材料化学PPT课件

这是一个关于材料化学PPT课件，主要介绍了化学合成与材料制备、晶体材料的制备、无定形材料的制备、晶体生长、高分子材料的制备、薄膜制备等内容。实验课小结实验方法，仪器装置；影响转化率的因素，方程验证； 实验结果的处理与分析；实验报告。 第四章材料制备化学 4.1 化学合成与材料制备概念各种材料 的制备过程、特点材料制备目的材料制备条件 一、概念 材料制备( 化学合成 + 材料加工 ) 化学合成：原材料 → 新材料(化学上不同) （化学反应） 材料加工：原材料 → 新材料(物理上不同) （工艺手段） 例块体→薄膜；非晶→晶态。二、各种材料 的制备过程、特点 1、 金属材料制备过程：金属、合金——由矿物冶炼制得。 （ 配料→一次冶炼→二次冶炼） 铝、铜——通过盐溶液电解制得。制备特点：制备过程须经过一个液相（熔融或溶液）。 2 、无机材料 制备过程： 传统无机材料：直接由矿物合成或稍加处理 现代无机材料：以化学试剂为原料进行粉料合成 （例陶瓷：原料 → 成型 → 烧结 → 陶瓷材料）制备特点：制备过程以固相为主，且需烧结。发展趋势：低温合成 — 室温或小于400C 溶胶凝胶合成 — 减少成本 过程控制（结构均匀、无裂纹） 3 、高分子材料制备过程：石油、天然气 → 小分子单体 → 高分子材料。 （裂解、蒸馏） （聚合反应）制备特点：制备过程均在液相、汽相中进行。发展趋势：高强度 — 碳纤维、刚玉 耐热 — 杂环高分子、炭化高分子 具有功能 — 在主链或侧链引入官能团三、材料制备目的 1 研究材料的特殊性能 例莫来石A3S2（水热法，晶体法）； 2 研究结构与性能间的关系 例TiO2的光催化性能（金红石型、锐钛矿型）； 3 研制新型材料 例TiO2/CdS, TiO2/ZnS纳米核-壳材料，欢迎点击下载材料化学PPT课件哦。

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实验课小结实验方法，仪器装置；影响转化率的因素，方程验证； 实验结果的处理与分析；实验报告。 第四章材料制备化学 4.1 化学合成与材料制备概念各种材料 的制备过程、特点材料制备目的材料制备条件 一、概念 材料制备( 化学合成 + 材料加工 ) 化学合成：原材料 → 新材料(化学上不同) （化学反应） 材料加工：原材料 → 新材料(物理上不同) （工艺手段） 例块体→薄膜；非晶→晶态。二、各种材料 的制备过程、特点 1、 金属材料制备过程：金属、合金——由矿物冶炼制得。 （ 配料→一次冶炼→二次冶炼） 铝、铜——通过盐溶液电解制得。制备特点：制备过程须经过一个液相（熔融或溶液）。 2 、无机材料 制备过程： 传统无机材料：直接由矿物合成或稍加处理 现代无机材料：以化学试剂为原料进行粉料合成 （例陶瓷：原料 → 成型 → 烧结 → 陶瓷材料）制备特点：制备过程以固相为主，且需烧结。发展趋势：低温合成 — 室温或小于400C 溶胶凝胶合成 — 减少成本 过程控制（结构均匀、无裂纹） 3 、高分子材料制备过程：石油、天然气 → 小分子单体 → 高分子材料。 （裂解、蒸馏） （聚合反应）制备特点：制备过程均在液相、汽相中进行。发展趋势：高强度 — 碳纤维、刚玉 耐热 — 杂环高分子、炭化高分子 具有功能 — 在主链或侧链引入官能团三、材料制备目的 1 研究材料的特殊性能 例莫来石A3S2（水热法，晶体法）； 2 研究结构与性能间的关系 例TiO2的光催化性能（金红石型、锐钛矿型）； 3 研制新型材料 例TiO2/CdS， TiO2/ZnS纳米核-壳材料； 4 研制特殊规格的材料 例 纳米材料（介孔颗粒，纳米丝，纳米棒等）。