材料合成与加工.doc

名词解释：
胶体：一种分散相粒经很小的分散体系，分散相粒子的质量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
溶胶：具有液体特征的胶体体系，是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。
凝胶：具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网络骨架，骨架孔隙中充满液体或气体，凝胶中分散相含量很低，一般为1％～3％。
溶胶－凝胶法：采用具有高化学活性的含材料成分的液体化合物为前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解，缩聚反应，通过抑制各种反应条件，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化，胶粒间缓慢聚合形成了三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，再经低温干燥，脱去其间溶剂形成多孔凝胶，再经烧结制备出材料。
水解度：盐类的水解到达平衡时，已水解的盐的分子数与溶解在溶液中的盐的分子总数的比
老化时间：凝胶发生到凝胶干燥前的这段时间
水热法：在特制的密闭反应器中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度，在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种方法。
原位结晶：当选用常温常压下不可溶的固体粉末，凝胶或沉淀为前驱物时，如果前驱物和晶相的溶解度相差不是很大时，或者溶解－结晶的动力学速度过慢，则前驱物可以经过脱去羟基（或脱水），原子原位重排而转变为结晶态。
溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒，采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化，易水解或对水敏感的材料。
离子独立运动规律：在无限稀释电解质溶液中，阴阳离子彼此独立互不干扰。
阳极效应：指端电压急剧升高，电流则强烈下降，同时，电解质与电极之间呈现湿润不良现象，电解质好像被一层气体膜隔开似的，电极周围还出现细微火花放电的光圈
电极电位：将一金属电极浸入到具有该金属离子的电解质溶液中，在金属和溶液的界面处就产生电位差，通常称为电极电位。
浓度差电位: 由于电解过程中电极上发生了化学反应，消耗了电解液中的有效成分，使得电极附近电解液的浓度和远离电极的电解液的浓度（本体浓度）发生差别所造成。
石墨层间化合物：一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入石墨间，和碳素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。
时空产率：单位体积的电解槽在单位时间内所得的产物量。
化学气相沉积：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。
化学输运反应沉积：把所需要沉积的物质作为源物质，使其与适当的气体介质发生反应并形成一种气态化合物。这种气态化合物经化学迁移或物理载带而运输到与源区温度不同的沉积区，再发生逆向反应生成源物质而沉积出来，这样的沉积过程称为化学输运反应沉积。
边界层： 流体及物体表面因流速、浓度、温度差距所形成的中间过渡范围。
金属有机化学气相沉积：一种利用低温下易分解和挥发的金属有机化合物作为源物质进行化学气相沉积的方法
等离子体增强化学气相沉积：在低真空的条件下，利用硅烷气体、氮气（或氨气）和氧化二氮，通过射频电场而产生辉光放电形成等离子体，以增强化学反应，从而降低沉积温度的方法
定向凝固：在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。
区域熔化液态金属冷却法：采用高频电磁场加热固态金属，将电磁区域与液态金属冷却相结合 （当合金液浇入铸型后，按选择的速度将铸件拉出炉体浸入金属浴，液态金属冷却剂要求熔点低、沸点高、热容量大和导热性好。）
电磁约束成形定向凝固：利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的无坩埚熔炼，无铸型，无污染定向凝固成形。
连续定向凝固技术：通过加热结晶器模型到金属熔点温度以上，铸型只能约束金属液相的形状，金属不会在型壁表面凝固。
连续缓冷法：连续缓冷法（SRS）：加热器以恒定速度上移（V=30mm/h），之后加热器下移二次熔化一部分长大的晶体并保持一段时间。这种移动持续进行，直到凝固完成，有效传热速率Veff=14mm/h

低热固相反应：在室温或接近室温的条件下，固相化合物之间进行的化学反应。
