材料合成与制备第一讲.ppt

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1、材料合成与制备,赵景茂,讲授内容 1.纳米材料的制备2.单晶材料的制备3.非晶材料的制备4.镁合金材料制备与表面处理5.铝的阳极氧化与封闭6.陶瓷材料的制备7.复合材料的制备,参考教材：1.王世敏等，纳米材料制备技术，化学工业出版社2.曹茂盛等，材料合成与制备方法，哈工大出版社3.朱世富等，材料制备科学与技术，高教出版社4.姚广春等，先进材料制备技术，东北大学出版社,考试：笔试占40分：3040个思考题，从中选出10-20个考试 出勤：10分笔记：10分 个人ppt 占 40分：在查阅英文文献5篇以上的基础上，就某一种材料的制备或者某种制备技术的应用讲10-15分钟。,材料：自修复材料超级电容

2、器的材料超级疏水材料插层材料绿色材料：绿色水泥储氢材料，储存/吸收二氧化碳材料 技术：节能减排技术使用超重力技术、溶胶-凝胶等技术制备纳米材料,材料的作用 材料、能源和信息科学是现代文明的三大支柱。在考古学上，人类社会的发展历程曾经以材料来划分：旧石器时代（100万年前）新石器时代（1万年前）青铜器时代（公元前5000年）铁器时代（公元前1200年）高分子材料、复合材料时代?,旧石器时代细石铲,旧石器时代：大体上分别相当于人类体质进化的能人和直立人阶段、早期智人阶段、晚期智人阶段。距今260万150万前生活在非洲的古人类。能人是最早使用石器工具的人类，能人演化成为直立人。,新石器时代，是石器时

3、代的最后一个阶段。以使用磨制石器为标志的人类物质文化发展阶段。,新石器时代的文物,青铜器时代，指主要以青铜为材料制造工具、用具、武器的人类物质文化发展阶段。约在公元前2000年左右，中国进入青铜器时代，经夏、商、西周、春秋、战国，大约发展了15个世纪。青铜是红铜和锡或铅的合金，熔点在700900之间，具有优良的铸造性，很高的抗磨性和较好的化学稳定性。铸造青铜器必须解决采矿、熔炼、制模、翻范、铜锡铅合金成份的比例配制、熔炉和坩锅的制造等一系列技术问题。从使用石器到铸造青铜器是人类技术发展史上的飞跃，是社会变革和进步的巨大动力。,铁器时代是人类发展史中一个极为重要的时代。地球上的天然铁是少见的，所

4、以铁的冶炼和铁器的制造经历了一个很长的时期。当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。铁器坚硬、韧性高、锋利，胜过石器和青铜器。铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。,计算机：最早的18000个电子管，总重量达30吨，运算速度5000次/秒；现在：几kg，半导体材料和大规模集成电路人造卫星：每减少1kg，运载火箭的质量可以减少500kg；飞机：发动机的质量减少1kg，升高10m；工作温度每提高100，飞机的推力提高15%

5、导弹：每减少1kg，射程提高12km,材料的分类：按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料按结晶状态分：单晶材料、多晶材料、非晶材料、准晶按物理性质分：高强度材料、耐高温材料、超硬材料、绝缘材料、超导材料、磁性材料、透光材料、半导体材料按用途分：建筑材料、结构材料、耐火材料、电工材料、感光材料、压电材料、热电材料。,第一部分：纳米材料（颗粒）的制备 纳米：长度单位，1纳米(nm)=10-9 米纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。,纳米材料的分类按照维数分：零维：指其在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、人造超原子一维

6、：在三维空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒等 二维：在三维空间有一维处于纳米尺度，如超薄膜,按照材料的形状分：纳米粉末：超微粉或超细粉，是研究时间最长、技术最成熟，是制备其他材料的基础纳米纤维纳米膜：又分为颗粒膜和致密膜纳米复合材料 纳米微粒+纳米微粒；常规块体+纳米微粒；薄膜+纳米微粒,纳米材料的物理、化学性质既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体。纳米介于宏观世界和微观世界之间，因此也称为介观世界。当常态物质被加工到纳米尺度时，会出现特异的现象，如：铜：良导体；纳米铜：绝缘体；硅：半导体；纳米硅：良导体；陶瓷：易碎；纳米陶瓷：室温下任意弯曲,纳米颗粒的制备气相法液相法固相法,第一

