2010先进材料制备基础理论总复习.ppt

2019/12/3,1,先进材料制备基础理论,1.考试时写明班级、姓名、学号 2.开卷考试，时间：10.12.30号周四上午8：09：50；地点：教学馆104,2019/12/3,2,材料的地位、作用、和发展,材料(Materials) 是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。 材料的使用和制备水平反映人类社会文明的水平。 材料是人类文明的里程碑。,2019/12/3,3,材料的地位、作用、和发展,材料是人类能用以制作有用物件的物质。 人类发展的历史表明，材料是社会进步的物资基础与先导。它是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物资基础，同时又是人类社会发展的先导，它是人类进步的里程碑。很难想象，如果没有材料，人类社会的生活将会是一种什么样的状况。 自20世纪70年代，人们就把信息、能源和材料誉为人类文明的三大支柱，把材料的重要性提到了一个前所未有的高度。20世纪80年代，人们又把新材料技术、信息技术与生物技术一起列为高新技术革命的重要标志。,2019/12/3,4,材料的分类,材料的分类方法很多，通常是按组成、结构特点进行分类 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料(常称高分子材料) 复合材料 每一类又可分为若干大类,2019/12/3,5,材料的分类,按照材料的发展历史来分类将材料分为传统材料和新型材料（先进材料） 两者并无严格区别，它们是互相依存、互相促进、互相转化、互相替代的关系； 传统材料的特征为：需求量大、生产规模大，但环境污染严重； 新型材料是建立在新思路、新概念、新工艺、新检测技术的基础上，以材料的优异性能、高品质、 高稳定性参与竞争，属高新技术的一部分。 新型材料的特征是：投资强度较高、更新换代快、风险性大、知识和技术密集程度高，一旦成功，回报率也较高，且不以规模取胜。,2019/12/3,6,材料的要素,性质和现象赋予了材料的价值和应用性。 使用性能是材料在使用条件下应用性能的度量。 结构与成分包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式。 合成和加工实现了特定原子排列。,2019/12/3,7,材料的要素,2019/12/3,8,材料的要素,4个要素反映了材料科学与工程研究中的共性问题。正是在这4个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。 抓住了这4个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。而各种材料，是其特征所在，反映了该种材料与众不向的个性。 其中合成和加工、受加工影响的使用性能是两个关键要素,2019/12/3,9,材料科学的目的,高分子材料、金属材料和无机非金属材料，不论其形状大小如何，其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。 只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目的、有选择地制备和使用材料。 材料科学的主要目的就是从电子、离子、原子、分子的层次上阐明各种材料的组成、制备工艺、分子或原子结构与性能间的相互关系,2019/12/3,10,材料的组成,材料通常都是由原子或分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由一种或一种以上元素组成的。如众所周知的钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、塑料和木材等材料，各自均有固定的特性，组成这些材料的主要元素有：铁(Fe)、硅(Si)、钙(Ca)、铝(A1)、碳(C)、氧(O)、氮(N)、氢(H)等，是地球上广泛存在的元素。 按原子或分子的结合与结构分布状态的不同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体三大类。,2019/12/3,11,材料的组元,组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元(或称组分)。 组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。金属材料的组元多为纯元素(如普通碳钢的组元是Fe与C)，陶瓷材料的组元多为化合物(如Y2O3ZrO2陶瓷的组元是Y2O3 和ZrO2)。