四、材料制备条件 1、 原料起始原料的选择：质量；成本溶剂种类：水系 — 醇、醛、酮、醚 氨系 — 液氨、胺类、溶剂提纯：无机溶剂 — 例水的蒸馏、离子交换 有机溶剂 — 除水（干燥）； 2、常用气源 钢瓶气源：H2 N2 O2 Cl2 NH3 CO CO2 气体发生器：H2S HCN 3、真空的获得 低真空 1.33×105 ~ 1.33×10-1 Pa （机械泵） 高真空 1.33×10-2 ~ 1.33×10-5 Pa （扩散泵 溅射离子泵） 4、高温的获得和控制高温炉：马弗炉，管式炉，坩埚炉等高温反应容器 ： 硬质玻璃（硼硅）— 耐温、耐腐蚀、α小、耐较大温差； 瓷器皿（坩埚、瓷舟）— 化学稳定性好、价廉易得，易裂； 石英器皿— 工作温度1000C 左右，不易破裂； 金属容器（镍坩埚、铁坩埚） 铂器皿（铂坩埚）— 耐高温、导热好、化学性质稳定； 刚玉器皿— 耐高温、硬度大、耐腐蚀； 石墨器皿— 耐高温、强度大、耐腐蚀、导电好、α小、易加 工； 但耐氧化性差。 聚四氟乙烯— 化学稳定、热稳定性好。使用温度250C 。 5、低温的获得和控制 低温冷浴： 自来水冷浴（室温~12C 流动自来水；12C ~0 C 加入碎冰块） 冰-盐体系（盐溶解要吸热，适用0~ -25 C ） 非水冷浴—干冰、低沸点液体（液N2、液NH3） 相变冷浴： （表2.18） 4.2 晶体材料的制备 （微、纳米晶）纳米尺寸： < 0.1 m (100 nm) 纳米晶：1-100nm的单晶（位错、晶界）， → XRD ；纳米粉：纳米晶的集合体 （团聚）； →TEM 一、制备样品应具备的特性 1、 配比准确：尽量符合化学计量关系； 2、 纯度高：杂质的低共溶作用； 3、 成分分布均匀：尤其是微量掺杂； 4 、粒度细，尺寸分布范围窄：结构均匀密度高； 5、减少团聚：软团聚，硬团聚。二、制备方法分类据制备过程发生的反应性质分为： 物理法(机械粉碎法): 极限尺寸，大→小； 化学法(液、气相法): 纳米粒子，小→大。据反应物的状态可分为： 固相法（陶瓷法）； 液相法（溶胶-凝胶法；沉淀法；水热法）； 气相法（气相冷凝；气相沉积）。三、制备方法介绍 1、 陶瓷法（固相反应法） 定义：固态原料通过高温条件下的界面扩散或反应， 形成新的多晶材料。 制备条件：高温炉 反应器的选择（导热好、化学性质稳定） 实例: 镁铝尖晶石（Mg Al2O4）的制备 镁铝尖晶石的制备实例结构变化： MgO + Al2O3 → Mg Al2O4 O-2密堆： （立方）（畸变六方） （立方） M 填隙： （八面体）（八面体） （四、八面体 ）热力学判断：可以反应动力学特征：反应速度慢（1500 C，加热数天） 原因：结构差异大→成核难； 产物层厚→扩散难。陶瓷法的缺点 1）细度有限（晶粒长大，大于100nm），难达到微观均匀； 2）反应须在界面上进行，扩散困难； 3）反应物和产物难分离； 4）反应器污染产物（高温下反应器被侵蚀）。 为了克服以上缺点，近二三十年来人们普遍采用液相法制备多晶材料。因为这种方法容易控制化学组成、成核速度、形状大小。 液相法 特点：化学组成可控 → 高纯、均相 成核速度可控 → 合成温度低 形状大小可控 → 纳米颗粒 分类：溶胶凝胶法；沉淀法；水热法等。 