材料化学第5章材料的制备.ppt

Chapter 5 Preparation of Materials材料的制备材料的制备5/10/2024.主要内容主要内容v5.1 晶体生长技术晶体生长技术v5.2 气相沉积法气相沉积法v5.3 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法v5.4 液相沉淀法液相沉淀法v5.5 固相反应固相反应v5.6 插层法和反插层法插层法和反插层法v5.7 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法v5.8 非晶材料的制备非晶材料的制备材材料料制制备备化学合成化学合成工艺技术工艺技术5/10/2024.学习目的学习目的学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相关工艺过程。关工艺过程。了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。5/10/2024.5.1 晶体生长技术晶体生长技术v熔体生长法熔体生长法v溶液生长法溶液生长法5/10/2024.5.1.1 熔体生长法熔体生长法将欲生长晶体的原料熔化，然后将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到让熔体达到一定的过冷一定的过冷而形成单晶而形成单晶5/10/2024.5.1.1.1 提拉法提拉法(丘克拉斯基法，丘克拉斯基法，CZ法，法，Czochralski method)可以在短时间内生长大而无错位晶体生长速度快，单晶质量好适合于大尺寸完美晶体的批量生产提拉法单晶生长提拉法单晶生长5/10/2024.v控制晶体品质的主要因素：控制晶体品质的主要因素：固液界面的温度梯度固液界面的温度梯度生长速率生长速率晶转速率晶转速率熔体的流体效应熔体的流体效应4-inch的的LiNbO3单晶单晶5/10/2024.u自动提拉技术自动提拉技术1.供料器供料器feeder2.晶体生长室晶体生长室growth chamber3.坩埚坩埚crucible4.底加热器底加热器bottom heater5.气阀气阀gas valve6.熔面调校器熔面调校器melt-level regulator7.探头探头probe8.电脑电脑9.温度校正单元温度校正单元 temperature-correction blockCrystal-500 晶体生长炉晶体生长炉5/10/2024.开始阶段开始阶段径向生长阶段径向生长阶段垂直垂直生长阶段生长阶段晶体生长过程晶体生长过程5/10/2024.Crystal-500 Crystal-500 晶体生长炉得到的晶体晶体生长炉得到的晶体5/10/2024.v装有熔体的坩埚缓慢通装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液界面坩埚的移动，固液界面不断沿坩埚平移，至熔不断沿坩埚平移，至熔体全部结晶。体全部结晶。5.1.1.2 坩埚下降法坩埚下降法5/10/2024.坩埚下降法晶体生长示意图5/10/2024.坩埚下降法采用冷却棒的结晶炉示意图和理想的温度分布5/10/2024.5.1.1.3区熔法区熔法v狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶。v随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程，最后形成单晶棒。v有时也会固定加热器而移动原料棒。5/10/2024.区熔法水平区熔法示意图水平区熔法示意图5/10/2024.包含化合物生成的区熔法包含化合物生成的区熔法 CdTe单晶的合成单晶的合成 InP单晶的合成单晶的合成5/10/2024.100mm直径的直径的InP单晶及晶片单晶及晶片长长200mm、直径、直径75mm的未掺杂的未掺杂GaAs单晶及晶片单晶及晶片5/10/2024.料锤料锤1周期性地敲打装在料斗周期性地敲打装在料斗3里的粉末里的粉末原料原料2，粉料从料斗中逐渐地往下掉，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位置落到位置6处，由入口处，由入口4和入口和入口5进入的进入的氢氧气形成氢氧焰，将粉料熔融。熔体氢氧气形成氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶掉到籽晶7上，发生晶体生长，籽晶慢上，发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就慢慢增长。慢往下降，晶体就慢慢增长。