材料合成与制备_第一章
材料合成与制备教学大纲
《材料合成与制备》课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：10050280课程中文名称：材料合成与制备课程英文名称：Synthesis and Preparation of Materials课程性质：专业主干课考核方式：考试开课专业：材料科学与工程、材料物理、材料化学开课学期：5总学时：40+16 其中40学时理论授课，16学时实验课总学分：2.5+1二、课程目的和任务《材料合成与制备》课程针对目前21世纪新材料的发展趋势，总结和概括了几种目前热点形态材料和高新材料的常用合成和制备方法。
通过本课程的学习，能够使学生对目前几种常见新材料制备方法的发展概况、制备原理、操作设备以及制备工艺方法等有一定的了解和掌握；通过理论课与实验课的结合，学生能够熟悉几种常见形态新材料的制备工艺流程和工艺方法控制手段，这不仅能够锻炼学生操作实验的动手能力，而且在操作过程中，能够理论和实践相结合，对材料的形成机理进行深入的分析和了解，培养了学生发现问题、分析问题和解决相关材料合成和制备方面问题的基本能力，培养学生创新意识，为今后的生产实践和科学研究打下坚实的基础。
三、教学基本要求要求根据目前新材料的发展趋势，重点结合21世纪高性能材料、低维材料、功能材料、绿色材料以及复合材料的发展方向，将材料学、化学、物理学等学科内容融入材料合成与制备技术中，使学生熟练掌握材料合成与制备的基本原理、工艺方法和技术流程，通过对材料合成机理及实验设备的了解，能够针对具体要求制定材料的合成与制备工艺，并能够完成新材料合成与制备某技术的专题研究任务。
四、教学内容与学时分配第0章绪论（2学时）第一章溶胶－凝胶法（4学时）第二章水热与溶剂热合成（4学时）第三章电解合成（4学时）第四章化学气相沉积（4学时）第五章定向凝固技术（4学时）第六章低温固相合成（4学时）第七章热压烧结（4学时）第八章自蔓延高温合成（4学时）第九章等离子体烧结合成技术（4学时）课程总结（2学时）五、教学方法及手段教师讲授、研讨式教学、多媒体教学六、上机实验内容七、前修课程、后续课程前修课程：大学物理、大学化学、材料科学基础、物理化学、材料物理八、教材及主要参考资料教材：[1]乔英杰. 材料合成与制备[M]. 北京：化学工业出版社，2009年撰写人签字：院（系）教学院长（主任）签字：。
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 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
沉淀法 溶液中含有一种或多种金属离子，加入一些 阴离子后(如OH-、C2O42-、CO3-)，生成沉 淀，将沉淀加热脱水得到金属的氧化物颗 粒。
通过草酸盐沉淀得到氧化物的较多。
尿素作为沉淀剂： ＞70℃后，尿素分解： (NH2)2CO+3H2O→2NH4OH+CO2
水解法
• 无机盐水解: ZrO2纳米粉的制备 ZrCl4+4H2O →Zr(OH)4+4HCl ZrOCl2+3H2O→Zr(OH)4+2HCl 加热：
氢氧化物M(OH)n的H被烷基R所取代。
优点：
1. 金属醇盐活性高，易水解
2. 金属醇盐易提纯，可以得到高纯度的氧化 物纳米颗粒
缺点： 成本高
金属醇盐的制备
1. 金属与醇反应 电负性很强的金属，与醇在惰性气体（N2、
Ar）保护下：
M+nROH→ M(OR)n +n/2H2 M： Li、Na、K、Ca、Sr、Ba等； 金属铊（Tl）与乙醇在回流下不能反应，但当
• 人类社会的发展历程曾经以材料来划分：
旧石器时代（100万年前）→新石器时代 （1万年前） → 青铜器时代（公元前5000 年）→铁器时代（公元前1200年）→高分 子材料、复合材料时代
• 计算机：最早的18000个电子管，总重量达 30吨，运算速度5000次/秒；现在：几kg， 半导体材料和大规模集成电路
• 人造卫星：每减少1kg，运载火箭的质量可 以减少500kg；
• 飞机：发动机的质量减少1kg，升高10m； 工作温度每提高100℃，飞机的推力提高 15%
• 导弹分类：
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、高分子 材料
按状态分：单晶材料、多晶材料、非晶材料、准晶
材料合成与制备方法
第一章1、1 溶胶凝胶1、什么是溶胶——凝胶？答：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，形成凝胶。
2、基本原理（了解）3、设备：磁力搅拌器、电力搅拌器4、优点：该方法制备块体材料具有纯度高、材料成分易控制、成分多元化、均匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等5、工艺过程：自己看6、工艺参数：自己看2、1水热与溶剂热合成1、水热法：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。
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、优点：a、在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或水中氧的污染；b、非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大；c、由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶；d、由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中，且不受破坏。
同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料4、生产设备：高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备；（分类自己看),高压容器一般用特种不锈钢制成,5、合成工艺：选择反应物核反应介质——确定物料配方——优化配料顺序——装釜、封釜——确定反应温度、压力、时间等试验条件——冷却、开釜——液、固分离——物相分析6、水热与溶剂热合成存在的问题：1、无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。
2、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。
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。
材料合成与制备技术
一物理性质已制成了各种测温仪表。 随着科学技术的发展，又应用了一些新的测温原理， 如射流测温、涡流测温、激光测温以及利用卫星测温等。
51
2.3.2.2 温标的种类
40
参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
卤素检漏仪法（补充）
