合成化学课件：第5章 新型无机功能材料的合成与制备（第一章）（第一章）（第一章）.ppt

1、2022-1-231第五章第五章 新型无机功能新型无机功能材料的合成与制备材料的合成与制备2022-1-232主要内容主要内容n5.1 簇化合物的合成簇化合物的合成n5.2 非化学计量化合物的合成非化学计量化合物的合成n5.3 先进陶瓷的制备先进陶瓷的制备n5.4 纳米微粒与材料的制备纳米微粒与材料的制备n5.5 无机膜的制备无机膜的制备n5.6 溶胶溶胶-凝胶法在新型无机材料合成的应用凝胶法在新型无机材料合成的应用2022-1-2335.1 簇化合物的合成簇化合物的合成n定义定义:1966年年F.A.Cotton提出提出,原子簇是原子簇是“含有含有直接而明显键合的两个或以上的金属原子的化直接

2、而明显键合的两个或以上的金属原子的化合物合物”。nCA的索引中提出的索引中提出, “原子簇化合物是含有三个原子簇化合物是含有三个或三个以上互相键合或极大部分互相键合的金或三个以上互相键合或极大部分互相键合的金属原子的配位化合物属原子的配位化合物”。 n1982年我国徐光宪提出年我国徐光宪提出,“原子簇为若干有限原原子簇为若干有限原子子(三个或三个以上三个或三个以上)直接键合组成多面体或缺直接键合组成多面体或缺顶多面体骨架为特征的分子或原子顶多面体骨架为特征的分子或原子”。2022-1-234金属原子簇金属原子簇是指原子间相互形成是指原子间相互形成或或结构的结构的一类化合物。一类化合物。 C2B

3、10H12 2022-1-2355.1.1 水溶液法水溶液法直接法直接法 在一定的温度下，将简单的含氧酸阴离子（如在一定的温度下，将简单的含氧酸阴离子（如WO42-）与含有杂原子的化合物（酸或盐）按一定的）与含有杂原子的化合物（酸或盐）按一定的比例混合，酸化，搅拌反应，最后加入反电荷离子（比例混合，酸化，搅拌反应，最后加入反电荷离子（一般为碱金属离子，铵离子、有机分子等），可得到一般为碱金属离子，铵离子、有机分子等），可得到金属氧簇化合物。注意酸化和温度的控制。金属氧簇化合物。注意酸化和温度的控制。间接法间接法 首先合成得到所需要的配体，然后将配体单元与首先合成得到所需要的配体，然后将配体单元

4、与所要配位的离子或基团反应，得到目标产物。所要配位的离子或基团反应，得到目标产物。2022-1-2365.1.1 水热合成法水热合成法 水热合成簇化合物是以溶液为反应介质，可分水热合成簇化合物是以溶液为反应介质，可分为反应物的水解和溶液中简单分子碎片的有序组装为反应物的水解和溶液中简单分子碎片的有序组装聚集两个过程。水热合成体系聚集两个过程。水热合成体系 克服了传统无机固克服了传统无机固相合成扩散困难等缺点，有利于反应速率和反应进相合成扩散困难等缺点，有利于反应速率和反应进行程度的提高。行程度的提高。 水热反应主要建立在经验的基础上，合成成水热反应主要建立在经验的基础上，合成成功的几率很低，产

5、物往往是多晶，而不是单晶。一功的几率很低，产物往往是多晶，而不是单晶。一方面，由于缺乏水热条件下可籍利于的热力学数据，方面，由于缺乏水热条件下可籍利于的热力学数据，通过水热法实现化合物分子的有意识设计合成的尚通过水热法实现化合物分子的有意识设计合成的尚属初步；另一方面，水热法是在密闭的反应釜中进属初步；另一方面，水热法是在密闭的反应釜中进行，缺乏有效的观察的研究手段，且不便随时对反行，缺乏有效的观察的研究手段，且不便随时对反应条件进行调整，但在进行大量的化合物合成的基应条件进行调整，但在进行大量的化合物合成的基础上，有可能找出水热合成的规律。础上，有可能找出水热合成的规律。2022-1-237

6、5.1.3 固相化学反应法固相化学反应法 固相反应一般经历以下四个阶段：固相反应一般经历以下四个阶段： 扩散扩散反应起始与两个反应物分子的扩散接触；反应起始与两个反应物分子的扩散接触； 反应反应界面上的原子吸收一定的能量，离开自己的界面上的原子吸收一定的能量，离开自己的振动格点，发生化学反应，生成产物；振动格点，发生化学反应，生成产物； 成核成核此时生成的产物分子分散在母体反应物中，此时生成的产物分子分散在母体反应物中，只能当作一种杂质或缺陷分散存在，当产物分子聚集只能当作一种杂质或缺陷分散存在，当产物分子聚集到一定的大小，才能形成晶核；到一定的大小，才能形成晶核； 生长生长随着晶核的长大，达

