材料學(xué)科發(fā)展概況與制備材料新技術(shù)課件

新型無(wú)機(jī)材料李伯剛新型無(wú)機(jī)材料李伯剛1第一部分緒論●材料學(xué)科發(fā)展概況●制備材料的新技術(shù)第一部分緒論●材料學(xué)科發(fā)展概況2

教學(xué)目的及要求

對(duì)無(wú)機(jī)材料的發(fā)展概況和前沿領(lǐng)域（新型材料和制備材料的新技術(shù)）有基本和概況性的了解，以開闊專業(yè)視野，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力

教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)介紹新型無(wú)機(jī)材料發(fā)展概況、制備材料的新技術(shù)（溶膠－凝膠技術(shù)、等離子體技術(shù)*、化學(xué)氣相沉積與物理氣相沉積技術(shù)*、激光技術(shù)、微波燒結(jié)、自蔓延高溫合成等）、低維材料（納米粉體、晶須、光導(dǎo)纖維、碳纖維、金剛石與類金剛石薄膜*等）、新型功能材料（非晶態(tài)材料、梯度功能材料、納米材料*、高溫超導(dǎo)材料*等）和先進(jìn)復(fù)合材料【注】下劃線為重點(diǎn)，打*號(hào)的為難點(diǎn)教學(xué)目的及要求3

成績(jī)?cè)u(píng)定

采用考勤、作業(yè)和期末考試相結(jié)合的評(píng)定方式。其中：

考勤占10％（隨機(jī)點(diǎn)名10次，每缺席一次扣1分，累計(jì)3次取消參加期末考試資格）作業(yè)占30％（計(jì)算和文獻(xiàn)查閱。手寫，謝絕打印。若發(fā)現(xiàn)抄襲，雙方均酌情扣分）期末考試占60％

成績(jī)?cè)u(píng)定4

新型無(wú)機(jī)材料作為一類新材料，應(yīng)從對(duì)新材料的整體認(rèn)識(shí)中去界定和把握，而新材料的產(chǎn)生是與材料學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)的，故應(yīng)首先對(duì)材料學(xué)科的發(fā)展概況有基本的了解，在材料學(xué)科發(fā)展的大背景中去認(rèn)識(shí)新材料的特性和發(fā)展趨勢(shì)第一章材料學(xué)科發(fā)展概況新型無(wú)機(jī)材料作為一類新材料5材料的重要性和歷史地位材料的分類材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)材料科學(xué)與工程新材料新型無(wú)機(jī)材料材料的重要性和歷史地位61.1材料的重要性和歷史地位歷史地位：人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志現(xiàn)實(shí)重要性：現(xiàn)代文明的一大支柱1.1材料的重要性和歷史地位現(xiàn)實(shí)重要性：現(xiàn)代文明的一大7

1.1.1

材料是人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志石器時(shí)代制陶業(yè)青銅器時(shí)代（公元前5000年）鐵器時(shí)代（公元前1200年）近代工業(yè)革命（18世紀(jì)末,鋼鐵產(chǎn)量成為國(guó)力重要標(biāo)志，我國(guó)開展全民大煉鋼鐵運(yùn)動(dòng)）新技術(shù)革命（20世紀(jì)中葉，硅半導(dǎo)體、功能陶瓷等無(wú)機(jī)材料重新成為材料主體新石器時(shí)代）

1.1.1材料是人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志石器時(shí)代制81.1.2材料是現(xiàn)代文明一大的支柱材料、信息、能源被譽(yù)為現(xiàn)代文明的三大支柱新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)是新技術(shù)革命的主要標(biāo)志1.1.2材料是現(xiàn)代文明一大的支柱91.2材料的分類按組成分類

金屬材料（純金屬，合金）無(wú)機(jī)非金屬材料（水泥玻璃陶瓷人工晶體碳素材料等）有機(jī)高分子材料復(fù)合材料按性質(zhì)分類

結(jié)構(gòu)材料（主要應(yīng)用材料的力學(xué)性能－－用于制做承重材料和構(gòu)件）

功能材料（主要應(yīng)用材料的物理性能－－用于制做功能部件）

按用途分類

建筑材料航空航天材料電子材料生物材料能源材料等1.2材料的分類按組成分類101.3材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)人們已習(xí)慣于將材料分為金屬材料、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)高分子材料，各類材料有特定的組成結(jié)構(gòu)、不同的性能和應(yīng)用范圍，與之相應(yīng)，材料專業(yè)也按此劃分，自成體系。然而近些年來(lái)材料領(lǐng)域出現(xiàn)的、日漸明顯的多樣化基礎(chǔ)上的“一體化”趨勢(shì)和信息爆炸，正日益強(qiáng)烈地沖擊著傳統(tǒng)的體系和觀念，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面1.3材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)長(zhǎng)期以來(lái)人們已11（1）各類材料間的界線趨于模糊已出現(xiàn)非晶態(tài)的“金屬玻璃”一定條件下金屬可以獲得“超塑性”在通常為絕緣體的氧化物中發(fā)現(xiàn)了“高溫超導(dǎo)體”高分子材料中也有導(dǎo)體、半導(dǎo)體甚至鐵磁體通常是脆硬的陶瓷和水泥領(lǐng)域也已開發(fā)出“增韌陶瓷”和“韌性無(wú)缺陷水泥”大量出現(xiàn)的各種復(fù)合材料、梯度材料和原子尺度的層狀“超結(jié)構(gòu)材料”更難以歸屬某一傳統(tǒng)材料類別（1）各類材料間的界線趨于模糊已出現(xiàn)非晶態(tài)的“金屬玻璃”12（2）應(yīng)用上各類材料間的相互替代與復(fù)合工程塑料成為新的建筑結(jié)構(gòu)材料高分子復(fù)合材料已用作車身和機(jī)身材料已出現(xiàn)水泥船、玻璃鋼船和全塑船在某一應(yīng)用領(lǐng)域固守某些傳統(tǒng)材料已非明智與相互替代的情形相比，各類材料間的復(fù)合化趨勢(shì)更是勢(shì)不可擋，綜合性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料層出不窮,不斷演繹著材料版的“這邊風(fēng)景獨(dú)好”（2）應(yīng)用上各類材料間的相互替代與復(fù)合工程塑料成為新的建筑13（3）各類材料間理論和分析檢測(cè)手段的互通研究金屬范性變形時(shí)提出的位錯(cuò)理論已成功用于指導(dǎo)半導(dǎo)體的缺陷工程，大大提升了半導(dǎo)體的性能針對(duì)玻璃的脆性體斷裂理論（認(rèn)為微裂紋前端的應(yīng)力集中致使玻璃的實(shí)際強(qiáng)度大大低于理論強(qiáng)度）在金屬材料中的應(yīng)用使金屬的斷裂預(yù)測(cè)和韌性提高獲得突破性進(jìn)展；后來(lái)又應(yīng)用于陶瓷材料，發(fā)展出使陶瓷韌化的相變?cè)鲰g、纖維增韌和微粉增韌等有效手段，出現(xiàn)了增韌陶瓷采用和借鑒其他材料的原理、方法和手段已成為改進(jìn)材料性能的重要途徑（3）各類材料間理論和分析檢測(cè)手段的互通研究金屬范性變形14

