合成與制備考點

1、緒論（第一章）1.材料科學的概念材料科學是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學科，它運用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學科，是研究材料共性的一門學科。2.材料科學與工程的科學與工程的區(qū)別材料科學與工程的科學方面偏重于研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能及使用效能各組元本身及其相互間關(guān)系的規(guī)律。工程方面則著重于研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果以新的或更有效的方式開發(fā)及生產(chǎn)出材料，提高材料的使用效能，以

2、滿足社會的需要。工程研究中還應(yīng)包括材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備的設(shè)計與制造。在材料科學與工程發(fā)展中，科學與工程彼此密切結(jié)合，構(gòu)成一個學科整體。3材料按化學組分的分類按化學組成（或基本組成）分類：1） 金屬材料2） 無機非金屬材料3） 高分子材料（聚合物）4） 復(fù)合材料4復(fù)合材料的概念復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。5.復(fù)合材料的復(fù)合原則復(fù)合原則A. 優(yōu)勢（優(yōu)良特性）互補原則B. 求異相容原則C. 性能（用途）先定原則D. 制備可能性、成本可行性原則6.復(fù)合材料的三個特點復(fù)合材料應(yīng)具備以下三個特點： 1） 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微

3、觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面； 2） 復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能； 3） 復(fù)合材料具有可設(shè)計性。可以根據(jù)使用條件要求進行設(shè)計和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能7.組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系材料科學與工程的四個基本要素：合成與加工、組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能。（組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間關(guān)系示意圖）. 組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系：材料的性質(zhì)是指材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應(yīng)，主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。使用性能是材料在使用狀態(tài)下表現(xiàn)

4、的行為，它與材料設(shè)計、工程環(huán)境密切相關(guān)。使用性能包括可靠性、耐用性、壽命預(yù)測及延壽措施等。合成與制備過程包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制粉、壓力加工、焊接等，也包括新發(fā)展的真空濺射、氣相沉積等新工藝，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成為可能。8.材料合成與制備的概念以及它所包含的內(nèi)容材料合成與制備是通過一定的途徑，從氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的各種不同原材料中得到化學上及性能上不同于原材料的新材料。它包括兩方面的內(nèi)容：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技術(shù)，從而指定節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的合成路線及開發(fā)新型結(jié)構(gòu)和功能的材料。9.材料合成與制備的差別合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的

5、化學與物理過程合成的研究既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學問題，也包括以適用的數(shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問題；既包括新材料的合成，也應(yīng)包括已有材料的新合成方法(如溶膠凝膠法)及其新形態(tài)(如纖維、薄膜)的合成。制備也研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有用的材料，這一點是與合成相同的，但制備還包括在更為宏觀的尺度上或以更大的規(guī)?？刂撇牧系慕Y(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、處理、裝配和制造。簡而言之，合成與制備就是將原于、分子聚合起來并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程。第二章1.擴散的概念擴散：擴散現(xiàn)象是由于物質(zhì)中存在濃度梯度、化學位梯度、溫度梯度和其它梯度所引起的物質(zhì)輸運過程。2.擴散

6、系數(shù)的物理意義擴散系數(shù)的物理意義：固體中質(zhì)點的擴散系數(shù)決定于質(zhì)點的有效躍遷頻率和遷移自由行程2的乘積。3.固相反應(yīng)的狹義和廣義的定義狹義：固相反應(yīng)物之間發(fā)生化學反應(yīng)生成新的固相產(chǎn)物的過程。廣義：凡是有固相參與的化學反應(yīng)都可稱為固相反應(yīng)。類型可包括固-固，固-液，固-氣之間的反應(yīng)4.固相反應(yīng)的特點：A.多數(shù)固相反應(yīng)是發(fā)生在兩種或兩種以上組分界面上的非均相反應(yīng)；B.固相反應(yīng)一般包括相界面上的化學反應(yīng)和物質(zhì)遷移兩個過程。C.固相反應(yīng)通常在高溫下進行, 傳質(zhì)、傳熱過程對反應(yīng)速度影響很大。D固相反應(yīng)發(fā)生的溫度一般會低于反應(yīng)物的熔點，這一溫度是指反應(yīng)物內(nèi)部質(zhì)點呈明顯擴散時的溫度，常稱為泰曼溫度。5.燒結(jié)概

7、念（燒結(jié)的目的是把粉體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w。）宏觀定義:一種或多種固體（金屬、氧化物、氮化物、粘土）粉末經(jīng)過成型，在加熱到一定溫度后開始收縮，在低于熔點溫度下變成致密、堅硬的燒結(jié)體，這種過程稱為燒結(jié)。微觀定義:由于固態(tài)中分子（或原子）的相互吸引，通過加熱，使粉末體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)，經(jīng)過物質(zhì)遷移使粉末體產(chǎn)生強度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過程稱為燒結(jié)。6.燒結(jié)與固相反應(yīng)的區(qū)別燒結(jié)與固相反應(yīng)的區(qū)別主要在于燒結(jié)不一定依賴于化學反應(yīng)的作用，可以在不發(fā)生化學反應(yīng)的情況下形成堅固的燒結(jié)體；燒結(jié)與固相反應(yīng)均是在低于材料熔點或熔融溫度之下進行的，并且兩過程自始至終都至少有一相是固態(tài)。不同之處是固相反應(yīng)必須至少有兩個組元參加（如

8、A和B），并發(fā)生化學反應(yīng)，最后生成結(jié)構(gòu)與性能不同于A與B的化合物AB 。7.燒結(jié)推動力以及從而來解釋燒結(jié)的難易燒結(jié)推動力：粉體顆粒的表面能大于多晶燒結(jié)體的晶界能是燒結(jié)的推動力，從而在燒結(jié)后晶界能取代表面能，使多晶材料能夠穩(wěn)定存在。目前常用表面能SV和晶界能GB的比值來衡量燒結(jié)的難易程度。當SV>>GB時，燒結(jié)很容易進行；當SV<<GB時，燒結(jié)很難進行。8.固相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式固相燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式有蒸發(fā)-凝聚，擴散傳質(zhì)等過程。 蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)時在球形顆粒表面有正曲率半徑，而在兩個顆粒聯(lián)接處有一個小的負曲率半徑的頸部，根據(jù)開爾文公式可以得出，物質(zhì)將從飽和蒸氣壓高的凸形顆

