材料合成与制备思考题

材料合成与制备思考题共沉淀法沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加人适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物,再将沉淀物进行干燥或锻烧，从而制得相应的粉体颗粒。

共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀，它是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。

水热合成法水热与溶剂热合成：在一定温度(100～1000℃)和压力(1～100MPa)条件下，利用溶液中物质化学反应所进行的合成。

水热合成：在水体系中进行。

溶剂热合成：在非水（主要是有机溶剂）体系中进行。

水热与溶剂热反应主要以液相反应为其特点。

化学气相沉积化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。

它本质上属于原子范畴的气态传质过程。

热CVD，等离子体CVD，激光CVDCVD涉及的反应有：分解反应、氧化还原反应、化合反应、复分解反应、化学输运反应、各种物理手段（等离子体、激光等）增强的反应等。

CVD技术对原料、产物及反应类型等的要求：(1) 反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液态或固态物质；(2) 反应易于生成所需要的沉积物而其它副产物保留在气相排出或易于分离；(3) 整个操作较易于控制。

Ostwald RipeningOstwald ripening是一种材料生长的机理，简单点说就是材料从分子阶段开始，首先形成一定尺寸的晶核，然后所有的分子都依附于晶核生长，这个阶段不会再形成新的晶核了，只是晶核生长的越来越大，最经典的一种，就是“从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。

晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶”烧结末或压坯粉在低于主要组分熔点温度下加热，使颗粒间产生连接，以提高制品性能的方法。

1、宏观定义在高温下（低于熔点），陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。

2微观定义：固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

粉体材料成型后，用热、微波等方式将其烧结成固体材料。

对陶瓷生坯进行高温焙烧，使之发生质变成为陶瓷产品的过程，也称烧结。

目的是去除坯体内所含溶剂、粘结剂、增塑剂等，并减少坯体中的气孔，增强颗粒间的结合强度。

Oriented attachment ripeningBanfiled又提出了一种新的晶体生长机制也能形成单晶结构，oriented attachment, 多个取向不一致的单晶纳米颗，通过粒子的旋转，使得晶格取向一致，向后通过定向附着生长（oreinted attachment）使这些小单晶生长成为一个大单晶，当然定向附着的过程出难免会出现一些位错和缺陷，这种生长机理形成的单晶的特点同Ostwald ripening不同，OR形成的单晶大多是规则的，给材料本身晶体结构相关，而OA形成的单晶结构在形貌上则没有限制，任何形状和结构的单晶材料都能通过此机理形成。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition ，简称PVD)：物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。

物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是离子镀。

如真空蒸发法、溅射法、离子镀等“物理气相沉积”通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术:A所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体B生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底C蒸汽在衬底表明上凝结，形成薄膜真空“真空”是指在指定的空间内压力低于101325Pa的气体状态。

“真空度”用来表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力表示。

压力的单位过去一般用“托”（Torr）表示，是为纪念Torricelli而命名的，现在规定用国际单位制中的压力单位，即帕［斯卡］（Pa）表示。

介电常数描述分子被电场极化的能力，也可以认为是样品阻止微波能通过能力的量度或介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m) 定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。

Langmuir-Blodgett制膜法Langmuir-Blodgett建立的一种单分子膜制备技术：在水—气界面上将不溶解分子加以紧密有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体表面上的制膜技术。

功能材料功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

简述材料的纳米效应。

纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的效应：表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。

在熔点，磁性，热阻，电学性能，光学性能，化学活性和催化性等都较大尺度颗粒发生了变化，产生一系列奇特的性质。

表面与界面效应：随着颗粒的直径的减小，表面积和比表面积都将会显著地增大，表面原子数也将迅速增加。

表面原子具有高的活性，且极不稳定，它们很容易与外来的原子相结合，形成稳定的结构。

量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到最低值时 ,费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级。

纳米微粒的声、光、电、磁、热以及超导性与宏观特性有着显著的不同 ,这被称为量子尺寸效应。

宏观量子隧道效应：隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力 ,人们发现一些宏观量 ,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效应 ,称之为宏观量子隧道效应。