7、章 气相法制备纳米微粒气体中蒸发法化学气相反应法化学气相凝聚法溅射法,气体中蒸发法 是在惰性气体（或活泼性气体）中将金属、合金或陶瓷蒸发气化，然后与惰性气体发生碰撞，冷却、凝结而形成纳米微粒，或者是与活泼性气体反应后再冷却、凝结而形成纳米微粒。,冷阱,思考题：如何调节纳米微粒的粒径？王世敏等：纳米材料制备技术，P8,气体蒸发法的特点：表面光洁；粒度齐整，粒径分布窄；颗粒度容易控制 根据加热源的不同，可以将气体蒸发法分为以下6种。,1.电阻加热法,在以下两种情况下不适合用电阻加热法:1.两种材料(被蒸发的材料和发热体)在高温下熔融形成合金2.被蒸发的材料的蒸发温度高于发热体的软化温度，因此该法重

8、要用于低熔点金属的蒸发：Ag、Al、Cu、Au 一般在载物台上每次放入12g的原料，得到10mg左右的微粒。需要多次操作；功率:12kW，适用于实验室研究。,2.高频感应加热法,特点：高频感应具有感应搅拌作用，坩埚内合金均匀性好；可以将熔体的温度保持恒定；可以在长时间内以恒定的功率运转；加热源的功率大：MW级；加热体中可以放入 50g左右的样品，一次可以得到0.51g左右的纳米样品粒径分布窄,缺点不能制备W、Ta、Mo等高熔点材料,3.等离子体加热法,等离子体按其产生方式可以分为：直流电弧等离子体高频等离子体,直流电弧等离子体 在惰性或者反应性气氛下，通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，使

9、原料熔化、蒸发，蒸气遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米颗粒。由于等离子体温度高，几乎可以制备任何金属的纳米微粒。如Ta，熔点高（2996）,直流电弧等离子法制备金属纳米离子,思考题:1.为何Cu、Al两种元素的生成速率低？,特点：制备量大：一次可以得到数克至数十克不用担心被蒸发材料与坩埚的反应缺点：坩埚内的温度不均匀，因此粒径分布不均匀。,氢电弧等离子体 使用氢气作为工作气体。优点：等离子体中含有大量的氢原子，氢原子复合为氢气时，产生大量的热，使金属材料产生强制性的挥发，产量大。Pd：300g/h,4.电子束加热法,特点:适合于制备高熔点金属的纳米颗粒，如W、Ta、Pt等不使用坩埚等容

10、器，因此不会引入杂质。,5.激光加热法,特点：加热源放置在系统外，不受蒸发室的影响；不论是金属、化合物还是矿物都可以进行熔融和蒸发；激光器不受蒸发物质的污染,类型：CO2激光器Nd:YAG激光：在金属表面上更容易被吸收而蒸发金属，可以制备Fe、Ni、Cr、Ti、Zr、Mo、Ta、W、Al、Cu等纳米颗粒。,6.爆炸丝法,原理：先将金属丝固定在一个充满惰性气体的反应室内，丝两段为正负极，它们与一个大的电容器相连形成回路，加上15kV高压，金属丝在500800kA大电流下加热，熔断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在熔断处放电，是熔融的金属在放电过程中进一步加热变成蒸气，在惰性气体碰撞下沉积到容器底

11、部。,金属丝通过一个自动供丝系统进入，工业上连续生产纳米金属、合金的最主要的方法。,化学气相反应法,又称：化学气相沉积法，CVD（Chemical Vapor Deposition）利用挥发性金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米微粒。,气相分解法：单一化合物热分解法 A(g)B(s)+C(g)如:Fe(CO)5(g)Fe(s)+5CO(g)SiCH4(g)Si(s)+2H2(g)(CH3)4Si SiC(s)+3CH4(g)2Si(OH)4 2SiO2+4H2O,气相合成法:A(g)+B(g)C(s)+D(g)典型反应:3SiH4(

12、g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g)2SiH4(g)+C2H4(g)2SiC(s)+6H2(g)BCl3(g)+3/2H2 B(s)+3HCl(g),热管炉加热化学气相反应法 热管炉加热技术属于传统的热工技术，至今仍普遍应用于化工、材料工程及科学研究领域。特点：结构简单、成本低、适合于工业化生产，特别是从实验室技术到工业化生产的放大。,激光诱导化学气相反应法 利用激光光子能量加热反应体系，从而制备纳米微粒的技术。入射光垂直于反应气流照射；激光加热速率：106108/s 时间：10-4s,关键问题：入射激光能否引