能生长出很大的晶体（长达能生长出很大的晶体（长达1m）适用于制备高熔点的氧化物适用于制备高熔点的氧化物缺点是生长的晶体内应力很大缺点是生长的晶体内应力很大焰熔法生长宝石5.1.1.4 焰熔法焰熔法5/10/2024.焰熔法生长金红石金红石晶体焰熔法5/10/2024.5.1.1.5液相外延法液相外延法 v料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶衬底时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长衬底时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长为单晶薄膜。为单晶薄膜。v在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延不同成分的单晶薄膜。不同成分的单晶薄膜。5/10/2024.液相外延法液相外延系统示意图液相外延系统示意图5/10/2024.液相外延法优点：v生长设备比较简单；生长设备比较简单；v生长速率快；生长速率快；v外延材料纯度比较高；外延材料纯度比较高；v掺杂剂选择范围较广泛；掺杂剂选择范围较广泛；v外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；v成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；v操作安全。操作安全。缺点：v当外延层与衬底的晶格失配大于当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难；时生长困难；v由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料；v外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。5/10/2024.5.1.2 溶液生长法溶液生长法v主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。v过饱和途径：过饱和途径：利用晶体的溶解度随温度改变的特性，升高或降低利用晶体的溶解度随温度改变的特性，升高或降低温度而达到过饱和；温度而达到过饱和；采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。v介质：介质：水、熔盐（制备无机晶体）水、熔盐（制备无机晶体）丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）5/10/2024.v5.1.2.1 水溶液法水溶液法v原理：通过控制合适的原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶。饱和度，从而结晶。v制备单晶的关键：制备单晶的关键：消除溶液中的微晶；消除溶液中的微晶；精确控制温度。精确控制温度。5/10/2024.水溶液法制备的水溶液法制备的KH2PO3晶体（历时一年）晶体（历时一年）生长容器生长容器5/10/2024.5.1.2.2 水热法水热法 Hydrothermal Methodv水热法水热法在高压釜在高压釜中，通过对反应体系中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相汽压），创造一个相对高温、高压的反应对高温、高压的反应环境，使通常难溶或环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出到过饱和、进而析出晶体晶体5/10/2024.Classification水热法种类水热法种类水热氧化法水热沉淀法水热合成法水热分解水热晶化法5/10/2024.Application (1)Monocrystal GrowthApplication of Hydrothermal MethodMonocrystal Growth利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相变引起的物理缺陷体相变引起的物理缺陷5/10/2024.水热法生长的单晶水热法生长的单晶水热法生长单晶装置水热法生长单晶装置5/10/2024.杜邦用来生长杜邦用来生长KTP晶体的装置晶体的装置KTP单晶单晶5/10/2024.(2)Powder preparationl粉体晶粒发育完整；l粒径很小且分布均匀；l团聚程度很轻；l易得到合适的化学计量物和晶粒形态；l可以使用较便宜的原料；l省去了高温锻烧和球磨，从而避免了杂质和结构缺陷等。Powder Preparation5/10/2024.