材料制备与合成答案

1. 材料制备方法主要有物理方法和化学方法。
2. 溶胶－凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。
3. 按照参加反应的物种数，可将固相反应体系分为单组份固相反应和多组分固相反应。4. 烧结可以分不加压烧结和加压烧结。
5. 根据SHS燃烧波传播的方式，可将SHS分为 自蔓延 和 “热爆” 两种方式。
6. 水热法常用氧化物或者氢氧化物或凝胶体作为前驱物，以一定的填充比进入高压釜，它们在加热过程中溶解度随温度升高而增大，最终导致溶液过饱和，并逐步形成更稳定的新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱体或中间产物与最终产物之间的溶解度差，即反应向 Gibbs 焓减小的方向进行。
7. 自蔓延高温合成方法的最早应用是 黑色炸药 。
8. 固相化学反应能否进行，取决于固体反应物的结构和热力学函数。
9. Kaupp等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。
10. SHS铸造技术有 SHS熔铸 和 离心铸造 两种工艺。
1. 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。
2. 溶胶凝胶法中固化处理分为干燥和热处理。
3. 固相化学反应根据固相化学反应发生的温度分低热固相反应、中热固相反应和高热固相反应。
4. 电磁约束成形定向凝固包括无接触电磁约束和软接触电磁约束两种方案。
5. SHS特殊密实化技术包括 SHS-轧制法 和 SHS-挤压法 。
6. 测定迁移数的方法有 希托夫（Hittorf）法 、 界面移动法 、 电池电动势法 等。希托夫（Hittorf）法测定的原理是利用电解时阳离子和阴离子的移动速度不同，从而导致阳极附近和阴极附近 电解质浓度 的不同而进行测定的。
7. 自蔓延高温合成，或称 燃烧合成 。
8. 固相化学反应能否进行，取决于固体反应物的结构和热力学函数。
9. 以化学工程的角度来看，任何流体的传递或输送现象，都会涉及到 动量的传递 、 动量的传递 及 质量的传递 的传递现象。
10. 在溶剂热条件下，溶剂的物理化学性质如密度、介电常数、粘度、分散作用等相互影响，与通常条件下相差很大。相应的，它不但使反应物(通常是固体)的溶解、分散过程及化学反应活性大为增强，使得反应能够在较低的温度下发生；而且由于体系化学环境的特殊性，可能形成以前在常规条件下无法得到的亚稳相。
1. 界面荷电层是自然界普遍存在的现象，按形成机理分主要有三种类型： 界面两侧之间的电荷转移 、离子特性吸附形成分布于溶液一侧的荷电

层 和 偶极子的定向排列 。
2. 溶胶－凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。
3. 固相反应中，杂质能影响反应物的缺陷结构，可以改变反应速率。并且有可能与反应物形成固溶体降低起始反应温度，使反应速率加快。
4. 烧结可以分不加压烧结和加压烧结。
5. 固体之间要发生反应必须使分子间有更多的机会发生接触。因此，研磨、高压或超声波等是增加分子接触，利于分子扩散的有效手段。
6. 水热法是在百余年前由地质学家模拟地层下的水热条件研究某些矿物和岩石的形成原因，在实验室内进行仿地水热合成时产生的。
7. 定向凝固的主要参数有固液界面前沿液相中的温度梯度GL、固液界面向前推进的速度R、GL/R值。。
8. 固相化学反应能否进行，取决于固体反应物的结构和热力学函数。
9. 溶胶通常分为亲液型和憎液型两类。


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，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。
2. 凝胶
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。
3. 固配化合物
低热固相配位化学反应中生成的有些配合物只能稳定地存在于固相中，遇到溶剂后不能稳定存在而转变为其它产物，无法得到它们的晶体，因此表征这些物质的存在主要依据谱学手段推测，这也是这类化合物迄今未被化学家接受的主要原因。我们将这一类化合物称为固配化合物
4. 扩散
从热力学的角度来看，为了使系统内的分子分布最大的随机化，从而使系统的自由能下降，高浓度断的气体分子将向低浓度端移动，以便平衡两处的浓度差据，这个现象便称为“扩散”。
5. 热爆SHS技术
热爆SHS技术是将反应混合物压坯整体同时快速加热，使合成反应在整个坯体内同时发生的技术。这一模式又称“热爆炸”或“整体”模式。
1、 1. 烧结
随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，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，最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象称为烧结。
2. 低热固相反应
反应温度低于100℃的固相化学反应为低热固相反应。
3. 定向凝固
定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和为凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相