13、发化学反应？入射光的波长/频率：气体分子对光能的吸收与入射光的频率有关。激光光源具有单色性和高功率强度。激光器的类型：固态激光器，气态激光器，准分子激光器，半导体激光器，染料激光器,反应的原料：加入一些光敏剂，诱导作用 入射光的强度：照射光要有一定的强度才能引发反应。一般百瓦级的CO2激光器或其他光器,第二章 液相法制备纳米微粒沉淀法水解法水热法溶胶-凝胶法,沉淀法 溶液中含有一种或多种金属离子，加入一些阴离子后(如OH-、C2O42-、CO3-)，生成沉淀，将沉淀加热脱水得到金属的氧化物颗粒。通过草酸盐沉淀得到氧化物的较多。,尿素作为沉淀剂：70后，尿素分解：(NH2)2CO+3H2O2NH

14、4OH+CO2 提供OH-优点？,水解法无机盐水解:ZrO2纳米粉的制备 ZrCl4+4H2O Zr(OH)4+4HCl ZrOCl2+3H2OZr(OH)4+2HCl 加热：Zr(OH)4 ZrO2+2H2O,SnO2纳米粉末：将20gSnCl2溶解在250ml的乙醇中，搅拌0.5h，经1h 回流，在室温放置5天，然后在60 的水浴锅中干燥2天，最后在100 烘干得到40-60nm颗粒。,金属醇盐水解金属醇盐：M(OR)n 可以看成醇ROH中的H被M取代；或金属氢氧化物M(OH)n的H被烷基R所取代。优点：金属醇盐活性高，易水解金属醇盐易提纯，可以得到高纯度的氧化物纳米颗粒缺点：成本高,金属

15、醇盐的制备金属与醇反应电负性很强的金属，与醇在惰性气体（N2、Ar）保护下：M+nROH M(OR)n+n/2H2M：Li、Na、K、Ca、Sr、Ba等；金属铊（Tl）与乙醇在回流下不能反应，但当铊部分暴露于空气中，可以反应生成乙醇铊Tl+1/2O2 Tl2OTl2O+2C2H5OH2TlOC2H5+H2O,2.金属卤化物与醇反应B、Si、P等元素的氯化物与醇作用，可以完全醇解：BCl3+3C2H5OHB(OC2H5)3+3HClSiCl4+C2H5OH Si(OC2H5)4+4HClPCl3+3C2H5OH P(OC2H5)3+3HCl,而许多金属卤化物的醇解都不完全，例如四氯化锆的醇解：2

16、ZrCl4+5C2H5OHZrCl2(OC2H5)2C2H5OH+ZrCl3(OC2H5)C2H5OH+3HCl为了使金属卤化物的醇解完全，需使用碱（氨气、叔胺或吡啶）除去生成的卤化氢。最常用的是氨法，氨法最初用于醇钛的合成:TiCl4+4ROH+4NH3Ti(OR)4+4NH4Cl,氨法已成功用于制备许多金属的醇盐。如：硅、锗、钛、锆、铌、铪、钽、铁、锑、钒、铈、铀、钚等。在氨法中，用伯醇、仲醇制备金属醇盐醇比较成功，用叔醇则达不到目的，这是由于存在醇的消除反应，生成水，得不到金属醇盐。如果首先在叔醇中加入吡啶，再加入氯化物，然后通入氨气，便可制得纯的、产率较高的金属叔醇盐，例如，叔丁醇钛的

17、制备：TiCl4+4(CH3)3COH+4NH3+吡啶(CH3)3CO4Ti+4NH4Cl,3.金属卤化物与碱金属醇盐反应-醇钠法 虽然氨法能用于许多金属醇盐的制备，但还有一些不能用此法制备的醇盐，如钍、锡等。使用金属卤化物与乙醇钠反应可以制得许多金属的醇盐：MXn+nNaOC2H5M(OC2H5)n+nNaX M:镓、硅、锗、锡、铁、砷、铟、锑、铋、钍、铀、硒、碲、钨、镧、镨、钕、钐、钇、镱、铒、钬、镍、铬、铜、钴等。,4.氧化物及氢氧化物与醇反应 氧化物与氢氧化物相当于酸酐和酸，与醇进行“酯化”反应时，存在下列反应：MOn+2nROHM(OR)2n+nH2O M(OH)n+nROH M(O

