材料合成与制备

第一早1单晶体主要特性及应用领域：单晶生长方法的分类？单晶体经常表现出电、磁、光、热等方面的优异性能（各向异性）广泛现代工业的诸多领域，如单晶硅，加工业所需的金刚石，精密仪表和钟表工业需要的 红宝石做轴承。生长方法：气相生长，溶液生长，熔体生长，固相生长。2什么是气液固（VLS）生长法？举例说明其实际应用。VLS法：从气相析出固相的过程中是通过溶液作为媒介的。生长金刚石晶须适用：难以从液相或熔体中生长的材料，IIVI族化合物和磷化硅。3溶液生长的方法分为哪几种？它们依据的基本原理是什么？何谓水热生长法？试阐述a -水晶生长的基本过程、关键设备，优缺点及应用溶液生长的方法：降温法蒸发法凝胶法水热生长法降温法基本原理:利用物质较大的正溶解度温度系数逐渐降低温度，析出的晶体不断在晶 体上生长蒸发法基本原理：将溶剂不断蒸发减少，从而使溶液保持过饱和状态，晶体便不断生长。 凝胶法原理:以凝胶作为扩散和支持介质，使一些在溶液中进行的化学反应通过凝胶扩 散缓慢进行，使溶解度较小的反应物在凝胶中逐渐形成晶体的方法。水热生长法：是一种在高温高压条件下的过饱和水溶液中进行结晶的方法。a -水晶（a -SiO2）生长的基本过程：SiO2 （液）1713C四方1478C正交870C六方 573C立方（a -SiO2）关键设备：特制的咼压釜优点：生长低温固相单晶：高粘度材料，高蒸汽压材料，晶体形状完美，热应力小，宏观 缺陷少等。缺点：需要特定的高压釜和保护措施，需适当大小优质籽晶。生长过程不能观察，生长速 率慢时间长4熔体的生长法有哪些？它们依据的原理，适用范围，优缺点及应用？熔体生长发：（1）正常凝固法：晶体提拉法坩埚移动法泡生法弧熔法（2）逐区熔化法：水平区熔法垂直曲熔法 基座法 焰熔法凝固法基本原理：将晶体物质加热到熔点以上熔化，然后再一点温度梯下进行冷却，用各种 方式缓慢移动固液界面，使熔体逐渐凝固成晶体。凝固法适用范围:现代电子和光电子技术应用中所需的单晶材料,如:硅（Si），申化镓（GaAs） 晶体提拉法的生长过程：原料在坩埚中加热融化：坩埚上有一根可旋转和升降并通水冷却的 提拉杆，杆的下端有一个夹头，其上装有一个籽晶，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，只要 熔体温度适中，籽晶既不融化也不长大，缓慢向上提拉和转动籽晶杆，同时缓慢降低加热功 率，籽晶逐渐长粗，小心调整加热功率就能得到所需直径的晶体。晶体提拉法优点：生长速率快，晶体纯度高，晶体完整性好等。晶体提拉法缺点：一般要用坩埚做熔器，导致熔体不同程度上的污染。当熔体中含有易挥发 物时，则存在控制组分的困难，适用范围有一定的限制。晶体提拉法适用：没有破坏性相变，又有较低的蒸汽压或离解压的同成分熔化的化合物或纯 元素是熔体生长的理想材料，可获得高质量的单晶体。坩埚移动法优点：1.可把原料密封在坩埚里，减少会发造成的泄露和污染，使晶体成分易控 制2.操作简单，可生长大尺寸的晶体，易实现程序化生长3.可同时多块生长，工作效率高 坩埚移动法缺点：1不适合生长冷却时体积增大的材料。2晶体生长过程中直接与坩埚接触， 在晶体中引入较大的内应力和较多杂质3若该法中采用籽晶法，既要保证籽晶在高温区不 完全熔融，又部分熔融以进行完全生长，不好控制4生长过程难于观察，生长周期也较长 坩埚移动法适用：生长碱金属和碱土金属的卤族化合物，如CaF2。坩埚移动发主要设备：特定结构的坩埚热；梯度单晶炉逐区熔化法基本原理：熔区被限制在一段狭窄范围内，熔区向多晶原料方向移动，生长是靠 晶体生长和多晶材料的消耗来实现的。水平区熔法的优点：减少坩埚对熔体的污染，降低了加热功率，且可反复进行，提高了晶体 纯度或使掺杂均匀。