当金属铂被加热至800℃以上时，在其表面上吸附或入射 的气体分子会被剥夺电子，而以正离子的形态飞离表面， 于是铂表面就有正离子发射。
正离子流的大小除了决定于加热温度外，还与气体种类有 很大关系，特别是遇到含有卤族元素的气体后，正离子流 急剧增大，这就是所谓的“卤素效应”。
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
（2）真空检漏法
它是利用示漏气体漏入抽空的被检容器中检测漏孔的方法。 包括放置法、离子泵检漏法、真空计法、氦质谱检漏仪抽
空法、火花检漏器、放电管法、卤素检漏仪内探头法等。
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离子泵检漏法（补充）
气泡法（补充）
在被检件内充入一定压力的示漏气体后放到液体中，气体 通过漏孔进入周围的液体形成气泡，气泡形成的地方就是 漏孔所在的位置，根据气泡形成的速率、气泡大小以及所 用的气体和液体的物理性质，可以大致估算出漏孔的漏率。
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参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
氨气检漏法（补充）
检漏大致分成以下两大类方法： （1）压力检漏法 （2）真空检漏法
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（1）压力检漏法
它是借助于检测被检容器中的示漏气体或液体从容器中 漏出的情况来检测漏孔的方法，
包括气泡法、氨检法、听音法、超声检漏法、卤素检漏 法、卤素检漏仪法、卤素喷灯法、气敏半导体检漏法、 氦质谱检漏仪加压法等。
材料制备与合成
《材料制备与合成[料]》课程简介课程编号：02034916课程名称：材料制备与合成/Preparation and Synthesis of Materials学分: 2.5学时：40 （课内实验(践)：0 上机：0 课外实践：0 ）适用专业：材料科学与工程建议修读学期：6开课单位：材料科学与工程学院材料物理与化学系课程负责人：方道来先修课程：材料化学基础、物理化学、材料科学基础、金属材料学考核方式与成绩评定标准：期末开卷考试成绩（占80%）与平时考核成绩（占20%）相结合。
教材与主要参考书目：教材：《材料合成与制备》. 乔英杰主编.国防工业出版社，2010年.主要参考书目：1. 《新型功能材料制备工艺》, 李垚主编. 化学工业出版社，2011年.2. 《新型功能复合材料制备新技术》.童忠良主编. 化学工业出版社，2010年.3. 《无机合成与制备化学》. 徐如人编著. 高等教育出版社, 2009年.4. 《材料合成与制备方法》. 曹茂盛主编. 哈尔滨工业大学出版社，2008年.内容概述：本课程是材料科学与工程专业本科生最重要的专业选修课之一。
其主要内容包括：溶胶-凝胶合成法、水热与溶剂热合成法、化学气相沉积法、定向凝固技术、低热固相合成法、热压烧结技术、自蔓延高温合成法和等离子体烧结技术等。
其目的是使学生掌握材料制备与合成的基本原理与方法，熟悉材料制备的新技术、新工艺和新设备，理解材料的合成、结构与性能、材料应用之间的相互关系，为将来研发新材料以及材料制备新工艺奠定坚实的理论基础。
The course of preparation and synthesis of materials is one of the most important specialized elective courses for the undergraduate students majoring in materials science and engineering. It includes the following parts: sol-gel method, hydrothermal/solvothermal reaction method, CVD method, directional solidification technique, low-heating solid-state reaction method, hot-pressing sintering technique, self-propagating high-temperature synthesis, and SPS technique. Its purpose is to enable students to master the basic principles and methods of preparation and synthesis of materials, and grasp the new techniques, new processes and new equipments, and further understand the relationship among the synthesis, structure, properties and the applications of materials. The course can lay a firm theoretical foundation for the research and development of new materials and new processes in the future for students.《材料制备与合成[料]》教学大纲课程编号：02034916课程名称：材料制备与合成/Preparation and Synthesis of Materials学分: 2.5学时：40 （课内实验(践)：0 上机：0 课外实践：0 ）适用专业：材料科学与工程建议修读学期：6开课单位：材料科学与工程学院材料物理与化学系课程负责人：方道来先修课程：材料化学基础、物理化学、材料科学基础、金属材料学一、课程性质、目的与任务【课程性质】材料制备与合成[料]是材料科学与工程专业重要的专业选修课。
材料工程基础
材料工程基础第一章材料的制备与合成1.制备材料的3种途径：⑴第一个途径：通过原材料熔化精炼提纯，冷凝成固体（多晶、单晶或非晶的结构）的途径。
⑵第二个途径：用多种方法制成备用的高纯粉末（单相或合金、化合物）原料，使其进一步加工固结成材的粉末冶金技术。
⑶第三个途径：从石油、天然气裂解产物中或煤炭等物质中获得化合物单体，将低分子的单体经过聚合反应合成为高分子聚合物，以块状或粉体等形式存在。
2.化工生产流程：攻头、保尾、控中间。
3.高炉炼铁原料：⑴铁矿石；⑵熔剂（作用：降低脉石熔点和去硫）；⑶燃料：常用的燃料主要是焦炭。
4.高炉炉渣：⑴主要由SiO2、Al2O3和CaO组成，并含有少量的MnO、FeO和CaS等。
⑵作用：①通过熔化各种氧化物控制金属的成分；②浮在金属液表面的炉渣能保护金属，防止金属被过分氧化，防止热量损失，起到隔热作用，保证金属不致过热。
5.造渣除P、S：P的含量高会引起钢的冷脆。
2Fe2P + 5FeO + 4CaO = 9Fe + (CaO) 4·P2O5钢中硫含量高，造成钢的热脆性。
