材料合成与制备方法复习.doc

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1、材料合成与制备方法第一章 材料制备方法第一节 溶胶凝胶（Sol-Gel）1、 概念：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。2、 溶胶-凝胶(简称Sol-Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。Sol-Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶。3、 生产设备：电力搅拌计 磁力搅拌计第二节 水热与溶剂热合成1、 概念：水热法，是指在特制

2、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，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。溶剂热法，将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒，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。2、 优点：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； 非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大；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； 由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中，

3、且不受破坏。同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料。3、 水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：“均匀溶液饱和析出”机制、“溶解-结晶”机制、原位结晶”机制4、 生产设备：高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备；5、 工艺流程：第三节 化学气相沉积法1、 概念；化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。2、 CVD技术分类：低压CVD（LPCVD）、常压CVD（APCVD）、等离子体增强CVD(PECVD)3、 应用范围

4、：广泛用于高纯物质的制备、合成新晶体及沉积多种单晶态、多晶态无机功能薄膜材料。4、 切削工具方面的应用：用CVD涂覆刀具能有效地控制在车、铣和钻孔过程中出现的磨损，在这里应用了硬质合金刀具和高速钢刀具。特别是车床用的转位刀片、铣刀、刮刀和整体钻头等。使用的涂层为高耐磨性的碳化物、氯化物、碳氯化合物、氧化物和硼化物等涂层。TiN与金属的亲和力小，抗粘附能力和抗磨损性能比TiC涂层优越，因此，刀具上广泛使用的是TiN涂层。 第四节 自蔓延高温合成SHS,又称燃烧合成（缩写CS)1、 概念：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做用来合成材料的一种技术，当

5、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。2、 问题：目前SHS研究中仍存在着最大的问题合成过程难以控制。目前SHS研究中仍存在着一些问题：难以获得致密度非常高的产品、理论研究明显滞后于技术开发、这项技术并不能适用于所有体系、由于体系的多样化，迫切需要对各种体系进行试验和总结、超细粉未和纳米粉未的研究还不广泛、国际间交流和合作还不广泛。3、 优点：(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

6、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，因此某些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。第五节 等离子体烧结合成技术1、概念：等离子体：等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体。放电等离子体烧结：也称等离子

7、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。2、等离子体烧结技术的适用范围：纳米材料、梯度功能材料、金属材料、电磁材料、复合材料、陶瓷材料等的制备。第二章 特种陶瓷制备原理2、粉体颗粒指在物质的结构不发生改变的情况下，分散或细化得到的固态基本颗粒。3、一次颗粒指没有堆积、絮联等结构的最小单元的颗粒。4、二次颗粒指存在有在一定程度上团聚了的颗粒。5、团聚一次颗粒之间由于各种力的作用而聚集在一起成为二次颗粒的现象。6、粒度分布分为频率分布和累积分布。频率分布表示与各个粒

8、径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量。累积分布表示小于（或大于）某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量，累积分布是频率分布的积分形式。7、粒度分布曲线 包括累积分布曲线和频率分布曲线。8、比表面积：单位体积粉料所具有的表面积。9、空隙率的表示方法有：1）表观密度,即单位体积粉体层的质量。2）气孔率,即粉体层中空隙部分所占的容积率。10、制备方法：粉体的制备方法一般可分为粉碎法和合成法两种。1）粉碎法 是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用机械粉碎。现在发展到采用气流粉碎。特点：a.在粉碎过程中易混入杂质；b.无论哪种粉碎方式，都不易制得粒径在1um以下的微细颗粒。2）合成法 是由离子、原子、分子通过反

9、应、成核与生长、收集、后处理来获得微细颗粒的方法。特点：纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。固相法、液相法和气相法与机械粉碎法相比，优点是纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细，并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。固相法：通常需要较复杂的设备，且不易控制粉体颗粒，合成过程中反应较复杂。液相法：易控制组成，能合成复合氧化物粉；添加微量成分很方便，可获得良好的混合均匀性等。但是必须严格控制操作条件，才能使生成的粉末保持溶液所具有的、在离子水平上的化学均匀性。气相法：）金属化合物原料具有挥发性，容易精制（提纯），而且生成粉料不需要进行粉碎，另外，生成物的纯度高；）生成颗粒的分散性良好；）只要控制