固配化合物：只能稳定的存在于固相中，遇到溶剂后不能稳定存在而转变为其他产物，无法得到它们的这类晶体的配合物
配合物的几何异构现象：金属配合物中，由于中心离子和配体的的相对几何位置不同所引起的异构现象。
烧结：陶瓷生坯在高温下的致密化过程的总称。
固相烧结：松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作过程。
热压烧结：在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。
反应热压烧结：在烧结传质过程中，除利用表面自由能下降和机械作用力推动外，再加上一种化学反应能作为推动力或激活能，以降低烧结温度。
热等静压：对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。
自蔓延高温合成：利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全。
常规SHS技术：用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术。
热爆SHS技术：将反应混合物压坯体整体同时快速加热，使合成反应在整个坯体内同时发生的技术。
施压滞后时间：SHS过程结束到压制过程开始的时间间隔
SHS涂层：在金属基体上预置成分呈梯度变化的涂层物料，然后在致密条件下局部点火引燃化学反应，利用放出的热使反应持续进行，同时使基体金属表面短时间内高温熔化，涂层与基体金属间通过冶金结合而获得高黏结强度的梯度涂层。
等离子体：电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。
等离子体烧结技术：通过将特殊电源控制装置发生的on-off滞留脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所起的烧结促进作用外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。
高温等离子体：等离子体中，粒子的激发或是电离主要是通过碰撞实现，当压力大于1.33*10^4pa时，气体密度较大，电子撞击分子，电子的能量被气体吸收，电子的温度和气体的温度几乎相等，处于热力学平衡状态。
低温等离子体：压力小于1.33*10^4pa时，气体密度减小，气体被撞击的概率减少，气体吸收电子的能量减少，气体吸收电子的能量减少，电子温度相对较高，气体温度相对较低，电子与气体处于非平衡状态。
填空
1 溶胶的形成可以通过 _浓缩法__ 或 _分散法__ 两种方法获得
2 溶胶的凝胶过程包括 _脱水凝胶化__ 和 _碱性凝胶化__ 两类
3 溶胶稳定机制中，增加粒子间能垒的三个基本途径是 _使胶粒表面带电__ ，_利用空间位阻效应__ ， _利用溶剂化效应__ 。
4 搅拌器的种类有 _电力搅拌器__ 和 _磁力搅拌器__ 。
5 溶胶凝胶法中固化处理分为 _干燥__ ， _热处理__ 。
6 水热生长体系中，晶粒形成机制有 _均匀溶液饱和析出机制__ ，_溶解－结晶机制__ ， _原位结晶机制__，
8 影响水热与溶剂热合成反应的因素有 _温度__ ， _压强__ ，_PH值__ ，_反应时间__ ，_杂质__ ，
9 晶体成核可分为 __均态成核_ 和 __非均态成核_ 。
7 水热与溶剂热合成的基本设备是 _高压釜__ ，其内衬有 _化学惰性__ 材料
10 高压釜按密封方式分为 _自紧式高压釜__ 和 _外紧式高压釜__ 。
11 水热法可制备 _超细微粒__ ， _微孔材料__ ， _无机膜__ ， __单晶_ ， _非晶态__ 等材料
12 电极极化产生的过电位可分为 浓差过电位__ ， _电阻过电位__ ， __活化过电位_ 。
13 根据产物隔离的方法，现代氯碱技术可分为 _隔膜法__ ， _离子膜法__ ， _水银法__ 。
14 界面层电荷按形成机理分主要有三种类型 _界面两侧之间的电荷转移__ ， _离子特性吸附形成分布于溶液一侧的电荷层__ ， _偶极子的定向排列__ 。
15 影响过电位的因素 _电极材料__ ， _电流密度__ ， _析出物质的形态__ 。
16 电极过程可分为 _金属电极过程__ ， _气体电极过程__ ， _电解氧化还原过程__ 三类
17 依结构与功能的不同，隔离器大致分为 ： _隔板__ ，_离子交换膜__ ，_多孔隔离器和隔膜__ 三种类型
18 依据结构不同，电解槽可分为 _箱式电解槽__ ，_压滤机式或板框式电解槽__ ，_特殊结构的电解槽__ 。
19 影响电解合成的主要因素有 _分解电压__ ， _电流密度__ ， _电极材料__ ，_电解液__ ，_电解温度等__ 。
20 任何流体的传递或运输现象，都会涉及到 _质量__ ， _能量__ ，_热量__ 的传递现象。
