材料合成与制备讲义

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1、第一章绪论1．材料按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四类。2．材料合成与制备是通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料。研究内容：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技术，从而指定节能、经济、环保的合成路线及开发新型结构和功能的材料。3．材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。第二章无机材料合成实验技术1．表征真空泵的工作特性的四个参量：起始压强、临界反压强、极限

2、压强、抽气速率。2．平衡分离过程：借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。3．速率分离过程：在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。4．吸附分离过程：利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。特点：①多数吸附剂具有良

3、好的选择性，同时，被吸附组分又可在不同的条件下脱附，方便被吸附组分的分别收集和吸附剂的再生利用；②吸附剂化学稳定性好，分离所得产物纯度高；③吸附与解吸速度快，为快速分离和获得小体积淋洗液创造了条件；④吸附剂价廉易得，实验操作简单；⑤为了增加表面作用位置，吸附剂通常制成多孔结构和大比表面积。吸附机理：⑴吸附作用机理复杂，包括静电吸附、氢键作用、离子交换、络合作用等多种物理和化学过程；⑵从分子间作用力的观点来看，吸附作用是吸附剂表面的立场与吸附质分子之间相互作用的结果，主要是物理吸附；⑶硅胶、Al2O

4、3表面含有大量羟基及O原子，能与许多物质形成氢键。氢键和电荷转移相互作用均产生较强的吸附能；⑷极性吸附剂与极性分子之间的吸附力较强，选择性也较高。5．膜分离法：用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和富集的方法。透析—超滤分离技术：原理：透析是采用半透膜作为滤膜，使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外，而大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。特点：半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边为纯净溶剂，可不断更换外层溶剂使扩散

5、不断进行，直至符合要求。第三章扩散、固相反应与烧结1．扩散：由于物质中存在浓度梯度、化学位梯度、温度梯度和其他梯度所引起的物质运输过程。气体、液体：很大的速率和完全的各向同性；固体：各向异性和扩散速率低。2．影响扩散的因素：温度、杂质、气氛、粘度、扩散介质。1．固相反应的定义：狭义：固相反应物之间发生化学反应生成新的固相产物的过程。广义：凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应。特点：①多数固相反应是发生在两种或两种以上组分界面上的非均相反应；②固相反应一般包括相界面上的化学反应和物质迁移两个过程

6、；③固相反应通常在高温下进行，传质、传热过程对反应速率影响很大；④固相反应发生的温度一般会低于反应物的熔点，这一温度是指反应物内部质点呈明显扩散时的温度，称泰曼温度。2．杨德尔方程：三点假设：（1）反应物是半径为R0的等径球粒；（2）反应物B是扩散相，即B成分总是包围着A的颗粒，而且A、B与产物是完全接触，反映自球面向中心进行；（3）B在产物层中的浓度梯度是线性的，而扩散层截面积一定。杨德尔方程在反应初期或转化率较小时与实验比较吻合，在反应中后期就有较大偏差，原因是没有考虑反应截面随反应进行而改变

7、的现象。3．影响固相反应的因素：反应物组成、反应物颗粒度及均匀性、反应温度、压力和气氛、反应物活性、矿化剂。4．烧结的目的是把粉体转变成致密体。烧结与固相反应的区别主要在于烧结不一定依赖于化学反应的作用，可以在不发生化学反应的情况下形成坚固的烧结体。5．烧结特点及过程：烧结过程一般都伴随着气孔率降低，颗粒总表面积减少，表面自由能减少及晶粒生长等特点。整个过程一般分为三个阶段：烧结初期：随着烧结温度的提高和烧结时间的延长，固体颗粒间开始产生键合和重排，颗粒相互靠拢，空隙和气孔迅速减少，但仍以点接触为

8、主，总表面积基本不变。烧结中期：出现明显的传质过程，颗粒间逐渐呈现面接触，粒界面积增加，而固—气表面积减少，晶粒随晶界移动而长大。烧结后期：传质过程继续，粒界进一步扩大，气孔则逐渐缩小变形，形成闭气孔，或随晶界移动而逐渐消失，最终成为坚固致密体。6．烧结的推动力：粉体颗粒的表面能大于多晶烧结体的晶界能，从而在烧结后晶界能取代表面能，使多晶材料能够稳定存在。7．固相烧结的主要传质方式有蒸发—凝聚，扩散传质等过程。蒸发—凝聚：传质时在球形颗粒表面有正曲率半径，而在两个颗粒联结处有一个小