材料科学工程制备方法介绍

绪论材料(Materials)是国民经济的物质基础材料：人们用来制成各种机器、器件、结构等具有某种特性的物质实体，广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)工农业生产国防科学技术人民生活材料品种数量国家现代化程度标志之一质量材料能源现代技术的三大支柱信息绪论材料：社会文明进步的里程碑绪论材料发展过程复合材料碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料简单→复杂单一性能→综合性能结构材料→功能材料单一材料→复合材料我国材料的历史进程我国材料的历史进程天然材料包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。自然界当中大量存在，人类可以直接从自然当中获取。经过比较简单的加工就可以为人类所利用竹筷骨针石制品皮毛制品我国材料的历史进程石器时代：石斧、凿、刀、铲、箭头、钵等石器时代-原始人的石制割砸器具石斧：西安半坡遗址我国材料的历史进程印第安人的石斧我国材料的历史进程原始人生产矛的过程我国材料的历史进程陶器（无机非金属材料）陶器是由粘土或以粘土、长石、石英等为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200℃）而成的制品的总称约50万年前人类学会了用火6-7千年以前的原始社会末期，我们的祖先开始用火烧制陶器新石器时代晚期(公元前3000一前2800)黑陶豆陶体的黑色是因为渗入了碳我国材料的历史进程陶土可塑性强，可以获得人们希望形状的器物。陶的出现，使蒸煮食物更为方便，促进人类进化。陶俑的出现，代替了以人殉葬的野蛮做法商陶酒尊唐三彩俑猪纹陶盆我国材料的历史进程陶器在中国具有悠久的历史沉淀。半坡村出土的碗、钵、釜、罐、瓶等，甚至还有吹气能发声的陶埙。半坡变体鸟纹盆半坡小口尖底瓶半坡陶盆陶埙我国材料的历史进程从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器中，人们发现当时祖先们已经掌握了烧制黑色陶器和白色陶器的配方和技术。仰韶白陶瓶龙山黑陶瓶我国材料的历史进程吸水率小于0.5%的陶瓷称瓷器宋五大名窑（官、哥、汝、定、柴窑）之一：哥窑瓷器开片即是瓷器釉面出现裂纹的现象。开片主要是两种因素造成的，一是成形时坯泥沿一定方向延伸，影响分子的排列；二是胎、釉材料的膨胀系数不同，在冷却过程中收缩率也有差异，形成开片。因而，开片是瓷器烧成过程中的一种缺陷。宋以前的瓷器中常有开片现象，只是到了宋代才开始将开片作为装饰。青花瓷器青花瓷器以钴的化合物为发色剂，绘制在烧制过的胎体上，挂釉后再经过一次烧制而最终完成。我国材料的历史进程青铜时代青铜逐步取代部分石器、木器、骨器和红铜器，成为生产工具的重要组成部分。青铜工具的出现，在生产力的发展上起了划时代的作用青铜斧青铜犁我国材料的历史进程青铜钱币——刀币、布币、环钱、铜贝等我国材料的历史进程青铜器时代河南省安阳晚商遗址出土司母戊鼎，重量857kg,外形尺寸：长×宽×高（133×78×110cm），此鼎重量是迄今为止世界上最古老的大型青铜器青铜戈青铜头盔我国材料的历史进程铜三足鸟西周铜奔马(马踏飞燕)汉秦始皇陵铜车马秦爵商我国材料的历史进程1965年出土于湖北望山楚墓出土越王勾践宝剑我国材料的历史进程铁器时代：铁的高硬度、高熔点与铁矿的高蕴含量使铁器逐渐取代青铜器世界上最早锻造出铁器的是赫梯王国，距今约3400年。我国迄今为止，已发现最早的铁制品为河北藁城和北京平谷刘家河等地商代遗址中出土的铁刃铜钺，距今约3000余年。湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄铁刃铜钺我国材料的历史进程中国最早的关于使用铁制工具的文字记载，是《左传》中的晋国铸铁鼎。在春秋时期，中国已经在农业、手工业生产上广泛使用铁器。我国从公元前7世纪开始大量使用铁器。晋国铁鼎我国材料的历史进程河北沧州铁狮：五代后周广顺三年（公元953年）铸造。总高5.4米，身高3.9米，头高1.5米。身长6.8米，宽3米，总重量40吨。