10、反应条件，易得到颗粒直径分布范围较窄的微细粉末；）容易控制气氛。11、 球磨机对粉料的作用可以分成两个部分。一是研磨体之间和研磨体与筒体之间的研磨作用；二是研磨体下落时的冲击作用。12、 影响粉碎效率因素：球磨机的转速；研磨体的比重、大小及形状；球磨方式（球磨方式有湿法和干法两种）；装料方式；球磨机直径；球磨机内衬的材质。13、 造粒：在很细的粉料中加入一定的塑化剂（如水），制成粒度较粗，具有一定颗粒级配、流动性好的粒子。14、 造粒的方法 A.一般造粒法：将坯料加入适当的塑化剂后，经混合过筛，得到一定大小的团粒。B.加压造粒法：将坯料加入塑化剂后，经预压成块，然后破碎过筛而成团粒。C.喷雾造

11、粒法：把坯料与塑化剂混合好（一般用水）形成料浆，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化、干燥，出来的粒子即为较好的团粒。D.冻结干燥法：将金属盐水溶液喷雾到低温有机液体中，液体立即冻结，然后使冻结物在低温减压条件下升华，脱水后进行热分解，可获得所需的成型粉料。以上四种造粒方法以喷雾造粒的质量好15、 注浆成型 ，适应于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。热压铸成型， 它是利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属模具在压力下进行成型的，冷凝后坯体能保持其形状，在特种陶瓷成型中普遍采用。16、 排蜡温度通常为9001100 。17、 干压成型：将粉料加少量结合剂，经造粒后置于钢模中，在压力机上加压形成一定

12、形状的坯体18、 等静压成型方法：等静压成型方法有冷等静压和热压等静压两种类型。冷等静压又分为湿式等静压和干式等静压。19、 烧结：是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。20、 陶瓷的烧结分为固相烧结和液相烧结。固相烧结和液相烧结：在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程称为固相烧结；同样，粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程称为液相烧结。21、 烧结方法：低温烧结、热压烧结、高温等静压法、气氛烧结22、 防止氧化的气氛烧结，特种陶瓷中的Si3N4 、SiC、B4C、ZrC、ZrB2、 T

13、iB2等非氧化物，在高温下易被氧化，因此在氮及惰性气体（如氩气）中进行烧结。23、 引入气氛片(atmospheric pellet)的烧结，锆钛酸铅压电陶瓷等含有在高温下易挥发成分的材料，在密闭烧结时，为抑制低熔点物质的挥发，常在密闭容器内放入一定量的与瓷料组成相近的坯体即气氛片，也可使用与瓷料组成相近的粉料。（目的是形成较高易挥发成分的分压，以保证材料组成的稳定。）24、 微波烧结优点 整体加热能实现空间选择性烧结。 升温速度快，烧结时间短，且降低烧结温度。 例如，在1100微波烧结Al203陶瓷1h，材料密度可达96%以上，而常规烧结仅为65%。易控制性和无污染第三章 结构陶瓷的制备第一

14、节 氧化铝陶瓷1、 氧化铝陶瓷（alumina ceramics ）是一种以-Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量一般在7599.9%之间。通常以配料中Al2O3的含量来分类2、 Al2O3具有多种晶体结构，常见的有三种，即-Al2O3、-Al2O3和-Al2O3。3、 一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有两大类，一类是工业氧化铝（主要成分-Al2O3），另一类是电熔刚玉。4、 Al2O3预烧的目的：1）使-Al2O3 全部转变为-Al2O3，减少烧成收缩。2）排除Al2O3原料中的Na2O ，提高原料的纯度5、 影响预烧质量的因素：添加物，添加物可以降低预烧温度、促进晶型转化、排除Na

15、2O等杂质。预烧质量与预烧温度有关。预烧温度偏低，则不能完全转变成-Al2O3 ，且电性能降低；若预烧温度过高，则粉料发生烧结，不易粉碎。气氛对Al2O3的预烧质量影响也很大6、 Al2O3预烧质量的检查：(1)染色法。(2)光学显微镜法。(3)密度法。7、 影响Al2O3陶瓷烧结的因素：（1）成形方法的影响。（2）烧结制度的影响（3） 烧结气氛的影响（4） 添加剂的影响（5）烧结方法的影响 第二节 氧化锆陶瓷1、 ZrO2的性质：含锆的矿石，在自然界中主要有两种：斜锆石（ZrO2）和锆英石（ZrO2SiO2）较纯的ZrO2粉呈黄色或灰色，高纯的ZrO2粉呈白色。2、 ZrO2的结晶形态和晶形