7、到一定的大小后，就出随着晶核的长大，达到一定的大小后，就出现了产物的独立晶相，同时，反应物原子要穿过产物现了产物的独立晶相，同时，反应物原子要穿过产物层，继续扩散，继续发生化学反应。层，继续扩散，继续发生化学反应。2022-1-2385.1.4 分子自组装法分子自组装法 自组装由系统构成元素在自组装由系统构成元素在受人类外受人类外介入下，自介入下，自聚集、组织成规则结构的现象聚集、组织成规则结构的现象 。 自组装普遍存在於自然界中，如生物体的细胞即是自组装普遍存在於自然界中，如生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成；由各种生物分子自组装而成； 分子的结晶即是一种自组装现象。分子的结晶即是一种

8、自组装现象。通过静电吸附通过静电吸附在表面自组装在表面自组装成多层膜成多层膜2022-1-239自组装程序的发生通常会将系自组装程序的发生通常会将系统从一个无序的状态转化成一统从一个无序的状态转化成一个有序的状态，其可以发生在个有序的状态，其可以发生在同的尺同的尺。如分子首先聚集成纳米尺寸如分子首先聚集成纳米尺寸的超分子单元，如表面活性剂的超分子单元，如表面活性剂分子自组装成胶束；分子自组装成胶束；这些超分子单元间的作用这些超分子单元间的作用进而促使其在空间上做规进而促使其在空间上做规则的排则的排( (如微胞排如微胞排成体心成体心方之晶格方之晶格) )，而使系统，而使系统具有一种特定的结构。具

9、有一种特定的结构。2022-1-2310二二.自组装法的核心自组装法的核心n驱动力驱动力 主要包括：主要包括： 1.固体表面原子与表面活性物质固体表面原子与表面活性物质的活性基团间化学键的形成；的活性基团间化学键的形成； 化学键：离子键、共价键、配位键化学键：离子键、共价键、配位键 化学反应：置换反应、缩合反应、配化学反应：置换反应、缩合反应、配位反应位反应 2.分子之间的相互作用。分子之间的相互作用。2022-1-2311n 氢键驱动氢键驱动n 氢键是超分子自组装的基本驱动力之一。氢键是超分子自组装的基本驱动力之一。n氢键具有方向性，可利用它控制超分子亚氢键具有方向性，可利用它控制超分子亚单

10、位之间的间隔。单位之间的间隔。n氢键的选择性使具有多重氢键相互作用的氢键的选择性使具有多重氢键相互作用的系统中可以通过挑选精确互补的分子亚单系统中可以通过挑选精确互补的分子亚单位来对氢键驱动的自组装过程进行控制，位来对氢键驱动的自组装过程进行控制，以得到具有所期望结构的聚集体。以得到具有所期望结构的聚集体。 2022-1-2312配位键驱动配位键驱动 配位键可以分为动力学惰性中心金属配位键和动配位键可以分为动力学惰性中心金属配位键和动力学活性中心金属配位键。前者类似共价键，一旦形力学活性中心金属配位键。前者类似共价键，一旦形成则很很稳定；后者则类似氢键。成则很很稳定；后者则类似氢键。卟啉卟啉堆

11、积效应驱动堆积效应驱动n具有具有-电子共轭体系的分电子共轭体系的分子间存在强烈的相互吸引力，子间存在强烈的相互吸引力，这种作用称为这种作用称为-堆砌效应，堆砌效应，容易聚集。容易聚集。2022-1-2313疏水作用驱动疏水作用驱动 在水溶液或极性溶剂中，非极性分子趋向于在水溶液或极性溶剂中，非极性分子趋向于聚集在一起，这是由疏水作用导致的。疏水作用聚集在一起，这是由疏水作用导致的。疏水作用是一种方向性极差的弱相互作用，它在细胞膜的是一种方向性极差的弱相互作用，它在细胞膜的形成和许多酶形成和许多酶-底物结合过程起着重要作用。底物结合过程起着重要作用。模板驱动模板驱动 应用分子、离子等作为模板进行

12、的自组装就应用分子、离子等作为模板进行的自组装就叫模板驱动自组装，其特点是可以使组装的超分叫模板驱动自组装，其特点是可以使组装的超分子具有独特结构和功能。主体分子与模板之间的子具有独特结构和功能。主体分子与模板之间的作用力仍然是非共价作用力。作用力仍然是非共价作用力。 2022-1-23145.1.5 光化学法光化学法 将金属氧簇化合物溶解，在搅拌条件将金属氧簇化合物溶解，在搅拌条件下滴加有机试剂，然后在高压汞灯的下滴加有机试剂，然后在高压汞灯的照射下回流搅拌，冷却到室温得到沉照射下回流搅拌，冷却到室温得到沉淀，洗涤，选择合适的溶剂将沉淀溶淀，洗涤，选择合适的溶剂将沉淀溶解，培养单晶。解，培养

