现代材料制备化学

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1、第四章现代材料制备化学在第二次世界大战期间，研制原子弹计划中曾出现过一个问题,即要处理非常活泼的熔融放射性铀和钚，必须制备出一种新的耐高温材料。这种新材料既要具有高温下的稳定性,还要能抗辐射，并容易成形和烧结而制成高温反应用的坩锅。人们感到某些硫化物可能适用，经热力学和动力学分析，得出最稳定可行的硫化物应该属于周期表中在钍与稀土元素附近的那些元素。于是研究出了铈的硫化物，并发现硫化铈不但是一种性能特好的抗辐射耐高温材料，而且可以避免氧对电正性很强的金属的污染从而，成功地利用硫化铈做成能熔炼铀和钚那样的放射性金属用的坩埚。从现代科学技术发展史来看

2、，一种新材料的制得及其特性的发现，往往导致一个新的科技领域甚至一个崭新产业的兴起。例如磷化铟的合成开始了III－V族化合物半导体的应用；现代非线性光学创始于LiNBO3晶体的制得；各种高性能（耐高温、耐辐射和高强度）陶瓷材料和有机高分子材料的制得，为航空航天等高技领域的发展很供了保障。Y－Ba2Cu3O7的研制使超导材料的临界温度进入液氮温度，从而促进了高温超导材料的发展；纳米制备与合成技术的发展，为崭新学科领域—纳米物理与纳米化学的建立奠定了基础。由于现代科学技术和国民经济不断发展，要求制备出具有各种功能的固体材料，包括单晶、多晶、非晶态、扳

3、璃、陶瓷、薄膜、涂料、低纤维化合物、超细粉末、新型金属与合全、金属间化合物、功能高分子以及现代复合材料，致使现代材料制备科学已成为材料科学的核心和研究热点。为了迎接21世纪的挑战，我国基础性研究已纳入2010年远远景规则，并把“材料制备过程中的基础研究”列为材料科学的首项优先发展领域。只有深入研究现代材料的制备方法和过程，掌握其规律性，发现好的制备条件（甚至生产工艺条件），才能生产各种高附加值的现代材料。为使材料的性能能够重复、可靠，并在成本与价格上有竞争力，材料的制备科学具有特殊意义。发展材料制备化学，不须研制与开发新材料，将为研究材料结构性

4、能与反应以及它们之间的关系，揭示新规律与新理论提供依据，是推动材料科学与相邻科学发展的重要驱动力。4．1现代材料设计简介20世纪中期以来，材料科学虽然已有较大的发展，但研制新材料的方式仍然是以传统的“炒菜”法为主。为了研制一种新材料，人们往往要变换多种配方和工艺，制成众多的样品，分析其成分和结构，测试其性能，从中找出一种合用的材料和生产工艺。若所有的样品都不适用，就需另行试制一批。如此多次反复做着预见性不强的研制工作，其工作十分艰辛，道路也往往是迂回曲折的，而结果可能却是事倍功半。为了改变这种落后的研制方式“材料设计”的设想干20世纪50年代中

5、期应运而生。4．1．1材料设计的目的和主要内容l．材料设计的目的材料设计的目的，是按格定性能做成新材料，按生产要求设计最佳的制备和加工方法。1985年日本材料科学家三岛民绩编写的《统材料开发与材料设计学》一书，对材料设计在材料研制过程中的工作范围作了如下描述（见图4－1）。由图4－l可见，从材料的制备到试用都是材料设计的工作范围。从实用出发，制备成的材料必须透过实用的考验，而实用系统（如航天飞机、可控热核反应等）的设计要以材料能达到的性能为依据，材料的性能依赖于材料的结构（包括使用过程中结构的变化），为了制备预定结构的材料．必须设计出该材料的制

6、备方法。因此，材料设计有两方面的含义：195（1）从指定目标出发规定材料性能，并提出制备方法；（2）新材料开发、新效应、勤功能研究的指导原理。2．材料设计的主要内客1）材料结构性能关系的研究设计物质的固有性质是材料使用的基本依据。例如有超导才有损超材料；有难熔性才可能有耐热合金材料等、物质固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构，原则上可用固体物理、量子化学、分子动力学及计算机模拟等方法进行预测和计算，因而构成了材料的结构性能关系的研究设计。2）材料在使用过程中的变化疲劳断裂、腐蚀、抗辐射等往往是材料应用成败的关键，故利用人工智能

7、或计算机模拟方法预报使用性能及改进方法，是材料设计的重要内容。3）材料成分结构研究设计材料的结构按尺寸分成不同的层次。最基本的且十分重要的仍是原子－电子层次（以10-8m为尺度），其次是以大量原子、电子运动为基础的微观或显微结构（大约以10～cm为尺度）。材料的组成即其组成原子种类和数量（包括微量杂质），材料的成分和结构，是材料设计的中心环节。因此，只有弄清成分、结构和性能之间的关系，才能按指定性能设计材料的成分（配方）和结构。另一方面，只有了解材料的制备（合成）加工和产品成分、结构的关系才能为指定性能的材料设计制造与加工的方法和条件，以控制材

8、料的成分和结构。这两个问题都是材料设计的核心和关键。4）材料的制备（合成）与加工的设计材料制备（合成）与加工是实现材料设计目标最重要的手段，也是材料设