材料制备与合成

材料合成制备
By Maximus
第一章
1合成：指促使原子、分子结合而构成材料的化学过程
制备：研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料，还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和适用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。

2 合成与制备就是建立原子、分子的新排列，从微观到宏观尺度对结构予以控制，从而制造材料和零件的过程
3 单晶体定义：晶体内部的原子呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体
的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序
4 再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再结晶。

再结晶包括成核与长大两个基本过程。

5 退火是将材料加热至某一温度，保温后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。

其主要目的是均匀材料的化学成分及组织，消除内应力和加工硬化
6 退火过程三个阶段：回复，再结晶，晶粒长大
7 回复：1.回复阶段不涉及大角度晶面的迁动；
2.通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现；
3.过程是均匀的。

8 使结晶产生应变不是自发过程，退火是自发过程
9 回复测量方法：量热法，测量回复过程硬度，X射线
10 组织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物的结构和纹理，故称之为织构
11 二次再结晶：将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度以上，或更长时间的保温，会
有少数晶粒优先长大，成为特别粗大的晶粒，而其周围较细的晶粒则逐渐被吞食掉，整个金属由少数比再结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成
烧结就是加热压实多晶体，烧结过程中晶粒长大的推动力主要是由残余应变、反向应变和晶粒维度效应等因素引起。

烧结仅用于非金属材料中的晶粒长大
12 影响晶粒长大的因素：温度，杂质与合金元素，第二相粒子，相邻晶粒的位向差
13 固-固：优点：能在较低温度下生长；生长晶体的形状预先固定
缺点：难以控制成核以形成大晶粒
14 整个系统的吉布斯自由能可能存在几个极小值，其中最小的极小值相当于系统的稳定
态，其它较大的极小值相当于亚稳态。

亚稳态与稳定态间的能量位垒来自界面能。

15 晶体生长过程就是晶体界面向流体中推移的过程。

16 溶液生长系统中的相变驱动力：溶液的过饱和浓度
熔体生长系统中的相变驱动力
17 形成临界晶核时，液固相间的自由能差能供给所需要的表面能的2/3，另1/3则需由流
体中的能量起伏提供
18 均匀形核必须具备的条件：必须过冷（ΔT＞0）；具备与一定过冷相适应的能量起伏Δ
G＊或结构起伏r*
19 均匀形核率的控制因素：ΔT 增大，有利于形核；ΔT 增大，原子的扩散速率降低，
不利于形核
20 晶体的平衡形状：晶体的界面自由能是结晶取向n的函数，也反映了晶体的对称性；
恒温恒压下，趋于平衡态时，晶体调整自己的形状以使本身的总界面自由能降到最小21直拉法生长晶体的直径控制：控制加热功率；调节热损耗；利用帕尔贴效应；控制提拉
速度；通过晶体旋转
第二章
1．非晶态的基本特征：只存在小区间内的短程有序，而没有任何长程有序；其衍射花样没有表征结晶态的任何斑点和条纹；升温时会发生明显的结构相变，是一种亚稳态材料。

2．非晶态材料的特性：1.高强度、高韧性，疲劳强度高；抗腐蚀性；软磁特性；超导电性；非晶半导体的光学性质
3. 相对于处于能量最低的热力学平衡态的晶体相来说，非晶态固体是处于亚稳态
4. Vc/V=10-6为判据，事实上，形成非晶态所需的冷却速率RC与所选用的VC/V的关系
并不大，而与成核势垒、杂质浓度和接触角有关
5. 非晶固体的形成条件：晶核形成的热力学势垒ΔG＊要大，液体中不存在成核杂质；结晶的动力学势垒要大，物质在Tm或液相处的粘度要大；在粘度与温度关系相似的条件下，Tm或液相温度要低；原子要实现较大的重新分配，达到共晶点附近的组成
6．结构化学理论，键性：离子键无饱和性、方向性，它们倾向于紧密堆积，所以配位数高，极易使物质形成晶体。

共价键有方向性和饱和性，作用范围小，键长键角不易改变，阻碍结晶。

7 。

稳定性理论：提高Tg,降低Tm。

熔体的粘度随温度下降而急剧上升(提高Tg）；加入某种金属元素（Cu）可以使Tm降低
8．微晶模型：非晶态材料是由“晶粒”非常细小（尺寸只有一纳米到几十纳米）的微晶粒所组成，大多数原子与其最近邻原子的相对位置与晶体情形完全相同。

长程有序性消失主要是因为这些微晶取向杂乱、无规的原因。

9.非晶态材料制备方法：
第三章
1,。

薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。

2．薄膜的生长过程分为以下三种类型：(1)核生长型(2)层生长型(3) 层核生长型
3.基片的清洗：使用洗涤剂清洗；化学药品和溶剂清洗；超声波清洗；离子轰击清洗；烘
烤清洗
4.真空蒸发镀膜工艺原理：
输运到衬底。