18、R)n+nH2O 使用该法已成功地用于下列金属醇盐的制备：钠、铊、硼、硅、锗、锡、铅、砷、硒、钒和汞。,5.醇交换反应 醇盐可与醇发生醇解反应，制备混合醇盐或另一种醇的盐：M(OR)n+xROHM(OR)n-x(OR)x+xROH 该反应广泛地于不同元素的醇盐的制备中，例如：锌、铍、硼、铝、镓、碳、硅、锗、锡、钛、锆、铪、铈、钍、钒、铁、铌、硒、碲、铀、镨、钕、钐、铒、镱、钇等,6.酯交换反应 醇盐与酯反应，可得到另一种醇盐和另一种酯。酯比醇稳定，在高温下不易氧化，这种方法较醇交换法优越。此法一般用于异丙醇盐制备叔丁醇盐：MO-CH(CH3)24+4CH3COOC(CH3)3 MO-CH(CH

19、3)34+4CH3COOC(CH3)2 M：铅、镓、铁、钒、钛、铪、钽、镧系元素等。,复合醇盐 酸性醇盐和碱性醇盐的中和反应主要基于构成醇盐的金属元素的电负性。碱金属、碱土金属、稀土金属元素所构成的醇盐为碱性醇盐；由锌、铝、锆、铌、钽等元素所构成的醇盐为酸性醇盐，二者之间可发生反应，生成复合醇盐：碱性醇盐+酸性醇盐复合醇盐,M1OR+M3(OR)3M1M3(OR)4M1OR+M4(OR)4M1M4(OR)5M1OR+M5(OR)5M1M5(OR)6M2OR2+2M3(OR)3M2M3(OR)42 M1：Li、Na、K、Rb、Cs；M2：Mg、Ca、Sr、Ba；M3：Al、Ga；M4：Zr、Hf

20、；M5：Nb、Ta；R：烷基,金属醇盐水解制备纳米粉 金属醇盐与水反应生成氧化物、氢氧化物、水合氧化物的沉淀。除硅和磷的醇盐 外，几乎所有的金属醇盐与水反应都很快。沉淀是氧化物时就可以直接干燥，产物中的氢氧化物、水合物煅烧后成为氧化物粉末。迄今为止，已制备了100多种金属氧化或复合金属氧化物粉末。,举例：查资料：TaTiO3的合成,水 热 法在高温高压在水溶液中进行的反应。水热氧化 典型反应可用下式表示：mM+nH2OMmOn+H2（M：Cr、Fe）2.水热沉淀 比如：KF+MnCl2KMnF23.水热合成 比如：FeTiO3+KOHK2OnTiO24.水热还原 比如：MxOy+yH2xM+y

21、H2O（M：Cu、Ag）5.水热分解 比如：ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO36.水热结晶 比如：Al(OH)3Al2O3H2O,优点：水热法直接生成氧化物，避免了一般液相合成方法需要经由煅烧转化为氧化物这一步骤，降低或避免了硬团聚。如以Ti(OH)4胶体为前驱物，在高压釜内，10MPa下，300纯水中加热8h，用乙酸调至中性，用去离子水洗，再用乙醇洗涤，在100下烘干可得到25nmTiO2粉体。,溶胶凝胶法（SolGel）定义：指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成固体氧化物或其它化合物的方法。,该方法是将金属醇盐或其它盐类溶解在有机溶剂中，通过水解-聚

22、合反应形成均匀的溶胶（Sol），进一步反应并挥发失去大部分有机溶剂后转化成凝胶（Gel），再通过热处理制得超细粉末、纤维和薄膜。,优点：（1）除了可制备粉末外，还可以制备薄膜、纤维、体材和复合材料；（2）该方法原材料在分子级水平上混合，高度混合，所以制得的产品纯度高;（3）合成温度低，比传统方法低50-500；（4）材料的组成容易控制，制备设备简单。,该方法的关键：（1）金属醇盐的合成；（2）控制水解-聚合反应以形成溶胶和凝胶；（3）热处理。本节只重点讨论如何控制各种因素来形成溶胶和凝胶。,下面以钽铌酸钾（KTa0.65Nb0.35O3，简写：KTN）粉末的制备来加以说明各种因素对凝胶形成的影

23、响。,例1：制备工艺过程：7.82g钾在氮气保护下溶于250ml乙醇52.76g乙醇钽溶于50ml乙醇22.26g乙醇铌溶于50ml乙醇 将以上三种溶液混合，并加入50ml乙醇，总盐浓度为1mol/L，其中K/Ta/Nb=1/0.65/0.35，再加入400ml乙醇后，总盐浓度为0.5mol/L,将0.5mol/L溶液在温度11，相对湿度为50%的空气中，放置15天后形成干燥、透明的凝胶。然后在750热处理1h后，得到KTN，粒径50-150nm。,溶胶、凝胶形成机理：（1）醇盐间的反应三种醇盐：KOC2H5-碱性醇盐 Ta(OC2H5)5-酸性醇盐 Nb(OC2H5)5-酸性醇盐,KOC2H