垂直区熔法的优点：不需要坩埚，可减少坩埚造成的污染。应用;常用于生产半导体材料： 如集成电路用的咼纯而完整的硅单晶。第二章：1. 非晶态材料的分类与特性：分类：1、非晶态合金2、非晶态半导体3、非晶态超导体4、非晶态高分子材料。特征：1、高强度、高韧性2、抗腐蚀性3、软磁性4、超导电性。2何为非晶态？微观结构特征是什么？答：非晶态定义：传统定义指不同方法获得的以结构无序为主要特征的固体物质状态。一 般认为：组成物质的原子分子的空间排列不是周期性平移对称性，晶态的长程有序受到破 坏，只有由于原子间的相互关联作用，使其在几个原子间的小区间内任然保持形貌和组分的 某些有序特征而具有短程有序，这类特殊物质状态统称为非晶态。微观结构特征：1、只有小区间内的短程有序2、衍射试样上没有表征结晶态的任何斑点和 条纹，电镜看不到晶粒、晶界、晶格缺陷等形成的衍射反差。3试述非晶固体的形成条件？答：1、晶核形成的热力学势垒 AG*要大，液体中不存在成核杂质。2、结晶的动力学 势垒要大，物质在Tm或液相温度处的粘度要大。3、在粘度与温度关系相似的条件下，Tm 会液相温度要低。4、原子要实现较大的重新分配，达到共晶点附近组成。4说明非晶态材料的制备原理方法与特点？制备原理：获得非晶最根本的条件是有足够快的冷却速度，要达到一等的冷却速度需要特定 的方法与技术。解决两个技术关键1必须形成原子或分子的混乱排列状态。2将非晶态这种热力学亚稳态在一定温度范围内保存下来基本原理：气相液相晶体一非晶体获得大块非晶体，设法降低熔体的临界冷却速度Rc方法：1粉末冶金法2气相直接凝聚法3液体急冷5何为粉末冶金法，气相直接凝聚法，液体急冷法？粉末冶金法：先用液相急冷法获得非晶粉末或用液相粉末法获得非晶带破碎成粉末，利用粉 末冶金法将粉末压制成粘结成型，再经烧结（一般V600C）气相直接凝聚法：由气相直接凝聚成非晶态固体，利用蒸发和溅射可达极高的冷却速度。 液体急冷法：将液态金属以108K/S的速度冷却，是液体金属中比较紊乱的原子排列保留 到固体，获得金属玻璃。6喷枪法，锤砧法，离心法，双辊法，单辊法，熔体沾出法，熔滴法的特点及问题喷枪法：特点：喷枪法喷枪冷速可高达106-108C/S问题：厚度不均匀且疏松多孔锤砧法：特点：厚度均匀且两面光滑，但冷却速度不如喷枪法高离心法：特点：最易形成金属玻璃、条带表面精度高。问题：条带取出比较困难。双轴法：特点：条带两面光滑；厚度均匀冷速105C/S。单辊法：特点：条带宽度可通过喷嘴的形状和尺寸控制。熔体沾出法：特点：不涉及喷嘴的孔型问题。问题：冷速不如上述方法高熔滴法特点：不需要坩埚避免坩埚污染、不存在喷嘴孔型问题、适合制备高熔点的合金条带。7、何为CVD法、真空蒸发法、溅射法？它们的主要区别是什么？CVD：除从原材料获得组成元素外，还在基片表面与其他组片发生汽化学反应，获得与原 成分不同的薄膜材料。真空蒸发法：蒸发时，在真空中将预先配制好的材料加热，使从上面蒸发出来的原子沉积在 衬底上。溅射法：是在0.13313.3Pa的Ar的气氛中在靶上施加高电场。产生辉光放电生成的高能 Ar离子轰击靶材的表面，使构成靶材料的原子逸出、沉积在置于电极上的衬底上，形成与 靶材成分相同的薄膜。区别：CVD技术通过气态的化学反应形成薄膜；蒸发法和溅射法则主要是物理过程第三章1、什么是复合材料？复合材料的分类？什么是比强度和比模量？答：复合材料定义：两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体 材料。复合材料分类：按性能分：普通复合材料、先进复合材料按用途分类：结构复合材料、功能复合材料按增强体形态：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、夹层增强复合材料、编制复合材料。 