13、单晶。2022-1-23155.2 5.2 非化学计量比化合物的合成化学非化学计量比化合物的合成化学定比定律：每一种化合物的组成元素的质量都定比定律：每一种化合物的组成元素的质量都有一定的比例关系。有一定的比例关系。例如，不论用何种方法或从何时何地取来的二例如，不论用何种方法或从何时何地取来的二氧化碳，其中碳和氧的质量比总是氧化碳，其中碳和氧的质量比总是3 8，它的，它的组成总是含碳组成总是含碳27，含氧，含氧73。在二氧化碳中，碳和氧的质量比总是确定的值，在二氧化碳中，碳和氧的质量比总是确定的值，它的组成（即碳原子数和氧原子数之比）也总它的组成（即碳原子数和氧原子数之比）也总是确定的。是确定

14、的。 2022-1-2316n大多数原子或离子晶体化合物并不符大多数原子或离子晶体化合物并不符合定比定律，其正负离子的比，并不合定比定律，其正负离子的比，并不是一个简单、固定的值。它们呈现范是一个简单、固定的值。它们呈现范围很宽的组成，并且组成和具体结构围很宽的组成，并且组成和具体结构之间没有简单的对应关系之间没有简单的对应关系( (或化学同或化学同一性一性) )，这些化合物被称为，这些化合物被称为非化学计非化学计量量化合物、化合物、非化学计量比非化学计量比化学物、化学物、非非化学配比化学配比化合物、化合物、非整比非整比化合物或化合物或偏偏离整比离整比化合物。化合物。 2022-1-2317n

15、用用化学分析、化学分析、x射线衍射分析和平衡蒸气射线衍射分析和平衡蒸气压测定等手段能够确定其组成偏离整比的压测定等手段能够确定其组成偏离整比的均一的均一的物相。物相。n如如FeO1-x、FeS1+x 等等过度元素的化合物过度元素的化合物 。 定义定义2022-1-2318n化学计量比和非化学计量比的化合物都是普遍化学计量比和非化学计量比的化合物都是普遍存在的。更确切地说，非化学计量比化合物的存在的。更确切地说，非化学计量比化合物的存在是更为普遍的现象。存在是更为普遍的现象。n由由于各种缺陷的存在，往往给材料带来了许多于各种缺陷的存在，往往给材料带来了许多特殊的光、电、声、磁、力和热性质，使它们

16、特殊的光、电、声、磁、力和热性质，使它们成为很好的功能材料。成为很好的功能材料。n氧化物陶瓷高温超导体的出现就是一个极好的氧化物陶瓷高温超导体的出现就是一个极好的例证。例证。n非非化学计量比是结构敏感性能的根源。化学计量比是结构敏感性能的根源。2022-1-2319n点点阵缺阵缺陷引陷引起偏离整比性的化起偏离整比性的化合物。合物。在图上任选一点在图上任选一点 O作作为原点。可以找到一为原点。可以找到一系列与系列与O点环境完全点环境完全相同的点子相同的点子,这一组无这一组无限多的点子就构成点限多的点子就构成点阵。阵。 2022-1-2320形成原因及点缺陷形成原因及点缺陷离子（或原子）的空位缺陷

17、离子（或原子）的空位缺陷 晶体中的原子或离子离开格位后所留下的空晶体中的原子或离子离开格位后所留下的空格位称做空位缺陷。格位称做空位缺陷。 如氟化钙如氟化钙(CaF2)中氟离子空位表示成中氟离子空位表示成VF，V表示是空位缺陷，右下角的符号表示是空位缺陷，右下角的符号F表示空位缺陷表示空位缺陷位于氟离子格位，右上角符号表示空位缺陷带有位于氟离子格位，右上角符号表示空位缺陷带有一个正有效电荷。一个正有效电荷。2022-1-2321n杂质离子的部分取代缺陷杂质离子的部分取代缺陷 当当两种离子半径相差较小，结构相似，两种离子半径相差较小，结构相似，电负性相近时，则这两种离子可按任意比例电负性相近时，

18、则这两种离子可按任意比例进行取代进行取代 。n填隙缺陷填隙缺陷 在在晶体的间隙中随机地填入体积较小的晶体的间隙中随机地填入体积较小的原子（或离子），这些杂质原子（或离子）原子（或离子），这些杂质原子（或离子）进入间隙位置时，一般说并不改变基质晶体进入间隙位置时，一般说并不改变基质晶体原有的结构。原有的结构。 2022-1-23225.2.2.1 阴离子短缺的化合物阴离子短缺的化合物 MX1-x 如化学式如化学式NaCl1-x缺陷表示式：缺陷表示式：Na（VCl）xCl1-x空位缺陷空位缺陷缺失数目缺失数目缺陷位置缺陷位置带正电荷带正电荷晶格位置上缺少负离子晶格位置上缺少负离子2022-1-23

