无机材料化学(第13讲).ppt

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1、第四章无机材料的制备材料制备研究的重要性材料制备是材料科学和材料化学的重要组成部分和主要研究内容之一。材料结构及性能方面的新设计是要通过相应的制备方法和手段来实现。材料制备在材料研究尤其是新材料开发中占有十分重要的地位。材料科学的发展在很大程度上得益于材料制备技术的进步。材料制备涉及的内容极其丰富材料制备就是通过一定的工艺方法和手段使原料变为可以应用的材料。它包括两个方面：一是通过化学反应获得一定化学组成的物质，即所谓合成；二是以一定的工艺手段控制材料的物理形态。物理形态对材料的性质和用途起着相当大的甚至是决定性的作用。本章以新型陶瓷材料的制备为主线，介绍无机材料的相关制备方法和工艺过程

2、。内容主要包括：粉末（体）的制备、材料的成型和烧结材料制备包含的上述两个方面，在制备工艺中可能分开体现，也可能是融合在一起。材料制备方法因材料种类、聚集态、形态的不同而存在差异。不同类型材料制备中还包含有特定的工艺手段。因此，材料制备涉及的内容极其丰富。4.1无机材料过程无机材料可分为单晶态、多晶态和非晶态。其制备的一般工艺过程可表示为：材料过程赋予被加工体系某种特性，使其适用于某种使用目的(材料物理形态控制)，把“原料”物质变成为有某种用途的材料。多晶陶瓷材料的制备一般经历成型－烧结的材料化过程非晶态和单晶材料的制备经历熔融－凝固的材料化过程化学过程材料（化）过程原料予处理或化学制备熔

3、融-凝固的材料化过程中，熔体速冷凝固得到非晶态材料。例如:玻璃的制备工艺过程：1、非晶态材料的制备过程熔融Na2CO3分解为Na2O，并进一步和SiO2反应，把部分Si-0键开，使体系粘度下降，成为熔融状态并转化为透明体。澄清除去熔融物中的气泡或杂质使透明度提高，赋予产品透光性能。成型适当的快速冷却，使过冷液体转变为固体，并按形状要求成型。缓冷消除内应力，提高机械性能。除NaCO3和硅砂之间的反应为化学过程外，其余均为材料化过程。NaCO3硅砂石灰2、单晶材料的制备过程熔融-凝固的材料化过程中，熔体在晶种存在下缓慢冷却凝固则得到单晶材料。以单晶硅和水晶（SiO2）的制备为例说明。由粗硅制

4、得高纯多晶硅的过程为化学过程，工艺流程如下：(1)熔融法---单晶硅的制造过程包括：氯化、精制、还原、尾气回收、氢化和后处理。提拉法示意图区域熔融法示意图由高纯多晶硅制单晶硅为材料化过程，该过程采用熔融工艺，可分为提拉法和区域熔融法。(2)水热法---水晶的制造水晶制备条件：温度400℃及750~1000大气压下，用NaOH或Na2CO3将SiO2溶解。高压釜内：以档板（有圆孔）为交界，上部悬吊棒状水晶晶种，下部放原料溶液，上、下部温度差20~80℃。在该反应条件，水处于超临界状态水热法是在高温高压下的水体系中生长单晶的方法。水的相图临界温度374℃，临界压力218atm超临界水及性质当

5、的温度为374℃（647K），压力为221×105Pa时，水变成一种即非液体又非气体的流体(液相密度减小，气相密度增大，气液界面消失)，该点称为水的临界点，温度和压力高于此点的水称为超临界水，超临界水有许多与普通水截然不同的性质，由此导致了超临界水的多种用途。水和水蒸汽的密度差降为零超临界水的性质介电常数从常温的80变到临界点的5～10，450℃或更高时降到2左右；离解常数从室温的10-14到近临界区的10-18，而在超临界区变成10-23。超临界状态下水中只剩下少部分氢键，其溶剂性质与低极性有机物近似。因而碳氢化合物通常有很高的溶解度；无机盐在超临界水中的溶解度非常低，如NaCl在30

6、0℃水中的溶解度约为37wt％，而在550℃和25MPa的水中的溶解度为120ppm。在临界点附近水由透明变为不透明，比热和压缩系数会趋近于无限大。超临界水具有高的扩散系数和低的粘度。超临界状态既不属于液态也不属于气态，它同时兼有液态和气态的优点，既能象气体一样容易扩散，又能象液体一样有很强的溶解能力。超临界流体(supercriticalfluid,简称SCF)是指温度和压力处于其临界温度和临界压力以上的流体。超临界流体具有许多特殊的性质，如：特殊的溶解度、易改变的密度、较低的粘度、较低的表面张力和较高的扩散性等。因此在许多方面都有广泛的应用前景。CO2是超临界流体技术中最常用的溶剂，

7、其临界温度为31.05°C，临界压力为7.37MPa。二氧化碳相图临界温度为31.05°C，临界压力为7.37MPa。在超临界附近，压力的微小变化即可导致密度的巨大变化。由于粘度、比热、介电常数、溶解能力都与密度有关，因此超临界状态下的CO2可通过调节压力来控制流体的物理和化学性质。超临界CO2及性质超临界CO2的应用：超临界干燥、超临界萃取、反应介质(高分子合成)等。温度和压力高于TC和PC的状态(图阴影部分)为超临界状态。无机材