材料合成与制备新技术讲解
材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
新材料的制备技术和应用
新材料的制备技术和应用第一章引言新材料是21世纪的核心技术之一。
新材料基础研究涉及物理学、化学、材料科学、计算机科学等多领域，其应用领域包括信息、能源、环境、生物、交通、军事等。
本文主要介绍新材料的制备技术和应用。
第二章新材料的制备技术2.1 材料表面修饰技术材料表面修饰技术是一种将自组装技术、表面修饰技术和纳米技术相结合的最新技术。
该技术应用在聚合物和金属表面修饰上，可以使材料表面的性质得到改善。
表面修饰的基本原理是在材料表面覆盖一层新材料，形成一层保护膜，使材料表面光滑，防止氧化和腐蚀，提高材料的耐磨性等。
2.2 超微细纳米材料制备技术制备超微细纳米材料的最新技术主要包括溶胶——凝胶法、热蒸发法、机械合金化法、电解析法、激发态反应法和光化学法等。
溶胶——凝胶法是一种简单、成本低的制备技术，它通过溶解金属盐和无机物，然后经过凝胶化、烘干、焙烧等步骤制备出高质量的纳米粉体。
该技术被广泛应用于催化剂、电子材料、陶瓷材料、辐射防护材料等领域。
2.3 纳米材料合成技术纳米材料合成技术是制备纳米材料的关键技术之一。
主要包括沉积、拟晶体法、流体法和溶液化学反应法。
沉积法是一种简单有效的制备纳米材料的方法，它可以通过合成液相中的金属离子氧化还原反应来制备纳米粒子。
该技术被广泛应用于催化剂、光电材料、润滑剂等领域。
第三章新材料的应用3.1 新能源材料新能源材料是一种能够转化或存储各种能量形式的材料，包括太阳能电池、燃料电池、储氢材料和储能材料等。
其中，太阳能电池是新能源材料的重要组成部分，它可以将太阳能转化为电能，被广泛应用于室内照明、温度控制等领域。
3.2 新材料医学应用新材料在医学领域的应用包括人工心脏、人工骨、人工关节等。
其中，人工心脏是新材料在医学领域的一项重要成果。
人工心脏通过将新材料与微电子技术相结合，实现了人工心脏的制备与应用。
该技术可以解决心脏移植的问题，被广泛应用于临床医学。
3.3 新材料在环保领域的应用新材料在环保领域的应用，主要包括生物降解材料、污水处理材料和废弃物处理材料等。
材料工程基础-材料制备新技术
3.液态金属快淬法 液态金属快淬法是各类快速凝固方 法中使用最广泛的方法，其具体的工艺 也最多，如单辊法、双辊法、平面流铸 法、拉丝法、熔体沾出法、锤砧法等。
单辊法目前使用最广泛。该法既可用于实验室研 究，也适于工业化大规模生产。可制备出厚度大约在 20～200µm的细晶或非晶条带。 （图中气体的作用是 什么？）
(1) 循环过热净化 循环过热净化是一个对金属实施 “加热熔化一过热保温一冷却”的热循 环过程，使液态金属中的异质核心通过 熔化、钝化、分解和蒸发等方式得以消 除或失去异质核心作用，从而获得深过 冷。 Turnbull等采用这一方法使2.3g的 Pd40Ni40P20合金获得了大过冷而得到金属 玻璃。
在快凝合金中，由于显微偏析的分 散度很大，所需的均匀化退火时间可大 大缩短。 例如，对于钨在镍中的均匀化来说， 当二次枝晶臂间距由常规铸造时的 100µm减少至快速凝固的1µm时，按照菲 克定律，为达到99%均匀化所需要的退 火时间(在1600K)由16h减少至6s。
4. 可形成亚稳相 在快速凝固的合金中，除了出现亚 稳的过饱和固溶体外，还会形成其它的 亚稳相。 （什么叫亚稳相？） 例如Fe-C铸造合金，当冷速足够快 时，Fe-C合金进人介稳凝固系统，形成 奥氏体与渗碳体的共晶，而不是稳定系 统中的奥氏体与石墨的共晶。
以上技术的核心就是消除非 均匀形核的核心，实现深过冷， 从而获得细化的组织甚至非晶。
2. 雾化法 雾化法是使液态金属高度弥散(液珠尺寸 10µm左右)，分散的液滴由于尺寸小，在介质 中可以获得极大的动力学过冷度，同时由于分 散后绝大多数液滴的非均匀形核被抑制，从而 也可获得较大的热力学过冷度，使液滴实现快 速凝固。 这一方法得到的产物为粉末。雾化法根据 雾化介质的不同可分为气体雾化、水雾化及离 心雾化法等。其工艺与粉末冶金雾化粉末的制 备工艺原理一致。
材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固
制备高性能合金、金属基复合材料等。
能源领域
制备核反应堆燃料元件、太阳能电池板等。
复合材料领域
制备纤维增强复合材料、梯度功能复合材料 等。