24、5+Ta(OC2H5)5 KTa(OC2H5)6KOC2H5+Nb(OC2H5)5 KNb(OC2H5)6 溶液中存在五种物质：KOC2H5，Ta(OC2H5)5，Nb(OC2H5)5，KTa(OC2H5)6，KNb(OC2H5)6,（2）溶胶-凝胶的形成（分2个过程）A：五种物质的水解完全水解：KOC2H5+H2O KOH+C2H5OH部分水解Ta(OC2H5)5+H2O Ta(OC2H5)4 OH+C2H5OHNb(OC2H5)5+H2O Nb(OC2H5)4 OH+C2H5OHKTa(OC2H5)6+H2O KTa(OC2H5)5OH+C2H5OHKNb(OC2H5)6+H2OKNb(O

25、C2H5)5OH+C2H5OH,B：缩合-聚合反应水解产物与前驱体、水解产物之间发生缩合-聚合反应：KM(OC2H5)5OH+KM(OC2H5)5(OR)(OC2H5)5KM-O-MK(OC2H5)5+ROH（M=Ta，Nb）(OC2H5)5KM-O-MK(OC2H5)5+KM(OC2H5)5OH R=H(去水缩聚)，R=C2H5（去醇缩聚）上述溶液中，不断水解，然后发生缩聚反应，分子越来越大，溶液的粘度不断增加，最终形成凝胶。含金属-氧-金属的网络结构的无机聚合物凝胶。,影响溶胶-凝胶形成的因素：溶液浓度、有机介质组成、添加剂、湿度、温度等。,各种因素对凝胶形成的影响A：前驱体浓度的影响 将

26、总盐浓度为1mol/L的溶液分别使用乙醇稀释为：0.7、0.5、0.3、0.1、0.05 mol/L，在温度11、相对湿度50%的空气中放置一段时间后观察溶液情况，见下表：,四种浓度(1.0、0.7、0.1、0.05)出现沉淀，两种浓度凝胶。出现沉淀的溶液浓度，或最高，或最低，中间凝胶？,原因：高浓度溶液(1.0、0.7)由于醇盐含量高，吸收的水分，水解很快，故产生沉淀；低浓度溶液(0.1、0.05)，醇盐含量低，高浓度溶剂乙醇吸收的水分，导致醇盐很快水解发生沉淀。中等浓度下，在上述温度和湿度条件下，醇盐的水解速度与水解产物缩聚速度相当，故此可形成具有空间网络结构的聚合物-凝胶。,B 溶剂组成

27、的影响无水乙醇吸湿性强，浓度高和浓度低的溶液不易形成凝胶；因此降低溶液的吸湿性，对凝胶的形成有利。苯的吸湿性低，挥发性与乙醇接近，因此用苯-乙醇组成的混合溶剂有利于凝胶的形成。,苯各种浓度下，11，50%相对温度下72h后情形：苯的含量（V%）对凝胶形成的影响,C 添加剂的影响,乙酸含量大于5%（v%）后，均可形成凝胶。原因：KM(OC2H5)6+HOAC KM(OC2H5)5(OAC)+C2H5OH 乙酸根替代了乙醇盐中部分乙氧基，降低了醇盐的活性，防止了醇盐的快速分解，有利于缩聚反应。,D、湿度的影响,湿度越大，吸收水分越快，水解越快，不利于形成凝胶。因此相对湿度一般控制在50%。,E、温

28、度的影响 温度高即加快了水解，缩聚反应的速度，又促进了溶剂的挥发，大大缩短了凝胶的形成时间。（相对湿度50%、0.5mol/L不同温度下形成凝胶时间）,结 论（1）浓度太高、太低都易形成沉淀。（2）加入吸湿性低的溶剂有利凝胶形成。（3）一些添加剂可以降低醇盐活性，防止水解太快。（4）湿度高，水解快不利形成凝胶。（5）提高温度可缩短凝胶形成时间。,例 TiO2-CeO2复合氧化物（CeTi2O6）的制备：新型催化材料 将分析纯的Ti(OBu)4，Ce(NO3)3.6H2O用无水乙醇配制成50%的溶液，按照2:1的mol比将两种溶液混合，然后放入相对湿度65%，温度20的密封容器中，放置72h后，混合溶液全部变成浅黄色透明凝胶，在700 煅烧3h后，得到CeTi2O6粉末。,溶胶-凝胶法制备薄膜材料,