,2019/12/3,12,材料中的相,材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。 相与相之间有明显的界面，可以用机械的方法把它们分离开。在界面上，从宏观的角度来看，性质的改变是突变的。 若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。 若材料是由成分、结构都不同的几种晶粒构成的，则它们属于几种不同的相。,2019/12/3,13,晶体、晶界与晶粒,2019/12/3,14,材料的组织,材料组织分为微观组织(结构)与宏观组织。 微观组织也叫做微细组织、显微组织，是由原子的种类及其排列状态决定的。微观组织又分为晶体结构与非晶态(无定形)结构。 宏观组织是用肉眼可以观察到的粗大组织，有时是指用放大倍数为20100倍以下的放大镜可以观察到的组织，可以分为单一组织和复合组织，这些组织又可进一步细分。,2019/12/3,15,固溶体,两种以上的原子或分子溶合在一起时的状态统称为溶体。溶体一般是原子或分子的均匀混合物，不是化合物。 液态溶体称为溶液。而固态溶体是溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体。合金与陶瓷中不少是属于固溶体。 固溶体保持溶剂组元的晶格类型。,2019/12/3,16,固溶体,有两类固溶体 间隙固溶体在溶剂A的晶格间隙中有溶质B的原子填入所形成的固溶体。 置换固溶体溶剂A晶格中的原子被溶剂B的原子所取代而形成的固溶体。,2019/12/3,17,无机非金属材料的化学组成,无机非金属材料包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和 水泥等材料。 陶瓷是无机非金属材料的主体，现在在不少西方国家，陶瓷实际上已是各种无机非金属材料的通称。 陶瓷同金属材料和高分子材料一起成为现代工程材料的三大支柱。,2019/12/3,18,高分子材料的化学组成,与低分子化合物相比较，高分子化合物最突出的特点是相对分子质量非常高，通常是在104以上，且相对分子质量事实上是一个平均值，存在相对分子质量的分布；低分子化合物的相对分子质量一般小于500，且相对分子质量是均一的。 高分子化合物的另一个特点是其主链中不含离子键和金属键。,2019/12/3,19,高分子材料的化学组成,合成高分子化合物是由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯： 化学反应式可写成：nCH2=CHCl CH2-CHCl-n。 从中可以看出，聚氯乙烯是由许多氯乙烯小分子打开双键连接而成的由相同结构单元多次重复组成的大分子链。这种可以聚合成高分子化合物的低分子化合物称为单体。组成高分子化合物的相同结构单元称为重复单元，每个重复单元又称作大分子链的一个链节，一个高分子化合物中重复单元的数目n叫做链节数，在大多数场合下链节数可称为聚合度，记为DP。例如聚氯乙烯的单体是氯乙烯，链节是-CH2-CHCl-，聚合度为3002500，相对分子质量为2万16万。,2019/12/3,20,材料的结构,材料的结构是指材料的组成单元(原子或分子)之间相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排布，从宏观到微观可分成不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构及微观结构。 宏观组织结构是用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。显微组织结构或称亚微观结构是借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，其尺寸约为10-710-4m。比显微组织结构更细的一层结构即微观结构包括原子及分子的结构以及原子和分子的排列结构。 一般分子的尺寸很小，故把分子结构排列列为微观结构。但对高分子化合物，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围。,2019/12/3,21,晶体结构基础,晶体结构的基本特征 所谓晶体是指原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质，即从内部结构原子(原子团)或分子排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列，即存在长程的几何有序。,2019/12/3,22,晶体结构的基本特征,固体也可能只由一块结构均匀的大晶体构成，称为单晶。 单晶体是各向异性的均匀物体，具有一定的熔点，生长良好时呈现规则的外形。 