(3)Film PreparationFilm Preparationl可以在很低的温度下制取结晶完好的钙可以在很低的温度下制取结晶完好的钙钛矿型化合物薄膜或厚膜，如钛矿型化合物薄膜或厚膜，如BaTiO3、SrTiO3、BaFeO3等等5/10/2024.vHydrothermal synthesis5/10/2024.v孟凡君，孙爱娟，马厚义，茹淼焱，刘爱祥，刘海笑，刘宗林。单分散哑铃形氧化铁粒子的水热合成。山东大学学报(理学版),2005,40(2):108-111,116。5/10/2024.5.1.2.3 高温溶液生长法（熔盐法）高温溶液生长法（熔盐法）使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂使用液态金属或熔融无机化合物作为溶剂v常用溶剂：液态金属液态Ga（溶解As）Pb、Sn或Zn（溶解S、Ge、GaAs）KF（溶解BaTiO3）Na2B4O7（溶解Fe2O3）典型温度在典型温度在1000 C左右左右v利用这些无机溶剂有效地降低溶质的熔点，能生长其它方法不易制备的高熔点化合物，如钛酸钡BaTiO35/10/2024.v孟凡君，茹淼焱，刘爱祥，刘宗林，王新强，秦连杰。替代M-型钡铁氧体纳米粒子的微波吸收性能。无机化学学报,2002,18(10):1067-1070。5/10/2024.不发生化学反应物理气相沉积法 PVD化学气相沉积法 CVD发生气相化学反应5.2 气相沉积法气相沉积法5/10/2024.5.2.1 物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)Physical Vapor Deposition5/10/2024.阴极溅射法阴极溅射法离子镀法离子镀法电子轰击法电子轰击法电阻加热法电阻加热法二极直流溅射二极直流溅射高频溅射高频溅射磁控溅射磁控溅射反应溅射PVD法法PVD法的分类法的分类真空蒸镀真空蒸镀5/10/2024.PVD for preparing film materials5.2.1.1 真空蒸镀真空蒸镀Evaporation Depositionv真空条件下通过加热真空条件下通过加热蒸发某种物质使其沉蒸发某种物质使其沉积在固体表面；积在固体表面；v常用镀膜技术之一；常用镀膜技术之一；v用于电容器、光学薄用于电容器、光学薄膜、塑料等的镀膜；膜、塑料等的镀膜；v具有较高的沉积速率，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热可镀制单质和不易热分解的化合物膜。分解的化合物膜。5/10/2024.(1)Evaporation depostion电阻加热法5/10/2024.电子轰击法电子轰击法电子轰击法5/10/2024.阳极材料轰击法阳极材料轰击法阳极材料轰击法阳极材料轰击法薄膜材料为棒状或线状薄膜材料为块状或粉末状薄膜材料为块状或粉末状5/10/2024.蒸镀合金蒸镀合金 蒸镀合金的成份从不同金属同时蒸发，可能蒸镀合金的成份从不同金属同时蒸发，可能使个别金属蒸镀并经退火后形成合金。使个别金属蒸镀并经退火后形成合金。蒸镀合金蒸镀合金多重蒸镀源多重蒸镀源把合金当作单一来源使这些成份同时蒸发把合金当作单一来源使这些成份同时蒸发合金蒸镀源合金蒸镀源5/10/2024.v利用高能粒子轰击固体利用高能粒子轰击固体表面（靶材），使得靶表面（靶材），使得靶材表面的原子或原子团材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，获得能量并逸出表面，然后在基片（工件）的然后在基片（工件）的表面沉积形成与靶材成表面沉积形成与靶材成分相同的薄膜。分相同的薄膜。5.2.1.2 阴极溅射法（溅镀）阴极溅射法（溅镀）Sputtering Deposition5/10/202445.Equipment二极直流溅射二极直流溅射 Bipolar Sputtering适合导体材料适合导体材料5/10/2024.Equipment高频溅镀高频溅镀 RF Sputtering可用于绝缘体材料可用于绝缘体材料5/10/2024.v对于磁性膜的溅镀，可在溅射装置中附加与电场垂对于磁性膜的溅镀，可在溅射装置中附加与电场垂直的磁场，以提高溅射速度；直的磁场，以提高溅射速度；v通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。v磁控溅镀可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数磁控溅镀可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数量级，并具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致量级，并具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。