2、溶胶—凝胶（Sol-Gel）法（1）研究进展 30年代：金属纯盐水解、凝胶化制备氧化物薄膜； 1971年：金属纯盐的水解在650~700℃制备多组分玻璃； 1975年：B.E.Yoldas将凝胶干燥制得陶瓷块体材料； 80年代以来：应用广泛（材料用途，材料形态等）。 （2）名词解释 前驱体(precursor)：起始原料。例：金属醇盐、金属盐的水溶液。 溶胶：纳米级固体颗粒（ 1~5nm）在液体介质中形成的分散体系。 凝胶：溶胶失去部分介质液体的产物。 （半固态物质；固态粒子呈连续网络） （3）S-G法的基本原理 1）前驱体 + 溶剂 → 溶液； 2）水解（醇解）反应 → 溶胶； 3）溶胶干燥 → 凝胶。 ∴应称 S-S-G 法。 制备过程示意图 （4）S-G法的特点 1）纯度高、均匀性好。 2）烧成温度低。（部分产物烧前形成；凝胶比表面积大） 3）可获得不同形态的制品（粉末、薄膜、纤维）。 4）设备简单，操作方便。 5）成本高、制品易开裂。 （5）S-G法的应用块体材料：光学透镜，梯度折射率玻璃纤维材料：Al2O3-SiO2耐热长纤维涂层薄膜：功能材料超细粉末：液相、气孔抑制团聚复合材料：均匀掺杂 上节内容回顾: 4.2 晶体材料的制备制备样品应具备的特性： （化学计量，纯度，粒度，均匀性，团聚体）制备方法分类： （物理法，化学法；固相法，液相法，气相法）制备方法介绍： 1、陶瓷法（固相法） 实例：Mg Al2O4的合成 缺点：纯度低，粒度大，温度高 ↓ 液相法（高纯均相；合成温度低；纳米颗粒） 重点介绍→ 溶胶凝胶法；沉淀法；水热法 2、溶胶—凝胶（Sol-Gel）法 基本概念：前躯体(precursor) ； 溶胶（1-5 nm）； 凝胶（半固态，网络结构） S-G法的基本原理 1）前驱体 + 溶剂 → 溶液； 2）水解（醇解）反应 → 溶胶； 3）溶胶干燥 → 凝胶。 ∴应称 S-S-G 法。 制备过程示意图 S-G法的特点 1）纯度高、均匀性好。 2）烧成温度低。（部分产物烧前形成；凝胶比表面积大） 3）可获得不同形态的制品（粉末、薄膜、纤维）。 4）设备简单，操作方便。 5）成本高、制品易开裂。 S-G法的应用块体材料：光学透镜，梯度折射率玻璃纤维材料：Al2O3-SiO2耐热长纤维涂层薄膜：功能材料超细粉末：液相、气孔抑制团聚复合材料：均匀掺杂 TiO2纳米粉末的TEM图像 TiO2纳米薄膜的原子力显微图像 习题课 1、写出下列缺陷反应方程式，并写出相应固溶体子。 1）少量TiO2添加到Al2O3中形成正离子空位型固溶体 2） 少量Y2O3添加到ZrO2中形成负离子空位型固溶体 3） 高温结构材料Al2O3可以用MgO来促进烧结 2、石英SiO2共有哪几个系列？哪几种变体？并从中举出位移型转变的例子。 3、反应物的颗粒大小和反应温度是如何影响固相反应速度的？（可结合本章实验讨论） 3、沉淀-共沉淀法 1）定义：含阳离子的溶液中加入沉淀剂后，使离子沉淀的 方法。（以沉淀反应为基础） 2）分类： 单组分沉淀：溶液只含一种阳离子，得到单组分沉淀。 单相共沉淀：溶液含多种阳离子，沉淀为化合物 （固溶体）。 共沉淀：溶液中含多种阳离子，沉淀产物为混合物。 ZrOCl2+Y(NO3)+NH3.H2O → Zr(HO)4.Y(HO)3↓+ NH4Cl+NH4NO3 3）制备过程 可溶性盐混合溶液 → 加入沉淀剂 → 沉淀物 → 过滤、洗涤→热处理→粉料 常用沉淀剂：OH-、C2O42-、CO32- 4）优缺点 样品的晶型结构完整，原料便宜； 设备简单、适于批量生产； 粉末易团聚，制备较为困难。 4、水热合成法 1）基本原理 高温（100~1000℃）高压（10~100Mpa）下利用溶液中物质化学反应进行的合成。 