材料合成与制备考试题

《材料合成与制备》期末测验试题

1. 解释下列术语（每题5分）

（1）金属基复合材料

以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。按所用的基体金属的不同，使用温度范围为350～1200℃。

（2）自蔓延高温合成

自蔓延高温合成又称为燃烧合成技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作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。

（3）物理气相沉积

物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

（4）分子束外延

分子束外延（MBE）是新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法。

（5）化学气相沉积

化学气相沉积（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。与之相对的是物理气相沉积（PVD）。

化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。

2. 简要回答下列问题（每题5分）

(1) 解释材料合成、制备及加工的定义、内涵和区别？

材料合成是指通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上不同于原材料的新材料的过程。

材料加工则是指通过一定的工艺手段使现有材料在物理上或形状上处于和原材料不同的状态(但化学上完全相同)的过程。比如从体块材料中获得薄膜材料，从非晶材料中得到晶态材料，通过铸、锻、焊成型等。

材料制备则包含了材料合成和材料加工的前部分内容（化学上不同于原材料的新材料以及材料物理状态、组合方式改变，但化学上保持不变），不涉及部件成型。

(2)简述薄膜材料合成与制备的常用方法及其特点？

薄膜沉积的化学方法：包括化学气相沉积，热生长，电镀，阳极氧化，化学镀，溶胶凝胶法，L-B技术等，其特点是设备简单，成本较低，甚至无需真空环境即可进行，但是化学制备、工艺控制复杂，有可能涉及高温环境。

薄膜制备的物理方法主要包括真空蒸发、溅射、离子镀及离子助沉积技术。

(3)列出从熔体制备单晶、非晶的常用方法？

从熔体中制备单晶的方法主要有焰熔法、提拉法和区域熔炼法。

非晶的制备方法包括：快速凝固、铜模铸造法、熔体水淬法、抑制形核法、粉末冶金技术、自蔓延反应合成法、定向凝固铸造法等。

(4)什么是自蔓延高温合成反应（SHS），能产生SHS反应的基本条件是什么？

自蔓延高温合成（SHS），又称为燃烧合成技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作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。

反应的基本条件是SHS过程包含复杂的化学和物理化学转变，要想获得满意的产品就必须明了整个反应机理以及各种因索对SHS过程的影响。如果将自蔓延的燃烧区描述为燃烧波的话，试样被点燃后，燃烧波以稳态传播时，燃烧波就在试样(或空间)建立起温度、转化率和热释放率分布图。

(5)溶胶-凝胶法制备材料有何特点，写出脱水缩聚反应和脱醇缩聚反应的方程式？

溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。溶胶一凝胶法也存在某些问题：通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长（主要指陈化时间），常需要几天或者几周；还有就是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

脱水缩聚反应：

3. 试分析制造金属基复合材料有那些技术难题，给出你所知道的金属基原位复合材料的主要制备方法及其特点？（25分）

1.加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。在加工过程中，为了保持基体的浸润性和流动性，需要采取很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时也会发生氧化生成有害的反应产物。这些反应往往会对增强材料造成伤害，形成过强结合界面。过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。高温下反应产物通常呈脆性，会形成复合材料整体破坏的裂纹源。因此控制复合材料的加工温度是一项关键的技术。

解决方法：尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降低至最低程度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。如朱波等人通过热压法在大气环境下采用镁铝共晶合金粉末(Mg-31at.%Al)和铝镁共晶合金粉末(Mg-62at.%Al)作为中间层(钎料),热压压头温度分别在460℃、480℃和480℃、℃下,施加30 MPa压力保压1min,成功制备了100mm×2.4mm的AZ31B/Al复合板。X射线无损检测表明镁铝复合板层界面完整,无气孔、未熔合等缺陷。利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察分析了不同工艺参数下所制备的镁铝复合板的层界面微观组织结构。结果表明：热压过程中,中间层(钎料）与两侧基体均发生明显的扩散,层界面通过扩散形成冶金结合。在采用镁铝共晶合金粉末制备的镁铝复合板的层界面上,从AZ31B镁合金板到1050纯铝板依次形成α-Mg+Mg17Al12双相层、Mg17Al12单相层和Mg2Al3单相层；在采用铝镁共晶合金粉末制备的镁铝复合板的层界面上,从AZ31B镁合金板到1050纯铝板依次形成Mg17Al12单相层和Mg2Al3单相层。采用粘接拉伸法,测试了镁铝复合板层界面的结合强度,并利用扫描电镜和X射线衍射仪观察和分析了断面的组织形貌和物相组成。结果表明：镁铝复合板