无机材料制备新技术

《无机材料制备新技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机材料制备新技术（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、无机材料制备新技术南京理工大学化工学院 材料化学教研室 江晓红 Tel: 84315054 E-mail: 1本课程的参考书n刘吉平，廖莉玲. 无机纳米材料，北京 ：科学出版社，2003。n郑昌琼，冉均国. 新型无机材料，科学 出版社，2003。n张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构, 北京：科学出版社，2001。n中国期刊全文数据库或维普科技期刊全 文数据库（关键词：无机纳米材料）2 材料科学与工程发展简述n材料的重要性n材料的分类与材料学科的综合性n材料科学与工程的性质与范围n新材料的特点和发展趋势n新型无机材料n新型无机材料应用的重要领域3材料的重要性n材料是人类生活和生产活动必需的物 质

2、基础，同人类文明密切相关。作为 人类进步的里程碑，如“石器时代”、“ 铜器时代”、“铁器时代”等。n20世纪60年代，人们把材料、信息、 能源誉为当代文明的三大支柱。n20世纪70年代，新材料、信息技术、 生物技术作为新技术革命的主要标志 ，目前这些技术仍然是21世纪发展的 主导。4半导体材料的 发现和发展计算机技术高强度、高温、轻质 的结构材料的发展现代航空、 航天技术光电转换材料 的问题太阳能在能源中 所在比例很小材料对推动科学技术发展极其重要5材料的分类与材料学科的综合性材料化学组分金属材料无机非金属材料 （无机材料）有机高分子材料 （高分子材料）复合材料6材料的分类与材料学科的综合性材

3、料性质结构材料功能材料7材料的分类与材料学科的综合性材料用途能源建筑航空信息生物 医药耐火研磨耐酸8无机材料n由多种元素以适当的组合形式的数目庞 大的无机化合物构成。n硅酸盐材料：以硅酸盐为组成，如天然 的石材，人造水泥、陶瓷、玻璃等。n单质的碳、硅和锗具有金刚石结构的共 价键巨大分子。硅和锗是主要的半导体 材料，已独立成为材料的一个分支。n20世纪40年代，新型无机材料，如氧化 物、氮化物、硼化物、硫化物及其盐类 和单质。9无机材料的结构和特性n由兼有离子键和共价键的结晶构 成。n特性：硬度大、强度高、抗化学 腐蚀性强、对电和热的绝缘性良 好。n缺点：质地脆。10材料科学与工程的性质与范围n

4、定义：关于材料组成、结构、制备 工艺与其性能及使用过程相互关系 的知识开发及应用的科学。n材料科学是多学科交叉的新兴学科n材料科学与工程技术有不可分割的 关系n材料科学与工程有很强的背景11新材料的特点和发展趋势n新材料：正在发展的或将要发展的 ，具有优异性能或特殊功能，在不 久的将来可能达到实用化阶段的材 料。n特点：品种多、式样多、更新换代 快，对其性能的要求越来越趋向于 功能化、极限化、复合化、精细化 。 12新材料的发展趋势n结构材料的复合化 把不同材料通过适当 的复合工艺组合在一起，产生比原来材料 性能都好的材料。如碳纤维增强树脂基复 合材料、碳/碳复合材料等。n信息材料的多功能集成

5、化 如半导体材料 GaAs具有光学效应，可使信息的产生、 处理、检测、存储等不同功能在同一集成 电路上完成。13新材料的发展趋势n低维材料迅速发展 指在三维空间中 至少有一维处于微细尺度范围或由它 们作为基本单元构成的材料。零维， 一维，二维。n非平衡态（非稳定）材料日益受到重 视 指用现代新技术，如离子注入、 激光处理、及其他快冷手段得到的某 些金属或合金，一般处于饱和状态或 非晶态，性能特殊。14正在发展中的几类材料高温超导材料高温超导材料 n1982年Bednorz和Muller发现超导临界 温度Tc35K的氧化物超导材料。n目前已制出Tc高达125K的氧化物系列 超导材料。n寻找Tc接