02
定向凝固的原理与特点
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
定向凝固的原理
定向凝固是一种通过控制热流方向，使液态金属在特定方向上凝固结晶的 技术。
ERA
定向凝固技术的定义
01
定向凝固技术是一种通过控制热 流和物质流，使金属或合金从液 态到固态在特定方向上实现单向 凝固的工艺方法。
02
在定向凝固过程中，固液界面在 特定方向上保持恒定，使晶体沿 着这个方向生长，从而获得具有 单一取向的晶体组织。
定向凝固技术的发展历程
20世纪50年代
定向凝固技术初步发展，主要应用于 高温合金的制备。
详细描述
热压定向凝固法是在高温下对熔体施加单向压力，使熔体在压力下凝固结晶。这种方法可以控制晶体的生长方向 ，获得单晶体或单向性良好的多晶体。热压定向凝固法具有较高的生产效率和较低的成本，适用于大规模生产。
快速定向凝固法
总结词
通过快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固，以获得定向凝固组织。
详细描述
快速定向凝固法采用快速冷却技术，使熔体在极短时间内凝固结晶。这种方法可以获得具有定向凝固 组织的材料，提高材料的力学性能和热物理性能。快速定向凝固法可以采用各种快速冷却技术，如激 光束、电子束、高压气体等。
真空定向凝固
在真空环境下进行定向凝 固，降低杂质和气体含量 ，提高材料纯度和性能。
拓展定向凝固技术的应用领域
航空航天领域
利用定向凝固技术制备高 性能轻质材料，满足航空 航天领域对材料的高要求 。
最新《材料合成与制备新技术》课件：第五章定向凝固
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5.2.2 定向凝固理论
定向凝固技术实验的发展推动了凝固理论的 发展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究中 发现在合金中液固界面前沿由于溶质富集将 会产生“成分过冷”导致平衡界面失稳而形 成胞晶核枝晶。首次提出了成分过冷理论。
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固液界面液相区内形成成分过冷条件
一是由于溶质在固相和液相中的固溶度不同， 即溶二质是原在子凝在固液过相程中中固，溶由度于大外，界在冷固却相作中用固，溶在固度 小液，界面当固单相向一合侧金不冷同却位凝置固上时的，实溶际质温原度子不被同排挤，到外 液界相冷中 却能去，力在强固，液实界际面温液度相低一；侧相堆反积实着际溶温质度原高子。， 形如成果溶 在质固原液子界的面富液集相层一侧。随，着溶离液开中固的液实界际面温距度离低 增于大平衡，时溶液质相质线量温分度数逐，渐出降现低过。冷现象。
14
图5.1 成分过冷
15
据此，可以得到平衡界面生长的临界速度。
Vcs GL DL T0
式中，△T0=mLC0(k0-1)，△T0是合金平衡结晶温度间隔。
16
在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，如果在 平直的固液界面上由于不稳定因素扰动产生凸起，也会 由于过热的环境将其熔化而继续保持平面界面。
13
在此基础上，Charlmers、Tiller等人首次 提出了著名的“成分过冷”判据：
GL mLC（ 0 k01） T0
V
k0DL
DL
式中：GL为液固界面前沿液相温度梯度（K/mm）； V为界面生长速度（mm/s）；mL为液相线斜率；C0为合 金平均成分；k0为平衡溶质分配系数；DL为液相中溶质 扩散系数；ΔT0为平衡结晶温度间隔。
新材料的设计与合成技术
新材料的设计与合成技术随着科技的发展和社会的进步，新材料的需求量越来越大。
在各个领域中，新材料扮演着不可替代的角色。
为了满足市场的需求，科学家们开发出了许多新材料，其中大多数是采用新材料的设计与合成技术制造而成的。
本文将探讨新材料的设计与合成技术。
一、新材料的意义和应用领域新材料是指近年来开发出来的具有新的物理、化学和机械性质的新型材料。
新材料的意义在于它能够改善和优化原有材料的性能，提高各个领域的生产效率和质量，进而满足人们的各种需求。
目前新材料的应用领域已非常广泛，涵盖国防、航天、轮船、电子、汽车、医疗、建筑、能源等诸多领域，以及环保和可持续发展。