晶体的宏观形貌可以是一维的、二维的或三维的。,2019/12/3,23,晶体结构的基本特征,多晶材料的晶粒大小相差极为悬殊。就其粒径而言可小至微米(如粘土的粒子)甚至纳米(超细TiO2粒于)，大到厘米(如黄铜的粒子)。 实际上，晶体中的原子总是在平衡位置附近进行热振动。 晶体中又包含着种种缺陷(如点缺陷、线缺陷和体缺陷等)，造成结构的不完整性。,2019/12/3,24,材料的制备方法概述 材料的制备方法主要涉及到原材料的选用与合成和制备工艺过程与方法两方面的内容，而两者是密切相关的。,1.选用什么样的原料或通过一定的方法合成所需的原材料是首先需要考虑的问题。 2. 选择的制备工艺过程和方法在一定程度上与所选用的原材料有关，反之一旦确定了工艺过程和方法，则应根据工艺方法的特点和要求来选择合适的原材料。 选用合适的设备，也是制备优良材料的关键之一。,2019/12/3,25,材料的制备方法概述,2019/12/3,26,先进材料制备技术与特点,先进材料(Advanced Materials)是新材料（New Materials）和具有高性能的传统材料的总称，既包括具有优良性能的新材料，又包括具有高性能的传统材料。,2019/12/3,27,4. 先进材料的主要分类： 1）先进金属材料 记忆金属、金属玻璃（非晶态，坚硬）、 超塑性金属（软如面条）、功能材料等 2）先进陶瓷材料 金属陶瓷、玻璃陶瓷、透光陶瓷等 3）先进高分子材料 塑料反渗透膜、功能高分子材料、高吸水树脂（5000倍） 4）先进信息材料 半导体材料、光导纤维、信息存储材料,2019/12/3,28,5）先进复合材料 金属基复合材料、树脂基复合材料、陶瓷基复合材料等 6） 生物医学材料 人造肾脏、人工关节、人造心脏等 7）纳米材料 纳米陶瓷材料、纳米磁性材料、纳米电子材料、纳米仿生材料 8）先进电池材料 镍氢电池材料、锂电池材料、燃料电池材料等。,2019/12/3,29,先进材料制备方法,先进金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等都是由化学和物理方法合成与加工制备的。 先进材料是通过合成与加工手段制备出来的，合成与加工过程就是建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行调整，获得具有高性能的材料。合成是利用化学和物理方法将原子和分子组合在一起，制造先进材料，其中化学方法是主要的。加工主要指成型加工，是用物理和化学方法在较大尺度上改变形状，冷加工以物理方法为主，热加工以化学方法为主。,2019/12/3,30,2019/12/3,31,1.改良西门子法提纯制备多晶硅材料 三个关键过程: （1）硅粉和氯化氢在流化床上进行反应以形成中间化合物三氯氢硅； （2）将三氯氢硅进行分馏以获得ppb级高纯的状态； （3）将超纯三氯氢硅用氢气通过化学气相沉积(CVD) 还原成所需的产品-半导体级多晶硅。 涉及反应： Si+ 3HCl SiHCl3 + H2 （ 1） SiHCl3 + H2 Si+ 3HCl （ 2） 2( SiHCl3) Si+ 2HCl+ SiCl4（ 3）,2019/12/3,32,2. 硅烷（甲硅烷）热分解法提纯制备多晶硅材料 硅烷的制备 硅烷的提纯 硅烷的热分解 3SiCl4+ Si+ 2H2 4SiHCl3（1） 2SiHCl3 SiH2Cl2+ SiCl4 （2） 3SiH2Cl2 SiH4 + 2SiHCl3（3） SiH4 Si+ 2H2 （ 4）,2019/12/3,33,3. 在利用硅烷热分解法生产多晶硅的过程中采用一种以四氟化硅为原料的无氯化工艺，包括哪几个步骤？ 无氯化工艺4个步骤： (l) 氢化 Na+Al+2H2=NaAlH4 (2) 四氟化硅生成 H2SiF6(氟硅酸)=SiF4+2HF (3) 硅烷生成 SiF4+NaAlH4=SiH4+NaAlF4 (副产物) (4) 多晶硅生成 SiH4=Si+2H2,2019/12/3,34,4. 区熔法提纯制备高纯材料的原理？ 描述：熔区在一个长试样上缓慢移动，使杂质在K01（液相中杂质小于固相中杂质）时集中于头部，以实现分离杂质的目的，最终在锭中部有高的纯度。,头,尾,2019/12/3,35,5. 列举几种提纯制备高纯多晶硅材料的方法？ 改良西门子法 硅烷热分解法 区域熔炼法 定向凝固法 碳（铝）热还原二氧化硅法 真空冶金法 熔融电解法,2019/12/3,36,陶瓷部分,1.烧结的定义及驱动力 烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。 烧结的驱动力是粉体的表面能降低和系统自由能降低。,2019/12/3,37,2.