我国材料的历史进程宋朝嘉祐六年（公元1061年）铸造，铁塔在殿前十三级，高七丈，重53,300kg，由基座、塔身及塔顶组成，塔身13层,除第一层外，每层均有平座、塔身和腰檐。腰檐上铸有瓦垄、屋檐、檐角上铸有凌空的龙首。铁塔的基座和塔身上铸有许多神态各异的佛像及纹饰，基座八角各立一金刚武士我国材料的历史进程有明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展，处于停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一有一整套材料体系，门类全齐：原子弹、氢弹、人造卫星、火箭数量：钢铁产量居世界第一长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉材料分类及学科延伸材料分类：金属材料：钢铁、铝、铜、钛合金等陶瓷材料：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN等无机非金属材料：玻璃、水泥等高分子材料：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯等复合材料学科延伸：金属学陶瓷学高分子物理材料合成与制备的发展方向材料合成与制备综合了材料科学、物理、化学、力学和机械等各学科内容科学的发展，对高性能材料和先进合成方法提出更高的要求高性能化通过不同材料间取长补短，实现材料复合化材料功能化功能材料：具有优良的电学、磁学、光学、热学、力学、化学、生物医学功能或具有特殊物理、化学、生物学效应，能够完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件，而被广泛应用于各类高技术领域的高技术材料绿色材料及绿色制备材料合成基础热力学基础自发过程：能量因素混乱度因素系统熵：一种状态函数，系统发生变化时，其过程的熵变等于过程的可逆热与温度的比值，物理意义为量度系统无序度的函数一个化学反应的反应前后：Q/T=ΔS可逆过程，系统处于平衡状态Q/TΔS不可逆过程，系统为自发过程Q/TΔS非自发过程TdQdSr/反应物生成物－SSS材料合成基础系统的吉布斯函数焓的符号表示为H，定义为：H＝U+pV标准状态下:物理意义：体系所具有的在恒温恒压下做非体积功的能力ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm0自发过程ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm=0平衡过程ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm0非自发过程系统的亥姆霍兹函数:物理意义:恒温恒容下对外做功的能力ΔrAm=ΔrUm-TΔrSm0自发过程ΔrAm=ΔrUm-TΔrSm=0平衡过程ΔrAm=ΔrUm-TΔrSm0非自发过程000mrmrmrSTHG材料合成基础动力学基础化学反应速率的速率方程反应进度(ξ)表示化学反应进行的程度,单位时间内反应进度的变化表示反应速率(v),即某一反应物或生成物的物质的量的单位时间内变化对于化学反应aA+bB=lL+mMvA=-dCA/dtvB=-dCB/dtvL=dCL/dtvM=dCM/dt对于基元反应,速率方程可表示为:a和b是A及B的化学计量数,k是反应的速率常数对于非基元反应α和β是反应A和B的分级数bBCaAAkCvBAAACkCdtdC/v材料合成基础浓度对反应速率的影响完全反应：能够进行到底的反应单向反应：正向反应速率远大于反向反应的速率对可逆反应：增加反应物浓度，减少生成物的浓度，以及对有气体参加的反应控制压力温度对反应速率的影响提高温度促进反应向吸热方向进行提高温度会提高反应速率每升高10oC，反应速率增加1倍到数倍溶剂等对反应速率的影响提供反应场所发生溶剂效应作为催化剂直接参与反应溶剂黏度的影响材料合成制备中的表征和分析X－RD：晶格常数、晶格结构，及组分的分析布拉格定律：λ=2dsinθ,λ为入射光波长；θ为角度；d为晶格常数ddsin2ddsin22X-raysourceDetectorCrystal2X-raysourceDetectorCrystal材料合成制备