19、235.2.2.2 阳离子过剩的化合物阳离子过剩的化合物 M1+xX 间隙原子间隙原子正电荷正电荷如化学式如化学式Zn1+xO缺陷表示式：缺陷表示式：Zn（Zni）xO晶格中有额外的正离子占入了间隙而产生的缺陷。晶格中有额外的正离子占入了间隙而产生的缺陷。2022-1-23245.2.2.3 阳离子短陷的化合物阳离子短陷的化合物M1-xX5.2.2.4 阴离子过剩的化合物阴离子过剩的化合物 MX1+x 如化学式如化学式Cd1-xS缺陷表示式：缺陷表示式：Cd1-x(VCd)xS晶格位置上缺少正离子出现空位。晶格位置上缺少正离子出现空位。如化学式如化学式UO2+x缺陷表示式：缺陷表示式：U4+1

20、-xU6+x(Oi)xO2+x2022-1-23255.2.2.5 杂质缺陷杂质缺陷产生的非整比化合物产生的非整比化合物 高价高价阳离子取代，产生阳离子空位或阳离子取代，产生阳离子空位或间隙阴离子间隙阴离子Na1-2xCaxClNa1-2x(Ca)x（V Na)xClNa+Cl-Ca2+Na1-2x(Ca)xCl（Cl i)2022-1-2326 低价阳离子取代，产生阴离子空位或低价阳离子取代，产生阴离子空位或间隙阳离子间隙阳离子n 如：如：Zr1-xCaxO2-xnZr1-x（Ca Zr）xO2-x(Vo)x(阴离子氧空位）阴离子氧空位）nZr1-x（CaZr）x(Cai)xO2（阳离子钙间

21、隙）（阳离子钙间隙）2022-1-23275.2.3 非非整比化合物的应用整比化合物的应用 n5.2.3.1 电电功能材料功能材料nN型半导体型半导体SnO2为非整比化合物，其中晶体锡为非整比化合物，其中晶体锡的比例较大，当该半导的比例较大，当该半导体吸附体吸附H2、CO、CH4等等还原性、可燃性气还原性、可燃性气体后电体后电导明显变化，利用导明显变化，利用这一特点可制造气敏电这一特点可制造气敏电阻。阻。2022-1-2328nP型半导体型半导体PbO2 也是非整比化合物，它也是非整比化合物，它的的O: Pb= 1. 88，它是空穴导电，可用于，它是空穴导电，可用于铅蓄电池的电极。铅蓄电池的电

22、极。n离子导体有离子导体有NaCl中加入少量中加入少量MnC12，得，得到到Na1-2xMnx（VNa ）Cl的固溶体，产生的固溶体，产生Na+空穴从而导电。空穴从而导电。n钇钡铜氧化物钇钡铜氧化物YBa2Cu3O7-x，它是氧缺陷，它是氧缺陷非整比化合物，非整比化合物，x 0.1时为佳。它的出现时为佳。它的出现对高温超导构成了飞速的发展。对高温超导构成了飞速的发展。2022-1-2329n磁性材料是指磁性材料是指由过度元素铁、由过度元素铁、钴、镍及其合钴、镍及其合金等能够直接金等能够直接或间接产生磁或间接产生磁性的物质。性的物质。 5.2.3.2 磁性材料磁性材料2022-1-2330磁性材

23、料的分类磁性材料的分类软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料半硬磁材料半硬磁材料旋磁材料旋磁材料矩磁材料矩磁材料压磁材料压磁材料按磁性种类按磁性种类按化学成份按化学成份金属磁性材料金属磁性材料非金属磁性材料非金属磁性材料按使用形态按使用形态块体磁性材料块体磁性材料粉末磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料薄膜磁性材料磁性材料磁性材料2022-1-2331软磁材料软磁材料概念：概念： 软磁材料主要是指那些软磁材料主要是指那些容易反复磁化，容易反复磁化，且在外磁且在外磁场去掉后，场去掉后，容易退磁容易退磁的磁性材料。的磁性材料。特点：特点： 高磁导率：高磁导率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应在较弱的外磁场下

24、就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。 低矫顽力：低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立即基本消当外磁场去除时，其磁性立即基本消失。失。2022-1-2332常见的软磁材料：常见的软磁材料： 铁和铁和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离子）等为金属离子）等铁氧体都是铁氧体都是软磁材料。软磁材料。用途：用途： 软磁材料在电子工业中主要是用来导软磁材料在电子工业中主要是用来导磁。可用作变压器、线圈、继电器等电子磁。可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。元件的导磁体。 2022-1-2333变压器变压器变压器的铁