简述分子束外延制备纳米薄膜的特点。

分子束外延沉积基本原理是在超高真空的条件下利用Kunsen蒸发器中的蒸发出的分子束或原子束在真空室中不受碰撞直接沉积在衬底表面，沿着原来衬底的晶格方向进行生长的一种方法。

简述冷冻干燥法制备材料的步骤。

1首先要配制成所要求浓度的盐水溶液2用玻璃制喷嘴把配好的盐水溶液喷射到被致冷剂冷却的冷浴中，急速冷冻3把冷冻物放入预先冷却的烧瓶中，迅速接入真空系统。

边冷冻，边减压排气，随即加热，使冰升华4冷冻干燥物在一定温度下进行煅烧热分解，即得到所要求的化合物粉末图示Sol-Gel法制备纳米颗粒的过程。

图示溅射过程的物理模型。

简述陶瓷注浆坯料中陈腐的作用。

1．通过毛细管的作用使泥料中水分更加均匀分布。

2．粘土颗粒充分水化和离子交换；一些硅酸盐矿物(如白云母、绿泥石和末风化的长石等)长期与水接触发生水解转变为粘土物质，从而提高可塑性。

3．增加腐植酸物质的含量，改善泥料肋成型性能。

4．发生一些氧化与还原反应，使泥料松散而均匀。

简述化学气相沉积的特点。

①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；②可以在大气压（常压）或者低于大气压（低压）下进行沉积。

一般说低压效果要好一些；③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；④镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混和镀层；⑤可以控制镀层的密度和纯度；⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层；⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐歪曲。

但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层；⑨可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。

简述冷冻干燥法制备材料的特点。

冷冻干燥法的特点：①盐的水溶液易配制，与沉淀相比，由于不添加沉淀剂，可避免杂质的混入。

②因为冷冻的液滴中仍保存着溶液中的离子混合状态，所以组成不发生分离，可实现原子级的完全混合。

③用冷冻干燥法制备无水盐的工艺简单，此无水盐的热分解温度与其他方法制备的无水盐相比要低得多，还可避免水合盐溶化的问题。

④用冷冻干燥法能得到多孔质粉体，热分解时气体放出容易，利用流动床煅烧时，气体透过性好。

⑤用该法得到微粒子的大小为0.1～0.5μm冷冻干燥法的步骤：①首先要配制成所要求浓度的盐水溶液。

②用玻璃制喷嘴把配好的盐水溶液喷射到被致冷剂冷却的冷浴中，急速冷冻。

③把冷冻物放入预先冷却的烧瓶中，迅速接入真空系统。

边冷冻，边减压排气，随即加热，使冰升华。

④冷冻干燥物在一定温度下进行煅烧热分解，即得到所要求的化合物粉末。

简述玻璃脱色剂的种类和原理脱色剂：用以减弱玻璃因铁化合物等杂质所引起的着色的物质种类：主要有化学脱色剂和物力脱色剂两种。

化学脱色剂：它主要起氧化作用，使着色作用强烈的FeO(青绿色)氧化成Fe2O3(黄绿色)，降低着色程度，增加透明度。

常用的化学脱色剂为硝酸盐，三氧化二砷、三氧化二锑、二氧化铈、氟化物等。

物理脱色剂：它能产生与绿色或黄绿色的互补色，从而起到消色作用。

常用的物理脱色剂有硒和氧化钴、二氧化锰、氧化镍简述水热与溶剂热合成化学的特点①由于反应物反应性能的改变、活性的提高，水热与溶剂热合成法有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应，并产生一系列新的合成方法。

②由于中间态、介稳态以及特殊物相易于生成，因此能合成特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物。

③能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热与溶剂热低温条件下晶化生成。

④水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件，有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度。

⑤由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境气氛，因而有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。

简述化学气相沉积的特点。

①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；②可以在大气压（常压）或者低于大气压（低压）下进行沉积。

一般说低压效果要好一些；③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；④镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混和镀层；⑤可以控制镀层的密度和纯度；⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层；⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐歪曲。

但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层；⑨可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。