材料化学第5章材料的制备
大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)
弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。
高中化学人教版(2019)必修第二册课件：第5章 第3节 无机非金属材料 (1)
探究任务2 探究新型无机非金属材料
【问题引领】
1.利用二氧化硅制备高纯硅涉及的三个化学反应,是否都是氧化还原反 应?
提示:利用二氧化硅制备高纯硅,涉及的主要化学反应为:SiO2+2C
Si+2CO↑,Si+3HCl
SiHCl3+H2,SiHCl3+H2
Si+3HCl。三个反应都是氧化还原反应。
2.高纯硅的制备过程中,能循环利用的物质是什么?
自主预习·新知导 学
一、硅酸盐材料 1.陶瓷。 (1)陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料,经高温烧结 而成的。 (2)陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。广 泛应用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 2.玻璃。 (1)普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。 (2)普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑 中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制成的。 (3)玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维 用于高强度复合材料等。
【典型例题】
【例题2】 下列对晶体硅的有关叙述正确的是( )。 A.晶体硅和金刚石的物理性质相似 B.晶体硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应 C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它的提炼工艺复杂,价格昂贵,没 有被广泛使用 D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电 答案:A 解析:晶体硅的结构与金刚石相似,是具有正四面体形的空间立体网状结 构,所以物理性质与金刚石相似,熔点、沸点高,硬度大;硅的化学性质不活 泼,但常温下可与F2、氢氟酸和强碱等反应;晶体硅是一种良好的半导体材 料,被广泛使用;晶体硅是一种非金属单质,虽然它具有金属光泽。
第五章第三节无机非金属材料讲义高一下学期化学人教版必修第二册
第三节无机非金属材料【学习目标】1、了解无机非金属材料、金属材料和高分子材料的特点以及它们在生产和生活中的广泛应用；2、了解常见无机非金属材料、金属材料和高分子材料的生产原理。
【知识点梳理】一、硅酸盐材料硅酸盐工业：以含硅物质为原料，经过加热制成硅酸盐产品的工业。
如制造陶瓷、玻璃、水泥等。
1．陶瓷（1）生产原料：黏土等。
（2）生产过程：混合→成型→干燥→烧结→冷却。
（3）陶瓷种类：土器、陶器、炻器、瓷器等。
（4）性能及优点：抗氧化、耐酸碱、耐高温，绝缘，易加工成型等。
（5）特种陶瓷：精细陶瓷（高强度、耐高温、耐腐蚀，并具有声、电、光、热、磁等方面的特殊功能）。
2．玻璃（1）生产原料：纯碱、石灰石和石英石少（含硅物质）。
（2）生产设备：玻璃窑。
（3）生产过程：把原料粉碎，按适当的比例混合放入玻璃窑中加强热熔化，冷却后即得普通玻璃。
高温高温（4）主要反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。
（5）主要成分：普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔化在一起所得到的混合物。
（6）重要性质：玻璃在常温下虽呈固态，但不是晶体，称为玻璃态物质。