從現(xiàn)有的趨勢(shì)看，在各類不同材料研究中發(fā)展起來(lái)的理論和方法，正通過(guò)相互借鑒、溝通和啟發(fā)逐漸匯聚成統(tǒng)一的整體，一個(gè)適用于各類材料的統(tǒng)一理論體系正在構(gòu)建和形成不過(guò)，要建立起成熟完整的新的材料理論體系，還有很長(zhǎng)一段路要走從現(xiàn)有的趨勢(shì)看，在各類不同材料研究中發(fā)151.4材料科學(xué)與工程（大材料）

為順應(yīng)材料發(fā)展的一體化趨勢(shì)，推動(dòng)各類材料在研究方法、基礎(chǔ)理論、制備、檢測(cè)方面的相互借鑒，促進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展，以及有利于培養(yǎng)具有更廣闊專業(yè)視野和應(yīng)變能力的新材料開發(fā)人才,“材料科學(xué)與工程”在美國(guó)學(xué)者的倡導(dǎo)下，于20世紀(jì)70年代應(yīng)運(yùn)而生，并很快為各國(guó)學(xué)者廣泛接受，設(shè)立材料科學(xué)與工程系寬口徑培養(yǎng)材料人才已成為各國(guó)高校的普遍選擇1.4材料科學(xué)與工程（大材料）為順16材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)為交叉學(xué)科是合成制備—組成結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—使用效能四位一體、相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)開發(fā)與應(yīng)用的學(xué)科體系面向材料開發(fā)與有效運(yùn)用，有很強(qiáng)的應(yīng)用背景材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)為交叉學(xué)科171.5新材料新材料是指新近研制成功或正在研制中的，具有較傳統(tǒng)材料更優(yōu)異的性能或特殊功能，對(duì)高技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展具有推動(dòng)作用的一類材料。所以人們總是將新材料與高技術(shù)相提并論1.5新材料新材料是指18新材料的特點(diǎn)知識(shí)密集—往往運(yùn)用了當(dāng)代科技的最新成就，或是多學(xué)科交叉研究的產(chǎn)物技術(shù)密集—其制備往往利用了一些極端條件和尖端工藝工程控制技術(shù)資金密集—設(shè)備投資大、開發(fā)難度和風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)保密性強(qiáng)、更新?lián)Q代快附加值高—其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原料成本，使用價(jià)值亦非傳統(tǒng)材料所能比肩新材料的特點(diǎn)知識(shí)密集—往往運(yùn)用了當(dāng)代科技的最新成就，19新材料開發(fā)的主要?jiǎng)酉?0年代美國(guó)“國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告”中材料領(lǐng)域列出五大關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目：材料合成與加工、電子與光電子材料、陶瓷、復(fù)合材料、高性能金屬與合金資料統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前最受關(guān)注的六大材料為：光電子信息材料、先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)陶瓷材料、新型金屬材料、高性能塑料、超導(dǎo)材料

新材料開發(fā)的主要?jiǎng)酉?0年代美國(guó)“國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告”中材料領(lǐng)201.6新型無(wú)機(jī)材料

新型無(wú)機(jī)材料與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料（玻璃、陶瓷、水泥等）在原料、工藝、組成結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性能上均有所不同，因而有著完全不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域1.6新型無(wú)機(jī)材料新型無(wú)機(jī)材料與傳21新型無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn)原料純化：用純化原料，并對(duì)原料狀態(tài)進(jìn)行控制工藝精細(xì)化：采用更有力的工藝控制與過(guò)程干預(yù)組成形態(tài)多樣化：出現(xiàn)單晶、薄膜、纖維、超微粉、復(fù)合等新形態(tài)，組成也遍及各種不同元素間的化合物高性能與多功能化：性能更好，大多具有獨(dú)特的性質(zhì)和特殊功能新型無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn)原料純化：用純化原料，并對(duì)原料狀態(tài)進(jìn)22新型無(wú)機(jī)材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域信息：傳感、傳輸、存儲(chǔ)和處理材料航空航天：燒蝕、復(fù)合增強(qiáng)材料，吸波涂層等能源：光電轉(zhuǎn)換材料、電池電極、超導(dǎo)磁體等生物醫(yī)學(xué)：人工骨科、齒科和韌帶材料、生物相容性涂層等新型無(wú)機(jī)材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域信息：傳感、傳輸、存儲(chǔ)和處理材料23第二章制備材料的新技術(shù)

新材料總是與新技術(shù)的運(yùn)用聯(lián)系在一起的，一如區(qū)熔提純單晶生長(zhǎng)技術(shù)之與硅鍺半導(dǎo)體、高溫高壓技術(shù)之與合成金剛石、急冷技術(shù)之與非晶態(tài)材料、熱等靜壓技術(shù)之與高性能陶瓷、氣相沉積技術(shù)之與集成電路和光導(dǎo)纖維¨¨¨第二章制備材料的新技術(shù)新材料總是與24當(dāng)今制備材料新技術(shù)的主要特點(diǎn)利用超高溫、超高壓、超高真空、微重力、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射、急速冷卻等極端條件對(duì)材料制備的工藝過(guò)程和組織結(jié)構(gòu)實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)控當(dāng)今制備材料新技術(shù)的主要特點(diǎn)利用超高溫、超高壓、超高真空、微25

溶膠－凝聚技術(shù)等離子體技術(shù)激光技術(shù)溶膠－凝聚技術(shù)262.1溶膠－凝膠(Sol-Gel)技術(shù)

即金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物(前驅(qū)物)經(jīng)溶液溶膠凝膠干燥固化，在溶膠或凝膠狀態(tài)下成型(纖維、薄膜、塊體)，再經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)化為氧化物或其它化合物固體材料的方法，是應(yīng)用膠體化學(xué)原理制備無(wú)機(jī)材料的濕化學(xué)方法，已成為受到普遍重視的無(wú)機(jī)材料制備新技術(shù)