常见的烧结方法 1） 普通烧结：传统陶瓷在隧道窑中进行烧结，特种陶瓷大都在电窑中进行烧结。 2） 热压烧结：在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。 3） 热等静压烧结：将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容器中，在高温和均衡的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体。 4）真空烧结：将粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。真空烧结有利于粘结剂的脱除和坯体内气体的排除，有利于实现高致密化。,2019/12/3,38,3.几个概念： 陶瓷陶器、瓷器和炻器的总称。 矿物地壳中的化学元素，经过各种地质作用所形成的、并在一定条件下相对稳定的单质或化合物。 物理气相沉积法(PVD法)利用电弧、高频电场或等离子体等高温热源将原料加热至高温，使之气化或形成等离子体，然后通过骤冷，使之凝聚成各种形态材料的方法。,2019/12/3,39,材料中的相材料中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。 材料的组织材料内部的微观形貌称为材料的组织。 无机非金属材料陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料的总称。,2019/12/3,40,材料的性能用于表征材料在给定外界条件下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。 复合材料指由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。,2019/12/3,41,纳米材料制备技术部分,1. 纳米技术与纳米材料的基本概念 纳米技术是指在1-100nm尺度空内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。 纳米材料又称为超微颗粒材料，由尺寸在1100nm间的粒子组成。它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。,2019/12/3,42,纳米材料的特性,纳米材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料一样，都是由原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm。 纳米材料具有以下特性： (1) 表面效应 (2) 小尺寸效应 (3) 量子尺寸效应,2019/12/3,43,复合材料由于其优良的综合性能和性能的可设计性被广泛应用于航空航天及人们日常生产、生活的各个领域。纳米复合材料的发展已经成为纳米材料工程的重要组成部分。世界发达国家发展新材料的战略都把纳米复合材料的发展摆到重要的位置。 纳米复合材料被誉为“21世纪的新材料”。,纳米复合材料与单一相组成的纳米材料不同，它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级大小(1-100nm)复合而成的复合材料。,2019/12/3,44,二维三维纳米材料是指出尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的块体和薄膜材料，又称纳米固体。纳米固体中的纳米微粒有三种形式：长程有序的晶态、短程有序的非晶态和只有取向有序的准晶态。以纳米颗粒为单元沿着一维方向排列形成纳米丝，在二维空间排列形成纳米薄膜，在三维空间可以堆积成纳米块体，经人工的控制和加工，纳米微粒在一维、二维和三维空间有序排列，可以形成不同维数的阵列体系。,2019/12/3,45,2.纳米材料的常用制备方法,1）纳米粉末的制备方法 A 气相法 (1) 气体中蒸发法 (2) 化学气相反应法 (3) 化学气相凝聚法 (4) 溅射法等。 B 液相法 (1) 沉淀法 (2) 水解法 (3) 喷雾法 (4) 溶剂热法(高温高压) (5) 蒸发溶剂热解法 (6) 氧化还原法(常压) (7) 乳液法 (8) 辐射化学合成法 (9) 溶胶-凝胶法 C 固相法 (1) 热分解法 (2) 固相反应法 (3) 火花放电法 (4) 溶出法 (5) 球磨法,2019/12/3,46,3) 有机-无机纳米复合材料,一种有别于通常的聚合物无机填料体系、并不是无机相与有机相的简单加合，而是由无机和有机相在纳米至亚微米范围内结合形成，两相界面间存在着较强或较弱化键(范德华力、氢键)的材料。,2019/12/3,47,祝大家元旦快乐，笑口常开！,