：1.材料选择：选择合适的原料和化学试剂是新材料合成的第一步。
根据所需的材料性质和功能，选取合适的元素、化合物或混合物作为合成材料的起始材料。
同时，还需要考虑材料的可获得性、成本和环境友好性等因素。
2.材料设计：根据所需的材料性能和功能，设计合理的材料结构和组成。
这需要深入理解材料的晶体结构、物理性质和化学性质，并通过计算模拟或实验测试来确定合适的结构设计。
3.反应过程：根据材料设计的要求，选择适当的反应方法和条件进行材料合成反应。
这包括溶液反应、固相反应、气相反应等不同的合成方法。
同时，还需要进行反应参数调控，如反应温度、反应时间、反应物比例等，以控制材料合成过程中的晶体形貌和尺寸。
4.结构和性能表征：对于合成得到的新材料，需要进行结构和性能的表征和评价。
这包括使用电镜、X射线衍射、拉曼光谱等手段来研究材料的晶体结构和宏观形貌，并使用物理和化学测试方法来评估材料的力学性能、热学性能、电学性能等。
5.优化改进：根据对合成材料性能和性质的评估，对合成过程进行优化和改进。
这涉及到反应条件调整、添加助剂或掺杂元素等方法，以提高材料的性能和功能。
新材料的合成与制备不仅能够推动科技进步和创新，还具有重要的应用价值。
新材料在能源、环境、医疗、电子等领域具有广泛的应用前景。
例如，新型电池材料、光催化材料、纳米材料等已经在能源储存、环境净化和生物医学等方面取得重要进展。
总之，新材料合成与制备是一个复杂而具有挑战性的过程，需要综合运用多学科的知识和技术。
新材料的研发与制备不仅可以推动科技进步和创新，还具有重要的应用价值。
随着科技的进步和发展，我们可以期待新材料在各个领域的应用得到进一步的推广和发展。
新材料的合成与制备技术综述
新材料的合成与制备技术综述引言新材料的合成与制备技术是现代材料科学领域的重要研究方向，它涉及到材料的组成、结构和性能，对于推动科技发展和促进社会进步具有重要意义。
本文将对新材料的合成与制备技术进行综述，包括合成方法的分类、主要材料类别和相关的应用领域等方面的内容。
合成方法的分类新材料的合成方法多种多样，常见的分类方法包括物理合成、化学合成和生物合成三大类。
1. 物理合成：物理合成方法主要通过物理过程改变材料的结构和形态，常见技术包括溶胶凝胶法、热处理法、机械合金化等。
其中，溶胶凝胶法能够制备多孔材料和纳米材料，热处理法可用于改善材料的热稳定性和机械强度，机械合金化则能够提高材料的硬度和韧性。
2. 化学合成：化学合成方法则是通过化学反应改变材料的组成和结构，常见技术包括溶液法、气相法、沉积法等。
溶液法主要适用于制备溶胶、纳米颗粒和薄膜等，气相法可用于生长单晶和制备纳米线等，沉积法则适用于制备薄膜和涂层材料。
3. 生物合成：生物合成方法是指利用生物体或其代谢产物合成新材料，具有环境友好、低能耗和高效率等优点。
常见的生物合成方法有生物矿化、微生物发酵和植物提取等。
主要材料类别新材料的合成与制备技术广泛应用于各种材料类别，包括金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料等。
1. 金属材料：金属材料具有良好的导电性和导热性，常用于电子器件、航空航天和汽车工业等领域。
金属材料的合成主要通过熔融冶炼、电化学沉积和粉末冶金等技术实现。
2. 陶瓷材料：陶瓷材料具有优异的耐磨性、耐高温性和绝缘性，广泛应用于建筑、电子和化工等领域。
陶瓷材料的合成主要通过固相反应、溶胶凝胶和凝胶注模等技术实现。
3. 聚合物材料：聚合物材料具有轻质、可塑性和良好的电绝缘性，广泛应用于塑料、橡胶和纤维等领域。
聚合物材料的合成主要通过聚合反应、交联反应和共聚反应等技术实现。
4. 复合材料：复合材料是两种以上不同材料的结合体，具有优异的综合性能，常用于航空航天、能源和汽车工业等领域。
材料合成与制备
材料合成与制备1. 引言材料合成与制备是一项重要的科学研究领域，涉及到从原材料到最终产品的整个过程。
通过合成和制备材料，我们可以获得具有特定性质和功能的新材料，以满足不同领域的需求。
本文将介绍材料合成与制备的基本概念、方法和应用。
2. 材料合成的基本概念2.1 材料合成的定义材料合成是指通过化学反应、物理方法或其他途径将原始物质转化为具有期望性质和结构的新物质。
这一过程可以包括单一组分材料的制备，也可以是复合材料的合成。
2.2 材料合成的分类根据原始物质和反应方式的不同，材料合成可以分为以下几类：•化学气相沉积（CVD）：通过气相反应在固体表面上生成薄膜或纳米颗粒。
•溶液法：利用溶液中溶解度差异来实现晶体生长或纳米颗粒形成。