气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。

蒸发或升华。

通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。

吸附、成核与生长。

通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。

是一个以能量转换为主的过程。

5．蒸发源应具备的条件
(1) 能加热到平衡蒸气压为(1.33×10-2～1.33Pa)的蒸发温度；
(2) 要求坩锅材料具有化学稳定性；
(3) 能承载一定量的待蒸镀材料。

6．蒸发源的加热方式：电阻加热法；电子束加热法；高频感应加热，电弧加热，激光加热法
7.溅射成膜优点：
溅射原子能量高，膜层和基体附着力强；
可以方便的制取高熔点物质的薄膜；
可精确控制膜成分,便于自动化操作，工业化
生产。

溅射成膜缺点：
需要预先制备各种成分的靶材，利用率较低。

8.溅射机制--溅射蒸发论：轰击离子将能量转移到靶上产生局部高温区，局部区域蒸发。

动量转移理论：轰击离子与靶材原子发生弹性碰撞，发生了动量转移。

9．溅射率及其影响因素：一个入射于靶面的离子，是靶面溅射出来的原子数称为溅射率。

入射离子的能量；入射角度；靶材；表面晶体结构
10. 反应溅射：为溅射化合物薄膜，通常在反应气氛下实现溅射，即将活性气体混入放电气体中，就可以控制成膜的组成和性质，这种方法叫反应溅射
11.化学气相沉积，存在化学反应的气相沉积称为CVD。

12.条件：1。

在沉积温度下，反应物有足够高的蒸汽压
2.生成物中，除了一种所需要的沉积物为固态外，其余必须是气态
3.沉积物本身的蒸汽压足够低
4基体本身的蒸汽压在沉寂温度下也足够低，不易挥发
13.物理激励反应过程：
①利用气体辉光放电
将反应气体等离子化，从而使反应气体活化，降低反
应温度。

②利用光激励反应
光的辐射可以选择反应气体吸收波段，或者利用其他
感光性物质激励反应气体。

③激光激励
14．影响CVD薄膜的主要参数：反应体系成分；气体的组成；压力；温度
15,。

CVD设备：气相反应室水平型：生产量较高，膜厚不均匀
垂直型：膜均匀性好，但产量不高
圆筒型：兼顾了以上二者的优点
16．CVD优缺点：优点：膜层纯度高，很致密，容易形成结晶定向好的材料；能在较低温度下制备难熔物质；可人为掺杂
缺点：T基体高，V沉积低，设备复杂，难于局部沉积，有毒性
17 .离子束增强沉积表面改性技术：离子束增强沉积：是一种将离子注入及薄膜沉积两者融为一体的材料表面改性和优化技术。

18. 等离子体增强化学气相淀积薄膜
19. 溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散
的粒子大小在1～1000nm之间。

凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间
19．溶胶－凝胶法的优点：反应温度低；材料纯度高，均匀性好；产品形状可控；可以控制孔隙度，制备多孔材料
第三章
1. 基体材料名称与增强体材料并用。

这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上“复合材料”（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。

如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。

（3）强调基体时以基体材料的名称为主。

如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等
2. 性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。

3. 复合材料的性能：取长补短，协同作用；性能的可设计性；可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序
4. GF的制备：制玻璃球；铂金坩埚熔融；小漏孔拉丝；涂浸润剂；并股成纱；纺织成布、毡或带
5. cf性能：⑴．力学性能
•强度约为GF的2倍•模量约为GF的3～5倍
•密度低1.7～2，所以比强度、比模量高。

•断裂延伸率0.5～2%
⑵．热学性能
升华温度高达3800℃，耐高温性好。

热膨胀系数小，纵向为负。

⑶．物理性能；导热、导电、自润滑。

⑷．化学性能，耐酸碱性强，高温抗氧化性差。

与金属复合易引起电偶腐蚀。

6.芳纶纤维KF。

--高强度有机纤维
7. 复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。

因为相与相通过界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸收各种电磁波，电偶腐蚀等作用
8. 物理结合是一种比较弱的结合方式。

树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。

金属基部分以物理方式结合。

陶瓷基几乎不以这种方式结合。

9. 增强材料的表面处理：为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维进行的预处理——表面改性。

要点：不同的复合体系应采用不同的处理方法。

树脂基——提高化学结合金属及陶瓷基——抑制化学反应
10. 模压成型工艺：将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，固化成型并脱模后得到复合材料制品的一种方法。

11. 模压料：组成：不饱和聚酯树脂糊+ 短切纤维粗纱或玻璃纤维毡
可模压性：即模压时应具有良好的均匀性和流动性
12. 缠绕工艺：将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程。

三大过程：预浸、缠绕、固化脱模。

13. 缠绕线型需满足的要求：纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模表面；纤维在芯模表面位置固定，不打滑
14. 缠绕线型分类：环向缠绕，纵向平面缠绕，螺旋缠绕
15.。