2.1溶膠－凝膠(Sol-Gel)技術(shù)即金屬272.1.1Sol-Gel工藝方法傳統(tǒng)膠體法水解聚合法絡(luò)合物法2.1.1Sol-Gel工藝方法傳統(tǒng)膠體法28方法特點(diǎn)前驅(qū)物凝膠的化學(xué)特征適用傳統(tǒng)膠體法通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或加入電解質(zhì)中和顆粒表面電荷，再經(jīng)溶劑蒸發(fā)促使顆粒形成凝膠無(wú)機(jī)化合物1凝膠中固相成分含量高2凝膠由稠密顆粒間的分子間力建立3凝膠強(qiáng)度低，通常不透明粉體薄膜水解聚合法通過(guò)前驅(qū)物的水解和聚合形成溶膠和凝膠金屬醇鹽1凝膠由前驅(qū)體水解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)聚合物建立2凝膠與溶膠體積相當(dāng)3凝膠化進(jìn)程控制時(shí)間4凝膠是透明的薄膜塊體纖維粉體絡(luò)合物法由絡(luò)合反應(yīng)形成具有較大或復(fù)雜配體的絡(luò)合物金屬醇鹽硝酸鹽乙酸鹽1凝膠由絡(luò)合物通過(guò)氫鍵建立2凝膠在水中能液化3凝膠是透明的薄膜粉體纖維方法特點(diǎn)前驅(qū)物凝膠的化學(xué)特征適用傳統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或加入電解292.1.2水解聚合法的工藝原理水解聚合工藝流程2.1.2水解聚合法的工藝原理水解聚合工藝流程30（1）均相溶液的制備為確保醇鹽水解在分子水平上進(jìn)行，須先制備醇鹽與水的均相溶液，再加水水解因醇鹽水溶性差，需加入既與醇鹽互溶、又與水互溶的醇類，其加入量須保證避開三元不混溶區(qū)（1）均相溶液的制備為確保醇鹽水解31（2）溶膠的形成原理水解反應(yīng)：

酸性：(RO)3SiOR+H3O+

親電取代(RO)3SiOH+HOR+H+

堿性：(RO)3SiOR+OH-

親核取代(RO)3SiOH+OR-

縮聚反應(yīng)：失水縮聚：SiOH+HOSiSiOSi+H2O失醇縮聚：SiOH+ROSiSiOSi+ROH酸性條件下，親電取代的活性隨醇鹽分子中－OR的減少而下降,很難水解至Si(OH)4，而縮聚反應(yīng)在充分水解前即開始,故水解縮聚產(chǎn)物的交聯(lián)度低;而堿性條件下則容易獲得高交聯(lián)度（2）溶膠的形成原理水解反應(yīng)：酸性條件下，親電取代的活性隨醇32

（3）凝膠化過(guò)程

縮聚反應(yīng)形成的聚合物小顆粒逐漸聚集長(zhǎng)大形成小粒子簇，后者進(jìn)而相互連接成橫跨整個(gè)體系的三維粒子簇連續(xù)固相網(wǎng)絡(luò)，液相則包裹在固相骨架中，失去流動(dòng)性，由粘彈性的Newton體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂杏|變性的Bingham體（3）凝膠化過(guò)程33

（4）凝膠的干燥濕凝膠裹挾著大量的水和溶劑，干燥過(guò)程往往伴隨著很大的體積收縮，易引起開裂引起凝膠收縮開裂的應(yīng)力主要來(lái)自毛細(xì)管力，后者又源于凝膠骨架中液體的表面張力，因而解決開裂問(wèn)題可從增強(qiáng)固相骨架和消除液相表面張力兩方面入手可消除氣液界面的超臨界干燥是受到推崇的有效方法（4）凝膠的干燥濕凝膠裹挾34

（5）干凝膠的熱處理熱處理是使干凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成、結(jié)構(gòu)和性能均滿足設(shè)計(jì)要求的無(wú)機(jī)材料制品熱處理伴隨有較大的體積收縮和氣體釋放，故升溫速率不宜快升溫制度將決定制品是晶態(tài)還是非晶態(tài)析晶區(qū)（5）干凝膠的熱處理熱處理是使干凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成352.1.3Sol-Gel技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用Sol-Gel法的實(shí)質(zhì)是采用介觀層次上性能受到控制的源物質(zhì)(Sol)取代傳統(tǒng)工藝中的生原料，可在材料制備的初期就對(duì)其化學(xué)狀態(tài)、幾何構(gòu)型、粒級(jí)和均勻性等進(jìn)行控制2.1.3Sol-Gel技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用Sol-Ge36

（1）合成溫度低比傳統(tǒng)方法低400～500℃可在熔化、析晶或分相溫度以下制備均勻玻璃，使一些含難熔或高溫易分解組分的特殊性能玻璃的制備成為可能燒結(jié)溫度的大幅降低，可制備一些用常規(guī)方法難以制備的高溫陶瓷材料（1）合成溫度低比傳統(tǒng)方法低4037