密、均匀等优点。磁控溅镀磁控溅镀 magnetron sputtering5/10/2024.v蒸发物质的分子被电蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子子碰撞电离后以离子沉积在固体表面；沉积在固体表面；v是真空蒸镀与阴极溅是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合。射技术的结合。5.2.1.3 离子镀离子镀 ion plating5/10/2024.5/10/2024.Equipmentv特点特点附着力好（溅镀的特点）附着力好（溅镀的特点）高沉积速率（蒸镀的特点）高沉积速率（蒸镀的特点）绕射性绕射性良好的耐磨性、耐摩擦性、耐腐蚀性良好的耐磨性、耐摩擦性、耐腐蚀性5/10/2024.真空蒸镀、溅镀、离子镀的比较比较项目 真空蒸镀 溅镀 离子镀 压强（133Pa）10-510-6 0.150.02 0.020.005 粒子能量 中性 0.11eV 110eV 0.11eV 离子 数百到数千 沉淀速率（m/min）0.170 0.010.5 0.150 绕射性 差 较好 好 附着能力 不太好 较好 很好 薄膜致密性 密度低 密度高 密度高 薄膜中的气孔 低温时较多 少 少 内应力 拉应力 压应力 压应力 5/10/2024.5.2.2 化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVD）Chemical Vapor Depositionv通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的过程。的过程。5/10/2024.3.2.1.2 Chemical vapor deposition5/10/2024.(1)Principle of CVDTiBTiB2 2的合成的合成5/10/2024.Process of CVDCVD硅薄膜成长过程硅薄膜成长过程5/10/2024.5.2.2.1 CVD的种类的种类CVD热能热能CVD（Thermal CVD）等离子体增强等离子体增强CVD（PECVD）光化学光化学CVD（Photo CVD）CVD常压常压CVD（APCVD）低压低压CVD（LECVD）亚常压亚常压CVD（SA CVD）超高真空超高真空CVD（UH CVD）按反应能源按气体压力5/10/2024.Thermal CVDv利用热能引发化学反应利用热能引发化学反应v反应温度通常高达反应温度通常高达8002000v加热方式加热方式电阻加热器高频感应热辐射热板加热器。5/10/2024.(3)CVD reactor types Thermal CVD 反应器的类型5/10/2024.用于硅片外延生长的垂直冷壁式CVD装置5/10/2024.用于沉积金刚石的热用于沉积金刚石的热CVD装置装置5/10/2024.Plasma-enhanced CVDPlasma-Enhanced CVD(PECVD)v利用等离子体激利用等离子体激发化学反应，可发化学反应，可以在较低温度下以在较低温度下沉积沉积;v包含了化学和物包含了化学和物理过程。理过程。5/10/2024.PECVD system5/10/2024.等离子体种类：等离子体种类：v辉光放电等离子体（辉光放电等离子体（glow-discharge plasma）；）；使用高频电磁场（例如频率为使用高频电磁场（例如频率为2.45GHz的微波）的微波）v射频等离子体（射频等离子体（RF plasma）；）；使用使用13.56MHz的射频场的射频场v电弧等离子体（电弧等离子体（arc plasma）。）。低频率（约低频率（约1MHz）、高电功率（）、高电功率（120MW）5/10/2024.PECVD的优缺点的优缺点v优点：优点：工件的温度较低，可消除应力；工件的温度较低，可消除应力；同时其反应速率较高。同时其反应速率较高。v缺点缺点无法沉积高纯度的材料；反应产生的气体不易脱附；等离子体和生长的镀膜相互作用可能会影响生长速率。5/10/2024.5/10/2024.vVocabulary vepitaxial外延的vpassivation钝化vabrasion磨耗/磨蚀5/10/2024.PECVD应用实例应用实例5/10/2024.Photo CVDv利用光能使分子中的化学键断裂而发生化学反应，沉积出特定薄膜。