无机材料合成与制备复习纲要

材料合成与制备复习纲要我们不是抄答案，我们只做知识的搬运工。——无机复习提纲编辑协会宣言试卷构成：填空：15分选择：7*2=14分（共7题，一题2分）名词解释：5*3=15分（共5题，一题3分）问答题：8+12*4=56（第一题8分，其余四道题每题12分）注：划线知识点为李老师审阅后所加，疑为重点，望各位复习时多加注意第1章：经典合成方法1实验室常用的加热炉为：高温电阻炉2电炉分为：电阻炉，感应炉，电弧炉，电子束炉3电阻发热材料的最高工作温度：硅碳棒1400℃、硅化钼棒1700℃、钨丝1700℃真空、5氧化物发热体：在氧化气氛中，氧化物发热体是最为理想的加热材料。6影响固相反应的因素:(1)反应物化学组成与结构，反应物结构状态（2）反应物颗粒尺寸及分布影响。7化学转移反应：把所需要的沉积物质作为反应源物质，用适当的气体介质与之反应，形成一种气态化合物，这种气态化合物通过载气输运到与源区温度不同的沉积区，再发生逆反应，使反应源物质重新沉积出来，这样的反应过程称为化学转移反应。8化学转移反应条件源区温度为T2，沉积区温度为T1：如果反应是吸热反应，则mrH为正，当T2＞T1时，温度越高，平衡常数越大，即从左往右反应的平衡常数增大，反应容易进行，物质由热端向冷端转移，即源区温度应大于沉积区温度，物质由源区转移至沉积区。如果反应为放热反应，mrH为负，则应控制源区温度T2小于沉积区温度T1，这样才能实现物质由源区向沉积区得转移。如果mrH近似为0，则不能用改变温度的方法来进行化学转移。9低温合成中，低温的控制主要有两种方法：①恒温冷浴②低温恒温器10高压合成：就是利用外加的高压力，使物质产生多型相转变或发生不同物质间的化合，从而得到新相，新化合物或新材料。种类：①静态高温高压合成方法②动态高温高压合成方法第2章：软化学合成方法1软化学合成方法:通过化学反应克服固相反应过程中的反应势垒，在温和的反应条件下和缓慢的反应进程中，以可控制的步骤逐步地进行化学反应，实现制备新材料的方法。2软化学法分类：溶胶——凝胶法，前驱物法，水热/非水溶剂热合成法，沉淀法，支撑接枝工艺法，微乳液法，微波辐射法，超声波法，淬火法，自组装技术，电化学法等等。3绿色化学：主要特点是“原子经济性”，即在获取新物质的转换过程中充分利用原料中的每个原子，实现化学反应中废物的“零排放”。因此，既可充分利用资源又不污染环境。4软化学与绿色化学的关系：两者关系密切，但又有区别。软化学强调的是反应条件的温和与反应设备的简单，从而达到了节能、高效的目的。在某些情况下这也是经济的、洁净的，这是和绿色化学相一致的。而在有些情况下，它并没有解决经济、洁净的问题。绿色化学是全方位地要求达到高效、节能、经济、洁净。可以预见，软化学与绿色化学将会逐渐趋于统一。5溶胶——凝胶法的过程：用制备所需的各液体化学品（或将固体化学品溶于溶剂）为原料，在液相下将这些原料均匀混合，经过水解、缩合（缩聚）的化学反应，形成稳定的透明溶胶体系。溶胶经过陈化，胶粒间逐渐聚合，形成凝胶。凝胶再经过低温干燥，脱去其溶剂而成为具有多孔结构的干凝胶或气凝胶。最后，经过烧结，固化，制备出致密的氧化物材料。6溶胶是否能够向凝胶转变取决于胶粒间的相互作用是否能克服凝聚时的势垒。因此，增加胶粒的电荷量，利用位阻效应（粒子周围加上高分子链，防止相互结合）和溶剂化效应都可以使溶胶更稳定，凝胶更困难，反之则容易形成凝胶。7溶胶——凝胶法制备的5个阶段：前躯体—溶解—水解—缩聚—老化8溶胶——凝胶法的应用：块体材料，多孔材料，纤维材料，复合材料，粉体材料，薄膜及涂层材料。9低热固相反应机理：固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着发生化学作用，生成产物分子。此时生成的产物分子分散在母体反应物中，只能当做一种杂质或缺陷的分散存在，只有当产物分子聚集到一定的大小，才能出现产物的晶核，从而完成成核过程。随着晶核的长大，达到一定的大小后出现产物的独立晶相。可见，固相反应经历了扩散——反映——成核——生长的过程。10固相反应过程（规律）：①潜伏期②无化学平衡③拓扑化学控制原理④分步反应⑤嵌入反应11低温固相反应潜伏期与温度的关系：温度越高，扩散越快，产物成核越快，反映的潜伏期就越短，反之则潜伏期就越长。当低于成核温度Tn时，固相反应就不能发生。