材料合成與制備課件：材料合成與制備思考題1（第一章）

1、第一章 思考題影響分子與固體表面相互吸附的因素有那些？在合成反應(yīng)中常需要攪拌，為什么？邊界層是怎么形成的？界面的穩(wěn)定性對晶體的生長有何意義？ 完整光滑面、非完整光滑面、粗糙面及擴(kuò)散面的生長各有何特點(diǎn)？影響因素有哪些？第二章 思考題試比較溶液法、水熱法、高溫溶液法晶體生長的特點(diǎn)人工晶體主要有哪些生長方法？各方法有何特點(diǎn)？人工晶體有哪些主要性質(zhì)和用途？晶體的壓電與鐵電性質(zhì) 機(jī)電換能器 具有正壓電效應(yīng)的晶體具有將機(jī)械作用轉(zhuǎn)變成電信號的能力，因此提供了對機(jī)械振動、壓力、聲波、旋轉(zhuǎn)和扭曲的精確計(jì)算，在機(jī)電轉(zhuǎn)換元件中有廣泛的應(yīng)用 具有逆壓電效應(yīng)的晶體可將電信號轉(zhuǎn)變成機(jī)械作用 可應(yīng)用于：揚(yáng)聲器和超聲發(fā)生器晶

2、體中光波的雙折射（Birefringence）和旋光性，廣泛應(yīng)用于 各種光學(xué)元件中，如光棱鏡、光偏振器、旋光器等外場作用下的晶體光學(xué)性質(zhì)：電光、聲光、磁光效應(yīng)晶體的非線性光學(xué)性質(zhì) ，可制備各種非線性光學(xué)元件。晶體的激光性質(zhì)，應(yīng)用于激光器的制備中。目前較成熟的有：紅寶石激光器、色心激光器晶體的熱釋電性質(zhì)，主要應(yīng)用于熱或紅外線輻射探測器等第三章 思考題粉體的合成方法主要有那些？各有何特點(diǎn)？ 濕化學(xué)合成法：通過液體介質(zhì)合成；水熱法：在水溶液體系中于一定溫度條件下進(jìn)行沉淀法：利用某些電荷相反的離子在溶液中發(fā)生反應(yīng)生成不溶于水的晶質(zhì)的性質(zhì)而進(jìn)行合成的方法。粉體顆粒的粒徑取決于核形成和成長的速率，沉淀物的

3、溶解度越小，沉淀物的粒徑也越小；而溶液的過飽和度越小，則沉淀物的粒徑越大水解法：利用某些化合物可水解生成沉淀的性質(zhì)來合成超細(xì)粉體的。體系僅由金屬鹽和水組成，只要利用高純度的金屬鹽，就可以合成出高純度的超細(xì)粉體。噴霧干燥法：將原料制成溶液或泥漿，然后用噴嘴噴成霧狀，使原料微細(xì)化。這種霧狀微粒在干燥器中干燥，并用旋風(fēng)吸塵器收集，而后進(jìn)行高溫（8001000）焙燒，可制成粒度 <1mm的粉體。很容易制成亞微米級的微粉。超微粉體不僅粒徑小，而且組成極均勻。噴霧水解法 噴霧焙燒法冷凍干燥法：適應(yīng)于合成活性高、反應(yīng)性強(qiáng)的微粉。其特點(diǎn)是可制備出成分復(fù)雜的微粉，且干燥時(shí)顆粒產(chǎn)生大量孔洞，有利于煅燒時(shí)產(chǎn)生

4、的氣體的排出，粉碎性也好，容易微細(xì)化。溶膠凝膠法：選擇可溶性金屬無機(jī)鹽或有機(jī)鹽，以有機(jī)溶劑溶解，加入適量催化劑和穩(wěn)定劑，在一定溫度條件下形成均一穩(wěn)定的溶膠。這種溶膠在一定條件下轉(zhuǎn)化成凝膠。再經(jīng)一定溫度處理，使其有機(jī)物及某些無機(jī)物分解，形成氧化物納米粉體。優(yōu)點(diǎn)：制備溫度低，純度高，粒徑分布均勻，能制得化學(xué)活性大、單組分或多組分的化合物。 固相合成法：原料及產(chǎn)物均為固相；合成完成后不需要進(jìn)行氣固或液固分離等粉體收集處理。固相反應(yīng)法：高溫下多種組分在固相狀態(tài)下反應(yīng)。是把金屬鹽或金屬氧化物按配方充分混合，研磨后進(jìn)行煅燒，直接得到超微粉或再研磨得到超微粉。固相熱分解法制備超微粉比較簡單，但生成的粉末易團(tuán)

