现代材料制备科学与技术

索：
➢空间微重力条件下的晶体生长研究已经 起步；
➢由传统的块状晶体发展起来的具有量子 阱效应和超晶格结构的薄膜晶体材料也 越来越被引起重视。
在本世纪，由于人类社会发展的需要，将继 续促使人们采用不同理论方法与技术途径来 设计、合成与生长各种新型的功能晶体材料， 从而将进一步促进晶体生长科学与技术的发 展；
➢ B均G已O进，入KT国P际，市K场N，; BaTiO3和各类宝石晶体 ➢ BBO，LBO，LAP等晶体也己达到了国际先
进水平;
➢ 我国每三年召开一次全国人工晶体生长 学术交流会，就晶体生长理论与技术， 新材料晶体的研制，进行广泛的学术交 流。
➢ 总之，我国人工晶体材料的研究，无论 是在学术界还是在国际市场上都为国家 争得了荣誉，对于推动我国科技的发展 作出了贡献。
二、本篇主要讲授内容
➢ 理论上：揭示和阐明成核、生长过程中的一 些基本现象和基本规律，以及与此密切相关 的界面结构模型、生长动力学、外界条件对 晶体形态的影响等；
➢ 晶体生长方法和生长技术：包括气相法、液 相法和熔体法，以及相关的生长设备，给出 一些有代表性的晶体生长实例，对各种晶体 生长方法进行综合评述，介绍其研究进展。
➢ 银朱——人造辰砂的制造
李时珍引胡演的《丹药秘诀》说：“升炼银朱， 用石亭脂二斤，新锅内熔化。次下水银一斤，炒 作青砂头。炒不见星，研末罐盛，石版盖住，铁 线缚定，盐泥固济，大火煅之，待冷取出。贴罐 者为银朱，贴口者为丹砂。”
这实际上是汞和硫通过化学汽相淀积而形成辰 砂的过程，称为“升炼”。
我们现在生长砷化镓一类的电光晶体，基本上 还在用这种的方法，这种晶体生长的方法实际上 我国在炼丹术时代就巳经开始使用了。
《现代材料制备科学与技术》
五、课程定位：
本科生专业核心基础课，材物、材化专业必修课； 以人工晶体为主线，兼顾薄膜、陶瓷、复合材料等；
主要讲授材料制备基础理论和实际技术的相关内容； 理论结合实际，技术含量高，实用性强，受到历届
学生的普遍欢迎；是择业的需要，适应今后工作的 需要； 是进行现代化建设、发展高科技的需要。
一、研究发展情况
➢ 50万年以前，蓝田猿人及北京猿人使用的工 具——石英；
➢ 人造晶体出现也很早——食盐 《演繁露》中记载有：“盐已成卤水，暴烈日 中，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数 十印累累相连。”这实际上就是从过饱和溶 液中生长晶体的方法。
《演繁露》为宋代程大昌所撰写，成书于1000 多年以前；
所以，晶体生长是材料科学的重要组成部分 和发展前沿；
学习本篇内容，具有重要的科学意义和实用 价值。
要定量地了解晶体生长的过程 必须具备下述三方面的知识：
第一 要研究处于稳定态的热力学条件； 第二 要了解各种生长界面模型； 第三 要了解晶体生长的动力学理论。
上述内容，正是我们本篇所要学习的内 容，也是本门课程学习的重点和难点，同 学们应注意很好的掌握。
后来，一方面，由于天然产物不足以满足日益增 长的需要——人工制取；
另一方面，物理、化学的发展，各种分析方法和 精密测试技术的发明，使人们对材料各种特性本 质的认识逐步深入；
所有这些，为人工合成、合理应用材料指明了途 径——材料工程学（简称材料学）
3.材料科学
是上个世纪发展起来的一门新兴学科领域； 由于量子化学、结晶化学、固体物理的发展，使
人们对材料性质的认识，由宏观微观深入； 对材料的要求也越来越高，例如：结构材料——
要求更高的强度、耐高温性、耐疲劳性等； 发展新技术——需要有各种功能材料； 因此，人们在认识了材料物性规律的基础上，又
为改善已有材料的性能和合成新型材料开辟了新 的途径——发展出新型学科——材料科学。
材料科学定义：
从事材料本质的发现，分析和了解 方面的研究，它的目的在于提供对材料 结构的统一描述或模型，以解释材料结 构与性能之间的关系，并以此为指导， 研究发展新型材料的一门科学。