•固相法：通过固态反应在固体材料中生成新的晶相或化合物。
•电化学法：利用电化学反应来合成材料，如电沉积、电解等。
•水热合成：利用高温高压水环境下的化学反应来合成材料。
3. 材料制备的基本概念3.1 材料制备的定义材料制备是指通过加工和处理原始材料，将其转化为具有特定形状、结构和性质的最终产品。
这一过程可以包括物理加工、化学处理、热处理等。
3.2 材料制备的分类根据加工方式和处理方法的不同，材料制备可以分为以下几类：•熔融法：将原始材料加热至熔点，使其熔化后再冷却固化成所需形状。
•粉末冶金法：将粉末材料通过压制、烧结等工艺制备成所需形状。
•涂覆法：通过涂覆技术将液态或粉末材料均匀地覆盖在基底上，形成所需表面层。
•光刻技术：利用光敏物质的特性，在光照和化学处理的作用下制备微米或纳米尺度的结构。
•3D打印技术：通过逐层堆积材料来制备三维结构。
4. 材料合成与制备的方法材料合成与制备的方法多种多样，具体选择哪种方法取决于材料的性质、结构和应用要求。
以下是一些常用的方法：4.1 化学合成化学合成是指通过化学反应将原始物质转化为所需材料。
常见的化学合成方法包括溶液法、气相法、固相法等。
例如，利用溶液法可以通过溶解金属盐和还原剂来合成金属纳米颗粒。
材料合成与制备
鸽血红（纯红色）红宝石 粉红色红宝石 蓝色蓝宝石 黄色蓝宝石 绿色蓝宝石 紫色蓝宝石 帕德马蓝宝石 变色蓝宝石
Cr3+ Ｃr3+ /Fe/Ti Fe2+/Ti4+ Fe3+、色心 Fe3+、Fe3+/ Ti4+ Cr3+/Fe2+/Ti4+、 Fe2+/Fe3+ 色心/Cr3+、 Fe3+ Fe、Ti、Cr
火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像在再结晶 后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长 大，故又称之为“二次再结晶”。
异常长大后(20min) 异常长大前(5min) Fe-3%Si合金在1100℃退火组织
晶粒的异常长大
二次再结晶特征：
❖驱动力来自界面能或表面能的降低。 ❖不需要重新形核，是以一次再结晶后的某
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
1.1.1 形变再结晶理论
冷变形后材料经重新加热进行退火之后， 其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温 度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段。
回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结 构和性能变化的阶段；
2. 晶粒长大
晶粒长大可以通过现存 晶粒在退火时的生长或 通过新晶粒成核，然后 在退火时生长的方式发 生，焊接一颗大晶粒到 多晶试样上，并且是大 晶粒吞并临近的小晶粒 而生长，就可以有籽晶 的固-固生长，即
形核-焊接-吞并
再结晶后的晶粒长大
再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果 继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互 相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大”。
《材料合成与制备》课件
化学法
化学法主要包括化学气相沉积、 溶胶-凝胶法、水热法等技术。
化学气相沉积技术是利用气体反 应物在固体表面上发生化学反应 并生成固态沉积物的过程。
溶胶-凝胶法是通过溶液中的化学 反应制备出溶胶，然后将其转化 为凝胶，再经过干燥和热处理得 到目标材料。
化学法是通过化学反应将元素或 化合物转化为目标材料的技术， 其优点在于可以合成出结构复杂 、性能优异的材料。
详细描述
随着科技的发展，人类对材料性能的要求越来越高，因此需要不断探索新的材 料合成与制备方法。这些方法不仅有助于提高材料的性能和稳定性，还能降低 生产成本，为人类社会的发展提供重要的支撑。
材料合成与制备的分类
总结词
材料合成与制备可以根据不同的分类标准进行分类，如按合成方法、材料类型、应用领 域等。
化学气相沉积法
总结词
通过化学反应使气态物质在固态基体表面沉积，以制 备薄膜材料的方法。
详细描述