反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。
4. 物质的四态
是宇宙中物质存在的四种状态，包括固、液、气、等离子体四种状态。
5. 自蔓延高温合成
自蔓延高温合成（self-propagation high-temperature synthesis，简称SHS），又称为燃烧合成（combustion synthesis）技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导做用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。
1、 1. 溶胶
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。
2. 低热固相反应
反应温度低于100℃的固相化学反应为低热固相反应。
3. 定向凝固
定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和为凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。
4. 放电等离子体烧结：也称等离子活化烧结，是指利用脉冲电流产生的脉冲能，放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术
5. SHS烧结：SHS烧结法或称SHS自烧结法，即直接完成所需形状和尺寸的材料或物件的合成与烧结，是将粉末或压坯在真空或一定气氛中直接点燃，不加外载，凭自身反应放热进行烧结和致密化。

简答题(30’)
1. 电离气体成为等离子体的条件？
只要当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。
否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。
2. SHS烧结技术的特点？
(1)节省时间，能源利用充分；
(2)设备、工艺简单；
(3)产品纯度高（因为SHS能产生高温，某些不纯物质蒸发掉了），反应转化率接近100%；
(4)不仅能生产粉末，如果同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品；
(5)产量高（因为反应速度快）；
（6）扩大生产规模简单，从实验室走向工业生产所需的时间短，而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品；
（7）能够生产新产品，例如立方氮化钽；
（8）在燃烧过程中，材料经历了很大的温度变化，非常高的加热和冷却速率，使生成物中缺陷和非平衡相比较集中，因此某此产物比用传统方法制造的产物史具有活性，更容易烧结；
（9）

可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物以及亚稳定相等。与常规方法， SHS的控制参数较为严格（见表8.2所示）。
3. 固液界面液相区内形成成分过冷的条件?
一是由于溶质在固相和液相中的固溶度不同，即溶质原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，二是在凝固过程中，由于外界冷却作用，在固液界面固相一侧不同位置上的实际温度不同，外界冷却能力强，实际温度低；相反实际温度高。如果在固液界面液相一侧，溶液中的实际温度低于平衡时液相线温度，出现过冷现象。

4. 简述影响热压烧结的因素。
烧结温度、时间和物料粒度是三个直接影响热压烧结的因素。因为随着温度升高，物料蒸汽压增高，扩散系数增大，黏度降低，从而促进了蒸发-凝聚，离子和空位扩散以及颗粒重排和粘性塑性流动过程，使烧结加速。这对于黏性流动和溶解-沉淀过程的烧结影响尤为明显。
（1） 温度和保温时间的影响
（2）压力的影响
（3）物料的影响
（4）气氛的影响。
（5）液相的影响
（6）添加剂的影响

5. 简述溶剂热合成。
1.影响化学气相沉积制备材料质量的几个主要因素？
反应混合物 沉积温度 衬底材料 系统内总压和气体总流速 反应系统装置的因素 源材料的纯度

3. 固液界面液相区内形成成分过冷的条件?

5. 简述水热与溶剂热合成。
答 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，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。
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。

1. 与水热法相比，溶剂热法具有怎样的特点？
答：（1）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；
（2）非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择的原料的范围大大扩大，比如氟化物，氮化物，硫属化合物等均可作为溶剂热反应的原材料；同时，非水溶剂在亚临界或超临界状态下独特的物理化学性质极大地扩大了所能制备的目标产物的范围；
（3）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；
（4）由于较低的反应温度，反应物中的结构单元可以保留到产物中，且不受破坏，同时，有机溶剂的官能团和反应物或产物作用，生成某些新型的在催化

和储能方面有潜在应用的材料；
（5）非水溶剂的种类繁多，其本身的一些特性，如极性与非极性、配位络合作用、热稳定性等，为我们从反应热力学和动力学的角度去认识化学反应的实质与晶体生长的特性，提供了研究线索。


2.简述溶胶凝胶法制备纤维材料的工艺流程。

1. 简述热量传递的三种方式？

3. 简述获得定向凝固柱状晶的基本条件?
合金凝固时热流方向必须是定向的。在固—液界面应有足够高的温度梯度，避免在凝固界面的前沿出现成分过冷或外来核心，使径向横向生长受到限制。另外，还应该保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长出横向新晶体。
1.合金凝固时热流方向必须是定向的。2.要尽量抑制液态合金的形核能力3.采用添加适当的合金元素或添加物，使形核剂失效。采用高速凝固法定向凝固可以保证柱晶的取向分散度较小。
4. 简述等离子体放电烧结的过程。
通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。
5. 简述热压烧结初期的特点。
粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、具有一定机械强度的多孔坯体。烧结前成型体中颗粒间接触有的彼此以点接触，有的则相互分开，保留着较多的空隙，随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。
2. 简述溶胶凝胶法制备薄膜或涂层材料的工艺流程。
将溶液或溶胶通过浸渍法或旋转涂膜法在基板上形成液膜，经凝胶化后通过热处理可转变成无定形态（或多晶态）膜或涂层


3. 简述溶胶凝胶法制备气凝胶材料的工艺流程。