主要研究内容：三方面
1.（化学）研究材料的组成与合成； 2.（物理）研究材料的各种物理现象和运动规律，
为合成材料和应用提供科学依据； 3. 制备技术、性能测试、材料应用技术。
可见，材料的品种与数量是随着科学 技术和生产力的发展而发展的，这是衡 量一个国家科学技术和经济发展的重要 标志。
∴材料是人类进步的里程碑，是人类文 明的标志； 材料、信息、能源是现代科学技术的 三大支柱。
2.材料工程学
材料的使用——也与生产力和科学技术发展密切 相关；
起初，主要使用材料的固有宏观性质——强度、 硬度、耐热、透光、耐腐蚀等；
材料科学与工程（MSE）：
是关于材料成分、结构、制造工艺以及它们性 能与用途之间有关知识和应用的科学。
主要研究内容：四方面
1. 探索新工艺、新技术和新的合成方法； 2. 研究组成、结构与性能之间的关系，探索接近使
用条件下的性能； 3. 发展精密仪器设备； 4. 运用计算机开展材料研究。
二、材料的分类
1. 按结构分
单晶体 多晶体 非晶体
（分子长程有序） （小晶粒的聚集体） （液体固化，短程序）
2. 按聚集态分
纤维 薄膜 晶体 液晶
（线材） （片材） （体材） （准晶结构）
3.新材料，按用途分 7类
（1）信息材料； （2）新能源材料； （3）高温结构材料； （4）绝缘体、半导体； （5）有机高分子合成材料； （6）新型合金； （7）复合材料等等。
三、现代材料制备科学与技术
（原理、方法、技术）
1. 材料制备科学原理 2. 单晶制备 3. 薄膜制备 4. 陶瓷制备 5. 复合材料制备 6. 材料工程新技术
§2.1 晶体生长概论 CRYSTAL GROWTH
主要任务——生长出配比成分准确、 杂质和缺陷都很少的单晶体；
基本内容十分丰富，包括：晶体生长 原理，生长方法和技术以及生长设备 等。
国际上: 结晶学 萌芽于17世纪 丹麦学者 晶面角守恒定律；
➢ 晶体生长 大部分工作是从20世纪初期才开始 焰熔法 l902年 水热法 1905年 提拉法 1917年
Pfann 1952年 发展了区熔技术
➢ 1949年，英国法拉第学会举行了第一次关于晶体生长的 国际讨论会，为以后发展的晶体生长理论奠定了基础 。
5. 课堂讨论活跃，师生互动，教学相长。
绪言
一、材料科学（Materials Science）
1. 材料
定义：自然界能够用来制作有用器件的物质。 能为人类经济地制造有用器件的物质。
人类的生存、生活离不开材料，甚至人类历史也是 以当时主要使用的材料来进行划分：
石器时代 （取火术的发明，金属冶炼技术）青 铜时代 铁器时代 （炼金术、化学，人工制备、 合成材料） 钢铁、水泥、玻璃 建立了冶金和硅 酸盐工业 高分子材料时代 复合材料时代。
六、学习本课程的基本要求
1. 基本理论学习部分，不要求数学推导上的严密 性，重点弄清物理概念，推导过程的逻辑性；
2. 制备方法学习部分，重点掌握材料制备技术， 特别是现代材料制备新技术；
3. 书面作业不多，多看教材和参考书，积极参与 网站论坛讨论，各抒己见，取长补短，加深理 解；
4. 遵守课堂纪律，不得无故缺课，有事有病要请 假；
➢ 晶体生长的理论发展，特别是伯顿(W．K．Burton)等人 提出的理论，推动了晶体生长理论的向前发展。
我国: 现代人工晶体材料的研究， 开创于上世纪50年代中期
➢ 本领域的研究从无到有，从零星的实验室研 究发展到初具规模的产业，进展是相当迅速 的；
➢ 现在我国的人工水晶，人造金刚石已成为一 个高技术产业;
从历史发展来看，晶体生长曾经是一种经 验工艺，而且理论远远落后于实践；
但这种情况从五十年代起就被完全改观， 原因有两方面：
首先是由于新技术发展的需要，不但要生长 大晶体，而且要求高质量的晶体；
第二，晶体生长的理论发展，特别是伯顿 (W．K．Burton)等人提出的理论，推动了晶 体生长学科向前发展。
➢ 包括的章节：Ch3, Ch4, Ch5 , Ch6, Ch7.
谢 谢！