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材料化学の笔记! O( ∩_∩)0 fighting! 一、绪论 材料化学的定义与范畴材料化学是研究材料制备、组成、结构、性质和应用的科学。材料化学是从材料科学、材料工艺和技术的角度出发, 把固体物理、固体力学、固体化学等学科的相关理论和工程方面有关材料研究的化学内容集中起来, 加以分析、综合和提高, 形成的一门独立学科。 材料化学研究的科学问题 1)材料制备原理的研究 2)材料的成键本质和结构的研究 3)材料表征的研究 4)材料性质的研究 5)关于材料化学应用的研究二、普通材料合成化学 气相合成法 概念: 气相沉积反应(VD) : 是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术。化学气相沉积( CVD) : 利用气态先驱反应物, 通过原子、分子间化学反应( 热解、氧化还原、化合、歧化、可逆与气相输运等)的途径生成固态薄膜的过程。物理气相沉积(PVD) : 利用某种物理过程( 如热蒸发、离子束轰击等), 实现物质由源到薄膜可控的原子转移过程。 CVD 法的特点①沉淀反应如在气固界面上发生时沉淀物在原固态底基物上包覆一层, 不改变原固体底基物的形状,这个特性也称为保形性。②采用 CVD 技术可以得到单一的无机合成材料, 并以此作为原材料, 制备出更多的产品, 如超纯多晶硅材料的制备。③如果采用的某种基底材料, 在沉积物达到一定厚度以后, 很容易与基底分离, 这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。碳化硅器皿和金刚石薄膜部件均可以用这种方式制造。④在 CVD 技术中也可以沉积生成晶体或细粉状的物质, 可以用来生产超微粉体, 在特定的工艺条件下,甚至可以生产纳米级的微细粉末。 CVD 法的要求①反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液态或固态物质; ②反应易于生成所需要的沉积物而其副产品保留在气相中排出或易于分离; 3 整个操作较易于控制。 CVD 法的装置气源控制系统, 沉积反应室, 加热控温系统, 真空排气系统, 气体压强控制系统, 激励能源控制系统(在等离子增强型或其它能源激活型 CVD 装置上) 液相合成法 沉淀法: 定义: 沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合, 在混合液中加人适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物,再将沉淀物进行干燥或锻烧,从而制得相应的粉体颗粒。分类: 直接沉淀法,共沉淀法,均相沉淀法,水解沉淀法 溶胶—凝胶合成法定义: 溶胶- 凝胶法采用无机盐或金属有机化合物, 如醇盐( 即金属烷氧基化合物) 为前驱物。首先将前驱物溶于溶剂( 水或有机液体)中。通过在溶剂内发生水解或醇解作用, 反应生成物缩合聚集形成溶胶,然后经蒸发干燥从溶胶转变为凝胶。特点: 1 通过各种反应物溶液的混合,很容易获得需要的均相多组分体系; 2 对材料制备所需温度可大幅度降低, 从而能在较温和条件下合成出陶瓷、玻璃、纳米复合材料等功能材料; 3 由于溶胶的前驱体可以提纯而且溶胶-凝胶过程能在低温下可控制的进行, 因而可制备高纯或超纯物质,且可避免在高温下对反应容器的污染等问题; 4 溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如喷射、旋涂、浸拉、浸渍等制备各种膜、纤维或沉积材料。应用: 纳米粒子的制备,复合材料的制备(特别是纳米复合材料制备) ,薄膜材料的制备,先进陶瓷材料的制备。 水热与溶剂热合成化学有如下特点: 定义: 水热与溶剂热合成是指在一定温度(100-1000 ℃) 和压强(1-100MPa) 条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。特点: ①由于在水热与溶剂热条件下反应物反应性能的改变、活性的提高, 水热与溶剂热合成方法有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应,并产生一系列新的合成方法。②由于在水热与溶剂热条件下中间态、介稳态以及特殊物相易于生成, 因此能合成与开发一系列特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物。③能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的特殊物质、高温分解相在水热与溶剂热低温条件下晶化生成。④水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件, 有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体, 且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度。⑤由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境气氛, 因而有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成,并能均匀地进行掺杂。反应的基本类型: 合成反应, 热处理反应, 转晶反应, 离子交换反应, 单晶培育, 脱水反应,分解反应,提取反应,氧化反应,沉淀反应,晶化反应,水解反应,烧结反应。 固相合成法(固体与固体之间反应产生新固体的过程) 高温固相合成法: 定义: 指在高温( 1000-1500 ℃)下,固体界面间经过接触、反应、成核、晶体生长反应而