纤维增强复合材料：1、连续纤维增强复合材料(单向纤维，二维纤维，三维纤维)2、不连 续纤维增强复合材料(短纤维、晶须增强)按增强纤维种类：玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，金属纤维复合 材料，陶瓷纤维复合材料比强度：强度/密度MPa/ (g/cm3)比模量=模量/密度GPa/ (g/cm3)2、何为纤维与晶须？复合材料中常用的增强纤维和晶须有哪些？纤维：凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称纤维晶须：具有一定长径比的纤维状单晶体常用增强纤维：玻璃纤维碳纤维硼纤维氯化铝纤维碳化硅纤维芳纶纤维 常用晶须：金属晶须、陶瓷晶须3、树脂基复合材料主要的制备方法有哪些？手糊工艺和纤维缠绕法制备树脂基复合材料工艺过程；主要的优缺点？这类材料的性能特点及应用。树脂的制备方法：手糊成型、模压成型、纤维缠绕成型、注射成型、挤出成型等。守护工艺过程：先在模具上涂一层脱模型，将含有固化剂的树脂混合物涂刷在模具上，再在 其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子压辊或刮刀压挤织物，使 树脂胶液均匀浸入织物并排除气泡后,再涂刷树脂混合物铺贴第二层纤维 织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。优点：不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大，批量小，形状复杂产品的生产设备简单 投资少，设备折旧费低工艺简单易满足产品设计要求，可在产品不同部位任意增补增 强材料制品树脂含量较高，耐腐蚀性好缺点：1生产效率低，带动强度大，带动卫生条件差2产品质量不易控制，性能稳定性不高 3产品力学性能较低。纤维缠绕法制备工艺过程：将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到回转芯 模上，常压下在室温或较高温度下固化成型，经脱模成为增强塑料制品的工艺过程。优点：1.纤维按预定要求排列的规整度和精度高2通过改变纤维排布方式，数量，可以实现等强度设计。因此，能在较大程度上发挥 增强纤维抗张性能优异的特点。3用连续纤维缠绕技术所制成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生 产效率较高等。缺点：设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。性能：1.高比强度，比模量2抗疲劳性能好 3减震性能好4安全性能好5可整体成型，加工性能好6具有多种功能性应用：1航天和火箭上的应用，如卫星天线，支承结构等2交通和运输制车身。窗门游艇等4、金属基复合材料常用的制备方法，工艺过程，优缺点？与传统的金属材料相比，其性能 上有什么优点？常用的制备方法：1、固态法：先将金属粉末和增强相均匀混合，制得复合材料，经不同固化技术制成锭块， 再通过挤压、轧制。锻造等二次加工制成型材。优点：1.与液相法相比，制备温度低，界面反应可控2增强材料与基体金属粉末以任何比 例混合3利于增强相与金属基体的均匀混合4其组织致密，细化，均匀，内部缺陷明显改 善5利于净成型，二次加工性能好缺点：工艺过程比较复杂金属基体必须制成粉末，增加工艺复杂性和成本在制备铝基 复合材料时，还要防止铝粉引起的爆炸2、液态法工艺过程：（1）压铸成型法具体工艺：将含有增强材料的金属熔体倒入预热模具 中后，迅速加压，压力约为70-100MPa,使液态金属基复合材料在压力下凝固，待复合材料 完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的胚料或压铸件优点：与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且 稳定，易于工业化生产。