（2）制品形式多樣（2）制品形式多樣38（3）特別適于薄膜和纖維制備（4）在制備復(fù)合材料、特別是納米復(fù)合材料方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)（5）設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝靈活，制品純度高（3）特別適于薄膜和纖維制備39教學(xué)要求（1）Sol-Gel(水解聚合)法制備材料的工藝過(guò)程（2）Sol-Gel技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)教學(xué)要求（1）Sol-Gel(水解聚合)法制備材料的工藝過(guò)程402.2等離子體技術(shù)等離子體是一種電離氣體，由離子、電子及中性粒子等組成，為物質(zhì)的一種高能量聚集狀態(tài)(第四態(tài))等離子體中粒子的能量可達(dá)數(shù)十、甚至上千電子伏特(1eV=1.160485×104K），其常規(guī)加熱手段難以企及的高溫、超高溫狀態(tài)，可使通常條件下不能發(fā)生或速率很慢的化學(xué)反應(yīng)成為可能或瞬間完成，這種熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)效應(yīng)使等離子體技術(shù)成為材料創(chuàng)新與合成的強(qiáng)有力手段2.2等離子體技術(shù)等離子體是一種電離氣體，由離子、412.2.1等離子體的產(chǎn)生為獲得等離子體態(tài)，須使氣體電離，而氣體電離是氣態(tài)粒子間相互碰撞的結(jié)果。因而從技術(shù)的角度可通過(guò)熱電離、放電電離和輻射電離等使氣體變?yōu)榈入x子體材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是氣體在電場(chǎng)中的放電電離，用于電離的電場(chǎng)可以是直流的，亦可為交變電場(chǎng)，故有直流放電和高頻（交流）放電兩種不同放電電離方式2.2.1等離子體的產(chǎn)生為獲得等離子體態(tài)，須使氣體電離，42(1)直流放電在AB段(無(wú)光放電),隨著電源功率增加,電壓升高,荷電粒子能量增大,與氣體分子碰撞電離的幾率增加；B點(diǎn)以后,進(jìn)入高效電離區(qū),電源功率的增加使電流密度迅速增大,介質(zhì)電阻持續(xù)降低,從而保持電壓恒穩(wěn),體系微弱發(fā)光；至C點(diǎn),離子的能量已達(dá)從陰極轟出電子的水平,大量的二次電子不但使CD段電壓陡降,也大大促進(jìn)了氣體的電離；至D點(diǎn),擊出電子的數(shù)量與其碰撞電離的消耗達(dá)到平衡,放電達(dá)到自持,體系發(fā)出明亮的輝光；此后,高密度電離區(qū)逐漸向陽(yáng)極推進(jìn),并最終翻越陽(yáng)極排斥勢(shì)壘(EF),造成F點(diǎn)介質(zhì)擊穿:極間電壓消失,電流密度激增,產(chǎn)生弧光放電(1)直流放電在AB段(無(wú)光放電),隨著電源功率增加,43直流輝光放電

陰極輝光區(qū)二次電子的初始能量較低,與氣體分子的碰撞只使其激發(fā)發(fā)光,而不至電離；陰極暗區(qū)電子使氣體分子電離,產(chǎn)生大量離子和低速電子,相對(duì)于電子,正離子質(zhì)量大，移動(dòng)速度慢的多,故這一區(qū)域堆積著大量正電荷,電壓差近乎全部外加電壓,是能量高度集中的、制備反應(yīng)的核心區(qū)域負(fù)輝區(qū)暗區(qū)產(chǎn)生的低速電子被加速,又獲得激發(fā)分子的能量法拉第暗區(qū)、正輝區(qū)性質(zhì)同前,只是電子和離子數(shù)的大幅減少,致使這一較大空間內(nèi)二者的密度幾乎相等,電壓降極小直流輝光放電

陰極輝光區(qū)二次電子的初始能量較低,與氣體分子44弧光放電通常條件下，弧光放電等離子體的溫度為5000～6000K若采用右圖所示的裝置,將等離子體限制在狹小空間內(nèi),并外置冷流體冷卻弧柱,則由此產(chǎn)生的熱壓縮效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)和機(jī)械壓縮效應(yīng)會(huì)使弧柱變細(xì),溫度急劇升高,形成溫度高達(dá)20000K以上、以近似音速的速度從電極噴嘴噴出的等離子體射流—等離子弧等離子弧已廣泛用于機(jī)械加工中的切割、焊接、噴涂、超微粉體合成和薄膜的沉積弧光放電通常條件下，弧光放電等離子體的溫度為5000～60045（2）高頻放電若將直流放電中的電場(chǎng)變?yōu)榻涣麟?，頻率低時(shí)，相當(dāng)于正負(fù)電極交替的直流電場(chǎng)，使氣體隨之發(fā)生電離和消電離，不能形成穩(wěn)定的等離子體若交變電場(chǎng)的頻率足夠高（＞1MHz），以致交變周期小于電離和消電離所需時(shí)間（10-6s），使離子濃度來(lái)不及變化，而電子則在放電空間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大大增加了與氣體分子碰撞幾率，因而高頻放電的自持要比直流放電容易得多，放電電壓明顯降低與直流放電集中在極板附近不同，高頻放電不會(huì)發(fā)生電極燒損及由此引起的等離子體和產(chǎn)品污染，有利于制備高純材料高頻放電按頻率可分為射頻（＜105MHz）放電和微波放電，前者又有感應(yīng)耦合和電容耦合兩種不同方式（2）高頻放電46微波發(fā)生器環(huán)形器定向耦合器矩形波導(dǎo)三螺針調(diào)配器發(fā)射天線等離子體球基板石英鐘罩均流罩模式轉(zhuǎn)換器樣品臺(tái)電容耦合電感耦合反應(yīng)氣體真空泵真空計(jì)微波環(huán)形器定向矩形波導(dǎo)三螺針發(fā)射等離子體球基板石英鐘罩均流罩472.2.2等離子體的特性(1)等離子體的溫度

ε=mv2=kT低溫等離子體：部分電離的等離子體

平衡等離子體＝高壓等離子體＝熱等離子體

非平衡等離子體＝低壓等離子體＝冷等離子體高溫等離子體：完全電離的等離子體2.2.2等離子體的特性(1)等離子體的溫度48（2）等離子體的濃度（密度）

需用正離子濃度和電子濃度表征，當(dāng)?shù)入x子體中只有一價(jià)正離子時(shí)，可用等離子體濃度等效描述（3）等離子體的電離度

A＝A+＋eα＝

×

（2）等離子體的濃度（密度）49（4）電中性和德拜長(zhǎng)度λD＝（5）導(dǎo)電性和磁控性等離子體具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，并可用磁場(chǎng)控制它的行為，如電弧的旋轉(zhuǎn)、穩(wěn)定和熄滅等（4）電中性和德拜長(zhǎng)度502.2.4等離子體化學(xué)

等離子體中含有大量電子、離子和其他高能粒子（如處于激發(fā)態(tài)的原子、分子），既可活化其他反應(yīng)物，也可作為活性反應(yīng)物直接參與反應(yīng)。這種高活性反應(yīng)環(huán)境所產(chǎn)生的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，已廣泛用于材料的制備和加工處理2.2.4等離子體化學(xué)等離子體中含有大量電子、離51（1）電子參與的反應(yīng)

H2O+eOH*(激發(fā)態(tài))+HO2+eO2+、O+、O－

H2+eH2+、H+、H、H－

N2+eN2+、N+、N2m(亞穩(wěn)態(tài))、N*

I2+eI2－

、I－、I+

C2H2+eCH++CH+2e（1）電子參與的反應(yīng)H2O+e52（2）離子參與的反應(yīng)Ar+＋H2ArH+＋HAr+＋NH3ArH+＋NH2Ar+＋HClArH+＋ClAr+＋H2Ar＋H2+C2H2+＋C5H6C2H2＋C5H6+（2）離子參與的反應(yīng)Ar+＋H2Ar53（3）激發(fā)態(tài)粒子參與的反應(yīng)Ar*＋ABAr＋AB+Ar*＋ABAr＋A＋BHe*＋H2OHe＋H＋OH（3）激發(fā)態(tài)粒子參與的反應(yīng)Ar*＋AB542.2.4等離子體技術(shù)在材料制備中的應(yīng)用（1）利用弧光放電制備超微粉體（2）物理氣相沉積（3）化學(xué)氣相沉積