在空间站的建设和太阳能电池板的制造等领域，新材料起到了至关重要的作用。
二、新材料的设计在新材料的设计中，首先要对材料制品所需的物理、化学及其他各种特性进行全面分析和研究。
对材料进行组分设计、制造工艺设计等方面的探索与研究，找出最佳组分及制品的制造工艺，然后才能进入下一步的研发与制作。
设计的核心是材料结构和特性之间的联系，因此需要大量的实验和理论基础。
前期工作需要考虑到材料的种类、性质以及应用环境等因素，才能创造出具备各种性能优化的新材料。
例如，提高耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能，满足人类对于材料性能新的诉求。
三、新材料的合成技术新材料的合成技术是制成新材料的关键，成功的合成技术可以制造出高品质的新材料，使其应用价值得以发挥。
为了获得更具特异性和高度的精确度，新材料的合成主要采用化学方法，即将化学药品通过物理或化学反应反应产生所需的材料。
目前，合成方法主要分为“自下而上”和“自上而下”两种方式。
自下而上的合成方式是指从比分子小的起源，逐步凝聚到大分子的形成。
而自上而下的合成方式则是从宏观上开始构建分子结构，最终获得所需的新材料。
四、新材料的应用前景新材料在未来的应用前景非常广阔，其能够为许多领域做出重要贡献，不断提高各个领域的工作效率以及提高人们生活的质量。
新版材料合成与制备.pdf
第一章绪论1．材料按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四类。
2．材料合成与制备是通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料。
研究内容：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技术，从而指定节能、经济、环保的合成路线及开发新型结构和功能的材料。
3．材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。
第二章无机材料合成实验技术1．表征真空泵的工作特性的四个参量：起始压强、临界反压强、极限压强、抽气速率。
2．平衡分离过程：借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。
3．速率分离过程：在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。
4．吸附分离过程：利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。
特点：①多数吸附剂具有良好的选择性，同时，被吸附组分又可在不同的条件下脱附，方便被吸附组分的分别收集和吸附剂的再生利用；②吸附剂化学稳定性好，分离所得产物纯度高；③吸附与解吸速度快，为快速分离和获得小体积淋洗液创造了条件；④吸附剂价廉易得，实验操作简单；⑤为了增加表面作用位置，吸附剂通常制成多孔结构和大比表面积。
吸附机理：⑴吸附作用机理复杂，包括静电吸附、氢键作用、离子交换、络合作用等多种物理和化学过程；⑵从分子间作用力的观点来看，吸附作用是吸附剂表面的立场与吸附质分子之间相互作用的结果，主要是物理吸附；⑶硅胶、Al2O3表面含有大量羟基及O原子，能与许多物质形成氢键。
氢键和电荷转移相互作用均产生较强的吸附能；⑷极性吸附剂与极性分子之间的吸附力较强，选择性也较高。
高性能陶瓷材料制备工艺的新技术与新方法
高性能陶瓷材料制备工艺的新技术与新方法随着科技的进步和工业的发展，高性能陶瓷材料在各个领域得到了广泛应用。
传统的陶瓷材料存在着制备过程复杂、成本高、尺寸难控制等问题，因此，研发新技术和新方法是提高陶瓷材料制备工艺性能的关键。
首先，化学合成法是一种制备高性能陶瓷材料的重要方法。
传统的制备工艺通常采用高温烧结方法，存在能耗高、设备复杂等问题。
而化学合成法通过溶液中的化学反应进行材料合成，可以在低温下制备出高纯度、均匀分散的纳米颗粒。
这种方法相对简单且能耗低，有利于提高陶瓷材料的性能，并且可以实现针对性的控制材料的形貌和尺寸。
例如，溶胶-凝胶法是一种常用的化学合成方法，通过水解和缩聚反应制备出陶瓷材料的前驱体，并通过热处理转化为陶瓷材料。
此外，溶胶凝胶法还可以控制前驱体的成分和结构，获取不同性能的陶瓷材料。
其次，电场辅助法是一种新兴的制备高性能陶瓷材料的技术。
这种方法是通过外加电场影响材料的结晶过程，实现陶瓷材料晶粒的定向排列和尺寸的控制。