（2）半固态搅溶铸造成型法工艺：在基体合金固液两相区温度范围内搅拌，制备含有一定 出生固相的半液态浆液，在不断搅拌情况下，向浆液中加入增加颗粒或其他增强物，使之在 基体合金浆中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后再加热升温到浇注温度，浇注成型或 将半固态复合材料注入模具中进行压铸成型。优点：基本没有缩孔或孔洞，组织细化和致密3、原位复合法：（1）金属直接氧化法工艺：高温熔融金属液暴露在空气中，使其表面首先 生成一层氧化膜,里层金属再通过氧化层向表层扩散，到达表面的金属液中少量金属被氧化， 进而逐渐蔓延开来一最终形成金属氧化物增强的金属复合材料。5、何为原位复合法？用该方法制备的金属基复合材料有什么特点？ 原位复合法：在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法为原位复合法 也称作原位自生成法。 以原位自生成法制造的金属基复合材料基体与增强材料间的相容性好，结合牢固，能有效 传递应力，界面上不发生的化学反应，有较优异的力学性能6、陶瓷基复合材料所用增强材料有哪几类？ 连续纤维增强复合材料（一维方向、二维方向、三维方向多层）不连续纤维增强复合材 料第四章1功能陶瓷的一般制备工艺：备料f胚料制备f干燥造粒f成型f烧结f加工f制品2陶瓷的成型方法有哪些？什么是等静压成型？优缺点是什么？成型方法：1压制成型（等静压，模压，热等静压）2注浆成型3可塑法成型4热压铸成型 等静压成型:利用液态或气体等介质能均匀向个方向传递压力的特性来实现对胚体进行均匀 施压成型的工艺。优点：克服单向压制配料压力分布不均的缺点。3什么是烧结？烧结方法有哪些？热压烧结和热等静压烧结有何特点？烧结：使成型的胚体在高温下发生一系列化学和物理反应，生成预期的显微结构，通过物质 传递变成致密化且具有一定强度和固定外形的过程。烧结方法：常压烧结，热压烧结，热等静压烧结，反应烧结，微波烧结，自蔓延合成烧结等 热压烧结优点：用无压烧结可烧结的材料，若用热压烧结，温度可降低100-150C。热等静压烧结优点：同HP相比，无HP压力不均匀，造成制晶密度不均匀问题。4SnO2系气敏陶瓷常用的添加剂有哪些？作用是什么？常用添加剂有 Sb2O3 V2O5，MgO,CdO,PbO,CaO,Pd,Pt,Mo,ThO2，SiO2作用：Sb2O3,V2O5降低起始阻值，使之半导化MgO,PbO,CaO，加速解析，延缓烧结，改善老化性能SiO2防止晶粒长大，使灵敏度稳定，延长使用寿命Pd,Pt,Mo,ThO2,提高其灵敏度，这类材料称之为催化剂5.氧化锌系气敏陶瓷的主要优点？制成的气敏元件结构上有何特点？ Fe2O3系气敏陶瓷最 大的优点及主要内容及主要应用？ZnO主要优点：1.选择性强2.结构可制成双层，将半导体元件与催化剂分离，即外层为催 化剂层，内层为半导体元件，可更换催化剂，获得不同的气体选择性检测。Fe2O3系优点：不用贵金属作催化剂，即可有较高的灵敏度，高温下热稳定性良好。应用：a Fe2O3做家庭用可燃气体报警器。6什么是正逆压电效应？以P2T为例阐述压电陶瓷的生产工艺流程？压电陶瓷的应用？