6、近室稳的超导材料是长期的 研究课题。15中间化合物中间化合物 n是两种以上金属或类金属形成的化合 物。如半导体材料GaAs、InSb、 GaAs/GaAlAs等都是具有重要特性的 中间化合物。n具有熔点高、结合力强的优点，可望 成为高温下工作的结构材料。 n但存在脆性问题，正在探索多种中间 化合物及改进其塑性的途径。16功能陶瓷功能陶瓷 n作为高温结构材料，如陶瓷绝热汽车发 动机，可节油30%。高分子材料出现新的势头高分子材料出现新的势头 n向高强度、高模量、工作温度更高的方 向发展。生物医学材料发展迅猛生物医学材料发展迅猛 n 是21世纪国际经济发展的支柱产业之一 。17总趋势n向深层加工发

7、展n功能材料和器件一体化18新型无机材料nadvanced inorganic materials（ advanced ceramics，fine ceramics ， high-tech ceramics ）n19431945年制成具有高介电常数的 钛酸钡铁电体材料。n1946年制成具有高导磁率的铁氧体磁 性材料。19新型无机材料与典型硅酸盐 材料的区别n材料组成已远超出硅酸盐的范围 ，包括纯氧化物、复合氧化物、 硅化物、硼化物、硫化物以及各 种无机非金属化合物、经特殊的 先进工艺制成的材料和单质。20n在用途上，由原来主要利用材料所 固有的静态物理性质，发展到利用 各种物理效应和微观现象的

8、功能性 ，并在各种极端条件下使用。n在制备的工艺方法上有了重大的改 进与革新，制品的形态也有很大的 变化，由过去以块状为主的状态向 着单晶化、薄膜化、纤维化、复合 化的方向发展。21新型无机材料应用的重要领域n信息的检测和传感（获取）材料 电子信息技术中，信息检测和获取， 主要靠电子敏感元件和检测材料，将 从环境中提取出所需的电、磁、光、 热、机械、化学等信息，转换成电的 信号加以处理。 以往大部分为陶瓷材料，如压电、电 致伸缩、电光、热敏、压敏等陶瓷， 后来化合物半导体起了重要作用。信息技术信息技术22n信息的传输材料 光纤维通信的出现是信息传输的 一场革命。光纤维通信的优点： 信息容量大、

9、质量轻、占用空间 小、抗电磁干扰、串话少、保密 性强。 1970年，美国康宁公司研制出低 损耗的石英纤维后，光纤通信得 以实现。 19751985年的10年中，光纤损耗 降低了十多倍，售价也下降近10 倍。23n电子信息的存储材料 信息存储原来以磁盘记录为主。 光盘存储是通过调制激光束以光点 的形式把信息编码记录在光学圆盘 镀膜介质中。优点：存储容量大， 系统可靠，使用寿命长，信息位价 格低。24n信息的处理和运算材料 对电子信息的处理和运算的基本单元是 晶体管。 各种固体元件向薄膜化的方向发展。 光学信息处理和运算具有高速地处理和 运算信号的能力。光信号的调制、变频、 开关、偏转等功能的实施

10、，主要通过非线 性光学介质的光信号（强度、位相、偏振 等），随着外加于介质的电、声、磁、光 场的变化来实现。 无机非线性光学材料：铌酸锂、磷酸氘 二钾；非线性半导体：GaAs，Ge，CdTe ；有机非线性材料：尿素，磷酸精氨酸。25n航空航天技术对材料的要求既能适应外 部环境的各种作用，又能保持舱内处于 稳定的工作状态。n材料所起的作用：有重力场和无重力场 、空气流的摩擦和冲击、振动、高温、 低温、高压、真空、太阳光的照射、高 能射线的辐射和地球的磁场等。上述情 况有的是同时出现，有的是不同时间内 轮流出现。新型无机材料应用的重要领域航空航天技术航空航天技术26n小的推动力，最大发射速度，使得

11、材料既 要具有高的强度，又必须轻的质量。n能够全面满足这些要求的材料是难以找到 的，需要选用各种不同类型的材料分担承 受。n如火箭燃料燃烧气体的温度超过4000， 有腐蚀性，燃烧室内的压力高达200atm， 故燃烧喷嘴要用隔热性良好、比热容和潜 热大的烧蚀材料制成。n人造卫星和飞行器外壳，为了减少和避免 由外部辐照引起的加热，并使舱内发生的 热量有效地散发出去，需要采用对太阳光 谱具有不同吸收和辐射特性的温控涂层材 料。27 烧蚀防热材料烧蚀防热材料n玻璃-酚醛树脂复合材料、硅橡胶、 石英纤维加环氧酚醛、酚醛树脂小 球、碳/碳复合材料。n原理：在热流作用下能使材料发生 分解、熔化、蒸发、升华等