通过电场辅助法可以制备出具有优异力学性能、高介电性能和磁性功能的陶瓷材料。
例如，电场辅助烧结法是一种通过应用外加电场促进陶瓷材料的烧结过程，实现晶粒的定向排列和尺寸的控制。
这种方法可以提高材料的致密度和力学性能，并且制备出具有优异的导热性能和磁性能的材料。
此外，激光选择性烧结技术是一种非常有前景的高性能陶瓷材料制备方法。
该方法利用激光束对材料进行选择性烧结，实现二维和三维结构的精确控制。
激光选择性烧结技术具有制备复杂形状和高精度材料的优势，特别适用于制备微纳米尺度的陶瓷材料。
例如，通过激光选择性烧结技术可以制备出具有高光学透明性和低热膨胀系数的陶瓷材料，这在光电子领域有重要应用。
综上所述，化学合成法、电场辅助法和激光选择性烧结技术是近年来发展起来的新技术和新方法，可以有效地提高高性能陶瓷材料的制备工艺。
这些方法具有制备过程简单、能耗低、成本较低和材料性能优越的特点，为高性能陶瓷材料的发展开辟了新的途径。
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溶解 前驱体
水解
缩聚
老化
溶液
溶胶
凝胶
凝胶
溶胶－凝胶法的发展历程
1846年Ebelmen 发现凝胶
20世纪30年代 W.Geffcken采用金属 醇盐制备氧化物薄膜
1971年Dislich 制备了
SiO 2-B2O-Al 2O3-Na 2OK 2O 多组分玻璃
80年代后 玻璃、氧化物涂层
功能陶瓷粉料 复合氧化物陶瓷材料
部分反离子一起滑动。 AB面是发生电动现象时的实际滑动面，滑动面上 的电位即ζ电位。ζ电位等于零时的 pH点成为等电点。
+
+ +
-
+
-
+
-
-
+-
+ --
+
+ -+
+ +
-
-+
+
-
+ liquid -
Particle Surface charge
+
+
+
φ0
+
ζ+
+
+
A
－
－
－
－
－－
－ －－
－
B
Distance x from surface
碱性凝胶化
xM(H
2O)
z+ n
+
yOH
-
+
aA -
→ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
MxOu(OH)
y-2u(H 2O) n Aa (xz-y-a)+
+
(xn+u-n)H
2O
A- —— 凝胶过程中所加入的酸根离子。
当x=1时，形成单核聚合物；
在x>1时，形成多核聚合物。
Mz+可通过O2-、OH -、H2或A-与配体桥联。
薄膜及 涂层材料
第一章
溶胶－凝胶合成
目
录
? 基本概念 ? 溶胶-凝胶法发展历程 ? 溶胶-凝胶基本原理 ? 溶胶-凝胶合成方法的适用范围 ? 溶胶-凝胶工艺过程 ? 溶胶-凝胶合成方法应用举例
溶胶－凝胶法的基本概念
? 溶胶（ Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体
或者大分子，分散的粒子大小在 1～100nm之间。
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
阳离子
Si Al Ti B
溶胶凝胶合成中常用的醇盐
M(OR)n
Si(OCH 3)4 Si(OC2H5)4
Al(O-iC 3 H7 )3 Al(O-sC 4H9)3
Ti (O-iC3H7)4 Ti(OC 4 H9 )4 Ti(OC 5 H7 )4
B(OCH 3)3
阳离子
Ge Zr Y Ca
M(OR)n
Ge(OC 2H5)4 Zr(O-iC 3H7)4 Y(OC2H5)3
(OC2H5)2
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
2、无机盐的水解-缩聚反应
? 水解反应：Mn+ ＋nH2O → M(OH) n ＋ nH+
? 凝胶化
脱水凝胶化
胶粒脱水，扩散层中电解质浓 度增加，凝胶化能垒逐渐减小
1975年Yoldas 和 Yamane得到整块陶瓷
和透明氧化铝膜
1.胶体稳定原理 -DLVO理论
1、双电层与ζ电位
? 溶胶体系中，由于静电引力的存在会使溶液中的反离子向颗粒表面靠拢，
并排斥同离子，固体表面电荷与溶液中反电荷形成了双电层结构。
? 被吸附的离子与固体表面结合牢固，固体和液体相对运动时，固体带动
匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等优点 。
?