9、粒表面蒸發(fā)，通過氣相傳遞而凝聚到飽和蒸氣壓低的凹形頸部，從而使頸部逐漸被填充生長。 擴散傳質(zhì)：在大多數(shù)固體材料中，由于高溫下蒸氣壓低，蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)不明顯，擴散傳質(zhì)成為大多數(shù)固體材料燒結(jié)傳質(zhì)的主要形式。原因是由于顆粒的不同部位存在空位濃度差，擴散首先從空位濃度最大的頸表面向空位濃度低的接觸點或顆粒內(nèi)部進行，頸部不斷擴大.9.晶粒生長與二次再結(jié)晶的區(qū)別：（二次再結(jié)晶的原因：原始粒度不均勻、燒結(jié)溫度偏高、燒結(jié)速率太快以及其它還有坯體成型壓力不均勻，局部有不均勻液相等。）晶粒生長與二次再結(jié)晶的區(qū)別：􀀦晶粒生長時晶粒尺寸均勻增大，服從D=Kt1/2。而二次再結(jié)晶是個別晶粒異常生長，不

10、服從上式。􀀦晶粒生長時界面處于平衡狀態(tài)，界面上無應(yīng)力。二次再結(jié)晶的大晶粒界面上有應(yīng)力存在。􀀦晶粒生長時氣孔都維持在晶界上或晶界的交匯處，二次再結(jié)晶時氣孔被包裹到晶粒內(nèi)部。第三章1.SiC和MoSi2電熱體所存在的環(huán)境和它們的一些區(qū)別碳化硅(SiC)電熱體是由SiC粉加黏結(jié)劑成形后燒結(jié)而成。質(zhì)量優(yōu)良的碳化硅電熱體在空氣中可使用到1600oC，一般使用到1450oC左右，它是一種比較理想的高溫電熱材料。碳化硅電熱體通常制成棒狀和管狀，故也叫硅碳棒和硅碳管。硅碳棒有不同規(guī)格，它可以靈活地布置在爐膛內(nèi)需要的位置上，它的兩個接線端露于爐外。使用硅碳棒的缺點是，爐內(nèi)溫度

11、場不夠均勻，并且各支硅碳棒電阻匹配困難。硅碳管是直接把SiC制成管狀發(fā)熱體，故溫度場比較均勻。目前國產(chǎn)硅碳管最大直徑為l00mm。硅碳管有無螺紋、單螺紋和雙螺紋之分。為了減少SiC電熱體接線電阻，在接線端噴鍍一層金屬鋁，電極卡頭用鎳或不銹鋼片制成。在安裝SiC電熱體時，切忌使發(fā)熱部位與其他物體相接觸，以免高溫下互相作用。SiC電熱體有良好的耐急冷急熱性能。在800oC左右，SiC電熱體電阻率出現(xiàn)最低點，說明SiC在低溫區(qū)呈半導(dǎo)體特性，而在高溫區(qū)呈金屬特性。高溫時爐溫控制不困難，因為隨爐溫升高而元件電阻增大，具有自動限流作用。室溫時元件電阻很大，需要較高的啟動電壓才行。但應(yīng)注意，啟動通電后由于爐

12、溫升高(800oC前元件電阻下降)，電流有自動增加的趨勢。SiC電熱體在使用過程中，電阻率緩慢增大的現(xiàn)象叫“老化”。這種老化現(xiàn)象在高溫時尤為嚴重。SiC的老化是電熱體氧化的結(jié)果，在空氣中使用溫度過高，或空氣中水汽含量很多時，都可使SiC老化加速。但在CO氣氛中，SiC發(fā)熱體能使用到1800oC。SiC發(fā)熱體不能在真空下與氫氣氛中使用。老化后的SiC發(fā)熱體仍可勉強使用，但應(yīng)提升工作電壓并注意安全。一般認為，SiC發(fā)熱體有效壽命結(jié)束在其常溫下電阻值為初始值兩倍的時候。和管狀，故也叫硅碳棒和硅碳管。 二硅化鉬(MoSi2)電熱體MoSi2在高溫下使用具有良好的抗氧化性，這是因為在高溫下，發(fā)熱體表面生

13、成MoO3而揮發(fā)，于是形成一層很致密的SiO2保護膜，阻止了MoSi2進一步氧化。MoSi2發(fā)熱體在空氣中可安全使用到1700oC，但在氮和惰性氣體中，最高使用溫度將要下降，它也不能在氫氣或真空中使用。MoSi2電熱體不宜在低溫(500-700oC)的空氣中使用，此時會產(chǎn)生“MoSi2疫”，即Mo被大量氧化而又不能形成SiO2保護膜。故一般認為，MoSi2不宜在低于1000oC下長時間使用。MoSi2在空氣中長時間使用，其電阻率保持不變，無所謂產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象，這是MoSi2所特有的優(yōu)點，為其他電熱體所不及。為了使SiO2保護膜不被破壞，應(yīng)防止電熱體與可能生成硅酸鹽的材料相接觸。當然，電熱體表

14、面溫度不宜過高，以免SiO2膜熔融下流。MoSi2電阻率較SiC小，所以供電需配用大電流變壓器。MoSi2電熱體長時間使用，其力學強度逐漸下降，以致最終破壞，但總的使用壽命比SiC長。MoSi2發(fā)熱體通常做成棒狀或U形兩種，大多在垂直狀態(tài)下使用。若水平使用，必須用耐火材料支持發(fā)熱體，但最高使用溫度不超過1500oC。MoSi2在常溫下很脆，安裝使用時應(yīng)特別小心，以免折斷，并要留有一定的伸縮余地2.獲得低溫的方法獲得低溫的方法通常獲得低溫的途徑有相變制冷、熱電制冷、等焓與等熵絕熱膨脹等。3.低溫控制的方法低溫控制有兩種，一是恒溫冷浴，二是低溫恒溫器。除了冰水浴外，干冰浴也是經(jīng)常使用的恒溫冷浴。低

15、溫恒溫器大體可以分成兩大類：第一類是所需溫度范圍可用浸泡試樣或使實驗裝置在低溫液體中的方法來實現(xiàn)。改變液體上方蒸氣的壓強即可以改變溫度，如減壓降溫恒溫器第二類是所需溫度包括液體正常沸點以上的溫度范圍，例如，4.277K，77300K等，一般稱作中間溫度。4.為什么要采用高壓合成及其原理是什么高壓作為一種特殊的研究手段，在物理、化學及材料合成方面具有特殊的重要性。這是因為高壓作為一種典型的極端物理條件能夠有效地改變物質(zhì)的原子間距和原子殼層狀態(tài)，因而作為一種原子間距調(diào)制、信息探針和其他特殊應(yīng)用的手段，幾乎滲透到絕大多數(shù)的前沿課題的研究中。利用高壓手段不僅可以幫助人們從更深的層次去了解常壓條件下的物