v缺点是沉积速率慢，因而其应用受到限制5/10/2024.Equipment of PHCVDPHCVD 设备 5/10/2024.CVD技术中使用激光：技术中使用激光：vThermal-Laser CVD利用激光产生的热理论上热CVD沉积的材料都可以用热激光CVD沉积。vPhoto-laser CVD利用激光的光能是PHCVD的一种5/10/2024.Photo-laser CVD装置结构图5/10/2024.v常压下进行沉积v扩散控制v沉淀速度快v易产生微粒v设备简单常压化学气相沉积法（常压化学气相沉积法（APCVD）Atmospheric Pressure CVD5/10/2024.用于沉积SiO2的连续冷壁式常压CVD反应器5/10/2024.v沉积压力低于100torrv表面反应控制v可以沉积出均匀的、覆盖能力较佳的、质量较好的薄膜v沉淀速度较慢v需低压设备低压化学气相沉积法（低压化学气相沉积法（LPCVD）Low Pressure CVD5/10/2024.Low pressure CVD热壁式LPCVD示意图5/10/2024.Low pressure CVD5/10/2024.Equipment of LPCVDLPCVD设备 5/10/2024.5.2.2.2 CVD的化学反应类型的化学反应类型 Reaction Type in CVDv热分解；热分解；v氢还原；氢还原；v卤化物的金属还原；卤化物的金属还原；v氧化和水解；氧化和水解；v碳化和氮化。碳化和氮化。5/10/2024.氢化物热分解：氢化物氢化物M-H键的离键的离解能、键能都比较解能、键能都比较小，热解温度低；小，热解温度低；唯一副产物是没有唯一副产物是没有腐蚀性的氢气腐蚀性的氢气热分解反应热分解反应thermal-decomposition5/10/2024.卤化物热分解卤化物热分解羰基化合物热分解羰基化合物热分解5/10/2024.Heat decomposition烷氧化物热分解烷氧化物热分解金属有机化合物与氢化物体系的热分解金属有机化合物与氢化物体系的热分解5/10/2024.反应温度较低反应温度较低广泛应用于过渡金属从其卤化物中沉积出来广泛应用于过渡金属从其卤化物中沉积出来非金属元素（如硅和硼）卤化物的氢还原非金属元素（如硅和硼）卤化物的氢还原半导体和高强度纤维制造半导体和高强度纤维制造氢还原反应氢还原反应Hydrogen Reduction5/10/2024.金属还原反应金属还原反应Metal Reductionv利用金属蒸气还原卤化物利用金属蒸气还原卤化物v考虑因素：考虑因素：金属沸点卤化物副产物沸点金属还原性5/10/2024.氧化反应氧化反应Oxidationv是CVD沉积氧化物的重要反应v氧化剂可采用氧气或二氧化碳、臭氧5/10/2024.水解反应水解反应hydrolysis ReactionCVD沉积氧化物的另一个重要反应沉积氧化物的另一个重要反应5/10/2024.碳化和氮化碳化和氮化Carbidization and Nitridation5/10/2024.5.2.2.3 化学气相输运化学气相输运Chemical Vapour Phase Transportv在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，然后在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，然后改变条件使原来的材料重新形成。改变条件使原来的材料重新形成。v用途：用途：材料的提纯单晶的气相生长薄膜的气相沉积新化合物的合成。5/10/2024.金属铂的输运沉积：ZnSe的输运沉积（含两种挥发性中间体）：Cu和Cu2O的分离(attention:second equation different from that in book)：5/10/2024.新化合物的合成：新化合物的合成：例1：亚铬酸镍NiCr2O4的制备把原来固态与固态之间的反应转变成气态与固态的反把原来固态与固态之间的反应转变成气态与固态的反应，反应速度因气态的高迁移性而大大提高。应，反应速度因气态的高迁移性而大大提高。5/10/2024.例例2：硫化铝：硫化铝Al2S3的制备的制备利用气相输运把一个反应的固态产物变成气态以便移利用气相输运把一个反应的固态产物变成气态以便移走，从而促进反应的进行。走，从而促进反应的进行。5/10/2024.5.2.2.4 CVD的优缺点的优缺点vAdvantage of CVD不存在沉积视线阴影，可以对复杂的三维工件进行沉积镀不存在沉积视线阴影，可以对复杂的三维工件进行沉积镀膜。膜。