12固相法包括：固相反应法，自蔓延高温合成，机械化学合成法13水热与溶剂热合成：是指在一定温度（100——1000℃）和压强（1MPa——100MPa）条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。14水热与溶剂热合成与与固相反应合成研究的差别在于反应性不同。这种反应性主要反映在反应机理上，固相反应的机理主要是以界面扩散为特点，而水热溶剂热合成反应主要以液相反应为特点。显然，不同反应机理可能首先导致不同结构的生成，此外即使生成相同的结构也有可能由于最初的生成机理的差异而为合成材料引入不同的基因，如液相条件声场完美晶体等。第3章：特殊合成方法1自蔓延高温合成的定义：在高真空或者介质气氛下点燃原料引发化学反应，反应放出的热量使得邻近的温度骤升而引起新的化学反应，并以燃烧波得形式蔓延至整个反应物。当燃烧波向前推进的时候，反应物逐步反应而变成了产物。2自蔓延高温合成的优点：（1）节约能源，利用外部能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波持续下去；（2）反应迅速，其燃烧波蔓延速度最高可达25cm/s；（3）反应温度高，反应体系中的大部分杂质可以挥发掉，因此产物的纯度很高。（4）SHS还能制取具有超性能的材料。设备、工艺简单；不仅能生产粉末，如果同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品3SHS分为自蔓延和热爆两种工艺；4自蔓延高温合成反应类型：①固-固反应②固-液反应③液-液反应④气-固反应5SHS分类：SHS制粉技术、SHS烧结技术、SHS致密化技术（这三个是主要）。6自蔓延高温合成技术特点:（1）工艺、设备简单，需要的能量少；(2)节省时间，能源利用充分，产量高；（3）产品具有高纯度；（4）反应产物除了化合物及固溶体之外，还可以形成复杂相和亚稳相；（5）不仅能生产粉末，如同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品。（6）如要扩大生产规模，不会引起什么问题；（7）不仅可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物和亚稳相，还能够生产新产品，例如立方氮化钽。第4章：无机薄膜材料与制备技术薄膜的物理制备方法：1物理气相沉积（PVD）：是指利用某种物理过程，如物质的热蒸发或者在受到粒子轰击时物质表面原子溅射等现象，实现原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。具有的特点：（1）需要使用固态或者熔融态的物质作为薄膜沉积的源物资（2）源物质经过物理过程进入环境（3）需要相对较低的气体压力环境（4）在气相中及在衬底表面并不发生化学反应。种类：蒸镀，溅射沉积，离子镀和离子束沉积2真空蒸镀：在真空腔体之中，加热蒸发器中待形成薄膜的材料，使其原子或分子从表面气化逸出形成蒸汽流，入射到基片表面，凝固形成固态薄膜的方法。3分子束外延：分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度，在加热的基片上进行外延生产的一种薄膜制备技术。4溅射沉积法：物质受到适当的高能粒子轰击，表面的原子通过碰撞获得足够的能量而逃逸，将原子从表面发射出去的一种方式。5离子镀：在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术，其目的在于改善膜层的性能。薄膜的化学制备方法：1化学气相沉积（CVD）：在一个加热的基片或物体表面上，通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学反应，而形成不挥发的固态膜层或材料的过程。2影响沉积膜质量的因素：①沉积温度T沉积②反应气体的比例及浓度③基体对沉积膜层的影响3优势：①膜层厚度高，很致密，容易形成结晶定向好的材料②能在较低温度下制备难熔物质③可人为掺杂4缺点：T基体高，V沉积低，设备较电镀法较复杂，难于局部沉积，有一定毒性，应用不如蒸镀、溅射广泛。5溶液镀膜法：化学气相沉积包括热CVD、等离子体CVD及光CVD等；溶液镀膜法包括化学镀膜法、溶胶——凝胶法、阳极氧化技术、电镀技术、LB技术等。