16、理現(xiàn)象和性質(zhì)，而且可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)條件下難以產(chǎn)生，而只在高壓環(huán)境才能出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新規(guī)律、新物質(zhì)、新性能、新材料。高壓合成，就是利用外加的高壓力，使物質(zhì)產(chǎn)生多型相變或發(fā)生不同物質(zhì)間的化合，而得到新相、新化合物或新材料。眾所周知，由于施加在物質(zhì)上的高壓卸掉以后，大多數(shù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為產(chǎn)生可逆的變化，失去高壓狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此，通常的高壓合成都采用高壓和高溫兩種條件交加的高壓高溫合成法，目的是尋求經(jīng)卸壓降溫以后的高壓高溫合成產(chǎn)物能夠在常壓常溫下保持其高壓高溫狀態(tài)的特殊結(jié)構(gòu)和性能的新材料。5.真空的獲得中抽真空的四個參量通常用四個參量來表征真空泵的工作特性：起始壓強，真空泵開始工作的壓強；臨界反壓強

17、，真空泵排氣口一邊所能達到的最大反壓強；極限壓強，又稱極限真空，指在真空系統(tǒng)不漏氣和不放氣的情況下，長時間抽真空后，給定真空泵所能達到的最小壓強；抽氣速率，在一定的壓強和溫度下，單位時間泵從容器中抽除氣體的體積。6.真空度測量的測量量具及其原理真空度測量用量具（前兩個）1. 麥氏真空規(guī)它既能測量低真空又能測量高真空。它的基礎(chǔ)是波義耳定律，即在同一溫度下，將與被測系統(tǒng)連通的一定容積的氣體壓縮到毛細管內(nèi)的小體積內(nèi)，測出壓力變化，即可求出原來的壓力。由于這種真空規(guī)操作較慢，不能連續(xù)讀數(shù)，且要用有毒的汞做工作液。因此人們不愿意直接用它。麥氏規(guī)通過旋塞和真空系統(tǒng)相連。玻璃球7上端接有內(nèi)徑均勻的封口毛細管

18、( 稱為測量毛細管)，自6處以上，球的容積(包括毛細管)經(jīng)準確測定為V，比較毛細管和測量毛細管平行，內(nèi)徑也相等，用以消除毛細作用影響，減少汞面讀數(shù)誤差。三通旋塞，可控制汞面的升降。理論上講，只要改變球的體積和毛細管的直徑，就可以制成具有不同壓強測量范圍的麥氏真空規(guī)。2. 熱偶真空規(guī)熱偶真空規(guī)是熱傳導(dǎo)真空規(guī)的一種，是測量低真空(10010-2Pa)的常用工具。它是利用低壓強下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強有關(guān)的特性來間接測量壓強的。熱偶真空規(guī)管由加熱絲和熱偶絲組成。熱電偶絲的熱電勢由加熱絲的溫度決定。熱偶規(guī)管和真空系統(tǒng)相連，如果維持加熱絲電流恒定，則熱偶絲的熱電勢將由其周圍的氣體壓強決定。這是因為當壓強降低

19、時，氣體的導(dǎo)熱率減少，而當壓強低于某一定值時，氣體導(dǎo)熱系數(shù)與壓強成正比。從而可以找出熱電勢和壓強的關(guān)系，直接讀出真空度值。3. 熱陰極電離真空規(guī)熱陰極電離真空規(guī)是測量10-110-5Pa壓強的另一種相對規(guī)，通常簡稱電離規(guī)4. 冷陰極磁控規(guī)在超高真空領(lǐng)域，冷陰極磁控規(guī)是測量小于10-9Pa的儀器。其原理是利用氣體在強磁場和高電場下在冷陰極放電的電離作用，使冷陰極電離規(guī)管具有極高的靈敏度，避免了一般熱電離式超高真空規(guī)管因軟X射線的影響而限制其對更高真空度的測量。7.超高真空系統(tǒng)和一般真空系統(tǒng)的差別，清潔度的描述超高真空系統(tǒng)和一般真空系統(tǒng)的明顯差別是清潔度，即對系統(tǒng)中能產(chǎn)生氣體的各種污染源的清除程度

20、。真空系統(tǒng)中的放氣源主要有：物質(zhì)的蒸發(fā)，特別是蒸氣壓高的污染物更易蒸發(fā)；器壁內(nèi)表面吸附的氣體，包括物理吸附和化學吸附的氣體；器壁材料內(nèi)部溶解的氣體，在真空下，溶解的氣體會向器壁內(nèi)表面擴散并釋放于真空系統(tǒng)內(nèi)；空氣中的氦可以滲透玻璃或石英器壁；氫氣可以透過鋼材，緩慢地進入真空系統(tǒng)中。8.物質(zhì)分離的概念、分離的方法、分離的本質(zhì)分離（separation）的概念利用混合物中各組分在物理或化學性質(zhì)上的差異，通過適當?shù)难b置或方法，使各組分分配至不同的空間區(qū)域或者在不同的時間依次分配至同一空間區(qū)域的過程。分離的方法按被分離的性質(zhì)分離物理分離法按被分離組分在物理性質(zhì)上的差異，采用適當?shù)奈锢硎侄芜M行分離?；瘜W分

21、離法按被分離組分在化學性質(zhì)上的差異，通過適當?shù)幕瘜W過程使其分離。物理化學分離法按被分離組分在物理化學性質(zhì)上的差異進行分離。分離過程的本質(zhì)􀂾 分離不能自發(fā)進行（熵減少過程）􀂾 分離在熱力學上受阻（對抗熱力學第二定律）􀂾 分離是逆著大自然的􀂾 熱力學是逆著物質(zhì)純化的分離有時是自發(fā)過程，混合有時也不能自發(fā)進行9.平衡分離過程、速度差分離過程、反應(yīng)分離過程平衡分離過程使原混合物系形成新的相界面，利用互不相溶的兩相界面上的平衡關(guān)系使均相混合物得以分離。速度差分離過程強化特殊梯度場。用于非均相混合物的分離。反應(yīng)分離過程促進化學反應(yīng)達到

22、分離。平衡分離過程該過程是借助分離媒介(如熱能、溶劑或吸附劑)使均相混合物系統(tǒng)變成兩相系統(tǒng)，再以混合物中各組分在處于相平衡的兩相中不等同的分配為依據(jù)而實現(xiàn)分離速率分離過程速率分離過程是在某種推動力(濃度差、壓力差、溫度差、電位差等)的作用下，有時在選擇性透過膜的配合下，利用各組分擴散速率的差異實現(xiàn)組分的分離。這類過程所處理的原料和產(chǎn)品通常屬于同一相態(tài)，僅有組成上的差別（參考資料）電熱體電熱體是電阻爐的發(fā)熱元件，合理選用電熱體是電阻爐設(shè)計的重要內(nèi)容。1) Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金電熱體是在10001300oC高溫范圍內(nèi)，在空氣中使用最多的發(fā)熱元件。這是因為，它們具有抗氧化、價格便宜、易加