25、芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。率高。 软磁材料的应用软磁材料的应用2022-1-2334磁性传感器磁性传感器而如果在水雷或地雷上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都而如果在水雷或地雷上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标）时，传感器就可是钢铁制造的

26、，在它们接近（无须接触目标）时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。普通的水雷或普通的水雷或者地雷只能在者地雷只能在接触目标时爆接触目标时爆炸，因此作用炸，因此作用有限。有限。2022-1-2335概念：概念： 硬磁材料是指那些难以磁化，且除去外硬磁材料是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料，场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材料。（磁铁）又称永磁材料。（磁铁）特点：特点： 具有高矫顽力。具有高矫顽力。硬磁材料硬磁材料2022-1-2336硬磁材料的应用硬磁材料的应用扬声器扬声器2

27、022-1-2337硬（永）磁直流步进电机硬（永）磁直流步进电机 用于变速控制系统用于变速控制系统2022-1-2338可变形永磁合金可变形永磁合金铁钴钼永磁合金铁钴钼永磁合金铁钴钒永磁合金铁钴钒永磁合金 铁铬钴永磁合金铁铬钴永磁合金 2022-1-2339磁性材料的应用磁性材料的应用 磁磁悬浮列车悬浮列车 上海上海磁磁悬浮列车悬浮列车 平均时速平均时速300300公里公里/ /小时，最高时速小时，最高时速430430公里公里/ /小时小时2022-1-2340磁悬浮列车是运用磁铁磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥，异性相吸同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，使的性质，使磁铁

28、具有抗拒地心引力的能力，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮无轮”列车。列车。 减少摩擦力，大幅度提高车辆的行驶速度；减少摩擦力，大幅度提高车辆的行驶速度； 不会造成噪音或空气污染，并可提高能源的使用不会造成噪音或空气污染，并可提高能源的使用效率；效率；2022-1-2341 电磁炉电磁炉 电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由

29、于有电阻，电子运动时会放出大影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。量热能，这些热能便可用作煮食。 特点：特点： 直接发热，热效率高达直接发热，热效率高达90% 炉面无明火，无烟无废气炉面无明火，无烟无废气 电磁火力强劲，安全可靠电磁火力强劲，安全可靠2022-1-2342 隐身飞机隐身飞机 为了躲避敌方雷达的监测，在飞机表面涂一层特殊的磁性材料为了躲避敌方雷达的监测，在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发

30、现飞机，这就使飞反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发现飞机，这就使飞机达到了隐身的目的。机达到了隐身的目的。2022-1-2343 电磁炮电磁炮 舰载概念电磁炮及其原理图舰载概念电磁炮及其原理图 原理：原理： 传统的火炮都是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速传统的火炮都是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速加速，推出炮膛。而电磁炮则是把炮弹放在螺线管中，给螺线管通电，加速，推出炮膛。而电磁炮则是把炮弹放在螺线管中，给螺线管通电，那么螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力，将炮弹射出。那么螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力，将炮弹射出。第一个提出电磁炮这一概念并

31、进行实验的是挪威伯克兰教授，第一个提出电磁炮这一概念并进行实验的是挪威伯克兰教授，19011901年就年就获得了专利。获得了专利。2022-1-23445.2.3.3 光功能材料光功能材料n在外场（如光、电、磁、热等）作用下，利用在外场（如光、电、磁、热等）作用下，利用材料本身光学性质发生变化的原理，实现对入材料本身光学性质发生变化的原理，实现对入射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作用的光学材料。用的光学材料。n例如：物质吸收光后，就可导致体系发生一系例如：物质吸收光后，就可导致体系发生一系列物理性质和化学性质的变化，引起多方面的列物理性质和化学性质

32、的变化，引起多方面的效应。效应。2022-1-2345n光学效应：光学效应：n化学效应：化学效应：n电效应：电效应：n体积效应：体积效应：2022-1-2346n常见的非整比化合物作为光功能材常见的非整比化合物作为光功能材料的有，发光二极管。它是利用料的有，发光二极管。它是利用GaAs1-xPx这种材料制成的，可发这种材料制成的，可发出从红光到绿光的各种颜色的光。出从红光到绿光的各种颜色的光。n彩色电视显像管使用的萤光粉是彩色电视显像管使用的萤光粉是Zn1-xCdxS: AgCl当当x=0.79时发红时发红色萤光。色萤光。2022-1-2347n常常见的复合功能材料有压电陶瓷，主要是将机械压力