5、聚，需要進(jìn)行二次粉碎。在此工藝中可能有大量廢氣排出，必須注意處理。高溫固相化學(xué)反應(yīng)法利用混合氧化物在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來制備復(fù)合氧化物納米粉體. 本法需通過機(jī)械粉磨獲得粉料，因此粉料不可能很細(xì)，利用高效攪拌磨可制得顆粒直徑為10.5mm 的粉料，粉磨容易引入雜質(zhì)，此法適合大批量合成，并且所用的反應(yīng)物容易獲得，價(jià)格不太高，因此適合大量生產(chǎn)制造機(jī)械化學(xué)法：通過機(jī)械碾磨作用促進(jìn)組分反應(yīng)。是在室溫下對反應(yīng)物直接進(jìn)行研磨，合成中間化合物，再對化合物進(jìn)行適當(dāng)處理得到最終產(chǎn)物。該法不用溶劑，可以合成在溶液中不能合成的物質(zhì)。該法屬于機(jī)械力作用下的低溫固相化學(xué)反應(yīng)合成，具有高選擇性，高產(chǎn)率，低成本，工藝流程簡單

6、，產(chǎn)品性能優(yōu)良，對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，并且減少了由于高溫固相反應(yīng)所引起的諸如產(chǎn)物不純、粒子團(tuán)聚、回收困難等不足。熔鹽法：在熔點(diǎn)較低的鹽類的熔融狀態(tài)下反應(yīng)。參與合成的反應(yīng)物在熔融態(tài)鹽中有一定的溶解度，有利于各反應(yīng)組分實(shí)現(xiàn)原子尺度的混合。組分在液相介質(zhì)中有更快的擴(kuò)散速度，有利于晶體的生長。這兩種效應(yīng)能使合成反應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)和較低的溫度下完成。由于反應(yīng)體系為液相，合成產(chǎn)物各組分配比準(zhǔn)確，成分均勻，無偏析。在反應(yīng)過程中，熔融鹽貫穿在生成的粉體顆粒之間，阻止了顆粒之間的相互連接，使合成的粉體的分散性很好。經(jīng)溶解洗滌后的產(chǎn)物幾乎沒有團(tuán)聚現(xiàn)象存在。在熔鹽中反應(yīng)以及隨后的清洗，有利于雜質(zhì)的清除，形成純度較高的

7、反應(yīng)產(chǎn)物。第四章 思考題晶須的生長機(jī)制？晶須的主要性能與用途？ VLS機(jī)制：V代表提供的氣體原料；L為液體觸媒；S為固體晶須。性能與用途：晶須具有完整的晶體結(jié)構(gòu)，其密度、強(qiáng)度都接近完整晶體理論值，并具有理想的彈性模量和特殊的物理性能。晶須的延伸率與玻璃纖維相當(dāng)，而拉伸模量與硼纖維相當(dāng)，兼具這兩種纖維的最佳性能。大多數(shù)晶須強(qiáng)度與直徑有關(guān)。晶須直徑小于10mm時(shí)，其強(qiáng)度急劇增加，而與所采用的制備技術(shù)無關(guān)。晶須具有保持高溫強(qiáng)度的性能，高溫時(shí)，其比常用的高溫合金的強(qiáng)度損失小得多。晶須主要用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑，以增強(qiáng)金屬、陶瓷、樹脂、玻璃等。在航空航天、建筑、機(jī)械、汽車化工、生物材料、體育器材等方面得到

8、應(yīng)用。某些晶須被用作特殊的功能材料，在電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)及超導(dǎo)材料領(lǐng)域可望得到應(yīng)用。陶瓷纖維合成的基本原理？陶瓷纖維有短纖維和連續(xù)纖維兩種。短纖維的合成方法：熔噴法和離心甩絲法熔噴法：原料按一定配比混合后，放入電爐中高溫熔融，然后以壓縮空氣或高溫水蒸汽噴吹熔體，使熔體撕裂、細(xì)化，形成纖維。在這一過程中，熔體因逐漸冷卻而轉(zhuǎn)化成晶體（多晶）離心甩絲法：將熔體引入高速旋轉(zhuǎn)的離心輥表面，借助輥的離心力，將熔體分散，經(jīng)二級或三級離心后，可制得纖維。這種熔體撕裂形成的纖維在冷卻過程中，逐漸轉(zhuǎn)化為晶體（多晶），成為陶瓷纖維連續(xù)纖維的合成方法：選擇適當(dāng)?shù)脑?，在較低溫度下熔融，然后進(jìn)行紡絲，然后在一定溫度及氣氛