23、工、電阻大和電阻溫度系數(shù)小等特點。Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金有較好的抗氧化性，在高溫下由于空氣的氧化能生成CrO或NiCrO4致密的氧化膜，能阻止空氣對合金的進一步氧化。為了不使保護膜破壞，此種發(fā)熱體不能在還原氣氛中使用，此外還應(yīng)盡量避免與碳、硫酸鹽、水玻璃、石棉以及有色金屬及其氧化物接觸。發(fā)熱體不應(yīng)急劇地升降溫，因它會使致密的氧化膜產(chǎn)生裂紋以致脫落，起不到應(yīng)有的保護作用。Ni-Cr合金經(jīng)高溫使用后,只要沒有過燒，仍然比較柔軟。Fe-Cr-Al合金絲經(jīng)高溫使用后，因晶粒長大而變脆。溫度越高、時間越長，脆化越嚴重。因此，高溫用過的Fe-Cr-A1絲，不要拉伸和彎折，修理時要仔細,需要彎折時

24、，可用噴燈加熱至暗紅色后再進行操作。(2)Pt和Pt-Rh電熱體鉑的化學性能與電性能都很穩(wěn)定，且易于加工，使用溫度高，故在某些特殊場合下被用作電熱體。鉑的熔點為1769oC，高于1500oC時軟化。鉑在低于熔點溫度的高溫下，與氧可形成中間的鉑氧化物相，使鉑絲細化損失。因此，一般建議在空氣中鉑的最高使用溫度為1500oC，長時間安全使用溫度低于1400oC，不能在PO20.1MPa下使用。(3) Mo、W、Ta電熱體為了獲得2000oC以上的高溫，常采用鎢絲或鎢棒為電熱元。實驗室中的鉬絲爐，是將鉬絲直接繞在剛玉(A12O3)爐管上的，因為，剛玉管高于1900oC會軟化，故鉬絲爐所能達到的最高溫度

25、受爐管限制。鉬絲爐一般要求有足夠緩慢的升降溫速度，這主要是為了保護剛玉爐管不被炸裂，因其抗急冷急熱性差。第四章1.共沉淀法的概念共沉淀法是指在含有多種陽離子的可溶性鹽溶液中，加入沉淀劑后，所有陽離子完全沉淀并將原有陰離子洗去，經(jīng)高溫分解或脫水得到氧化物的方法。2.水熱與溶劑熱合成法的概念及特點水熱（Hydrothermal）與溶劑熱合成法：水熱與溶劑熱合成是指在一定的溫度(1001000oC)和壓強下(1100MPa)條件下，利用溶液中的化學反應(yīng)所進行的合成。特點：􀂾反應(yīng)物反應(yīng)活性高；􀂾易生成中間態(tài)、介穩(wěn)態(tài)及特殊物相；􀂾能夠使低熔點化合物、

26、高蒸氣壓且不能在融體中生成的物質(zhì)、高溫分解相在水熱與溶劑熱低溫條件下晶化生成；􀂾水熱與溶劑熱的低溫、等壓、溶液條件，有利于生長極少缺陷、取向好、完美的晶體，且合成產(chǎn)物結(jié)晶度高以及易于控制產(chǎn)物晶體的粒度；􀂾由于易于調(diào)節(jié)水熱與溶劑熱條件下的環(huán)境氣氛，因而有利于低價態(tài)、中間價態(tài)與特殊價態(tài)化合物的生成，并能均勻地進行摻雜。3.溶膠-凝膠法及特點溶膠-凝膠法是一種應(yīng)用很廣泛的材料合成方法。如玻璃、無機材料粉體、陶瓷、涂料、纖維、薄膜等，特別在納米材料的制備方面，是最常采用的化學合成方法之一。溶膠-凝膠法的特點：􀂋 通過溶液相使反應(yīng)物混合，可以獲得所需

27、配比的均相多組分體系；􀂋 能在低溫下通過化學反應(yīng)實現(xiàn)化合物的合成；􀂋 由于反應(yīng)發(fā)生從分子或離子開始，因此制備得到的前驅(qū)體材料多為納米級，能有效降低材料的制備溫度；􀂋 形成的溶膠或凝膠就要一定的流動性，有利于通過噴涂、浸拉，旋涂、霧化等方法制備薄膜、纖維或沉積材料。􀂋 一般不需要過濾等工藝，反應(yīng)設(shè)備簡單；4.溶膠-凝膠法中的概念和膠體的基本性質(zhì)溶膠-凝膠法就是用含高化學活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

28、的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。􀂾 膠體（colloid）是一種分散相粒徑很小的分散體系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之間的相互作用主要是短程作用力。􀂾 溶膠（Sol）是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之間。􀂾 凝膠（Gel）是具有固體特征的膠體體系，被分散的物質(zhì)形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在1 3之間。膠體的定義和基本性質(zhì)：膠體屬于一種特有的高分散體系，分散相粒子大小介于10-9

29、10-7 m（即1100nm）之間，是一個多相的熱力學不穩(wěn)定、不可逆體系。基本性質(zhì)：光學性質(zhì)：丁達爾效應(yīng)動力學性質(zhì)：布朗運動電學性質(zhì)：電泳現(xiàn)象穩(wěn)定性：膠體帶電，膠體顆粒間相同電荷的相互排斥是膠體穩(wěn)定存在的基礎(chǔ)，一旦電荷被中和，穩(wěn)定性被破壞，出現(xiàn)絮凝。5膠團的結(jié)構(gòu)及寫法􀀢膠團結(jié)構(gòu)：膠體一般是在含有電解質(zhì)的溶液中形成，膠體粒子帶電荷是與它們的表面具有很大的吸附能力，并選擇性地吸附某些離子有關(guān)。 膠團的結(jié)構(gòu)的寫法（略）6. 自蔓延燃燒合成法的原理自蔓延燃燒合成法其基本原理是利用化學反應(yīng)放出的熱量使燃燒反應(yīng)自發(fā)的進行下去，以獲得具有指定成分和結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物。7.自蔓延離心鑄造陶瓷內(nèi)襯