可以用于制备各种光学透镜、功能陶瓷块、梯度折射率玻璃等 。
?
成本较高，生产周期长，故不适宜材料大规模的生产 。
2.多孔材料
多孔材料是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
气凝胶块体
气凝胶隔热
将金属醇盐溶解于低级醇中，水解得到 相应金属氧化物溶胶；调节 pH值，纳米 尺度的金属氧化物微粒发生聚集，形成 无定形网络结构的凝胶。将凝胶老化、 干燥并作热处理，有机物分解后，得到 多孔金属氧化物材料（一般为陶瓷）
? 凝胶（ Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成
连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相 的含量很低，一般在 1％～3％之间。
溶胶 无固定形状
固相粒子自由运动
凝胶 固定形状 固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动
* 特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面积 *
溶胶－凝胶法的基本概念
溶胶－凝胶法： 就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体， 在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应， 在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚 合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流 动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子 乃至纳米亚结构的材料。
溶胶稳定机制
?溶胶颗粒表面电荷来自胶粒晶格离子的选择性电离，或选择性吸 附溶剂中的离子。 ?对金属氧化物水溶胶，一般优先吸附 H＋或OH－。当pH>PZC时， 胶粒表面带负电荷；反之，则带正电荷。 ?根据DLVO理论，胶粒受到双电层斥力和长程范德华引力二种作用， 此外，胶粒间相互作用还有分子间的范德华力和由表层价电子重 叠引起的短程波恩斥力。
粉体材料
块体材料
溶胶凝胶 复合材料
多孔材料 纤维材料
1.块体材料
?
溶胶－凝胶合成法制备的块体材料是指具有三维结构，且每一维尺度
均大于1mm的各种形状且无裂纹的产物。
?
根据所需获得材料的性能需求，将前驱体进行水解、溶胶、凝胶、老
化和干燥，最终通过热处理工艺获得材料 。
?
该方法制备块体材料具有纯度高、材料成分易控制、成分多元化、均
胶体稳定原理 -DLVO理论 颗粒间的范德华力 双电层静电排斥能
粒子间总作用能
VT ? VA ? VR
? 溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面 存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结 从而降低表面能的趋势。
? 增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增 加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2) 利用空 间位阻效应；(3)利用溶剂化效应。
ε净＝
64n0 βTr02 n
e ? nx
?
A 12πH
2
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
? 水解反应：M(OR)n + xH 2O → M(OH) x(OR) n-x + xR-OH ? 缩聚反应：(OR) n-1M-OH + HO-M(OR) n-1 → (OR) n-1M-O-M(OR) n-1 + H 2O
m(OR) n-2 M(OH) 2 → [(OR) n-2M-O] m + mH 2O m(OR) n-3 M(OH) 3 → [(OR) n-3M-O] m + mH 2O + mH +
? 羟基与烷氧基之间也存在缩合反应 :
(OR)n-x(HO)x-lM-OH + ROM(OR)n-x-l (OH)x → (OR)n-x(OH)M-O-M(OR)n-x-l (OH)x(OH)x + R-OH