2.2.4等離子體技術(shù)在材料制備中的應(yīng)用（1）利用弧光放電552.2激光技術(shù)

激光也是材料制備和加工的重要手段2.2激光技術(shù)56

2.3.1激光的產(chǎn)生受激吸收自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2.3.1激光的產(chǎn)生受激吸收572.3.2激光的特點(diǎn)單向性：方向完全一致的軸向光單色性：頻率只對(duì)應(yīng)ν21＝(E2-E1)/h超高光強(qiáng)：能在幾微米至幾十微米直徑范圍內(nèi)，產(chǎn)生幾萬(wàn)乃至幾百萬(wàn)度高溫2.3.2激光的特點(diǎn)單向性：方向完全一致的軸向光582.3.3激光在材料領(lǐng)域的應(yīng)用（1）材料表面改性表面摻雜、局部退火和外延生長(zhǎng)形成非晶態(tài)（冷卻速率1014K/s）表面涂層2.3.3激光在材料領(lǐng)域的應(yīng)用（1）材料表面改性59（2）材料加工激光打孔激光切割激光焊接（3）激光制備超微粉（4）激光化學(xué)氣相沉積（2）材料加工60教學(xué)要求（3）低溫等離子體有哪些類型？熱等離子體、冷等離子體、低壓等離子體、高壓等離子體、平衡等離子體和非平衡等離子體之間是什么關(guān)系？（4）激光的主要特點(diǎn)教學(xué)要求（3）低溫等離子體有哪些類型？熱等離子體、61演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！62新型無(wú)機(jī)材料李伯剛新型無(wú)機(jī)材料李伯剛63第一部分緒論●材料學(xué)科發(fā)展概況●制備材料的新技術(shù)第一部分緒論●材料學(xué)科發(fā)展概況64

教學(xué)目的及要求

對(duì)無(wú)機(jī)材料的發(fā)展概況和前沿領(lǐng)域（新型材料和制備材料的新技術(shù)）有基本和概況性的了解，以開闊專業(yè)視野，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力

教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)介紹新型無(wú)機(jī)材料發(fā)展概況、制備材料的新技術(shù)（溶膠－凝膠技術(shù)、等離子體技術(shù)*、化學(xué)氣相沉積與物理氣相沉積技術(shù)*、激光技術(shù)、微波燒結(jié)、自蔓延高溫合成等）、低維材料（納米粉體、晶須、光導(dǎo)纖維、碳纖維、金剛石與類金剛石薄膜*等）、新型功能材料（非晶態(tài)材料、梯度功能材料、納米材料*、高溫超導(dǎo)材料*等）和先進(jìn)復(fù)合材料【注】下劃線為重點(diǎn)，打*號(hào)的為難點(diǎn)教學(xué)目的及要求65

成績(jī)?cè)u(píng)定

采用考勤、作業(yè)和期末考試相結(jié)合的評(píng)定方式。其中：

考勤占10％（隨機(jī)點(diǎn)名10次，每缺席一次扣1分，累計(jì)3次取消參加期末考試資格）作業(yè)占30％（計(jì)算和文獻(xiàn)查閱。手寫，謝絕打印。若發(fā)現(xiàn)抄襲，雙方均酌情扣分）期末考試占60％

成績(jī)?cè)u(píng)定66

新型無(wú)機(jī)材料作為一類新材料，應(yīng)從對(duì)新材料的整體認(rèn)識(shí)中去界定和把握，而新材料的產(chǎn)生是與材料學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)的，故應(yīng)首先對(duì)材料學(xué)科的發(fā)展概況有基本的了解，在材料學(xué)科發(fā)展的大背景中去認(rèn)識(shí)新材料的特性和發(fā)展趨勢(shì)第一章材料學(xué)科發(fā)展概況新型無(wú)機(jī)材料作為一類新材料67材料的重要性和歷史地位材料的分類材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)材料科學(xué)與工程新材料新型無(wú)機(jī)材料材料的重要性和歷史地位681.1材料的重要性和歷史地位歷史地位：人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志現(xiàn)實(shí)重要性：現(xiàn)代文明的一大支柱1.1材料的重要性和歷史地位現(xiàn)實(shí)重要性：現(xiàn)代文明的一大69

1.1.1

材料是人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志石器時(shí)代制陶業(yè)青銅器時(shí)代（公元前5000年）鐵器時(shí)代（公元前1200年）近代工業(yè)革命（18世紀(jì)末,鋼鐵產(chǎn)量成為國(guó)力重要標(biāo)志，我國(guó)開展全民大煉鋼鐵運(yùn)動(dòng)）新技術(shù)革命（20世紀(jì)中葉，硅半導(dǎo)體、功能陶瓷等無(wú)機(jī)材料重新成為材料主體新石器時(shí)代）

1.1.1材料是人類文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志石器時(shí)代制701.1.2材料是現(xiàn)代文明一大的支柱材料、信息、能源被譽(yù)為現(xiàn)代文明的三大支柱新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)是新技術(shù)革命的主要標(biāo)志1.1.2材料是現(xiàn)代文明一大的支柱711.2材料的分類按組成分類