30、復(fù)合鋼管技術(shù):鋁粉和氧化鐵粉混勻后裝入鋼管內(nèi)，然后通過離心機帶動鋼管旋轉(zhuǎn)，達到一定速度后，用火焰點燃鋼管內(nèi)的物料，使鋁和氧化鐵發(fā)生放熱反應(yīng)，得到鐵和氧化鋁。依靠反應(yīng)本身放出的熱量，這個化學反應(yīng)過程可以自我維持并迅速在鋼管內(nèi)蔓延，燃燒溫度可達2180oC，使反應(yīng)產(chǎn)物鐵和氧化鋁瞬時熔化，并在離心力的作用下分層分布。密度較小的氧化鋁分布在鋼管內(nèi)壁，形成陶瓷層，可以得到比鋼本身更良好的耐磨和耐蝕性能；而密度較大的鐵處于鋼管和氧化鋁陶瓷層之間，起到過渡層的作用。得到的復(fù)合鋼管可用于鋁液和高溫腐蝕性氣體的輸運。8.燃燒波峰淬熄法： 是利用銅楔塊快速冷卻, 將發(fā)生在燃燒波前沿的各種轉(zhuǎn)變“凝固”到室溫, 從而

31、保留下重要的信息進行分析。其制備工藝：首先把元素的混合粉末裝到坩堝里，壓制成一定形狀，然后利用放電或電阻絲通電使其一端快速加熱，當原材料的溫度達到燃點時，反應(yīng)開始。這一過程和一般燃燒過程類似，因此稱為點火。點火后，隨即在著火點處發(fā)生化學反應(yīng)并放出生成熱。這一生成熱又使著火點周圍的溫度升高，引起某些混合粉末燃燒后再放出生成熱。這是一個連鎖反應(yīng)過程，藉由這一過程使化學反應(yīng)在整個混合粉末中傳播，最終全部生成化合物。9.無機材料的仿生的概念、形成過程及合成過程中分子作用機理模型􀁘 定義：仿生(biomimetics)通常指模仿或利用生物體結(jié)構(gòu)、生化功能和生化過程的技術(shù)。把這種技術(shù)用到

32、材料設(shè)計，制造中以便獲得接近或超過生物材料優(yōu)異性能的新材料，或用天然生物合成的方法獲得所需材料。形成過程：合成過程中先形成有機物的自組裝體，使無機先驅(qū)物于自組裝聚集體和溶液的相界面發(fā)生化學反應(yīng)，在自組裝體的模板作用下，形成無機有機復(fù)合體，再將有機物模板去除后即可得到具有一定形狀的有組織的無機材料。仿生合成過程中分子作用的機理：機理模型：深入了解生物礦化和仿生合成過程中固體基底(擔載膜)、無機離子與有機大分子之間的作用機理對仿生合成能起到理論指導(dǎo)意義。目前提出的所有機理模型均認為有自組裝能力的表面活性劑的加入能夠調(diào)制無機結(jié)構(gòu)的形成；但無機前驅(qū)體、固體基底與表面活性劑之間如何作用卻達不成共識。第五

33、章1.納米材料的特性納米材料的特性：1. 表面效應(yīng)2. 小尺寸效應(yīng)：由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。3. 量子尺寸效應(yīng)：微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗墸展庾V閾值向短波方向移動，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。4. 量子隧道效應(yīng)：當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘，稱為量子隧道效應(yīng)。2.機械合金化的物理過程（下9題詳見）機械合金化(MA)法是一種高能球磨技術(shù)，在干的球形裝料機內(nèi)，高真空氬氣保護下，通過機械研磨中高速運動的硬質(zhì)鋼球間相互碰撞，粉末粒子反復(fù)進行熔結(jié)、斷裂、再熔結(jié)過程使晶粒不斷細化，達到納米尺寸。其特

34、點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。3.富勒烯的概念及性質(zhì)（即為什么屬于有機化合物）富勒烯：是一族只有碳元素組成的籠狀化合物。從組成看：富勒烯是碳的同素異性體，屬無機化合物，但富勒烯及其衍生物分子結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)又像芳香烴分子，因此也可以歸屬于有機化合物。4.C60的結(jié)構(gòu)及制備結(jié)構(gòu)：C60是由60個碳原子組成的高度對稱的足球狀分子，60個碳原子采用近似sp2 雜化軌道互相成鍵形成籠狀分子，60個碳原子在12個正五邊形和20個正六邊形組成的具有32個平面的多面體的頂點上，是一個高度對稱的分子。C60的制備(1) 石墨激光氣化法(2) 石墨電弧放電法反應(yīng)室內(nèi)充有氦氣，壓力約為13.3k

35、pa，石墨電極棒間產(chǎn)生電弧，處于足夠的高溫和He保護的環(huán)境下，產(chǎn)生含C60的黑色煙塵，緩慢冷卻即可得到富勒碳。(3) 苯火焰燃燒法1991年Howard燃燒經(jīng)過氬氣稀釋過的苯、氧混合物，得到了C60和C70。（4）高頻加熱蒸發(fā)石墨法1992年P(guān)eter和Jansen等利用高頻爐在2700oC、150kPa氦氣氛中加熱石墨，得到產(chǎn)率為812%的煙灰（含C60）5.富勒烯的分離與提純升華法：在真空或惰性氣體環(huán)境中，將煙灰加熱到400oC，C60升華出來，從而與其他物質(zhì)分離。高效液相色譜法：該方法可得到較純的富勒烯，但是由于儀器比較昂貴，分離量較小。重結(jié)晶法：先凈化煙灰，再用乙醚洗滌除去碳氫化合物，

36、最后進行精選（將煙灰溶于苯，除去不溶物質(zhì)，再緩慢加熱，干燥后即得到C60的結(jié)晶物質(zhì)）。柱色層法：a中性氧化鋁柱色層分離法。用正己烷/甲苯混合溶劑作淋洗劑，可得到一定量的C60，純度>99.95。該方法的主要缺點是C60在正己烷中的溶解度很小，致使淋洗過程冗長且效率低，成本高，不適用于C60的大量制備。b 以活性炭與硅膠混合物為固定相的加壓柱色層方法。1992年美國南加州大學的Walter A. Scrivens等提出，能快速、大量地提純C60；c 快速減壓抽濾柱色層法。1993年5月Lyle Isaacs等提出，但仍然是采用活性炭、硅膠混合物為固定相分離體系?；瘜W絡(luò)合分離提純法：該方法是

37、將富勒烯提取物溶于CS2中，加入A1Cl3，則C70及其他高級富勒烯優(yōu)先強烈而快速地與A1Cl3反應(yīng)生成配合物從CS2中沉析出來，從而達到分離的目的。6.光子晶體的概念光子晶體的概念：光子晶體是介電常數(shù)在空間呈周期性排列形成的人工結(jié)構(gòu)。光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)：光子晶體的周期排列使其具有能帶結(jié)構(gòu)，光子能帶之間將可能存在光子帶隙或光子禁帶。光子帶隙或禁帶是指一個頻率范圍的電磁波不能在這個光子晶體里傳播，即當入射光的頻率落在光子帶隙時，它被全反射，不能穿過光子晶體。而頻率位于能帶里的電磁波則能在光子晶體里幾乎無損地傳播。光子帶隙來源于：被周期性介電結(jié)構(gòu)強散射的光之間的干涉。􀁺 光子晶體