9、中進(jìn)行熱處理，再在較高溫度下燒結(jié)，使原料轉(zhuǎn)化成所要合成的陶瓷晶體纖維。該類纖維的合成，關(guān)鍵在于原料及先驅(qū)體的選擇。第五章 思考題陶瓷材料的制備包括哪些環(huán)節(jié)?配料：試驗(yàn)研究、確定配方、計(jì)算原料的用量、精確稱量、混合成型：預(yù)處理，包括預(yù)燒和細(xì)磨；制備坯料（保證各方收縮的一致性，避免開裂、變形，減少雜質(zhì)，提高原料的純度）燒結(jié)：固相燒結(jié)：通過顆粒間的擴(kuò)散傳質(zhì)作用，驅(qū)動力是顆粒的表面能和晶粒界面能液相燒結(jié)：少量液相有利于組分的擴(kuò)散、遷移，消除氣孔，改善顯微結(jié)構(gòu)，促進(jìn)燒結(jié)作用加工：陶瓷的成型方法有哪些?（1）塑性料團(tuán)成型法（塑性好）。加入水分或塑化劑，將坯料混合，制成有塑性的料團(tuán)，然后通過成型機(jī)進(jìn)行擠壓、

10、溫壓、液壓或軋膜等成型。（2）漿料成型法（注漿法）。將含有一定水分的漿料澆注在預(yù)先準(zhǔn)備的模具中成型。（3）粉料成型法（壓制法）。將粉料裝在模具中，在較高的壓力下壓制成型。（4）固體成型法。先將粉料制成一定強(qiáng)度的塊料或者經(jīng)過預(yù)燒成有一定強(qiáng)度的坯料，然后再進(jìn)行加工，如車、削、鉆、刨等。陶瓷燒結(jié)過程經(jīng)歷哪些階段?低溫階段（室溫300左右）：主要排除殘余水分。中溫階段（亦稱分解氧化階段，300950）：主要排除結(jié)構(gòu)水，有機(jī)物分解、和無機(jī)物的氧化，碳酸鹽、硫化物的分解，晶型轉(zhuǎn)變。高溫階段（950燒成溫度）：繼續(xù)氧化、分解，形成新晶相和晶粒長大。冷卻階段：冷卻凝固，晶型轉(zhuǎn)變。陶瓷中產(chǎn)生氣孔原因及消除方法？

11、原因：陶瓷坯體壓實(shí)不足，存在較大孔洞，燒結(jié)過程無法消除；黏合劑添加量過高，在燒結(jié)過程中形成較大空隙；原料中含有低熔點(diǎn)、高蒸氣壓組分，在燒結(jié)過程中揮發(fā)，形成微孔洞。消除方法：選擇具有合適粒度分布的粉體；合理添加黏合劑；采用適當(dāng)?shù)某尚凸に嚕槐M量避免組分揮發(fā)；添加玻璃組分，進(jìn)行液相燒結(jié)；控制燒結(jié)溫度和時(shí)間，促進(jìn)晶體長大；采用熱壓燒結(jié)技術(shù)，可有效降低氣孔。第六章 思考題常用厚膜電路基板的材料和特點(diǎn)？單晶基片多晶基片常用厚膜導(dǎo)體材料及特點(diǎn)？厚膜導(dǎo)體與基板的附著機(jī)理？薄膜電路和厚膜電路在制造工藝上有何不同？第七章思考題薄膜材料制備方法主要有哪些？答：以蒸發(fā)沉積為基礎(chǔ)發(fā)展了電子束蒸發(fā)沉積、分子束外延薄膜生長

12、(MBE)、加速分子束外延生長；以載能束與固體相互作用為基礎(chǔ), 先后出現(xiàn)了離子束濺射沉積、脈沖激光濺射沉積(PLD)、強(qiáng)流離子束蒸發(fā)沉積、離子束輔助沉積(IBAD)、低能離子束沉積；以等離子體技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、磁控濺射沉積等。物理方法：真空蒸發(fā)沉積 磁控濺射法 離子束濺射沉積 脈沖激光沉積（PLD） 分 子束外延（MBE）化學(xué)方法：化學(xué)氣相沉積（CVD）溶膠凝膠法（SolGel法） 電沉積 液相外延（LPE） 化學(xué)束外延比較磁控濺射法與化學(xué)氣相沉積法的特點(diǎn)。所謂“濺射”就是荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。應(yīng)用這一現(xiàn)象將濺射出來的物質(zhì)沉積到基片或工作表面形成薄膜的方法稱為濺射（鍍膜）法。濺射過程是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，輝光放電產(chǎn)生于真空度為101Pa的稀薄氣體中的外加電壓的兩電極間。濺射原理：向高真空系統(tǒng)內(nèi)加入少量所需氣體（如氬、氧、氮等），氣體分子在強(qiáng)電場的作用下電離而產(chǎn)生輝光放電；氣體電離后產(chǎn)生的帶正電荷的離子受電場加速而形成等離子流，它們撞擊到設(shè)置在陰極的靶材表面上，使靶表面的原子飛濺出來，以自由原子的形式，或與反應(yīng)氣體分子形成化合物的形式，沉積到襯底表面形成薄膜層。（也稱陰極濺射法）薄膜成分、結(jié)構(gòu)檢測的主要方法有哪些？它們各有何特點(diǎn)？厚膜元件的