金屬材料（純金屬，合金）無(wú)機(jī)非金屬材料（水泥玻璃陶瓷人工晶體碳素材料等）有機(jī)高分子材料復(fù)合材料按性質(zhì)分類

結(jié)構(gòu)材料（主要應(yīng)用材料的力學(xué)性能－－用于制做承重材料和構(gòu)件）

功能材料（主要應(yīng)用材料的物理性能－－用于制做功能部件）

按用途分類

建筑材料航空航天材料電子材料生物材料能源材料等1.2材料的分類按組成分類721.3材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)人們已習(xí)慣于將材料分為金屬材料、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)高分子材料，各類材料有特定的組成結(jié)構(gòu)、不同的性能和應(yīng)用范圍，與之相應(yīng)，材料專業(yè)也按此劃分，自成體系。然而近些年來(lái)材料領(lǐng)域出現(xiàn)的、日漸明顯的多樣化基礎(chǔ)上的“一體化”趨勢(shì)和信息爆炸，正日益強(qiáng)烈地沖擊著傳統(tǒng)的體系和觀念，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面1.3材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)長(zhǎng)期以來(lái)人們已73（1）各類材料間的界線趨于模糊已出現(xiàn)非晶態(tài)的“金屬玻璃”一定條件下金屬可以獲得“超塑性”在通常為絕緣體的氧化物中發(fā)現(xiàn)了“高溫超導(dǎo)體”高分子材料中也有導(dǎo)體、半導(dǎo)體甚至鐵磁體通常是脆硬的陶瓷和水泥領(lǐng)域也已開發(fā)出“增韌陶瓷”和“韌性無(wú)缺陷水泥”大量出現(xiàn)的各種復(fù)合材料、梯度材料和原子尺度的層狀“超結(jié)構(gòu)材料”更難以歸屬某一傳統(tǒng)材料類別（1）各類材料間的界線趨于模糊已出現(xiàn)非晶態(tài)的“金屬玻璃”74（2）應(yīng)用上各類材料間的相互替代與復(fù)合工程塑料成為新的建筑結(jié)構(gòu)材料高分子復(fù)合材料已用作車身和機(jī)身材料已出現(xiàn)水泥船、玻璃鋼船和全塑船在某一應(yīng)用領(lǐng)域固守某些傳統(tǒng)材料已非明智與相互替代的情形相比，各類材料間的復(fù)合化趨勢(shì)更是勢(shì)不可擋，綜合性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料層出不窮,不斷演繹著材料版的“這邊風(fēng)景獨(dú)好”（2）應(yīng)用上各類材料間的相互替代與復(fù)合工程塑料成為新的建筑75（3）各類材料間理論和分析檢測(cè)手段的互通研究金屬范性變形時(shí)提出的位錯(cuò)理論已成功用于指導(dǎo)半導(dǎo)體的缺陷工程，大大提升了半導(dǎo)體的性能針對(duì)玻璃的脆性體斷裂理論（認(rèn)為微裂紋前端的應(yīng)力集中致使玻璃的實(shí)際強(qiáng)度大大低于理論強(qiáng)度）在金屬材料中的應(yīng)用使金屬的斷裂預(yù)測(cè)和韌性提高獲得突破性進(jìn)展；后來(lái)又應(yīng)用于陶瓷材料，發(fā)展出使陶瓷韌化的相變?cè)鲰g、纖維增韌和微粉增韌等有效手段，出現(xiàn)了增韌陶瓷采用和借鑒其他材料的原理、方法和手段已成為改進(jìn)材料性能的重要途徑（3）各類材料間理論和分析檢測(cè)手段的互通研究金屬范性變形76

從現(xiàn)有的趨勢(shì)看，在各類不同材料研究中發(fā)展起來(lái)的理論和方法，正通過(guò)相互借鑒、溝通和啟發(fā)逐漸匯聚成統(tǒng)一的整體，一個(gè)適用于各類材料的統(tǒng)一理論體系正在構(gòu)建和形成不過(guò)，要建立起成熟完整的新的材料理論體系，還有很長(zhǎng)一段路要走從現(xiàn)有的趨勢(shì)看，在各類不同材料研究中發(fā)771.4材料科學(xué)與工程（大材料）

為順應(yīng)材料發(fā)展的一體化趨勢(shì)，推動(dòng)各類材料在研究方法、基礎(chǔ)理論、制備、檢測(cè)方面的相互借鑒，促進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展，以及有利于培養(yǎng)具有更廣闊專業(yè)視野和應(yīng)變能力的新材料開發(fā)人才,“材料科學(xué)與工程”在美國(guó)學(xué)者的倡導(dǎo)下，于20世紀(jì)70年代應(yīng)運(yùn)而生，并很快為各國(guó)學(xué)者廣泛接受，設(shè)立材料科學(xué)與工程系寬口徑培養(yǎng)材料人才已成為各國(guó)高校的普遍選擇1.4材料科學(xué)與工程（大材料）為順78材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)為交叉學(xué)科是合成制備—組成結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—使用效能四位一體、相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)開發(fā)與應(yīng)用的學(xué)科體系面向材料開發(fā)與有效運(yùn)用，有很強(qiáng)的應(yīng)用背景材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)為交叉學(xué)科791.5新材料新材料是指新近研制成功或正在研制中的，具有較傳統(tǒng)材料更優(yōu)異的性能或特殊功能，對(duì)高技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展具有推動(dòng)作用的一類材料。所以人們總是將新材料與高技術(shù)相提并論1.5新材料新材料是指80新材料的特點(diǎn)知識(shí)密集—往往運(yùn)用了當(dāng)代科技的最新成就，或是多學(xué)科交叉研究的產(chǎn)物技術(shù)密集—其制備往往利用了一些極端條件和尖端工藝工程控制技術(shù)資金密集—設(shè)備投資大、開發(fā)難度和風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)保密性強(qiáng)、更新?lián)Q代快附加值高—其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原料成本，使用價(jià)值亦非傳統(tǒng)材料所能比肩新材料的特點(diǎn)知識(shí)密集—往往運(yùn)用了當(dāng)代科技的最新成就，81新材料開發(fā)的主要?jiǎng)酉?0年代美國(guó)“國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告”中材料領(lǐng)域列出五大關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目：材料合成與加工、電子與光電子材料、陶瓷、復(fù)合材料、高性能金屬與合金資料統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前最受關(guān)注的六大材料為：光電子信息材料、先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)陶瓷材料、新型金屬材料、高性能塑料、超導(dǎo)材料

新材料開發(fā)的主要?jiǎng)酉?0年代美國(guó)“國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告”中材料領(lǐng)821.6新型無(wú)機(jī)材料

新型無(wú)機(jī)材料與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料（玻璃、陶瓷、水泥等）在原料、工藝、組成結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性能上均有所不同，因而有著完全不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域1.6新型無(wú)機(jī)材料新型無(wú)機(jī)材料與傳83新型無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn)原料純化：用純化原料，并對(duì)原料狀態(tài)進(jìn)行控制工藝精細(xì)化：采用更有力的工藝控制與過(guò)程干預(yù)組成形態(tài)多樣化：出現(xiàn)單晶、薄膜、纖維、超微粉、復(fù)合等新形態(tài)，組成也遍及各種不同元素間的化合物高性能與多功能化：性能更好，大多具有獨(dú)特的性質(zhì)和特殊功能新型無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn)原料純化：用純化原料，并對(duì)原料狀態(tài)進(jìn)84新型無(wú)機(jī)材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域信息：傳感、傳輸、存儲(chǔ)和處理材料航空航天：燒蝕、復(fù)合增強(qiáng)材料，吸波涂層等能源：光電轉(zhuǎn)換材料、電池電極、超導(dǎo)磁體等生物醫(yī)學(xué)：人工骨科、齒科和韌帶材料、生物相容性涂層等新型無(wú)機(jī)材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域信息：傳感、傳輸、存儲(chǔ)和處理材料85第二章制備材料的新技術(shù)