38、的空間結(jié)構(gòu)能否相干；􀁺 構(gòu)成光子晶體材料介電常數(shù)之比散射足夠強。即：帶隙的寬度和位置與光子晶體的介電常數(shù)比值周期排列的尺寸及排列規(guī)則都有關(guān)系。（利用光子晶體的帶隙特點，可以制造了出理想帶阻濾波器，獲得優(yōu)良的光波濾波性能。）7.配合物配合物：由可給出孤對電子或鍵電子的分子或離子作為配體與具有可接受它們的空的價軌道的中心原子或離子，按一定的組成和空間構(gòu)型相結(jié)合而成的化合物或離子。8.形狀記憶合金的概念及原理（可用機械合金化的物理過程來制備這種合金）形狀記憶合金就是利用一些材料的晶體結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變來開發(fā)其形狀記憶功能的。形狀記憶原理：絕大部分材料具有記憶原始形狀的特性應(yīng)歸因于材料中

39、發(fā)生熱彈性相變。當具有高對稱性的母相降溫轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯ΨQ性結(jié)構(gòu)新相(馬氏體)時，可以生成不同取向的新相。在每個馬氏體變體形成時都伴有形狀變化，產(chǎn)生應(yīng)變，為了使總應(yīng)變減為最小，馬氏體各個變態(tài)呈自協(xié)作，即二種或幾種馬氏體變體組成一定形態(tài)馬氏體片群，它們互相抵消了生成時產(chǎn)生的形狀變化。如果在低溫相變時，施加應(yīng)力，這時，相對于外應(yīng)力有利的變體將擇優(yōu)長大，而不利的變體縮小，這樣，通過變體重新取向造成了試樣形狀的改變。將形變試樣加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性，因此逆相變將回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復(fù)到原狀。9.機械合金化（也稱高能球磨技術(shù)） 機械合金化(Mechanical Alloyi

40、ng)也稱為高能球磨(High-energy Ball Milling)技術(shù)，是70年代初由美國國際鎳公司(INCO)開發(fā)的，最初是用于研制氧化物彌散強化的鎳基超合金。八十年代主要集中于高能球磨制備非晶態(tài)材料的研究。九十年代則將其作為室溫固態(tài)反應(yīng)過程進行多方面廣泛的研究。由于高能球磨過程中引入大量的應(yīng)變、缺陷及納米量級的微結(jié)構(gòu)，使得合金化過程的熱力學和動力學過程不同于普通的固態(tài)反應(yīng)過程，因此可用作制備常規(guī)條件下難以合成的許多新型合金。機械合金化技術(shù)簡介MA物理過程：高能球磨是一個高能量干式球磨過程。簡單地說，它是在高能量磨球的撞擊研磨作用下，使研磨的粉末之間發(fā)生反復(fù)的冷焊和斷裂，形成細化的復(fù)合

41、顆粒，發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成新材料的過程。原材料可以是元素粉末、元素與合金粉末和金屬間化合物、氧化物粉末等的混合物。磨球一般采用軸承鋼球。􀂾 球-粉末-球的碰撞引起塑性粉末的壓扁和加工硬化，當被壓扁的金屬粒子重疊時，原子級潔凈的表面緊密地接觸，發(fā)生冷焊，形成由各組分組成的多層的復(fù)合粉末粒子，同時發(fā)生加工硬化的組分及復(fù)合粒子的斷裂。冷焊與斷裂不斷重復(fù)，有效地“揉混”復(fù)合粉末的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其不斷細化并越來越均勻，形成均勻細化的復(fù)合顆粒。􀂾 由于復(fù)合顆粒內(nèi)有大量的缺陷和納米微結(jié)構(gòu)，進一步高能球磨時發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成新的合金材料。為了提供高能球磨所需要的能量，在碰撞之前，磨球

42、的速度至少應(yīng)達到每秒幾米的水平。高能球磨所用的Szegvari球磨機有一垂直的中心軸，裝在中心軸上以一定速度旋轉(zhuǎn)的攪動器驅(qū)動鋼球，賦予了鋼球能量。球磨機應(yīng)能保持密封，有時還需在保護氣氛（如Ar、N2）下進行高能球磨。10.儲氫合金的p-c-T曲線： 儲氫合金的壓力-組分-溫度等溫線（縱軸為氫壓p, 橫軸為固相中的氫與金屬原子的比率H/M）OA段：溫度不變時，從點O開始，隨著氫壓的增加，金屬吸氫量增加，直到A。OA段為吸氫過程第一步，金屬為含氫固溶體（相） 。點A對應(yīng)于氫在金屬中的極限固溶度。A點：達到A點后，相開始與氫反應(yīng)，生成氫化物相，即相。繼續(xù)加氫時，系統(tǒng)壓力保持不變，而氫在恒壓下被金屬吸

43、收。AB段：為兩相（）互溶區(qū)，達到B點時，相消失，全部變?yōu)橄鄽浠?。AB段呈平直狀，故稱為平臺區(qū)（坪區(qū)或平高線區(qū)），相應(yīng)的恒定平衡壓力稱為平臺壓（坪壓、分解壓或平衡壓）。B點以后：在全部組成相后，如再提高氫壓， 相中的氫含量僅有少量增加。第六章1.薄膜的生長模式島狀生長：這一生長模式表明，被沉積物質(zhì)的原子或分子更傾向于自己相互鍵合起來，而避免與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤性較差。層狀生長：當被沉積物質(zhì)與襯底之間浸潤性很好時，被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合。因此，薄膜從形核階段即采取二維擴展模式。因而只要在隨后的過程中，沉積物原子之間的鍵合傾向仍大于形成外表面的傾向，則薄膜

44、生長將一直保持這種層狀生長模式。中間生長模式：在層狀島狀中間生長模式中，在最開始一兩個原子層厚度的層狀生長之后，生長模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。2.薄膜的四種制備技術(shù)的特點薄膜的制備技術(shù)是在表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這些技術(shù)按其基本作用過程可分為以下四種類型:1、原子沉積：其特點是物料在原子、分子尺度的分散狀態(tài)下，在沉積基體表面上形成外加覆蓋層。2、顆粒沉積：其特點是物料以微米量級尺寸的宏觀顆粒（或液滴）狀態(tài)到達基體表面，并形成外加覆蓋層。3、整體覆蓋：其特點是物料以宏觀整體（液體或固體）狀態(tài)施加到基體表面上，并形成外加覆蓋層。4、表面改性：其特點是通過荷能束及其他各種物理、化學、機械作用，使基