33、转变见的复合功能材料有压电陶瓷，主要是将机械压力转变为电为电能。能。n例例如如PLZT系压电陶瓷系压电陶瓷Pb1-xLax（ZryTi1-y)1-(x/4)O3。还有。还有PZT的尖晶石结构的氧化的尖晶石结构的氧化物物PbZr1-xTiO3的微小粒子的烧结的微小粒子的烧结体（陶瓷），轻轻撞击一下只有数厘米长的圆柱体体（陶瓷），轻轻撞击一下只有数厘米长的圆柱体PZT，就能得到数万伏的高压电，放出电火花起到点火作就能得到数万伏的高压电，放出电火花起到点火作用。用。nBa0.88Pb0.88Ca0.04TiO3陶瓷广泛用于超声加工机陶瓷广泛用于超声加工机声纳、水声纳、水听器听器等。等。n还还有压敏电

34、阻、气体传感器、湿度传感器有压敏电阻、气体传感器、湿度传感器等。等。5.2.3.4 复合功能材料复合功能材料2022-1-23485.3 先进陶瓷材料的制备先进陶瓷材料的制备如果说要寻找一种最能体现华夏如果说要寻找一种最能体现华夏民族文明史的物质载体，那么就民族文明史的物质载体，那么就非陶瓷莫属了。非陶瓷莫属了。chinaChina中国人早在公元前中国人早在公元前8000-2000年（新石器时代）就发年（新石器时代）就发明了陶器。明了陶器。2022-1-2349原料原料烧成温度低烧成温度低(1000-1200)(1000-1200) 吸水率高吸水率高（4-12%4-12%）; ;无釉无釉、有釉

35、有釉强度低强度低; ;能经受温度急变能经受温度急变烧成温度高烧成温度高(1250 -1450),(1250 -1450),吸水率在吸水率在0.5%0.5%以下以下; ;色白，胎薄有透光性色白，胎薄有透光性; ;胎体上有无色透明釉胎体上有无色透明釉; ;不能经受温度的急变不能经受温度的急变; ;质脆易碎质脆易碎陶瓷陶瓷2022-1-2350陶瓷结构陶瓷结构胎体胎体附着在陶瓷胎体表面的附着在陶瓷胎体表面的玻玻璃质层。璃质层。使陶瓷表面光滑，不透水，使陶瓷表面光滑，不透水，易清洁，并提高陶瓷的装易清洁，并提高陶瓷的装饰性。饰性。主要由主要由莫来石晶体莫来石晶体、石石英晶体英晶体 、玻璃质及少量玻璃质

36、及少量气孔组成气孔组成赋予陶瓷制品以一定的赋予陶瓷制品以一定的形状和强度等形状和强度等装饰层装饰层釉上彩釉上彩釉下彩釉下彩釉中彩釉中彩釉釉2022-1-2351陶陶瓷瓷制制作作工工艺艺流流程程2022-1-2352高岭土高岭土( (Al2O3 、 SiO2 、 H2O 、 Fe2O3 、TiO2 ) 高岭土俗称瓷土，制造高岭土俗称瓷土，制造瓷器瓷器的主要原料之一。的主要原料之一。 不能单独成瓷，不能单独成瓷，用量用量.原料原料2022-1-2353石英石英主要成分：主要成分：SiOSiO2 2作用：作用：降低坯收缩，减少干燥和烧成变形；增降低坯收缩，减少干燥和烧成变形；增加瓷的机械强度、白度和

37、透光度。加瓷的机械强度、白度和透光度。 加入量加入量20%30%2022-1-2354长石长石钾长石：钾长石：K K2 2O SiOO SiO2 2 Al Al2 2O O3 3 Fe Fe2 2O O3 3 TiO TiO2 2钠长石：钠长石：NaNa2 2O SiOO SiO2 2 Al Al2 2O O3 3 Fe Fe2 2O O3 3 TiO TiO2 2作用作用：坯体中和石英作用一样；坯体中和石英作用一样；以上，以上，熔融成玻璃态，并熔解其他物质，降低成瓷温度，熔融成玻璃态，并熔解其他物质，降低成瓷温度，减少气孔，增加半透明度；减少气孔，增加半透明度；在釉中是主要熔剂。在釉中是主要

38、熔剂。加加入量入量10%25%2022-1-23555.3.1 纳米陶瓷的制备纳米陶瓷的制备5.3.1.1 5.3.1.1 纳米陶瓷素坯的成型纳米陶瓷素坯的成型 滚压成型滚压成型雕塑雕塑拉坯成型拉坯成型模具注浆成型模具注浆成型粘接成型粘接成型泥条盘制泥条盘制成型方法成型方法圆器成型圆器成型琢器成型琢器成型在陶轮上一次拉坯在陶轮上一次拉坯成型的器物，如碗、成型的器物，如碗、碟、盘等。碟、盘等。不能在陶轮上一次不能在陶轮上一次拉坯成型的器物，拉坯成型的器物，如瓶、尊、罐等。如瓶、尊、罐等。2022-1-2356（一）冷等静压成型法（一）冷等静压成型法 冷等静压成型是将较低压力冷等静压成型是将较低压