具有高的沉积速度，并可获得厚的涂层（有时厚度可达厘具有高的沉积速度，并可获得厚的涂层（有时厚度可达厘米级）；米级）；大于大于99.9%之高密度镀层，有良好的真空密封性；之高密度镀层，有良好的真空密封性；沉积的涂层对底材具有良好的附着性；沉积的涂层对底材具有良好的附着性；可在相当低的温度下镀上高熔点材料镀层；可在相当低的温度下镀上高熔点材料镀层；可控制晶粒大小与微结构可控制晶粒大小与微结构CVD设备通常比设备通常比PVD简单、经济。简单、经济。5/10/2024.vDisadvantage of CVD反应需要挥发性化合物，不适用于一般可电镀的金反应需要挥发性化合物，不适用于一般可电镀的金属，因其缺少适合的反应物，如：锡、锌、金；属，因其缺少适合的反应物，如：锡、锌、金；需可形成稳定固体化合物的化学反应，如：硼化物、需可形成稳定固体化合物的化学反应，如：硼化物、氮化物及硅化物等；氮化物及硅化物等；因有剧毒物质的释放，腐蚀性的废气及沉积反应需因有剧毒物质的释放，腐蚀性的废气及沉积反应需适当控制，需要封闭系统；适当控制，需要封闭系统；某些反应物价格昂贵；某些反应物价格昂贵；反应物的使用率低，反应常受到沉积反应平衡常数反应物的使用率低，反应常受到沉积反应平衡常数的限制。的限制。5/10/2024.5.3 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 Sol-Gel Processv溶胶溶胶(Sol)纳米级（纳米级（1100nm）固体颗粒在）固体颗粒在适当液体介质中形成的稳定分散体系适当液体介质中形成的稳定分散体系v凝胶凝胶(Gel)溶胶失去部分介质液体所形成的溶胶失去部分介质液体所形成的产物产物v溶胶溶胶-凝胶法凝胶法通过凝胶前驱体的水解缩合制通过凝胶前驱体的水解缩合制备金属氧化物材料的湿化学方法。备金属氧化物材料的湿化学方法。5/10/2024.5.3.1 溶胶溶胶-凝胶法的基本原理凝胶法的基本原理无机盐或金属醇盐溶液溶胶凝胶溶解水解、缩合陈化后处理5/10/2024.HydrolysisCondensationamorphous5/10/2024.TiO2的合成：的合成：SiO2的合成：的合成：实例实例5/10/2024.酸催化机理酸催化机理酸催化条件下通常得到线形或带无规支链的缩聚产物5/10/2024.碱催化机理碱催化机理碱催化条件下较容易形成交联网络状的产物5/10/2024.5.3.2溶胶凝胶法的应用溶胶凝胶法的应用Application of Sol-Gel Process制备颗粒材料制备颗粒材料制备纤维材料制备纤维材料制备表面涂膜制备表面涂膜制备块状材料制备块状材料制备复合材料制备复合材料5/10/2024.5/10/2024.5.3.2.1 制备颗粒材料制备颗粒材料利用沉淀、喷雾热分解或乳液技术等手段可以从利用沉淀、喷雾热分解或乳液技术等手段可以从溶胶制备均匀的无机颗粒溶胶制备均匀的无机颗粒凝胶热处理，凝胶热处理，可可得到较少团聚的超细粉末得到较少团聚的超细粉末利用超临界干燥技术把溶剂移去，可制备气凝胶利用超临界干燥技术把溶剂移去，可制备气凝胶Mg(OCH3)2Al(OCH2CH2CH2CH3)3无定形凝胶无定形凝胶混合、水解、缩合、干燥混合、水解、缩合、干燥尖晶石细颗粒尖晶石细颗粒(MgAl2O4)250热处理热处理实例实例5/10/2024.5.3.2.2 制备纤维材料制备纤维材料Sol-Gel法制备法制备Al2O3-SiO2（SiO2的重量百分含的重量百分含量为量为0%15%）陶瓷纤维，其杨氏模量达）陶瓷纤维，其杨氏模量达150GPa以上以上离心喷出法制备的离心喷出法制备的Al2O3-SiO2耐热纤维是短纤耐热纤维是短纤维，而维，而Sol-Gel法得到长纤维法得到长纤维v制备纤维关键：控制成纤溶胶粘度（10100 Pas）形成线形分子链的缩聚中间体（酸催化）5/10/2024.5.3.2.3 制备表面涂膜制备表面涂膜v将溶液或溶胶通过浸渍法或转盘法在基板上形将溶液或溶胶通过浸渍法或转盘法在基板上形成液膜，经凝胶化后通过热处理可转变成无定成液膜，经凝胶化后通过热处理可转变成无定形态形态(或多晶态或多晶态)膜或涂层。膜或涂层。v主要是制备减反射膜、波导膜、着色膜、电光主要是制备减反射膜、波导膜、着色膜、电光效应膜、分离膜、保护膜、导电膜、敏感膜、效应膜、分离膜、保护膜、导电膜、敏感膜、热致变色膜、电致变色膜等。热致变色膜、电致变色膜等。5/10/2024.5.3.2.4 制备块状材料制备块状材料v制备具有在较低温度下形成各种复杂形状并致制备具有在较低温度下形成各种复杂形状并致密化的块状材料。密化的块状材料。v主要的应用领域主要的应用领域光学透镜梯度折射率玻璃透明泡沫玻璃等v可制备一般方法难以得到的块状材料可制备一般方法难以得到的块状材料。Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)复合钙钛矿型材料：一般烧结温度：1600C以上 Sol-Gel法烧结温度：1000C左右5/10/2024.5.3.2.5 制备复合材料制备复合材料v可以把各种添加剂、功能有机物或分子、晶种均匀地分散在凝胶基质中，经热处理致密化后，此均匀分布状态仍能保存下来，使材料能更好地显示出复合材料特性。5/10/2024.例：例：Sol-Gel法制备感光型有机法制备感光型有机无机杂化无机杂化(hybrid)体系体系5/10/2024.5.3.3溶胶凝胶法的优点和弱点溶胶凝胶法的优点和弱点vAdvantage:易获得分子水平的均匀性；容易实现分子水平上的均匀掺杂；制备温度较低；选择合适的条件可以制备各种新型材料。vDisadvantage:原料价格比较昂贵；通常整个溶胶凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周。凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。5/10/2024.5.4 液相沉淀法液相沉淀法 Liquid-phase Precipitation v直接沉淀法直接沉淀法v共沉淀法共沉淀法v均匀沉淀法均匀沉淀法v水解法水解法在原料溶液中添加适当的沉淀剂，在原料溶液中添加适当的沉淀剂，从而从而形形成沉淀物成沉淀物5/10/2024.5.4.1 直接沉淀法直接沉淀法 Direct precipitation在金属盐溶液中直接加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。常见的沉淀剂为NH3H2O、NaOH、(NH4)2CO3、Na2CO3、(NH4)2C2O4等。特点：特点：操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒径分布较宽，分散性较差。5/10/2024.5.4.2 共沉淀法共沉淀法Coprecipitationv在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，在各成分均一混合后，使金属离子完全沉淀，得到沉淀物再经热分解而制得微小粉体的方法。v可获得含两种以上金属元素的复合氧化物BaCl2+TiCl4BaTi(C2O4)34H2O沉淀BaTiO3晶体超细粉H2C2O4溶液过滤过滤洗涤洗涤热分解热分解5/10/2024.共沉淀法特点共沉淀法特点v可避免引入对材料性能不利的有害杂质；v生成的粉末具有较高的化学均匀性，粒度较细，颗粒尺寸分布较窄且具有一定形貌；v设备简单，便于工业化生产。5/10/2024.5.4.3 均匀沉淀法均匀沉淀法 Homogeneous Precipitationv沉淀剂由化学反应缓慢地生成v避免沉淀剂浓度不均匀v可获得粒子均匀、夹带少、纯度高的超细粒子v沉淀剂：沉淀剂：尿素合成氧化物、碳酸盐硫代乙酰胺合成硫化物硫代硫酸盐合成硫化物5/10/2024.均匀沉淀法合成纳米氧化锌均匀沉淀法合成纳米氧化锌Examples尿素加热分解：CO(NH2)2+3H2O CO2+2NH3H2O沉淀反应：Zn2+2NH3H2O Zn(OH)2+2NH4+热处理：Zn(OH)2 ZnO+H2O工艺流程工艺流程尿素尿素+硝酸锌硝酸锌溶解溶解加热反应加热反应分离、洗涤分离、洗涤干燥干燥煅烧煅烧产品产品5/10/2024.均匀沉淀法合成碳酸铅均匀沉淀法合成碳酸铅Examples尿素加热分解：CO(NH2)2+4H2O H2CO3+2NH3H2O沉淀反应：Pb2+H2CO3 PbCO3+2H+工艺流程工艺流程尿素尿素+硝酸铅硝酸铅 溶解溶解 加热反应加热反应 分离、洗涤分离、洗涤 干燥干燥 产品产品5/10/2024.均匀沉淀法合成硫化物均匀沉淀法合成硫化物Examples硫化氢的生成:沉淀反应:5/10/2024.5.5 5.5 固相反应固相反应 Solid Phase Reaction Solid Phase Reactionv狭义：固相反应一般是指固体与固体间发生化学反应生成新的固相产物的过程。v广义：凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应，例如：固体的热分解、氧化固体的热分解、氧化固体与固体的化学反应固体与固体的化学反应固体与液体之间的化学反应固体与液体之间的化学反应5/10/2024.5.5.1 固相反应分类固相反应分类v按反应物质状态分类按反应物质状态分类纯固相反应有气体参与的反应（气固相反应）有液相参与的反应（液固相反应）有气体和液体参与的三相反应（气液固相反应）。5/10/2024.v按反应机理分类按反应机理分类扩散控制过程化学反应速度控制过程晶核成核速率控制过程升华控制过程等等。