45、體表面的組成、結(jié)構(gòu)及形貌發(fā)生變化，形成內(nèi)生覆蓋層。3.物理氣相沉積真空蒸鍍的蒸發(fā)源從理論上分析，蒸發(fā)源有兩種類型，即點源和微面源。（兩個公式的計算式來判斷均勻程度和膜的分布性）4. 點源和面源的比較以及提高膜厚均勻性的措施點源和面源的比較：A. 兩種源的相對膜厚分布的均勻性都不理想；B. 點源的膜厚分布稍均勻些；C. 在相同條件下，面源的中心膜厚為點源的4倍。提高膜厚均勻性的措施：A. 采用若干分離的小面積蒸發(fā)源，最佳的數(shù)量，合理的布局和蒸發(fā)速率；B. 基片設(shè)置a) 球面放置基片；b) 基片平面旋轉(zhuǎn)；c) 行星旋轉(zhuǎn)基片架。5.磁控濺射的概念和特點定義：濺射是離子轟擊物質(zhì)表面，并在碰撞過程中發(fā)生

46、動能與動量的轉(zhuǎn)移，從而將物質(zhì)表面原子激發(fā)出來的過程。磁控濺射的特點：(a) 二次電子以園滾線的形式在靶上循環(huán)運動，路程足夠長，電子使原子電離的機會增加。(b) 提高了電離效率，工作氣壓可降低到10-310-4Torr，減少了工作氣體與濺射原子的散射作用，提高了沉積速率。(c) 高密度等離子體被電磁場束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣，電離產(chǎn)生的正離子能有效地轟擊靶面；基片又免受等離子體地轟擊，制膜過程中溫升較小。第七章1.單晶材料的制備關(guān)鍵單晶材料的制備關(guān)鍵是避免多余晶核的形成，保證唯一晶核的長大，因此，要求材料純度高，以避免非均勻形核，過冷度低以防止形成其它晶核。2.晶粒長大方式晶粒長大的驅(qū)

47、動力是晶界能的下降,即長大前后的界面能差值。1）晶粒的正常長大定義：指晶體中有許多晶粒獲得長大條件，晶粒的長大是連續(xù)地，均勻地進行，晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸的增大也是連續(xù)的。晶粒長大的方式：（1）彎曲的晶界總是趨向于平直化，即向曲率中心移動以減少界面積，同時，大角度晶界的遷移率總是大于小角度晶界的遷移率。晶界遷移的驅(qū)動力與其曲率半徑R成反比，與界面能成正比。（2）晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動，力圖使三個夾角都等于120度。2) 晶粒的異常長大（二次再結(jié)晶）（1）定義：再結(jié)晶完成后的金屬繼續(xù)加熱至某一溫度以上，或更長時間的保溫，會有少數(shù)幾個晶粒優(yōu)先長大，成為特別粗大

48、的晶粒，而其周圍較細的晶粒則逐漸被吞食掉，整個金屬由少數(shù)比再結(jié)晶后晶粒要大幾十倍甚至幾百倍的特大晶粒組成。3.晶粒的異常長大（二次再結(jié)晶）的驅(qū)動力、產(chǎn)生條件和對性能的影響（1）驅(qū)動力：同正常晶粒長大一樣，是長大前后的界面能差（2）產(chǎn)生條件：正常晶粒長大過程被彌散的第二相質(zhì)點或雜質(zhì)、織構(gòu)等所強烈阻礙。（3）對性能的影響：得到粗大組織，降低材料的室溫機械性能，大多數(shù)情況下應(yīng)當避免。4.晶體生長理論晶核形成后，將進一步成長。下面介紹關(guān)于晶體生長的兩種主要的理論。1）層生長理論在晶核的光滑表面上生長一層原子面時，質(zhì)點在界面上進入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置(下圖中k)。質(zhì)點在此位置上與

49、晶核結(jié)合成鍵放出的能量最大。因為每一個來自環(huán)境相的新質(zhì)點在環(huán)境相與新相界面的晶格上就位時，最可能結(jié)合的位置是能量上最有利的位置，即結(jié)合成鍵時應(yīng)該是成鍵數(shù)目最多，釋放出能量最大的位置。質(zhì)點在生長中的晶體表面上所可能有的各種生長位置如下圖示：（晶體生長過程中表面狀態(tài)圖解）P：平坦面；S：臺階；k：曲折面；A：吸附分子；h：孔；k為曲折面，具有三面凹入角，是最有利的生長位置；其次是S階梯面，具有二面凹入角的位置；最不利的生長位置是A。由此可以得出如下的結(jié)論：晶體在理想情況下生長時，先長一條行列，然后長相鄰的行列。在長滿一層面網(wǎng)后，再開始長第二層面網(wǎng)。晶面(最外的面網(wǎng))是平行向外推移而生長的。2）螺旋

50、生長理論晶體的螺旋生長理論：晶體生長界面上螺旋位錯露頭點所出現(xiàn)的凹角及其延伸所形成的二面四角可作為晶體生長的臺階源，促進光滑界面上的生長，這樣便成功地解釋了晶體在很低的過飽和度下能夠生長的實際現(xiàn)象。這個理論在晶體生長過程中有重要作用。位錯的出現(xiàn)，在晶體的界面上提供了一個永不消失的臺階源。晶體將圍繞螺旋位錯露頭點旋轉(zhuǎn)生長。螺旋式的臺階并不隨著原子面網(wǎng)一層層生長而消失，從而使螺旋式生長持續(xù)下去。螺旋狀生長與層狀生長不同的是臺階并不直線式地等速前進掃過晶面，而是圍繞著螺旋位錯的軸線螺旋狀前進。隨著晶體的不斷長大最終表現(xiàn)在晶面上形成能提供生長條件信息的各種樣式的螺旋紋。5.垂直提拉法的工作原理垂直提拉

51、法是制備大尺寸單晶硅的主要方法，其工作原理為：先將材料放入坩堝熔化，將籽晶放在籽晶桿上，下降到與熔體接觸，然后使坩堝溫度緩慢下降，并向上旋轉(zhuǎn)提拉籽晶桿，這樣液體以籽晶為核心不斷長大，形成單晶體。為保證材料純度，避免非均勻形核，全部操作應(yīng)在真空或惰性氣體保護下進行。6.亞穩(wěn)相能否出現(xiàn)時存在的兩個問題在亞穩(wěn)相中新相能否出現(xiàn)，以及如何出現(xiàn)是第一個問題，即新相的成核問題。新相一旦成核，會自發(fā)地長大，但是如何長大，或者說新相與舊相的界面以怎樣的方式和速率向舊相中推移，這是第二個問題。7.亞穏態(tài)能夠存在的原因吉布斯自由能為一連續(xù)函數(shù)，在兩個極小值間必然存在一極大值。這就是亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)所必須克服的能量