12、物理化 学变化，借助材料表面的质量迁移 ，带走大量的热量，达到耐高温的 目的。28 先进复合材料先进复合材料n树脂基复合材料（PMC） 包括热 固性和热塑性树脂，常用增强体有 碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等。n金属基复合材料（MMC） 以铝、 镁、钛和金属间化合物为基体，以 硼、碳、石墨、碳化硅、氧化铝纤 维或颗粒、晶须为增强体制得的复 合材料。29n陶瓷基复合材料（CMC） 有 SiC/SiC、C/SiC、SiC/石英等热防 护材料和介电材料。n碳/碳复合材料 新型烧蚀防热材 料和耐高温抗磨损材料，经渗石墨 处理后的碳/碳复合材料有抗氧化能 力，作为航天飞机重复使用的热结 构材料。30 其他材

13、料其他材料n功能材料：涂层材料、隔热材料 、透明材料、密封材料、润滑材 料、黏合剂等。n大部分属于高分子材料或陶瓷材 料，少量使用如阻尼合金等金属 材料。n轻质化，多功能化、复合化、精 细化、智能化。 31n能源是现代人类生存与发展的物质 基础。目前，每年全球耗能以超过 1013W。n以石油燃料为主的能源结构，已不 能长期满足需求，一个为建立新能 源体系的浪潮正在全球掀起。新型无机材料应用的重要领域能源技术能源技术32n一次能源：核能、太阳能、地热能、风 能、海洋能等，要实现大规模利用，材 料难度很大。如一座输出2500kW的风力 电站的风翼长度达90m，比波音747飞机 的机翼还长，没有轻质

14、、高强、耐用的 材料，建造巨大的风力电站将不可能。n为了开发新型二次能源，如氢能、合成 燃料、高比能电池、以及激光、微波等 ，各种具有特殊性能的新材料更为重要 。n凡能源工业及能源利用技术所需要的材 料都可称为能源材料。分为：新能源材 料、节能材料和储能材料。33n是一类用于和生物活体系统接触或结合，以 诊断、治疗、替换机体中组织器官或增进其 功能的材料。广义而言，是与人体组织、体 液或血液接触和相互作用相容性好，即对人 体无毒、无副作用、不凝血、不溶血，不引 起人体细胞的突变、畸变、癌变，不引起免 疫排异反应的一类材料。n植入材料，医用套管材料，探头和电极材料 ，齿科材料，药物环释剂材料、缝

15、合线，皮 肤创面保护材料。新型无机材料应用的重要领域生物医药材料领域生物医药材料领域34 制备材料的新技术n溶胶-凝胶技术n等离子体技术n激光技术35制备材料新技术发展的特点n利用极端条件，如超高温、超高压、超 高真空、微重力、强磁场、强辐射以及 快速冷却等，在极端条件下，物质结构 状态会发生重大变化而产生新的性能。n对材料形成过程进行精确控制，人为控 制材料的结构与性能，制备传统工艺得 不到的“人造材料”，如超晶格、纳米相 、亚稳相、准晶等。36一、溶胶-凝胶技术nSol-Gel：金属有机或无机化合物（前驱 体），经溶液、溶胶、凝胶而固化，在 溶胶或凝胶状态下成型，再经热处理转 化为氧化物或

16、其他化合物固体材料的方 法。湿化学方法。n始于20世纪30年代，Geffcken利用金属 醇盐水解和凝胶化制备出氧化物薄膜。n1971年利用Sol-Gel法成功制得SiO2-B2O3 -Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。37溶胶-凝胶合成的工艺方法n按溶胶、凝胶的形成方式：传统 胶体法、水解聚合法、络合物法 。n在制备粉体方面表现出优势。383940溶胶-凝胶法的工艺原理41均相溶液的制备n制取包含醇盐和水的均相溶液均相溶液，确保 醇盐的水解反应在分子级水平上进行 。n由于金属醇盐在水中的溶解度不大， 一般选用既与醇盐互溶，又与水互溶 的醇作为溶剂醇作为溶剂，其加入量既要保证不 溶入三元不混溶区，又不宜过多，因 为醇是醇盐水解产物，对水解有抑制 作用。42n n水的水的加入量加入量对溶胶制备及后续工艺过程有重 要影响，是一相关键参数。对钛醇盐需控制 加水速率，防止沉淀生成。n n催化剂的种类和加入量催化剂的种类和加