材料化学PPT课件

（化学反应）
材料加工：原材料 → 新材料(物理上不同)
（工艺手段） 例块体→薄膜；非晶→晶态。
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二、各种材料 的制备过程、特点
1、 金属材料 制备过程：金属、合金——由矿物冶炼制得。
（ 配料→一次冶炼→二次冶炼） 铝、铜——通过盐溶液电解制得。 制备特点：制备过程须经过一个液相（熔融或溶液）。
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2 、无机材料
制备过程： 传统无机材料：直接由矿物合成或稍加处理 现代无机材料：以化学试剂为原料进行粉料合成 （例陶瓷：原料 → 成型 → 烧结 → 陶瓷材料）
制备特点：制备过程以固相为主，且需烧结。 发展趋势：低温合成 — 室温或小于400C
溶胶凝胶合成 — 减少成本 过程控制（结构均匀、无裂纹）
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3 、高分子材料
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液相法
特点：化学组成可控 → 高纯、均相 成核速度可控 → 合成温度低 形状大小可控 → 纳米颗粒
分类：溶胶凝胶法；沉淀法；水热法等。
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2、溶胶—凝胶（Sol-Gel）法 （1）研究进展
30年代：金属纯盐水解、凝胶化制备氧化物薄膜； 1971年：金属纯盐的水解在650~700℃制备多组分玻璃； 1975年：B.E.Yoldas将凝胶干燥制得陶瓷块体材料； 80年代以来：应用广泛（材料用途，材料形态等）。
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2、常用气源 钢瓶气源：H2 N2 O2 Cl2 NH3 CO CO2 气体发生器：H2S HCN
3、真空的获得 低真空 1.33×105 ~ 1.33×10-1 Pa （机械泵） 高真空 1.33×10-2 ~ 1.33×10-5 Pa （扩散泵 溅射离子泵）
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4、高温的获得和控制
高温炉：马弗炉，管式炉，坩埚炉等 高温反应容器 ：
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（2）名词解释
前驱体(precursor)：起始原料。例：金属醇盐、金属 盐的水溶液。
溶胶：纳米级固体颗粒（ 1~5nm）在液体介质中形 成的分散体系。 凝胶：溶胶失去部分介质液体的产物。 （半固态物质；固态粒子呈连续网络）
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（3）S-G法的基本原理 1）前驱体 + 溶剂 → 溶液； 2）水解（醇解）反应 → 溶胶； 3）溶胶干燥 → 凝胶。 ∴应称 S-S-G 法。
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二、制备方法分类
据制备过程发生的反应性质分为： 物理法(机械粉碎法): 极限尺寸，大→小； 化学法(液、气相法): 纳米粒子，小→大。
据反应物的状态可分为： 固相法（陶瓷法）； 液相法（溶胶-凝胶法；沉淀法；水热法）； 气相法（气相冷凝；气相沉积）。
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三、制备方法介绍 1、 陶瓷法（固相反应法）
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制备过程示意图
热处理温度的影响（见下图）
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（4）S-G法的特点
1）纯度高、均匀性好。 2）烧成温度低。（部分产物烧前形成；凝胶比表面积大） 3）可获得不同形态的制品（粉末、薄膜、纤维）。 4）设备简单，操作方便。 5）成本高、制品易开裂。
定义：固态原料通过高温条件下的界面扩散或反应， 形成新的多晶材料。
制备条件：高温炉 反应器的选择（导热好、化学性质稳定）
实例: 镁铝尖晶石（Mg Al2O4）的制备
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镁铝尖晶石的制备实例
结构变化：
MgO + Al2O3 → Mg Al2O4
O-2密堆： （立方）（畸变六方） （立方）
M 填隙： （八面体）（八面体） （四、八面体 ）
制备过程：石油、天然气 → 小分子单体 → 高分子材料。
（裂解、蒸馏） （聚合反应） 制备特点：制备过程均在液相、汽相中进行。 发展趋势：高强度 — 碳纤维、刚玉
耐热 — 杂环高分子、炭化高分子 具有功能 — 在主链或侧链引入官能团
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三、材料制备目的
1 研究材料的特殊性能 例莫来石A3S2（水热法，晶体法）；
实验课小结
实验方法，仪器装置； 影响转化率的因素，方程验证； 实验结果的处理与分析； 实验报告。
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第四章
材料制备化学
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4.1 化学合成与材料制备
概念 各种材料 的制备过程、特点 材料制备目的 材料制备条件
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一、概念 材料制备( 化学合成 + 材料加工 )
化学合成：原材料 → 新材料(化学上不同)
热力学判断：可以反应
动力学特征：反应速度慢（1500 C，加热数天） 原因：结构差异大→成核难； 产物层厚→扩散难。
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陶瓷法的缺点
1）细度有限（晶粒长大，大于100nm），难达到微观均匀； 2）反应须在界面上进行，扩散困难； 3）反应物和产物难分离； 4）反应器污染产物（高温下反应器被侵蚀）。
为了克服以上缺点，近二三十年来人们普遍采用液相 法制备多晶材料。因为这种方法容易控制化学组成、成核 速度、形状大小。
2 研究结构与性能间的关系 例TiO2的光催化性能（金红石型、锐钛矿型）；
3 研制新型材料 例TiO2/CdS, TiO2/ZnS纳米核-壳材料；
4 研制特殊规格的材料 例 纳米材料（介孔颗粒，纳米丝，纳米棒等）。
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四、材料制备条件 1、 原料 起始原料的选择：质量；成本 溶剂种类：水系 — 醇、醛、酮、醚 氨系 — 液氨、胺类、 溶剂提纯：无机溶剂 — 例水的蒸馏、离子交换 有机溶剂 — 除水（干燥）；
硬质玻璃（硼硅）— 耐温、耐腐蚀、α小、耐较大温差； 瓷器皿（坩埚、瓷舟）— 化学稳定性好、价廉易得，易裂； 石英器皿— 工作温度1000C 左右，不易破裂； 金属容器（镍坩埚、铁坩埚） 铂器皿（铂坩埚）— 耐高温、导热好、化学性质稳定； 刚玉器皿— 耐高温、硬度大、耐腐蚀； 石墨器皿— 耐高温、强度大、耐腐蚀、导电好、α小、易加
工； 但耐氧化性差。 聚四氟乙烯— 化学稳定、热稳定性好。使用温度250C 。
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5、低温的获得和控制 低温冷浴：
自来水冷浴（室温~12C 流动自来水；12C ~0 C 加入碎冰块）
冰-盐体系（盐溶解要吸热，适用0~ -25 C ） 非水冷浴—干冰、低沸点液体（液N2、液NH3） 相变冷浴： （表2.18）
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4.2 晶体材料的制备 （微、纳米晶）
纳米尺寸： < 0.1 m (100 nm) 纳米晶：1-100nm的单晶（位错、晶界），
→ XRD ； 纳米粉：纳米晶的集合体 （团聚）；
→TEM
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一、制备样品应具备的特性 1、 配比准确：尽量符合化学计量关系； 2、 纯度高：杂质的低共溶作用； 3、 成分分布均匀：尤其是微量掺杂； 4 、粒度细，尺寸分布范围窄：结构均匀密度高； 5、减少团聚：软团聚，硬团聚。