52、位壘。亞穩(wěn)態(tài)間存在能量位壘，是亞穩(wěn)態(tài)能夠存在而不立即轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)的必要條件8. 提拉法制備單晶的原理及工藝過程提拉法是一種常見的晶體生長方法，可以在較短時間內(nèi)生長大而無位錯的晶體。晶體生長前，待生長的材料在坩堝中熔化，然后將籽晶浸到熔體中，緩慢向上提拉，同時旋轉(zhuǎn)籽晶，即可以逐漸生長單晶。其中，旋轉(zhuǎn)籽晶的目的是為了獲熱對稱性。為了生長高質(zhì)量的晶體，提拉和旋轉(zhuǎn)的速率要平穩(wěn)，熔體的溫度要精確控制。晶體的直徑取決于熔體的溫度和拉速，減小功率和降低拉速，晶體的直徑增加。資料：1提拉法工藝設(shè)備提拉法一般需要加熱、控溫產(chǎn)生溫度梯度的設(shè)備；盛放熔體設(shè)備；支撐旋轉(zhuǎn)和提拉設(shè)備；氣氛控制設(shè)備。（1）射頻加熱源要求熔

53、體或坩堝導(dǎo)電性良好，與射頻場耦合，常用頻率450kHz，功率510kW，甚至20kW。對于絕緣體可用高頻加熱，頻率為35MHz。（2）射頻加熱溫度控制將電偶置于坩堝附近與坩堝里面，利用熱電偶的熱電勢控制發(fā)生的功率?；蛘卟捎媚茉谏漕l線圈中保持恒定功率的電路，使恒定功率電路對線圈電壓的變化進行補償。（3）溫度梯度設(shè)計將銅管做成工作線圈，繞成一個間隔均勻的圓柱體，有時將特定形狀的線圈引人加熱器中，以產(chǎn)生溫度梯度，線圈中通入循環(huán)水。（4）提拉設(shè)計要求提供恒定的均勻上升運動和無振動的攪拌，提拉速度要與晶體生長速度匹配，生長速率一般為每小時幾厘米，攪拌速度通常為每分鐘幾轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)，對難結(jié)晶的材料要用較慢的

54、提拉速度。2晶體生長的一般原則提拉法的要求之一就是平衡提拉速度和加熱條件，從而實現(xiàn)正常生長，在籽晶附近沿坩堝向上的熱梯度和垂直于生長界面的熱梯度在確定晶體的形狀和完整性方面是有重要意義的。通常，垂直于生長界面的熱梯度主要控制因素有：加熱器結(jié)構(gòu)、熱量向環(huán)境的釋放、坩堝內(nèi)熔體的溫度、提拉速度和熔化潛熱。為了開生長，引入籽晶時要使熔體溫度略高于熔點，從而熔去少量籽晶以保證在清潔表面開始生長，即保證均勻的外延生長。對于蒸氣壓低的晶體，可以用He、Ar、H2、N2等保護氣氛。提拉時，還要設(shè)計適當?shù)睦鋮s速度，避免冷卻太快引起晶體應(yīng)變。（資料）晶體的層生長理論，用它可以解釋如下的一些生長現(xiàn)象。1) 晶體常生

55、長成為面平、棱直的多面體形態(tài)。2) 在晶體生長的過程中，環(huán)境可能有所變化，不同時刻生成的晶體在物性(如顏色)和成分等方面可能有細微的變化，因而在晶體的斷面上常?？梢钥吹綆顦?gòu)造。它表明晶面是平行向外推移生長的。3) 由于晶面是向外平行推移生長的，所以同種礦物不同晶體上對應(yīng)晶面間的夾角不變。4) 晶體由小長大，許多晶面向外平行移動的軌跡形成以晶體中心為頂點的錐狀體稱為生長錐或砂鐘狀構(gòu)造。晶體生長的實際情況要比簡單層生長理論復(fù)雜得多。往往一次沉淀在一個晶面上的物質(zhì)層的厚度可達幾萬或幾十萬個分子層。同時亦不一定是一層一層地順序堆積，而是一層尚未長完，又有一個新層開始生長。這樣繼續(xù)生長下去的結(jié)果，使晶

56、體表面不平坦，成為階梯狀稱為晶面階梯。科塞爾理論雖然有其正確的方面，但實際晶體生長過程并非完全按照二維層生長的機制進行的，因為當晶體的一層面網(wǎng)生長完成之后，再在其上開始生長第二層面網(wǎng)時有很大的困難，其原因是已長好的面網(wǎng)對溶液中質(zhì)點的引力較小，不易克服質(zhì)點的熱振動使質(zhì)點就位。因此，在過飽和度或過冷卻度較低的情況下，晶體的生長就需要用其它的生長機制加以解釋。第八章非晶態(tài)材料的制備1.非晶材料概念及兩個特征非晶材料就是具有短程有序、長程無序的原子排布特征并處于熱力學上的亞穩(wěn)態(tài)的固體。非晶態(tài)材料的最基本的兩個特點是：原子排布的長程無序、短程有序和熱力學上的亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)系統(tǒng)中晶體產(chǎn)生都是由小到大，這就給

57、熔體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w設(shè)置了障礙，這種障礙來自界面。若界面能為零，在亞穩(wěn)相中出現(xiàn)小晶體就沒有困難，實際上，亞穩(wěn)相中一旦出現(xiàn)了晶體，也就出現(xiàn)了相界面，因此引起系統(tǒng)中的界面能增加。也就是說，亞穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)間的能量位壘來自界面能。2.非晶態(tài)固體的形成理論非晶態(tài)固體的形成問題，實質(zhì)上是物質(zhì)在冷凝過程中如何不轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的問題，這又是一個動力學問題。要冷卻速率足夠快，就可以抑制晶體的成核與生長，在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg固化成為非晶體。3.非晶固體的形成條件（1）晶核形成的熱力學勢壘G*要大，液體中無雜質(zhì)。G*=163/3(Gv)2，Gv=Sv(T-Tm)=TrTHv越小， 越大，G*就越大，形成非晶就較容易。（2）結(jié)晶的動力學勢壘Ga要大，因為D0exp(-Ga/kt) 1/，粘度就而且隨著溫度下降，粘度很快增大，容易形成玻璃。（3）深共晶點：熔點越低的物質(zhì)越容易形成玻璃，因為Tm=H/S，Tm低說明不需要多大的能量就能造成較大的無序程度，有助于形成玻