新材料總是與新技術(shù)的運(yùn)用聯(lián)系在一起的，一如區(qū)熔提純單晶生長(zhǎng)技術(shù)之與硅鍺半導(dǎo)體、高溫高壓技術(shù)之與合成金剛石、急冷技術(shù)之與非晶態(tài)材料、熱等靜壓技術(shù)之與高性能陶瓷、氣相沉積技術(shù)之與集成電路和光導(dǎo)纖維¨¨¨第二章制備材料的新技術(shù)新材料總是與86當(dāng)今制備材料新技術(shù)的主要特點(diǎn)利用超高溫、超高壓、超高真空、微重力、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射、急速冷卻等極端條件對(duì)材料制備的工藝過(guò)程和組織結(jié)構(gòu)實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)控當(dāng)今制備材料新技術(shù)的主要特點(diǎn)利用超高溫、超高壓、超高真空、微87

溶膠－凝聚技術(shù)等離子體技術(shù)激光技術(shù)溶膠－凝聚技術(shù)882.1溶膠－凝膠(Sol-Gel)技術(shù)

即金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物(前驅(qū)物)經(jīng)溶液溶膠凝膠干燥固化，在溶膠或凝膠狀態(tài)下成型(纖維、薄膜、塊體)，再經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)化為氧化物或其它化合物固體材料的方法，是應(yīng)用膠體化學(xué)原理制備無(wú)機(jī)材料的濕化學(xué)方法，已成為受到普遍重視的無(wú)機(jī)材料制備新技術(shù)

2.1溶膠－凝膠(Sol-Gel)技術(shù)即金屬892.1.1Sol-Gel工藝方法傳統(tǒng)膠體法水解聚合法絡(luò)合物法2.1.1Sol-Gel工藝方法傳統(tǒng)膠體法90方法特點(diǎn)前驅(qū)物凝膠的化學(xué)特征適用傳統(tǒng)膠體法通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或加入電解質(zhì)中和顆粒表面電荷，再經(jīng)溶劑蒸發(fā)促使顆粒形成凝膠無(wú)機(jī)化合物1凝膠中固相成分含量高2凝膠由稠密顆粒間的分子間力建立3凝膠強(qiáng)度低，通常不透明粉體薄膜水解聚合法通過(guò)前驅(qū)物的水解和聚合形成溶膠和凝膠金屬醇鹽1凝膠由前驅(qū)體水解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)聚合物建立2凝膠與溶膠體積相當(dāng)3凝膠化進(jìn)程控制時(shí)間4凝膠是透明的薄膜塊體纖維粉體絡(luò)合物法由絡(luò)合反應(yīng)形成具有較大或復(fù)雜配體的絡(luò)合物金屬醇鹽硝酸鹽乙酸鹽1凝膠由絡(luò)合物通過(guò)氫鍵建立2凝膠在水中能液化3凝膠是透明的薄膜粉體纖維方法特點(diǎn)前驅(qū)物凝膠的化學(xué)特征適用傳統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或加入電解912.1.2水解聚合法的工藝原理水解聚合工藝流程2.1.2水解聚合法的工藝原理水解聚合工藝流程92（1）均相溶液的制備為確保醇鹽水解在分子水平上進(jìn)行，須先制備醇鹽與水的均相溶液，再加水水解因醇鹽水溶性差，需加入既與醇鹽互溶、又與水互溶的醇類，其加入量須保證避開三元不混溶區(qū)（1）均相溶液的制備為確保醇鹽水解93（2）溶膠的形成原理水解反應(yīng)：

酸性：(RO)3SiOR+H3O+

親電取代(RO)3SiOH+HOR+H+

堿性：(RO)3SiOR+OH-

親核取代(RO)3SiOH+OR-

縮聚反應(yīng)：失水縮聚：SiOH+HOSiSiOSi+H2O失醇縮聚：SiOH+ROSiSiOSi+ROH酸性條件下，親電取代的活性隨醇鹽分子中－OR的減少而下降,很難水解至Si(OH)4，而縮聚反應(yīng)在充分水解前即開始,故水解縮聚產(chǎn)物的交聯(lián)度低;而堿性條件下則容易獲得高交聯(lián)度（2）溶膠的形成原理水解反應(yīng)：酸性條件下，親電取代的活性隨醇94

（3）凝膠化過(guò)程

縮聚反應(yīng)形成的聚合物小顆粒逐漸聚集長(zhǎng)大形成小粒子簇，后者進(jìn)而相互連接成橫跨整個(gè)體系的三維粒子簇連續(xù)固相網(wǎng)絡(luò)，液相則包裹在固相骨架中，失去流動(dòng)性，由粘彈性的Newton體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂杏|變性的Bingham體（3）凝膠化過(guò)程95

（4）凝膠的干燥濕凝膠裹挾著大量的水和溶劑，干燥過(guò)程往往伴隨著很大的體積收縮，易引起開裂引起凝膠收縮開裂的應(yīng)力主要來(lái)自毛細(xì)管力，后者又源于凝膠骨架中液體的表面張力，因而解決開裂問(wèn)題可從增強(qiáng)固相骨架和消除液相表面張力兩方面入手可消除氣液界面的超臨界干燥是受到推崇的有效方法（4）凝膠的干燥濕凝膠裹挾96

（5）干凝膠的熱處理熱處理是使干凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成、結(jié)構(gòu)和性能均滿足設(shè)計(jì)要求的無(wú)機(jī)材料制品熱處理伴隨有較大的體積收縮和氣體釋放，故升溫速率不宜快升溫制度將決定制品是晶態(tài)還是非晶態(tài)析晶區(qū)（5）干凝膠的熱處理熱處理是使干凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成972.1.3Sol-Gel技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用Sol-Gel法的實(shí)質(zhì)是采用介觀層次上性能受到控制的源物質(zhì)(Sol)取代傳統(tǒng)工藝中的生原料，可在材料制備的初期就對(duì)其化學(xué)狀態(tài)、幾何構(gòu)型、粒級(jí)和均勻性等進(jìn)行控制2.1.3Sol-Gel技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用Sol-Ge98