6等离子体：又叫电浆，是部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。7化学气相沉积装置的组成：①反应气体和载气的供给和计量装置；②必要的加热和冷却系统；③反应产物气体的排出装置。第5章：先进陶瓷和新型耐火材料的制备1沉淀法：在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂（OH-、C2O42-、CO32-等）后，于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的超细陶瓷粉体。2共沉淀法（定义or原理）：含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法叫做共沉淀法。3沉淀法分类及其特点：①直接沉淀法：直接沉淀反应具有非平衡特点，得到的纳米粒子粒径分布宽，容易团聚，粒子的分散性也较差。②均相沉淀法：沉淀是通过溶液中的化学反应使沉淀剂慢慢生成，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成的沉淀的局部不均匀性，导致沉淀不能再整个溶液中均匀出现的缺点。均匀沉淀反应具有非平衡或接近平衡的特点，得到的纳米粒子密实、粒径小、分布宽，团聚较少。③共沉淀法：可以分为单相共沉淀和混合物共沉淀。按照沉淀剂加入的顺序可以分为顺序共沉淀，反序共沉淀，并流共沉淀。顺序共沉淀常用于制复合纳米微粒，但因沉淀有先有后而使产物不均匀。反序共沉淀因为沉淀剂过量，金属离子浓度超过溶度积，产物中各组分分散均匀。并流共沉淀整个过程中各离子浓度相同，生成的粒子在组成、性质、大小、分布上差异较小。4凝胶注模成型：在低粘度高固相含量的料浆悬浮液中加入少量的有机单体，然后利用催化剂及引发剂，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网状结构，从而使液态浆料原位固化成型，然后再进行脱模、干燥、去除有机物、烧结，得到所需的陶瓷零件。5直接凝固注模成型原理：基于内部化学反应使分散颗粒的表面电荷降低，进而悬浮体变得不稳定的机制。利用生物酶催化有机物质分解反应或者有机物质慢速自分解反应等方法，使预先加到浆料中的少量物质发生化学反应，放出一些H3O+OH-或者高价金属离子，从而改变悬浮液PH值或改变浆料中的离子浓度，使双电层的电位接近于0，从而使高固相含量的陶瓷浆料注模前反应缓慢进行，浆料保持低粘度，注模后反应快速进行，浆料凝固，使流态的浆料成型为固态的坯体。6直接注模成型的特点：(1)可成型出高固相体积分数（55%～70%）且显微结构均匀的复杂形状的陶瓷制品，特别适用于大截面尺寸的试样；(2)不需加入粘结剂，不需要或只需少量的有机添加剂（0.1~1.0%），坯体不需脱脂，体密度均匀，相对密度高（55%~70%）；(3)化学反应可控制。即浆料浇注前不产生凝固，浇注后可控制反应进行，使浆料凝固。同时反应在常温下进行，并且产物对坯体性能或最终烧结性能无影响；(4)模具结构简单，模具材料选择范围广模：塑料、金属、橡胶、玻璃等均可应用，加工操作简单，成本低。7反应热压烧结：针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过程，因势利导，加以利用的一种热压烧结工艺。8反应热压烧结可分为相变热压烧结、分解热压烧结、分解合成热压烧结。9反应热压烧结的推动力：表面自由能、机械推动力和化学反应能。10微乳液：微乳液是由水、油（有机溶剂）、表面活性剂和助表面活性剂组成的透明或半透明的、低粘度、各相同性的热力学稳定体系。O/W是水包油W/O是油包水第6章晶体材料的制备1人工晶体：使用人工方法合成出的晶体。2压电晶体：当对某些晶体挤压或拉伸时，该晶体的两端就会产生不同的电荷，这种晶体就叫压电晶体。3闪烁晶体：在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能变为光能而发出荧光的晶体，称为闪烁晶体。4均匀成核：成核过程中，在亚稳相系统中空间各点出现稳定相的几率都是相同的。5非均匀成核：成核过程中，稳定相优先地出现在体系中的某些局部区域。6水溶液生长法维持过饱和度的方法：1）根