化学气相沉积法是一种先进的材料制备技术，适用于制 备陶瓷、金属化合物等薄膜材料。在化学气相沉积法中 ，气态物质在固态基体表面发生化学反应，生成所需的 固态物质并沉积在基体表面，形成连续的薄膜。化学气 相沉积法制备的材料具有较高的纯度和致密性，且制备 过程具有较高的灵活性和可控制性。但设备成本较高， 且对于某些高分子材料而言，需要解决化学气相沉积过 程中发生的化学反应和副产物的控制问题。
的重点。
技术创新与挑战
01
新的合成方法
随着新材料需求的不断增长，探索新的合成方法成为关键。例如，化学
气相沉积、溶胶-凝胶法、微波合成等新技术的应用，为材料合成提供
了更多可能性。
02
绿色合成技术
随着环保意识的提高，绿色合成技术成为研究的热点。通过无毒或低毒
材料合成与制备 第6章 低热固相合成
二、低热固相合成方法的原理
1、三步反应机理
20世纪90年代中期，通过原子力显微镜观察有机固相反应，提 出了三步反应机理：相重建；相转变；晶体分解或分离。
2、扩散-反应-成核-产物晶粒生长机理 固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着发生
化学作用，旧化学键断裂产生新键，发生固-固化学反应，生成产物 分子 ；此时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，只有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。可见，固相反应经历四个阶段，即扩散反应-成核-生长．但由于各阶段进行的速率在不同的反应体系或同 一反应体系不同的反应条件下不尽相同．使得各个阶段的特征并非 清晰可辨，总反应特征表现为反应的决速步的特征。
多酸化合物因具有抗病毒、抗癌等生物活性作用及作为多种反应的 催化剂而广泛应用。例如利用低热固相反应方法含砷的硅钨酸化合物。
3、合成新配合物 采用低热固相反应合成单核和多核配合物。例如镧系金属与乙酰丙
酮和冠醚大环配体形成混配化合物
4、合成固配化合物 有些化合物只能存在于固相中，遇到溶剂后不稳定或转化为其它化
合物，将这类化合物称之为固配化合物。如水杨醛及其衍生物。
5、合成配合物的几何异构体 6、合成反应中间体
将氨基酸的羧基键联在一个完全不溶的树脂上，然后在另一端形成 并生长肽链，从而形成了一种由液相的可溶试剂与链接于不溶的固体物 质上的肽链之间的多相反应。
7、合成纳米材料、有机化合物及其它材料。
四、低热固相合成工艺种类
1、反应物化学组成和结构 2、反应物颗粒尺寸及分布 3、反应温度压力与气氛 4、杂质及矿化剂 5、晶体缺陷
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➢ 若材料具有显著的织构，则晶体的大部
分将择优取向，更加有利于二次再结晶，再 结晶的推动力是由应变消除的大小差异和欲 生晶体的取向差异共同提供的
再结晶的推动力
表面自由能
G (W q )G S G 0
应变能
晶粒取向不同引起的自由能差
形核-焊接-并吞
晶粒长大是通过晶粒 间的迁移，推动力是晶粒 间界自由能（晶界能）的 减少。
气孔和添加物对晶粒长大的影响
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
优点：能在较低温度下生长； 生长晶体的形状预先固定
缺点：难以控制成核以形成大晶粒
1.2 液相－固相平衡的晶体生长
液相晶体生长的基本原理
控制材料在熔点附近缓慢结晶。一般是先在熔体中形 成晶核；然后，在晶核和熔体的交界面上不断进行原子 或分子的重新排列而形成晶体。因为只有当晶核附近熔 体的温度低于凝固点时，晶核才能继续发展，因此生长 界面必须处于过冷状态。 过冷状态： 熔融金属或合金冷却到平衡的凝固点(或液相线温度)以下， 而没有凝固的现象。这是不稳定平衡状态，较平衡状态的 自由能高，有转变成固态的自发倾向。
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
退火过程三个阶段：
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
位错
线缺陷又称为位错。也就是说，位错是一种线型的 晶体缺陷，位错线周围附近的原子偏离自己的平衡位置， 造成晶格畸变。位错有两种基本类型，一种叫做刃型位 错，另一种叫做螺型位错。
滑移面
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
1.1固相－固相平衡的晶体生长 1.2液相－固相平衡的晶体生长 1.3气相－固相平衡的晶体生长