（1）合成溫度低比傳統(tǒng)方法低400～500℃可在熔化、析晶或分相溫度以下制備均勻玻璃，使一些含難熔或高溫易分解組分的特殊性能玻璃的制備成為可能燒結(jié)溫度的大幅降低，可制備一些用常規(guī)方法難以制備的高溫陶瓷材料（1）合成溫度低比傳統(tǒng)方法低4099

（2）制品形式多樣（2）制品形式多樣100（3）特別適于薄膜和纖維制備（4）在制備復(fù)合材料、特別是納米復(fù)合材料方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)（5）設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝靈活，制品純度高（3）特別適于薄膜和纖維制備101教學(xué)要求（1）Sol-Gel(水解聚合)法制備材料的工藝過(guò)程（2）Sol-Gel技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)教學(xué)要求（1）Sol-Gel(水解聚合)法制備材料的工藝過(guò)程1022.2等離子體技術(shù)等離子體是一種電離氣體，由離子、電子及中性粒子等組成，為物質(zhì)的一種高能量聚集狀態(tài)(第四態(tài))等離子體中粒子的能量可達(dá)數(shù)十、甚至上千電子伏特(1eV=1.160485×104K），其常規(guī)加熱手段難以企及的高溫、超高溫狀態(tài)，可使通常條件下不能發(fā)生或速率很慢的化學(xué)反應(yīng)成為可能或瞬間完成，這種熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)效應(yīng)使等離子體技術(shù)成為材料創(chuàng)新與合成的強(qiáng)有力手段2.2等離子體技術(shù)等離子體是一種電離氣體，由離子、1032.2.1等離子體的產(chǎn)生為獲得等離子體態(tài)，須使氣體電離，而氣體電離是氣態(tài)粒子間相互碰撞的結(jié)果。因而從技術(shù)的角度可通過(guò)熱電離、放電電離和輻射電離等使氣體變?yōu)榈入x子體材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是氣體在電場(chǎng)中的放電電離，用于電離的電場(chǎng)可以是直流的，亦可為交變電場(chǎng)，故有直流放電和高頻（交流）放電兩種不同放電電離方式2.2.1等離子體的產(chǎn)生為獲得等離子體態(tài)，須使氣體電離，104(1)直流放電在AB段(無(wú)光放電),隨著電源功率增加,電壓升高,荷電粒子能量增大,與氣體分子碰撞電離的幾率增加；B點(diǎn)以后,進(jìn)入高效電離區(qū),電源功率的增加使電流密度迅速增大,介質(zhì)電阻持續(xù)降低,從而保持電壓恒穩(wěn),體系微弱發(fā)光；至C點(diǎn),離子的能量已達(dá)從陰極轟出電子的水平,大量的二次電子不但使CD段電壓陡降,也大大促進(jìn)了氣體的電離；至D點(diǎn),擊出電子的數(shù)量與其碰撞電離的消耗達(dá)到平衡,放電達(dá)到自持,體系發(fā)出明亮的輝光；此后,高密度電離區(qū)逐漸向陽(yáng)極推進(jìn),并最終翻越陽(yáng)極排斥勢(shì)壘(EF),造成F點(diǎn)介質(zhì)擊穿:極間電壓消失,電流密度激增,產(chǎn)生弧光放電(1)直流放電在AB段(無(wú)光放電),隨著電源功率增加,105直流輝光放電

陰極輝光區(qū)二次電子的初始能量較低,與氣體分子的碰撞只使其激發(fā)發(fā)光,而不至電離；陰極暗區(qū)電子使氣體分子電離,產(chǎn)生大量離子和低速電子,相對(duì)于電子,正離子質(zhì)量大，移動(dòng)速度慢的多,故這一區(qū)域堆積著大量正電荷,電壓差近乎全部外加電壓,是能量高度集中的、制備反應(yīng)的核心區(qū)域負(fù)輝區(qū)暗區(qū)產(chǎn)生的低速電子被加速,又獲得激發(fā)分子的能量法拉第暗區(qū)、正輝區(qū)性質(zhì)同前,只是電子和離子數(shù)的大幅減少,致使這一較大空間內(nèi)二者的密度幾乎相等,電壓降極小直流輝光放電

陰極輝光區(qū)二次電子的初始能量較低,與氣體分子106弧光放電通常條件下，弧光放電等離子體的溫度為5000～6000K若采用右圖所示的裝置,將等離子體限制在狹小空間內(nèi),并外置冷流體冷卻弧柱,則由此產(chǎn)生的熱壓縮效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)和機(jī)械壓縮效應(yīng)會(huì)使弧柱變細(xì),溫度急劇升高,形成溫度高達(dá)20000K以上、以近似音速的速度從電極噴嘴噴出的等離子體射流—等離子弧等離子弧已廣泛用于機(jī)械加工中的切割、焊接、噴涂、超微粉體合成和薄膜的沉積弧光放電通常條件下，弧光放電等離子體的溫度為5000～600107（2）高頻放電若將直流放電中的電場(chǎng)變?yōu)榻涣麟姡l率低時(shí)，相當(dāng)于正負(fù)電極交替的直流電場(chǎng)，使氣體隨之發(fā)生電離和消電離，不能形成穩(wěn)定的等離子體若交變電場(chǎng)的頻率足夠高（＞1MHz），以致交變周期小于電離和消電離所需時(shí)間（10-6s），使離子濃度來(lái)不及變化，而電子則在放電空間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大大增加了與氣體分子碰撞幾率，因而高頻放電的自持要比直流放電容易得多，放電電壓明顯降低與直流放電集中在極板附近不同，高頻放電不會(huì)發(fā)生電極燒損及由此引起的等離子體和產(chǎn)品污染，有利于制備高純材料高頻放電按頻率可分為射頻（＜105MHz）放電和微波放電，前者又有感應(yīng)耦合和電容耦合兩種不同方式（2）高頻放電108微波發(fā)生器環(huán)形器定向耦合器矩形波導(dǎo)三螺針調(diào)配器發(fā)射天線等離子體球基板石英鐘罩均流罩模式轉(zhuǎn)換器樣品臺(tái)電容耦合電感耦合反應(yīng)氣體真空泵真空計(jì)微波環(huán)形器定向矩形波導(dǎo)三螺針發(fā)射等離子體球基板石英鐘罩均流罩1092.2.2等離子體的特性(1)等離