水的作用：作为一种组分参与反应（即是溶剂又是矿化剂），还可作为压力的传递介质。 2)类型 热氧化：水溶液与金属（合金）直接氧化。 Mm + nH2O →MmOn + nH2 ↑ (M位Fe，Zr，Al，Cr等) 热还原：金属氧化物、氢氧化物用水调浆，适当T、P水热还原制 得超细金属微粉。水热合成：数种组分化合→单晶或多晶，例A3S2 水热分解：化合物分解→新的化合物。 例 ZrSiO4+NaOH →ZrO2+ Na2SiO3 水热沉淀：某些化合物通常条件下无法形成沉淀，但水热条下易 沉淀。例 KF+MnCl2→KMnF3 水热结晶：水热条件下可使非晶化合物晶化。 例含水锆氧化合物→ZrO2 3）反应装置及制备高压釜：外封式—容器从外边用螺钉上紧 自紧式—随着内部压力增加自动压紧。 制备程序： 配方→混料搅拌→装釜、封釜、加压→确定T、t →开釜取样→样品检测注意事项 装满度：反应混合物占密闭反应釜的体积百分数。 （60%以下） 在一定温度范围内工作。 严格控制压力。 4）水热合成的特点 优点：(1)反应速度快； (2)高纯、超细（几~几十纳米）、成分均匀； (3)水热条件下可获得特种结构、特种形态的 新材料。实例：氧化锆；氧化铝等实验：s-g法制备TiO2纳米粉体 原料：前驱体：钛酸四丁酯Ti(OEt)4 溶剂：乙醇C2H5OH 抑制剂：盐酸HCl 配比：Ti(OEt)4：CH3CH2OH：H2O：HCl=1：20：1：0.1 用量计算：实验讲义注意问题：1）原料的加入顺序 2）控制水解速度 3）热处理制度（干燥、煅烧） 4.3 无定形材料的制备 一、无定形材料 属于非晶态材料的范畴，例玻璃、干凝胶等。二、制备途径：P183 三、制备方法 1 熔体过冷法 金属→无定形：快冷106K/S（为什么？） 传统玻璃：可以稍慢106~103K/S ，石英玻璃则 0.1K/S （为什么？） 2 溶胶-凝胶法：可以得到玻璃或干凝胶。 3 气相沉积：化学（CVD）或物理（PVD） 原料气化→低温沉积→非晶态。例集成电路。 4.4 晶体生长生长方法简介按环境相： 气相生长：PVD→单晶， CVD→多晶材料 溶液生长：结晶（过饱和溶液→成核→长大）； 生长速度慢。 熔体生长：固化（籽晶提拉） 固相生长：应变退火→金属，烧结→氧化物晶体 4.5 高分子材料的制备制备过程： 单体（原料）制备 → 高分子合成 → 改性与加工聚合方法： 加成聚合——打开双键； 开环聚合——打开环； 缩合聚合——通过官能团反应形成高分子。 4.6 薄膜制备概念 “薄”：1 微米为膜厚的上限。 “膜”：一般指固体 基体：固体薄膜材料都是依附于基体的。 薄膜(涂层)：物理、化学方法→基体表面→ 覆盖层（一定厚度、一定功能）涉及到的问题薄膜或者涂层应该有“一定的厚度”。这个厚度是多少？薄膜或者涂层是“不同于基体材料”的一个覆盖层。这个覆盖层是一种什么材料？薄膜或者涂层是怎么形成的？薄膜或者涂层是如何附着在基体上的？薄膜或者涂层有“一定的功能”。是什么功能？ 薄膜与涂层区别薄膜的分类从材料种类角度 →有机膜、无机膜、金属膜等从材料结构角度 →单晶膜、多晶膜、非晶膜从材料性能角度 →硬质膜、导电薄膜、半导体薄膜、超导薄膜、介电薄膜、光学薄膜等薄膜的形成制备薄膜的其他方法化学镀：利用还原剂，在镀件的固液界面上 析出(沉积)得到镀层电化学沉积溶胶－凝胶法 8.4 薄膜的厚度厚 度：两个完全平整的平行表面之间的距离。理想情况下的薄膜厚度：基片表面和薄膜表面之间的距离。