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
常用方法 利用退火消除应变的再结晶（应变—退火技术） 利用烧结的再结晶 利用退玻璃化的结晶作用 利用多形性转变的再结晶 利用固态沉淀的再结晶（脱溶生长）
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
发生晶粒长大。晶粒长大又可分为正常长大和异常 长大（二次再结晶）。
晶粒的正常长大
晶粒的长大是连续地、均匀地进行，晶粒长大过 程中晶粒的尺寸是比较均匀的，晶粒平均尺寸的 增大也是连续的。
晶粒的异常长大（二次再结晶）
将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度以上，或更长时 间的保温，会有少数晶粒优先长大，成为特别粗大的晶粒， 而其周围较细的晶粒则逐渐被吞食掉，整个金属由少数比再 结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成。
退火
880~900 ℃退火72h
1.1.3 利用烧结生长晶体
➢ 烧结就是加热压实多晶体，烧结过程中晶粒长
大的推动力主要是由残余应变、反向应变和晶粒维 度效应等因素引起。烧结仅用于非金属材料中的晶 粒长大。
•利用烧结法钇铁石榴石Y3Fe5O12、Al2O3等晶粒长大。 •气孔、添加物、原始晶粒的尺寸等均影响烧结生长晶体。 •如果在热压中升高温度，烧结所引起的晶体长大将更为显著
结论：使结晶应变不是自发过程，退火是自发过程
在应变再结晶过程中，体 H0,S0
系的能量是降低的，产物
结晶通常是放热过程
的有序度提高
应变退火再结晶驱动力 G W qG S G 0
1. W-q 经塑性变形后，储存大量的应变能。在产生应变时，发 生的自由能变化近似等于做功减去释放的热量。该能量是应 变退火再结晶的主要推动力
单晶体ห้องสมุดไป่ตู้义： 晶体内部的原子呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体 的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质 点在空间的排列为长程有序
特点： 整个材料只有一个晶粒组成，材料具有良好的均一性和 结构完成性，表现出优异的电、磁、光、热等性能。
例如:单晶硅、红宝石、蓝宝石等
第一章 单晶材料的制备
《材料合成与制备》
一、材料
绪论
定义：自然界能够用来制作有用器件的物质。
人类文明的发展史．就是一部利用材料、制造材料 和创造材料的历史。甚至人类历史也是以当时主要 使用的材料来进行划分的。
单晶硅棒 单晶硅片 单晶芯片
电子元件
•没有半导体单晶硅材料，便不可能有今天的微电 子工业；
•有低损耗的光导纤维，当今世界蓬勃发展的光纤 通讯才得以实现。
是晶体生长工作者追求的目标 3 有利于晶体的加工和器件化 4 有利于晶体生长的重复性和产业化，例如计算机控制晶体
生长过程。
1.2 液相－固相平衡的晶体生长 1.2.1 从液相中生长晶体的一般理论
➢ 单组分液－固平衡的单晶生长技术，是
目前使用最广泛的生长技术，基本方法是控 制凝固而生长，即控制成核。
第二相粒子
弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可 使晶粒长大受到抑制 相邻晶粒的位向差
晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界 界面能低，故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低
第二相粒子对铝合金晶粒长大的影响 不含粒子，高温退火 形变前含粒子，高温退火
最佳应变或临界应变的确定
(一般在1%~10%间)
➢ 锥形试样在受到拉伸时自动产
生一个应变梯度，在退火之 后，在晶粒生长最好的区域 计算其应变
动作方向 细晶粒
温度
距 离
单晶 在温度梯度中退火
1.1.2 应变退火及工艺 几种典型的金属构件
(1) 铸造件 由于冷却时的温度梯度和不同的收缩可能产生应变。 对于金属这种应变很小，对于非金属应变较大。
(2) 锻造件 会引起应变（不均匀），还会引起加工硬化。
2. Gs是晶粒的表面自由能 3. ΔG0是不同晶粒取向之间的自由能差，取向不合适则能量高
再结晶驱动力：形变金属的机械储存能；