16、转化：在不同温度下，以三种同质异形体存在，即单斜晶系、四方晶系、立方晶系其转化如下单斜ZrO2 （1170） 四方ZrO2（2370）立方ZrO2（2715） 液相 3、 ZrO2陶瓷制造工艺：纯ZrO2制品往往在生产过程（从高温到室温的冷却过程）中会发生t- ZrO2 转变为m-Z rO2 的相变，并伴随着体积变化产生裂纹，甚至碎裂，因此无多大的工程价值。通过实践发现，当加入适当的稳定剂，如Y2O3、MgO、CaO、CeO等， 可使ZrO2变成无异常膨胀、收缩的稳定ZrO2。据报道， Y2O3含量为3mol%的组成能明显提高ZrO2陶瓷的强度。4、 ZrO2 的相变增韧：当材料受到外应力时，

17、基体对ZrO2 的压抑作用得到松弛，ZrO2 颗粒即发生四方相到单斜相的转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果，这就是ZrO2 的相变增韧。5、 ZrO2 增韧陶瓷研究发展趋势：（1）高温增韧（2）中低温时效性（3）抗热震性（4）协同增韧（5）纳米颗粒增韧第三节 碳化物陶瓷1、 非氧化物陶瓷：是包括金属的碳化物、氮化物、硫化物、硅化物和硼化物等陶瓷的总称。2、 非氧化物陶瓷在以下三方面不同于氧化物陶瓷：1）非氧化物在自然界很少存在，需要人工来合成原料。2）在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物，因此必须在保护性气体（如N2、Ar等）中进行；3）氧化物原子

18、间的化学键主要是离子键，而非氧化物一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷一般比氧化物难熔和难烧结。3、 典型碳化物陶瓷材料有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钒(VC)、碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)和碳化钼(Mo2C)4、 碳化物在非常高的温度下均会发生氧化，但许多碳化物的抗氧化能力都比W、Mo等高熔点金属好，这是因为在许多情况下碳化物氧化后所形成的氧化膜具有提高抗氧化性能的作用。5、 SiC陶瓷基本特性：硬度高，强度好, ，热导率高，抗氧化性好6、 SiC的合成方法主要有化合法、碳热还原法、气相沉积法、有机硅先驱体裂解法、自蔓延(SHS)法、

19、溶胶-凝胶法等。7、 碳化硅陶瓷制造工艺：（1）热压烧结（2）常压烧结（3）反应烧结（4）浸渍法(5)重结晶法8、 B4C的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼9、 在B4C中，硼与碳主要以共价键相结合(90%)，具有高熔点、高硬度、高模量、容重小(2.52gcm-3)、耐磨、耐酸碱腐蚀等特点第三节 氮化物陶瓷1、 氮化物陶瓷主要有氮化硅(Si3N4)、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、氮化钛（TiN）和赛隆陶瓷等2、 基本特性3、 a -Si3N4：低温型，是针状结晶体。 -Si3N4：高温型，是颗粒状结晶体。将高纯硅在1200-1300下氮化，可得到白色或灰白色的a -Si3N4，而在1

20、450左右氮化时，可得到-Si3N4。 -Si3N4在1400-1600下加热，会转变成-Si3N4。1900分解。Si3N4强度和韧性优于SiC，但抗氧化性和高温强度不及SiC。4、 BN有两种晶型：立方BN和六方BN，在高温高压下六方BN可转变为立方BN。5、 立方氮化硼(CBN)：其结构和性能与金刚石类似，其硬度仅次于金刚石（白石墨）6、 基本特性与用途：AlN为六方晶型，密度3.26g/cm3，常压下2450升华分解，莫氏硬度79。最大的特点是导热率高，可达200W/m.K以上，热膨胀系数小，强度高，电绝缘性能好，是理想的基片材料，用作高温结构件和换热器等。第四章 功能陶瓷第一节 磁性

21、陶瓷1、物质的磁化性能可以用磁化强度M与磁场强度H的比值来度量，称为磁化率，即 = M/H= C/T2、 若外加磁场H时，材料内部感生一个与外磁场方向相反的感生磁场，这样材料内部总的磁通密度小于外磁场的磁通密度。这种性质被称为抗磁性。3、 由于净磁矩的方向是沿外磁场方向的，所以磁化率0，材料内部总的感通密度大于外磁场的磁通密度，材料的这种性质被称为顺磁性4、 邻近原子由于互相作用，在加上外磁场H时，能使磁矩趋向于外磁场方向而整齐排列。这种现象称为铁磁性。5、 把磁矩反向平行且大小相等的情况称之为反铁磁性6、 在反铁磁体的磁矩排列中，若磁矩的大小不相同，没有完全相互抵消时，相减时磁矩不为零，会产