由于实际的薄膜表面一般是不平整、不连续的，因此实际薄膜的厚度与测试方法和测量的目的有关。 一、薄膜厚度测量中的几个基本概念基片表面 SS：薄膜在基片一侧的平均表面形状表面 ST ：薄膜不与基片接触的一侧的平均表面质量等价表面 SM：将所测量的薄膜表面的原子重新排列，使其密度和大块固体材料完全一样且均匀分布在基片表面上，这时的平均表面称为薄膜的质量等价表面物性等价表面 SP：根据所测薄膜的物理性质等效为一种长度和宽度与所测量的薄膜一样的大块体固体材料的薄膜，这时的平均表面称为薄膜的物性等价表面 二、形状膜厚的测量方法：光学法最简单的光学法： 试样沿垂直于薄膜表面的方向切断后，用环氧树脂镶嵌、磨平、抛光并用适当的化学腐蚀剂侵蚀。在显微镜或扫描电镜观察并测量。 将薄膜和基片斜向切断可以提高测量的精度； 光学法适用于金属基片上沉积金属膜的厚度的测量，精度一般可以达到 0.1 m。多光束干涉仪 (MBI) 法 形状膜厚的测量方法：机械法 三、质量膜厚的测量方法 微量天平测量法 石英晶体振荡法  射线反散射法 X 射线荧光测厚法微量天平测量法利用微量天平测量基片在镀膜前后重量的变化，在根据增加的重量计算出平均膜厚测量操作简便，精度也较高。如果天平的精度为 10－6 g，则在薄膜面积为1 cm2，比重为 10 的条件下，可以测出 1 nm 的膜厚对于容易吸湿的基片，测量误差较大。石英晶体振荡法 Quartz Crystal Oscillator，QCO 法可以作为薄膜沉积过程中膜厚的动态测量方法基本原理：石英晶体振荡片的固有振动频率随其质量的变化而变化。在石英振荡片上沉积了一层薄膜并且薄膜的质量比石英振荡片质量小得多时，薄膜的沉积作用和石英片厚度增加的作用一样，都将导致振荡片的固有频率发生变化，由此即可确定薄膜的厚度。 四、物性膜厚的测量方法物质的电阻、光吸收率等物理性质与物质的量有关，对薄膜来说就是与薄膜的厚度有关。因此通过测量物理性能，理论上就可以获得薄膜的厚度数据 通常在薄膜厚度测量中最广泛应用的物理性质时电学的和光学的性质。电学方法：电阻法 电学方法：电容法 8.5 基片材料基片的作用基片是制作薄膜时的机械支撑物，薄膜必须附着在基片上才能形核并长大。此外，根据制作薄膜用途的不同，基片本身可能还有其它的作用，例如： 在切削工具上沉积超硬膜时，基片本身就是切削工具在电介质薄膜沉积 Al 膜制造电容器时，电介质的基片本身起到了绝缘体的作用 金 属几乎常用的金属材料都可以作为基片材料使用，在金属上沉积薄膜的目的主要是提高金属表面的耐磨性、耐蚀性和起到装饰作用金属一般具有较好的导热性、导电性和机械性能，但是为了保证金属材料与薄膜之间的附着，应当尽可能选择性能上比较接近的薄膜和金属基体的组合玻 璃玻璃是薄膜技术中经常使用的基片材料。玻璃一般都透明、坚硬、具有良好的耐热和耐蚀性，非凡的电学性能和光学性能，可以通过适当地调整化学造成来满足不同的使用要求。此外，原料丰富，价格低廉常用的玻璃材料包括：硼硅酸盐耐热玻璃和熔融石英玻璃。这两种玻璃的化学稳定性好，对温度的变化不敏感。玻璃中往往含有碱金属离子，较高浓度的碱金属会引起薄膜的电学性能和其它性能的不稳定。陶 瓷陶瓷材料在机械强度、热稳定性和导热性等方面都优于玻璃，都是陶瓷的表面光滑度比玻璃差，一般都要经过抛光处理常用的陶瓷材料包括：氧化铝、镁橄榄石、氧化铍和氮化硼等塑 料介电性能好：适宜于作导电薄膜的绝缘层；相对密度低：可以降低薄膜系统的整体重量强度和韧性高：抗震抗冲击化学稳定性好：容易加工成型使用温度有一定限制N7Z红软基地