FeS+CaO→CaS+FeO6.铝的生产流程电解法制备金属铝必须包括两个环节：一是从含铝的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝得到纯铝。
7.炼铝过程中为什么要加入冰晶石（Na3AlF6）？①氧化铝的熔点（2050℃）太高，对电解设备的耐高温性能要求过高。
②当用冰晶石（熔点1010℃）作熔剂时，氧化铝溶解于其中（溶解度约10%），将与氧化= 938℃），这时可在1000℃以下进行电解。
通常的电解温度是铝形成低熔点共晶（T共950-970℃。
8. 单晶制备方法⑴熔体法：从结晶物熔体中生长晶体，制备大单晶和特定形状晶。
①提拉法；②坩埚下降法；③泡生法；④水平区熔法；⑤浮区法。
⑵常温溶液法：常温溶液是指水、重水或液态有机物作为溶剂的溶液。
在这类溶液中，可以生长完整性高、均匀性好的大尺寸晶体，易观察。
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。
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
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影响晶粒长大的因素
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
新材料
350km/h 蛟龙号-深海载人潜水器 7620m
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）
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
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 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
（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 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。
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
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。
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。
回复过程
1.1
固相－固相平衡的晶体生长
低温下回复 主要涉及点缺陷的运动。如空位与间隙原子相遇便复合， 点缺陷密度大大下降。 中温下回复
位错可以在滑移面上滑移或交滑移,使异号位错相遇相消,位
错密度下降。 高温下回复 位错除了滑移外，还可攀移，实现多边化，即形成亚晶。
多边化示意图
1.1
固相－固相平衡的晶体生长
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
单晶体定义： 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
程中锋锐化程度；
t-MoSi2
100h
CPS
40h
0h
20
40
60
80
2θ/(°)
X射线谱线的宽展
再结晶的形核——亚晶的聚合
1.1
固相－固相平衡的晶体生长
再结晶过程示意图
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. 再结晶驱动力
从热力学知识看，一个系统处于平衡状态，吉布斯自由能最 小；系统有从非平衡态过渡到平衡态的趋势。
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。 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。
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 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
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.回复阶段不涉及大角度晶面的迁动； 2.通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现； 3.过程是均匀的。
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) GS G0
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。
织
构
多晶体在其形成过程中，由于受到外界的力、热、
电、磁等各种不同条件的影响，或在形成后受到不同的 加工工艺的影响，多晶集合体中的各晶粒就会沿着某些 方向排列，呈现出某些方向上聚集排列，因而在这些方 向上取向几率增大的现象，这种现象叫做择优取向。这 种组织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物 的结构和纹理，故称之为织构。
生长过程。
1.2
1.2.1
液相－固相平衡的晶体生长
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。
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 制取那些熔点高，蒸汽压大，用熔体法不易生长的晶体和薄膜
•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
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
3. 铁晶体的制备 脱 碳
在还原气氛中脱碳至＜0.05%， 保持晶粒度在0.1mm 减薄50% 产生3%的应变
滚轧减薄 拉伸应变 除表面层 退 火
采用腐蚀法或电抛光法
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。
1.2
液相－固相平衡的晶体生长
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。
第一章
单晶材料的制备
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）
《材料合成与制备》
绪论
一、材料
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。
G H T S
在低温下 T S 可忽略，得
G12 W q 0
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 系的能量是降低的，产物 的有序度提高
H 0, S 0
结晶通常是放热过程
应变退火再结晶驱动力
G W q GS G0
大部分利用应变—退火生长的晶体是金属单晶。