21 在CVD动力学中，当反应温度较低时，CVD为 __表面反应限制_ 控制，而当温度较高时，则为 _扩散限制__ 所控制。
22 化学气相沉积中，不希望反应气体以 _湍流__ 方式流动，而希望以 __层流_ 方式流动，使稳定性提高。
23 热能的传递主要有 _传导传热__ ，_对流传热__ ， _辐射传热__ 三种方式。
24 在化学气相沉积中，气压越低，则分子平均自由程越 _大__ ，分子之间的质量传输速度越 _快__ 。
25 传统定向凝固技术有 _发热剂法__ ，_功率降低法__ ， _高速凝固法__ ，_液态金属冷却法__ ，_液态床冷却法__ 。
26 定向凝固技术工艺参数包括 _温度梯度Gl__ ，_凝固速率R__ ，_Gl/R值__ 。
27 在正的温度梯度下，晶体以 _平面__ 方式向前生长，在负的温度梯度下，晶体以 _树枝晶__ 方式生长。
28 在定向凝固中，晶体生长方向和热流方向 _平行且相反__ 。
29 柱状晶包括 __柱状树枝晶_ 和 __胞状柱晶_ ，衡量柱晶组织的标志有 _取向分散度__ 和 _枝晶臂间距__ 。
30 延伸固体按连续的化学键作用的空间分布可分为 _一维__ ，_二维__ 和 _三维__ 固体。
31 固相化学反应根据反应温度可分为 _低热固相反应__，_中热固相反应__ 和 _高热固相反应__ 。
32 Kaupp等通过原子力显微镜观察有机固相反应，提出了三步反应机理 _相重建__，_相转变__，_晶体分解或分离__。
33 我国学者 忻新泉探讨了低热固相反应机理，提出低热固相反应为 _扩散__ ，_反应__，_成核__，_产物晶粒生长__ 四个过程。
34 在延伸固体和分子固体中，固相反应活性与结构间的关系为 _零维结构__ > 一维结构___ > _二维结构__ > _三维结构__。
35 目前已知的六类非线性光学材料，即_无机氧化物及含氧酸盐__，半导体__，_有机化合物__，_有机聚合物__，_金属有机化合物__，_配位化合物__。
36 坯体烧结后在宏观上的变化是：_体积收缩__，_致密度提高__，_强度增加__ 烧结程度可以用 _坯体收缩率__ ，_气孔率__ 或 _体积密度与理论密度之比_ 等来表征。
37 固相烧结的主要传质方式有 _蒸发-凝聚__，_扩散传质__，_黏滞流动和塑性流动__ 、 _溶解_和_沉淀__ 。
38 粉末粒度按越粗，比表面越 _小__ ，本证表面能驱动力越 __小_ ， 反之，粒度越细，本征表面能驱动力就越 __大_ 。
39 热压烧结低温阶段主要以 _表面__ 扩散为主，高温阶段以 _体积__ 扩散为主，烧结体的致密化过程主要发生在 _高温__ 阶段。
40 决定烧结致密化速率主要有三个参数 _颗粒起始粒径__ ， _黏度__ ，_表面张力__ 。
41 在固液两相系统中，液相量占多数且液相粘度较低时，烧结传质以 __黏流性_ 流动为主，而当固相量占多数或黏度较高时，则以 _塑性__ 流动为主。
42 三个直接影响热压烧结的因素是 _烧结温度__ ，__时间_ ，_物料粒度__ 。
43 SHS技术面临的最大问题是 _合成过程难以控制__ 。
44 根据SHS反应模式，自蔓延高温合成技术分为 _SHS促进法__ 和 _SHS抑制法__ 。
45 在固固反应的自蔓延高温合成种，影响合成转化率的主要因素有 _预加热温度和颗粒大小__ ，固气反应的自蔓延高温合成中，主要因素为 _初始料坯的空隙率__ 和 _气体分压__ 。
46 根据加压的方式不同，可将SHS加压致密化分为 _气压致密化技术__ ，_等静压致密化技术__ ，_锻压密实化技术__ ， _爆炸冲击加载法__ 和 _机械加压密实化技术__ 。
47 SHS/QP技术总的主要控制参数有 _施压滞后时间__ ， _压力大小__ ， _保压时间__ 。
48 SHS铸造技术有 _熔铸铸造工艺__ 和 _离心铸造工艺__ 两种工艺
49 等离子体通常是由 _电子__ ， _离子__ ，_原子__ 和 _自由基__ 等粒子组成的集合体
50 在等离子体烧结工艺参数中， _烧结温度__ 和 _保温时间__ 对烧结体微观组织的影响最为显著。 _升温速率__ 次之，_压力__ 对微观组织的影响 最小
51 SPS烧结中，导电材料和非导电材料存在不同的烧结机理，导电粉体中存在 _焦耳效应_ 和 _脉冲放电效应__ ，而非导电粉体中主要源于模具的 _热传导_ 。
52 在高温等里字体中，电子温度 _低于__ 气体温度，在低温等离子体中，电子温度 _高于__ 气体温度。

问答题
1 与水热法相比，溶剂热法具有什么优点。
答：优点（1） 有机溶剂中的反应能抑制产物的氧化或水中氧的污染 （2）非水溶剂的采用使原料选择范围扩大 （3）在有机溶剂条件下有利于产物的结晶 （4）反应物的单元结构可保留到产物中且不被破坏，官能团与反应物或产物反应生成新的材料 （5） 为人们认识化学反应的实质和晶体生长的特性提供了线索
2 简述水热与溶剂热合成化学特点