22、生自发磁化，这种物质称为亚铁磁体7、 铁磁或亚铁磁材料中含有许多已经自发磁化了的微区（或畴），也就是说，每个畴内部所有磁矩都按相同方向排列，这种畴被称为磁畴8、 铁磁性和亚铁磁性材料磁化时，在磁化反向所发生的伸长或缩短现象称为磁致伸缩。9、 磁性陶瓷(magnetic ceramics)分为含铁(ferrite)的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。按铁氧体的晶体结构分：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（MFe12O19）（M为铁族元素，R为稀土元素）。第二节 电解质陶瓷1、 分类：电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶瓷和电容器陶瓷。按性质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷和铁

23、电陶瓷。2、 一般特性： 电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，其一般特性是电绝缘性、极化和介电损耗第三节 压电陶瓷1、极化：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷移动，造成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩。 2、压电效应：在没有对称中心的晶体上施加一个机械力（压力、张力或切向力）时，则发生与应力成比例的介质极化，在晶体表面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的大小成正比，当机械力撤去后，电荷会消失，这种现象称为正压电效应。当在晶体上施加一个外电场引起极化时，晶体会发生形变，且形变大小与电场成正比，若撤除电场，则晶体又恢复原状，这一现象称为逆压电效应。正、逆效应统称为压电效应。3

24、、压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶瓷制品。4、压电陶瓷的性能参数：弹性常数、机械品质因素、压电性、压电常数与压电方程、机电耦合系数5、典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅第四节 敏感陶瓷1、分类：热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。这类材料大多是半导体陶瓷2、负温度系数NTC；正温度系数PTC3、气敏陶瓷（gas Sensitive Ceramics）可分为半导体式和固体电解质（solid electrolyte）式两大类。其中半导体气敏陶瓷又分为表面效应和体效应两种类型。按照使用材料的成分分，有SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2等系列。第五节 超导陶瓷1、超导体，是指

25、当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质2、超导体性能的测试超导体的性能很多，但表征超导材料的基本参量有：临界温度TC 、临界磁场HC 、临界电流IC和磁化强度M。第六节 生物陶瓷1、生物陶瓷应具备的性能 ：与生物组织有良好的相容性 、有适当的生物力学和生物学性能、具有良好的加工性和临床操作性 、具有耐消毒灭菌性能 2、生物陶瓷的优点 (1)由于生物陶瓷是在高温下烧结制成，具有良好的机械强度、硬度；在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒、耐磨，有一定润滑性能，不易产生疲劳现象。 (2)陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设

26、计组成，控制性能的变化。 (3)陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸，如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、领骨、颅骨等。 (4)后加工方便，现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车、铣、刨、钻等可切削性生物陶瓷。利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。 (5)易于着色，如陶瓷牙可与天然牙媲美，利于整容、美容。 3、 根据生物组织的作用机理，能植入体内的生物陶瓷大致可分为三类：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷、可控表面活性陶瓷。第七节 抗菌陶瓷1、 “抗菌材料”是指在材料中添加抗菌剂，

27、使制品具有内在抗菌性，可以在一定时间内将粘污在材料上的细菌杀死或抑制其繁殖。2、 离子型无机抗菌材料银、铜、锌等金属离子具有抗菌性，在金属离子中银离子的抗菌力最强，已商品化的无机抗菌剂多是银系抗菌剂。无机抗菌剂即是将这些金属离子支载于沸石等载体上而组成。载体除常用沸石外，还有蒙脱石、磷酸锆、磷酸钙、硅胶、玻璃、氧化钛等。银对各种致病细菌（如大肠菌、金黄色葡萄菌等）都有强烈的杀灭效果，而且所需浓度极低3、 光催化抗菌材料在光催化抗菌材料中以二氧化钛微粒子光催化剂系无机抗菌剂为多，它在日光灯、阳光的照射下能使氧分子变成活性氧，使水产生活性氧自由基而发挥杀菌、抗菌作用。4、 银离子的抗菌机理 银离子的抗菌机理还没有明确的结论，只是停留在假说阶段，目前有接触反应说和催化反应说。（1）接触反应说：微量的银离子进入菌体内部，破坏了微生物细胞的呼吸系统及传输系统，引起酶的破坏，从而达到抗菌作用。（2）催化反应说：在光的作用下，由于银离子的催化作用，将氧气或水中的溶解氧变成了活性氧，这种活性氧具有抗菌作用。