v反应性质分类反应性质分类氧化反应还原反应加成反应置换反应分解反应5/10/2024.5.5.2 固相反应的特点固相反应的特点v固态直接参与化学反应。v固态反应一般包括相界面上的反应和物质迁移两个过程，反应物浓度对反应的影响很小，均相反应动力学不适用。v反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔温度。这一温度与反应物内部开始呈现明显扩散作用的温度相一致，常称为泰曼温度或泰曼温度或烧结开始温度烧结开始温度。5/10/2024.烧结温度烧结温度Ts与其熔点与其熔点Tm的近似关系：的近似关系：金属粉末Ts(0.30.4)TM无机盐类Ts0.57TM硅酸盐类Ts(0.80.9)TM5/10/2024.5.5.3 固相反应的过程和机理固相反应的过程和机理v热力学因素热力学因素纯固相反应：S0G=H+TSH自发进行条件G0 H0能进行的纯固相反应总是放热反应能进行的纯固相反应总是放热反应5/10/2024.v动力学因素动力学因素固体之间反应主要是通过扩散进行反应速率受扩散控制升温有利于增加扩散速率热力学判断反应能否发生；热力学判断反应能否发生；动力学因素则决定反应进行的速率。动力学因素则决定反应进行的速率。5/10/2024.反应机理反应机理反应前反应过程5/10/2024.5.5.4 影响固相反应的因素影响固相反应的因素v固相反应过程涉及相界面的化学反应和相内固相反应过程涉及相界面的化学反应和相内部或外部的物质扩散等多个环节。部或外部的物质扩散等多个环节。v热力学因素：热力学因素：化学组成化学组成反应活性反应活性v动力学因素：动力学因素：反应物形态反应物形态反应物间的比例反应物间的比例反应条件反应条件5/10/2024.5.5.4.1 反应物化学组成与结构的影响反应物化学组成与结构的影响vG的负值愈大，反应的推动力也愈大v各反应物间的比例影响产物层温度、反应物表面积和扩散截面积的大影响产物层温度、反应物表面积和扩散截面积的大小，从而影响反应速度小，从而影响反应速度v反应物的结构状态、质点间的化学键性质以及缺陷浓度都将对反应速率产生影响轻烧轻烧Al2O3：Al2O3向向反应活性反应活性较高较高的的 Al2O3转变转变5/10/2024.5.5.4.2 反应物颗粒尺寸及分布的影响反应物颗粒尺寸及分布的影响v反应速率常数值反比于颗粒半径平方反应速率常数值反比于颗粒半径平方物料颗粒尺寸愈小，比表面积愈大，反应界面和扩散截面增加，反应产物层厚度减少，使反应速度增大。颗粒尺寸分布越是均一对反应速率越是有利。5/10/2024.v同一反应物系由于物料尺寸不同，反应速度可能同一反应物系由于物料尺寸不同，反应速度可能会属于不同动力学范围控制。会属于不同动力学范围控制。例：例：CaCO3与与MoO3在在600等摩尔反应等摩尔反应若若CaCO3颗粒大于颗粒大于MoO3，反应属扩散控制，反应属扩散控制，CaCO3颗粒减少则反应速度加大。颗粒减少则反应速度加大。若若CaCO3过量且颗粒度小于过量且颗粒度小于MoO3时，反应将由时，反应将由MoO3升华过程所控制升华过程所控制5/10/2024.5.5.4.3反应温度、压力与气氛的影响反应温度、压力与气氛的影响v温度升高有利于反应进行。温度升高有利于反应进行。增加反应速率：增加扩散速率通常通常Q GR，所以化学反应对温度更敏感，所以化学反应对温度更敏感5/10/2024.v压力影响：压力影响：对于纯固相反应，压力的提高可显著地改善粉料颗粒之间的接触状态，如缩短颗粒之间距离，增加接触面积等并提高固相反应速率。对于有液相、气相参与的固相反应，扩散过程主要不是通过固相粒子直接接触进行的。因此提高压力有时不利于反应进行。v气氛影响：气氛影响：通过改变固体吸附特性而影响表面反应活性。对于一系列能形成非化学计量的化合物如ZnO、CuO等，气氛可直接影响晶体表面缺陷的浓度、扩散机制和扩散速度。5/10/2024.5.5.4.4 矿化剂的影响矿化剂的影响v矿化剂：在反应过程中不与反应物或反应产物矿化剂：在反应过程中不与反应物或反应产物起化学反应，但可以不同的方式和程度影响反起化学反应，但可以不同的方式和程度影响反应的某些环节。应的某些环节。改变反应机制降低反应活化能；改变反应机制降低反应活化能；影响晶核的生成速率；影响晶核的生成速率；影响结晶速率及晶格结构；影响结晶速率及晶格结构；降低体系共熔点，改善液相性质等。降低体系共熔点，改善液相性质等。5/10/2024.v例：例：Na2CO3和Fe2O3反应体系加入NaCl，可使反应转化率提高约1.51.6倍之多在硅砖中加入13Fe2O3+Ca(OH)2作为矿化剂，可得到更多-鳞石英。氧化铝陶瓷中加入少量氧化镁为矿化剂，以抑制晶粒异常长大，防止抗折强度的降低。水泥熟料烧成中加入矿化剂能达到改善生料易烧性、提高熟料的产量、质量、降