没有固定的熔点，受热只能慢慢软化。
3．水泥（1）生产原料：石灰石、黏土和其他辅料（如石膏）。
（2）生产设备：水泥回转窑。
（3）生产过程：将原料以一定比例混合，磨细成生料，在窑中烧至部分熔化、冷却成块状熟料。
再加入适量石膏磨成细粉，即得普通水泥。
（概括为：“两磨一烧加石膏”）（4）主要成分：硅酸三钙（3CaO ·SiO 2）、硅酸二钙（2CaO ·SiO 2）、铝酸三钙（3CaO ·Al 2O 3）、铁铝酸四钙（4CaO ·Al 2O 3·Fe 2O 3）等的混合物。
（5）重要性质：水泥具有水硬性，而且在水中也可硬化。
贮存时应注意防水。
（6）主要用途：制成水泥砂浆、混凝土等建筑材料。
材料化学教材
材料化学教材材料化学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科，它在现代科学技术中扮演着重要的角色。
本教材旨在系统地介绍材料化学的基本理论、实验方法和应用，帮助学生全面了解材料化学的基本知识和发展趋势。
首先，我们将介绍材料的基本分类和性能。
材料可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。
金属材料具有良好的导电、导热性能，广泛应用于工程领域；无机非金属材料包括陶瓷、玻璃等，具有优良的耐高温、耐腐蚀性能；有机高分子材料主要包括塑料、橡胶等，具有轻质、柔软、绝缘等特点。
不同材料的性能差异主要源于其微观结构和化学成分的差异。
其次，我们将介绍材料的制备方法和表征技术。
材料的制备方法包括物理方法、化学方法和生物方法等，其中化学方法是最常用的制备方法之一。
而材料的表征技术则包括X射线衍射、电子显微镜、质谱分析等，这些技术可以帮助我们了解材料的结构和性能。
接下来，我们将重点介绍材料的性能调控和应用。
材料的性能可以通过改变其组成、结构和形貌来进行调控，例如通过合金化、掺杂等方法来改变材料的导电性能；而材料的应用涉及到材料在能源、环境、医药、电子等领域的广泛应用，例如太阳能电池、催化剂、生物材料等。
最后，我们将展望材料化学的未来发展。
随着科学技术的不断进步，材料化学将会迎来更多的突破和创新，例如纳米材料、功能材料等将成为材料化学的研究热点，同时，材料的可持续发展和环保性能也将成为未来材料研究的重要方向。
总之，材料化学是一门重要的学科，它对于推动科学技术的发展和应用具有重要意义。
本教材将帮助学生全面了解材料化学的基本知识和发展趋势，为他们今后的学习和研究打下坚实的基础。
希望本教材能够对学生们的学习和研究有所帮助，也希望材料化学领域的研究能够取得更多的突破和进展。
第五章 无机胶凝材料
工业副产石膏
2、磷石膏 磷石膏是洗衣粉厂和磷肥厂等制造磷酸时的废渣，是 磷灰石（或氟磷灰石）和硫酸反应生成磷酸及石膏。 反应如下： Ca5F(PO4)3+5 H2SO4+10H2O=3H3PO4+5[CaSO4·2H2O]+ HF↑ 磷石膏主要成分为二水石膏，含量可达85％以上。常 含有2％左右的磷、氟、有机物等杂质。磷石膏的结 晶与天然二水石膏很接近。多数呈菱形板状，部分呈 长板状，少量为燕尾双晶。
什么是胶凝材料cementing material
又称胶结料。在物理、化学作用下，能 从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其 他物料，制成有一定机械强度的复合固 体的物质。分为水硬性胶凝材料和气硬 性胶凝材料两大类。
1、水硬性胶凝材料 和水成浆后，既能在空气中硬化，又能在水中硬化 的胶凝材料。这类材料通称为水泥，如硅酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。 2、气硬性胶凝材料 不能在水中硬化但能在空气中或其他条件下硬化的 胶凝材料。分为无机的（包括石灰、建筑石膏、水 玻璃和菱苦土）和有机的（如沥青、树脂等）两种。 一般用途的有石灰、石膏等。
2、普通纸面石膏板