中的表征和分析薄膜电阻的测量四点探针：电流流经A、D两点，测量B、C两点电压ABCD材料合成制备中的表征和分析电子探针显微分析仪（Electronprobemicro-analyzer）：元素组分分析聚焦电子束扫描试样，通过试样表面产生的X射线的波长和强度分析组分及浓度，也可通过二次电子及背射电子进行形貌分析材料合成制备中的表征和分析霍尔效应设备：电阻率，载流子浓度，迁移率，及半导体型号BYXEx,JxExWidthwLengthLThicknessdVxBVH+-ZBYXEx,JxExWidthwLengthLThicknessdVxBVH+-Z材料科学工程制备方法介绍（一）气相沉积法制备薄膜化学气相沉积法（CVD）：化学气相沉积法是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术CVD化学反应必须满足的条件：①反应剂必须具备足够高的蒸汽压②反应的其他产物必须是挥发性的③淀积物必须具有足够低的蒸汽压④薄膜淀积的时间应该尽量缩短以满足效率和低成本要求⑥CVD不允许化学反应的副产物进入薄膜中⑦化学反应应该发生在被加热衬底表面材料科学工程制备方法介绍（一）化学气相沉积的五个主要的过程:(a)反应物扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附在基片的表面；(c)化学沉积反应发生；(d)部分生成物已扩散通过界面边界层；(e)其他生成物与反应物进入主气流里，并离开系统CVD反应原理材料科学工程制备方法介绍（一）MOCVD装置H2反应气体1反应气体2混合室气体流量计气体流量计气体流量计温控系统加热炉真空泵基片材料科学工程制备方法介绍（一）应用实例--硅片生长碳纳米管基片准备(100)硅片1×1cm,分别用三氯已烯,丙酮,乙醚在超声波中清洗5分钟后,用氮气吹干用spinCoating在硅片上coating一层PR(photoresist)层用Aligner在PR层做出pattern洗掉pattern部分PR后,在溶液中刻蚀,用丙酮洗去PR层,在硅片上形成pattern模样孔洞SiSiPR层UVlight材料科学工程制备方法介绍（一）真空溅射法在硅片表面沉积铁层用丙酮洗去硅片表面的PR层和铁层,得到只有在孔洞中覆盖一层铁膜的硅片进行CVD沉积把基片放入到加热炉的石英管中开始抽真空当真空度达到10-3Torr时,程序升温到10000C设置好H2或N2载气,以及CH4或C2H2工作气体流量,开启气体流量计,先通入载气,再通入工作气体Fe材料科学工程制备方法介绍（一）生长结束后,关闭气体流量计,并开始程序降温当温度降到700C以下后,通入氢气,停止抽真空,取出样品得到在Si孔洞里生长着CNT的样品材料科学工程制备方法介绍（二）快速凝固技术：快速凝固指的是比常规工艺过程快得多的冷却速率下(104~109C/S),合金以极快的速率从液态转变为固态的过程.快速凝固技术优点常规铸造合金:晶粒粗大,偏析严重,铸造性能不好提高过冷度可克服常规合金铸造的缺陷过冷度=理论结晶温度-实际结晶温度提高过冷度的方法动力学方法:提高熔体的凝固时的传热速率从而提高凝固时的速度,使熔体形核时间极短,来不及在熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固静力学方法:提供近似均匀形核的条件材料科学工程制备方法介绍（二）气体雾化法:用气体或液体将连续的金属流破碎成液滴离心雾化法:利用机械离心力将水从水盘吸起后,通过高速旋转盘将水甩到雾化格栅打成细小的水雾,并用气体吹出雾滴气体雾化法:从把喷嘴喷出的高速气流的动能用于粉碎过程,通过高速气流撞击连续金属流,使其粉碎特点:通常所用的气体:氢气,氯气,氮气,空气,或混合气体冷却速率:102~104K/s冷却速率越大,颗粒直径越小表面光滑的球形,直径在100um左右气体亚音速雾化法音速雾化法:Osprey法(英国)气流速率:1Ma冷却速率:104~105K/s气体超音速雾化法特殊喷嘴获得超音速冷却速率103~105K/s颗粒表面光滑,尺寸更小水雾化法:压力大,颗粒尺寸小,但颗粒易氧化材料科学工程制备方法介绍（二）线材的快速凝因:合金液流注入冷却液利用真空压力把熔体注入冷模优点:可以