39、力压成型的坯体压成型的坯体置于一橡皮模内密封，在高压窗中以液体为置于一橡皮模内密封，在高压窗中以液体为压力传递介质，使坯体均匀受压，得到的生压力传递介质，使坯体均匀受压，得到的生坯密度高、均匀性好坯密度高、均匀性好。 用冷等静压成型制备纳米陶瓷时，可以得用冷等静压成型制备纳米陶瓷时，可以得到透明或半透明的素坯，可用于制备纳米到透明或半透明的素坯，可用于制备纳米Y-Y-ZTPZTP纳米陶瓷。纳米陶瓷。2022-1-2357（二）（二）橡胶等静压成型法橡胶等静压成型法 将橡胶模具放入钢模中，粉体放入橡胶模将橡胶模具放入钢模中，粉体放入橡胶模具的空腔内，在上下压头的作用下，粉体被压具的空腔内，在上下

40、压头的作用下，粉体被压制成型。制成型。 通过该法通过该法可以大大提高素坯的密度，减小可以大大提高素坯的密度，减小素坯中的气孔大小，从而使坯体在较低温度下素坯中的气孔大小，从而使坯体在较低温度下烧结，抑制了晶粒的生长，使得纳米陶瓷的制烧结，抑制了晶粒的生长，使得纳米陶瓷的制备更为容易备更为容易。 利用这种方法，不仅可获得较高的压力，利用这种方法，不仅可获得较高的压力，同时所得的试剂也较大，可用于制备同时所得的试剂也较大，可用于制备Y-ZTPY-ZTP陶瓷陶瓷等。等。2022-1-2358（三）原位成型法（三）原位成型法 原位成型是在真空中完成素坯的原位成型是在真空中完成素坯的压制，可以保证纳米颗

41、粒表面及烧结压制，可以保证纳米颗粒表面及烧结后陶瓷晶界的清洁。该方法一般用于后陶瓷晶界的清洁。该方法一般用于气相法制备的粉体成型气相法制备的粉体成型。2022-1-2359（四）凝胶直接成型法（四）凝胶直接成型法 凝胶直接成型属于湿法成型。它凝胶直接成型属于湿法成型。它与别的成型方法不同，其特点是粉体与别的成型方法不同，其特点是粉体制备与成型过程一气呵成，省略了湿制备与成型过程一气呵成，省略了湿法制备粉体的干燥工序，从而有效减法制备粉体的干燥工序，从而有效减少了团聚的可能，所得坯体具有更好少了团聚的可能，所得坯体具有更好的结构均匀性，有利于在低温下烧结的结构均匀性，有利于在低温下烧结纳米陶瓷。

42、纳米陶瓷。2022-1-2360( (五）渗透固化成型法五）渗透固化成型法 将纳米粉体的悬浮液放在一可使液体通过将纳米粉体的悬浮液放在一可使液体通过但陶瓷颗粒不能通过的半透膜袋中，将半透膜但陶瓷颗粒不能通过的半透膜袋中，将半透膜袋置于采用相同溶剂的高浓度的高分子溶液中，袋置于采用相同溶剂的高浓度的高分子溶液中，同时保证高分子不能透过半透膜。由于半透膜同时保证高分子不能透过半透膜。由于半透膜内液体的化学势比半透膜外要高得多，在化学内液体的化学势比半透膜外要高得多，在化学势相同的作用下，半透膜的溶液向外渗透，在势相同的作用下，半透膜的溶液向外渗透，在理想条件下，这种渗透要达到半透膜内外的势理想条件

43、下，这种渗透要达到半透膜内外的势能为止。利用此方法已成功进行了能为止。利用此方法已成功进行了ZrOZrO2 2素坯的素坯的成型。成型。2022-1-2361 烧结是陶瓷工艺的第三个基本工序，是决定制品显微组织和综合性能的关键工序。它的实质是粉末坯块在适当环境或气氛中加热到低于其基本组元的熔点温度以下进行保温，然后冷却到室温的处理工艺。 5.3.1.2 纳米陶瓷烧结纳米陶瓷烧结2022-1-2362烧结：烧结：指在高温下，粉粒复合体（坯体）面积减少、气孔率指在高温下，粉粒复合体（坯体）面积减少、气孔率降低、致密度提高、颗粒间接触面积加大、机械强度降低、致密度提高、颗粒间接触面积加大、机械强度提高

44、的过程。（提高的过程。（1/21/23/43/4倍）倍）2022-1-23631.1.无压力烧结法无压力烧结法 在原料粉末中添加烧结助剂后成型，在大气压状在原料粉末中添加烧结助剂后成型，在大气压状态下烧结；工艺简单，但烧结过程中易出现晶粒快速态下烧结；工艺简单，但烧结过程中易出现晶粒快速的长大及大孔洞的形成，不能实现致密性。的长大及大孔洞的形成，不能实现致密性。高温隧道窑高温隧道窑2022-1-2364 加热粉体的同时施加一定的压力加热粉体的同时施加一定的压力（在在），使样品的致密化主要依靠外加压力作用下物质，使样品的致密化主要依靠外加压力作用下物质的迁移而完成。的迁移而完成。 烧结温度低，烧