正压电效应：指由应力诱导出的电极化逆压电效应：由电场诱导出应力的现象P2T为例：配料f球磨f过滤，干燥f预烧f二次球磨f过滤干燥f过筛f成型f排塑f烧 结一精修一上电极一烧镀一极化一测试压电陶瓷应用：作为压电元件广泛应用于传感器，气体点火器，报警器，音响设备，超声清 洗，医疗诊断及通讯等装置。7铁氧体的分类特征，制备工艺及应用？铁氧体按晶体结构分为：尖晶石型，石榴石型，磁铅石型按性质和用途分为：软磁铁氧体，硬磁铁氧体，旋磁铁氧体，矩磁铁氧体，压磁铁氧体，磁 泡铁氧体按其结晶状态分为：单晶铁氧体，多晶铁氧体按其外观分为：粉末，薄膜特征：铁氧体中的两个磁性粒子距离比较远，且中间夹杂着氧原子，形成铁磁性的电子自旋 间的起交换作用，使氧离子两旁的磁性离子原子磁矩成反方向排列，反方向排列的磁矩不相 等，有剩余磁矩表现出来铁氧体磁性。工艺：配料f混合f预烧f成型f烧结f热处理应用：电磁线圈磁心，天线磁心，变压器磁芯等。第五章1什么是结构陶瓷？结构陶瓷的分类？结构陶瓷：具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的高技术陶瓷分类：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷2与氧化物陶瓷相比，非氧化物陶瓷的知悲伤有何特点和所需条件？原料合成级烧结时避免与氧气接触，否则得到更稳定的氧化物，必须在保护性气体下进行， 一般采用氮气或稀有气体气氛，避免生成氧化物。3碳化硅粉料的制备方法有哪些？给出相应的反应式；什么是SHS法，其优点是？制备方法有：碳热还原法、气相沉积法、自蔓延高温合成法、热压烧结法、反应烧结法。 碳热还原法：SiO2 +3C -SiC +2CO气相沉积法：SiCl CH H2 SiC+HCl、CH SiClH2 SiC+HCl4+ x y33SHS是自蔓延高温合成法：依靠自身放出热量维持反应优点：节能、工艺简单、产品纯度高、合成温度高、加热速度快4氮化硅粉末的制备方法有哪些？给出相应的反应式 Si 的直接氧化法 3Si + 2N2 120o14ooc Si3N4优点：工艺简单、容易操纵做 SiO2 还原法：3SiO22+ 2N2 + 6C 1600 Si3N4+6CO 亚胺和胺化物热分解法3Si （NH） 2=Si3N3+2NH33Si （何2）4=Si3N4+ 8NH3 SiCl4或SiH4与NH3的化学气相沉积法SiCl4 +16NH3-Si3N4+12NH4ClSiH4+ 4NH2-Si2N4+12H2反应烧结 Si3N4； 3Si+2N2 i4o（rc SiN45制备氧化铝陶瓷的原料氧化铝粉为什么要预烧？影响预烧质量的主要因素？氧化铝陶瓷 制备的主要工艺？ 使Y -Al2O3转变为a -AI2O3，并排除原料中的Na2O等低熔点挥发物 原料煅烧配料球磨成形烧结6制备透明氧化铝的工艺特点及应用？特点：采用高纯、超细原料，掺入尽可能少的添加剂，严格控制工艺，将气孔和杂质充分排 除，适当控制晶粒尺寸，使制品接近理论密度。应用：人工骨骼和人造关节、高压钠灯灯管等。7ZrO2的晶体结构有几种？为什么纯ZrO2难以烧成致密陶瓷？采用何种方法得到致密的 ZrO2陶瓷体？ 有三种同素异形结构:m-ZrO2 t-ZrO2 c-ZrO2m相t相c相单斜结构四方结构立方结构 c-ZrO2t-ZrO2， c 轴拉长（a=b=c）t-ZrO2m-ZrO2相变为无扩散型相变，具有典型M相变特征并伴随约5%的体积膨胀，常 导致烧结件开裂，难以烧结得到块状致密陶瓷。 为消除体积变化的破坏作用，通常在ZrO2中加入适量立方晶型氧化物，其中的金属离子 与Zr4+相差不大，如MgO、Y2O3 CaO等，在高温烧结时它们将与ZrO2形成立方固溶体， 通过快冷保温至室温，消除单斜相与四方相的转变。