再结晶与相变的关系： 都有形核、长大过程，有孕育期，相似的动力学方程； 本质区别：驱动力不同，相变驱动力是新/母相间的化学 自由能差，而再结晶驱动力是形变金属的机械储存能；相 变必有一个临界温度，该临界温度是热力学意义的温度。 而再结晶临界温度只是一个动力学意义的温度。
所以： 大块过冷，多个晶核、多个生长—— 多晶 局部过冷（过冷区集中于界面附近狭小的 范围之内），其他区域过热（避免出现新 的晶核） —— 单晶
1.2 液相－固相平衡的晶体生长
选择晶体生长方法的原则
1 有利于提高晶体的完整性，严格控制晶体中的杂质和缺陷 2 有利于提高晶体的利用率，降低成本，大尺寸的晶体始终
区别：合成一般含有化学反应，有新物质生成，而制备则 不一定。物质的提纯，设备的组装等可以叫制备但不能叫 合成。同样得到一样目标物质，制备讲的是结果，合成更 侧重过程。
材料合成与制备
合成与制备就是建立原子、分子的新排列， 从微观到宏观尺度对结构予以控制，从而制造材 料和零件的过程。
第一章 单晶材料的制备
再结晶的基本规律
（1）需超过一最小形变量---ɛc。 （2）随 ɛ 增大,T再减小；但当ɛ大到一定值后,T再趋于 一稳定值。 （3）再结晶刚完成时的d取决于ɛ，而和T关系不大。 （4）新晶粒不会长入取向相近的形变晶粒中。 （5）再结晶后继续加热， d增大（此为长大问题）。
再结晶过程示意图
2. 晶粒长大 冷变形金属在完成再结晶后，继续加热时，会
➢新材料
蛟龙号-深海载人潜水器 7620m
350km/h
二、材料合成与制备常用方法
1.溶胶-凝胶技术（制备纳米粉体或复合粉体） 2.化学气相沉积（CVD）（薄膜材料的制备） 3.应变-退火技术、定向凝固技术、液相提拉法等（单晶） 4.激光成型技术（薄膜、梯度材料及高温材料） 5.烧结（广泛应用的材料制备技术，陶瓷、玻璃等）
多边化示意图
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
回复过程中随着组织结构的变化，物理和机械 性能也有变化，它们向着未形变前的值变化。
①量热法，测量回复时放出的储存能； ②电阻法，测量回复过程电阻的减小量； ③硬度法，测量回复过程硬度或流变应力的降低量； ④位错法，测量回复过程位错密度的减小以及位错排列结构的 变化； ⑤X射线衍射法，测量因形变而使X射线谱线的宽展和在回复过 程中锋锐化程度；
对任何过程 G H T S
自发过程的生长体系△G＜0
1.1 固相－固相平衡的晶体生长
再结晶驱动力的推导
对于应变退火方法 未应变到应变过程
E12 Wq
H 12 E 12 pV
由于 pV 很小，近似得
H12 E12
G H T S G 12W qT S
在低温下 T S 可忽略，得
G12Wq0
1.1.1 形变再结晶理论（应变-退火理论）
冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变 形基体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再 结晶。再结晶包括成核与长大两个基本过程。
变形后晶体
未变形晶体
退火
退火是将材料加热至某一温度，保温后随 炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理 工艺。其主要目的是均匀材料的化学成分及组 织，消除内应力和加工硬化。
▪ 例如：在施加临界应变和退火生长过程前，铝的 晶粒尺寸大约为0.1mm。对99.99%的铝采用交替施 加应变和退火的方法，获得了直径为2.5cm的晶粒
▪ 用应变—退火的方法生长晶体的除铝以外，对铜 、金、铁、钼、铌、钽、钍、钛、钨、铀及铜合 金、铁合金等均有报导。
2. 铜单晶的制备
采用二次再结晶的方法，即几个晶粒从一次再 结晶时形成的基体中生长，在高于一次再结晶 的温度下使受应变的试样退火。
6.机械合金化，又称为机械球磨合金化。 是一种常见而又神奇的非平衡制备技术 可以实现高温材料的常温合成
材料合成与制备
合成： 指促使原子、分子结合而构成材料的化学过程。
制备： 研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料，还包
括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构， 使之具备所需的性能和适用效能，即包括材料的加工、处 理、装配和制造。
液相生长:液体固体
▪ 溶液中生长 从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体. 可在低于材料的熔点温度下生长晶体，因此它们特别适合于