45、结体中气孔率也低；烧结体晶粒较烧结温度低，烧结体中气孔率也低；烧结体晶粒较细，有较高的强度。细，有较高的强度。2.热压烧结法热压烧结法ZRYS-真空热压烧结炉真空热压烧结炉2022-1-2365 由于将热压烧结应用于纳米陶瓷制由于将热压烧结应用于纳米陶瓷制备时，往往不能有效地降低纳米粉体的备时，往往不能有效地降低纳米粉体的烧结温度，于是，超高压烧结便应运而烧结温度，于是，超高压烧结便应运而生。利用超高压烧结，人们成功地获得生。利用超高压烧结，人们成功地获得了相对密度达了相对密度达98.2%,98.2%,晶粒不到晶粒不到100nm100nm的的纳米纳米AlAl2 2O O3 3陶瓷陶瓷。 3.超

46、高压烧结法超高压烧结法2022-1-2366 利用粉末在合成中进行烧结的方法，仅限于利用粉末在合成中进行烧结的方法，仅限于少量几个体系，如反应烧结氮化硅（少量几个体系，如反应烧结氮化硅（SiSi3 3N N4 4）、氧）、氧氮化硅（氮化硅（SiSi2 2N N2 2）和碳化硅等。）和碳化硅等。 特点：特点：坯块在烧结过程中尺寸基本不变，可坯块在烧结过程中尺寸基本不变，可制得尺寸精确的制件，同时工艺简单、经济、适制得尺寸精确的制件，同时工艺简单、经济、适于大批生产。于大批生产。 缺点缺点：由于密度较低，会导致材料力学性能：由于密度较低，会导致材料力学性能不高。不高。 4.反应烧结法反应烧结法20

47、22-1-2367 自蔓延是利用化学反应自身放热合成自蔓延是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术，又被称为燃烧合成。材料的一种技术，又被称为燃烧合成。 SHSSHS法合成原始材料是多孔块料（法合成原始材料是多孔块料（50%50%左右的气孔率），它的一个特征是燃烧反应左右的气孔率），它的一个特征是燃烧反应可达到很高温度，当燃烧反应进行的过程中可达到很高温度，当燃烧反应进行的过程中或刚结束时，反应产物处于高温下，这时对或刚结束时，反应产物处于高温下，这时对产物施加一定的压力可使材料的致密化过程产物施加一定的压力可使材料的致密化过程得以实现。得以实现。5.自蔓延高温合成（自蔓延高温合成（SHS)致

48、密化致密化2022-1-2368 不采用烧结助剂，不会在高温下产生不采用烧结助剂，不会在高温下产生液相而降低强度，能制得高密度制品的方液相而降低强度，能制得高密度制品的方法。把原料气体通入法。把原料气体通入1200120013001300的气氛的气氛中，经化学反应生成非挥发性物质，以片、中，经化学反应生成非挥发性物质，以片、膜、粉等形状析出沉积于基材上。膜、粉等形状析出沉积于基材上。 缺点缺点是成本高，基体选择较难。是成本高，基体选择较难。6.化学气相沉积法化学气相沉积法2022-1-23692022-1-2370工程陶瓷工程陶瓷电介质陶瓷电介质陶瓷超导陶瓷超导陶瓷敏感陶瓷敏感陶瓷生物陶瓷生物

49、陶瓷固体电解固体电解质质磁性陶瓷磁性陶瓷先进陶瓷2022-1-2371原子能反应堆原子能反应堆火箭导弹火箭导弹航空工业航空工业高温模具高温模具特殊冶金特殊冶金2022-1-23725.4 纳米微粒与材料的制备纳米微粒与材料的制备n纳米材料是指在三维空间中至少有纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于这大约相当于10100个原子紧密排个原子紧密排列在一起的尺度。列在一起的尺度。2022-1-23735.4.1 纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法纳米粒子纳米粒子纳米线纳米线

50、纳米带纳米带纳米膜纳米膜纳米管纳米管纳米固体材料纳米固体材料2022-1-2374沉淀法沉淀法水热法水热法溶胶溶胶- -凝胶凝胶微乳液法微乳液法蒸汽法蒸汽法化学气相化学气相凝聚法凝聚法溅射法溅射法高能球磨法高能球磨法热分解法热分解法固相反应法固相反应法火花放电法火花放电法气相法气相法液相法液相法固相法固相法2022-1-23755.4.1.1 气气相法相法定义：定义： 直接利用气体或者各种手段将物直接利用气体或者各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。程中凝聚长大