答： ①在水热与溶剂热条件下，反应物性能的改变，活性的提高，使其不但可以降低反应温度，而且可以代替部分固相反应和完成一些其他制备方法难以进行的反应。②在水热与溶剂热法条件下，存在着溶液的快速对流与溶质的有效扩散，且多数反应物能溶于水或非水溶媒，使反应在液相或气相的快速对流中进行，溶液、低温、等压环境有利于生长极少缺陷、热应力小、完美的晶体，并能均匀地进行掺杂以及易于控制产物晶体的粒度 ③由于水热与溶剂热合成始终在密闭高压釜中进行，可通过控制反应气氛（溶液组分、温度、压力、矿化剂、PH等）而形成合适的氧化还原环境，使其能合成、开发出一系列介稳结构、特种凝聚态与聚集态的新物质 ④水热与溶剂热合成的密闭条件有利于进行那些对人体健康有害的有毒反应，尽可能减少环境污染 ⑤水热与溶剂热合成体系一般处于非理想非平衡状态，因此，应该用非平衡热力学研究合成化学问题 ⑥水热与溶剂热合成的可操作性和可调变，将使其成为衔接合成化学和合成材料的物理性质之间的桥梁
3 简述溶胶-凝胶制备陶瓷粉体材料的优点
答： ①设备简单 ②容易在大块试样表面上涂覆涂层 ③可以获得小尺寸（纳米级）氧化物颗粒 ④涂层的均匀度高 ⑤易制备多组分均匀氧化物涂层
4 电极上产生超电位的原因有那些？影响超电位的因素？
答 原因：①浓差过电位 ②电阻过电位 ③活化过电位
影响因素：电极材料、电极间距、电解液温度、浓度、PH等
5 简述化学气相沉积法制备无机材料所具有的优点
答： ①沉积反应如在气固界面上发生则沉淀物将按照原有固态基底（衬底）的形状包覆一层薄膜 ②涂层的化学成分可以随气相组成的改变而改变，从而获得梯度沉积物或得到混合镀层 ③采用某种基底材料，沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具 ④在CVD技术中也可以沉积生成晶体或细粉状物质 ⑤CVD工艺是在较低压力和温度下进行的，不仅用来增密炭基材料，还可以增强材料断裂强度和抗震性。
6 简述影响化学气相沉积制备材料质量的几个主要因素
答： ①反应混合物的供应 ②沉积温度 ③衬底材料 ④系统内总压和气体总流速 ⑤反应系统装置的因素 ⑥原材料的纯度
7 简述获得定向凝固柱状晶的基本条件
答： ①合金凝固时热流方向必须是定向的 ②保证定向散热，绝对避免侧面型壁生核长大，长出横向新晶体 ③添加适当的合金元素或添加物，使形核剂失效
8 简述热压法的优缺点
答：优点 ①热压时，由于粉体处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，因此，所需的成形压力仅为冷压法的1/10，可以成形大尺寸的 Al2O3、BeO、BN和TiB2等产品。②由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。③热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应，容易得到具有良好机械性能好、电学性能的产品。④能生产形状较复杂性、尺寸较精确的产品。
缺点：生产率低、成本高。
9 固相烧结中，少量添加剂为什么能促进烧结？
答： ①在固相烧结中，少量外加剂（添加剂或烧结助剂）可与主晶相形成固溶体促进缺陷增加；当外加剂与烧结主体的离子大小、品格类型及电价数接近时，它们能互溶形成固溶体，致使主晶相晶格畸变，缺陷增加，便于结构单元移动而促进烧结，有限置换型固溶体更有助于促进烧结 ②组织晶型转变 有些氧化物在烧结时发生晶型转变并伴有较大体积效应，这就会使烧结致密化发生困难，并容易引起坯体开裂，选用适宜的添加物加以抑制可促进烧结 ③抑制晶粒长大 烧结后期晶粒长大，对烧结致密化有重要作用，但若二次再结晶或间断性晶粒长大过快，又会使晶粒变粗、晶界变宽而出现反致密化现象并影响制品的显微结构，可加入能抑制晶粒异常长大的添加物来促进致密化过程 ④产生液相 烧结时若有适宜的液相，往往会大大促进颗粒重排和传质过程，添加物能在较低温度下产生液相促进烧结
10 简述固体粉体烧结的过程和特点
答：①烧结初期，粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、具有一定机械强度的多孔坯体。②烧结中期，开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，颗粒面积增加，固—气表面积相应减少，但气孔仍是联通的，此阶段晶界移动比较容易。③烧结后期，随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。
11 简述等离子烧结时准确测量烧结温度比较困难的原因
答：①产生等离子的微波或高频波严重干扰双金属热电偶，从而无法用热电偶测量温度 ②由于等离子体发光和石英管遮挡的干扰，用光学高温测量计将引入较大误差 ③对于非常高温的烧结体用红外线测温仪，由于模具头两端受力不均匀，使得测量结果偏离准确值，因而引起实验误差