1)定义：是以半水石膏和护面纸为胶凝材料，掺加适 量纤维、胶粘剂、促凝剂、缓凝剂，经料浆配制、成 型、切割、烘干而成的轻质薄板。 2)特点：具有质轻、保温、防火、吸声、抗冲击，调 节室内温度湿度等性能，可锯、可钉、可钻，并可以 用钉子、螺栓和石膏为基材的粘结剂粘结。 3)应用：主要适用于室内隔断和吊顶，而且要求环境 干燥。不适用于厨房、卫生间以及空气相对湿度大于 70%的潮湿环境。
图4.1
普通纸面石膏板的棱边
3、装饰石膏板
1)定义：装饰石膏板是以建筑石膏为胶凝材料，加入 适量的纤维增强材料、胶粘剂、改性剂等辅料，与水 拌和成料浆，经成型、干燥而成的不带护面的装饰板 材。 2)特点：它具有质轻、强度高、图案饱满、细腻、色 泽柔和、美观、吸音、防火、隔热、变形小及可调节 室内湿度等优点，并具有施工方便，加工性能好，可 锯、可钉、可刨、可粘贴等特点，是较理想的顶棚吸 音板及墙面装饰板材。
第五章第2节高分子材料第2课时 课件 2021-2022学年高二化学人教版（2019）选择性必修3
B.CH2==CH—COOH
C.CH3—CH(OH)—COOH D.H2N—CH2—COOH
随堂巩固
3.X是一种性能优异的高分子材料，其结构简式为
，
已被广泛应用于声、热、光的传感等方面，它是由HC≡CH、(CN)2、CH3COOH三种 单体通过适宜的反应形成的。由X的结构简式分析合成过程中发生反应的类型有
很难溶解，但往往有一定程 度的胀大
性能
具有热塑性，无固定熔点
具有热固性，受热不熔化
强度大、绝缘性好、有可塑 特性 强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘性好
性
常见 物质
聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶
酚醛树脂、硫化橡胶
小结
随堂巩固
1.手术缝合线、人造器官等人体用的功能高分子要求无毒且与人体有较好的相容性。
根据有关化合物的性质及生物学知识可知，下列高分子不宜用作手术缝合线或人造
②合成新的带有强亲水基团的高分子。
如CH2==CH—COONa —一交—定联—条—剂件→
聚丙烯酸钠(网状结构)
学习任务三：高吸水性树脂
3.性能： 不溶于水，也不溶于有机溶剂，与水接触后在很短的 时间内溶胀，可吸收其本身质量的数百倍甚至上千倍 的水，同时保水能力要强，还能耐一定的挤压作用。
《时代周刊》评出20世纪最伟 大的100项发明，其中“尿不 湿”榜上有名
器官材料的是 A.聚乳酸
B.聚氨酯
C
C.氯纶
D.聚乙烯醇
随堂巩固
2.用高分子塑料骨钉取代钛合金骨钉是医学上的一项新技术，这种塑料骨钉不仅具
有相当的强度，而且可在人体内水解，使骨科病人免遭拔钉的痛苦。合成这种塑料
骨钉的原料能与强碱溶液反应，也能在浓硫酸条件下形成环酯。则合成这种塑料骨
第5章聚合物无机纳米复合材料
第5章聚合物无机纳米复合材料聚合物无机纳米复合材料是一种由聚合物基质和无机纳米颗粒组成的新型复合材料。
这种材料具有聚合物的柔韧性和无机纳米颗粒的特殊性能，广泛应用于各个领域。
聚合物无机纳米复合材料的制备方法分为物理法和化学法两种。
物理法主要是通过机械混合的方式将聚合物和无机纳米颗粒混合在一起，然后经过加热或其他处理使它们相互结合成为复合材料。
化学法则是通过化学反应将聚合物和无机纳米颗粒连接在一起，形成固体复合材料。
聚合物无机纳米复合材料具有一系列优异的性能。
首先，由于无机纳米颗粒在复合材料中的分散性和界面相容性良好，使得聚合物基体的强度和刚度得到显著提高。
其次，无机纳米颗粒的独特性能也使复合材料具有特殊的性能，如高导热性、高阻燃性、耐腐蚀性等。
此外，聚合物无机纳米复合材料还具有较好的可加工性，可以通过注塑、挤出、压延等工艺加工成不同形状的制品。
聚合物无机纳米复合材料在各个领域有着广泛的应用。
在电子领域，它可以作为高导热的封装材料，提高电子器件的散热性能；在汽车制造领域，它可以制备耐高温、耐腐蚀的复合材料，用于制造汽车发动机等部件；在医药领域，它可以作为载药材料，提高药物的缓释性能；在建筑领域，它可以作为阻燃材料，提高建筑物的耐火性能。
然而，聚合物无机纳米复合材料在制备过程中仍存在一些问题。
首先，制备过程中的分散性和界面相容性控制是一个关键问题，直接影响着复合材料的性能。
其次，无机纳米颗粒的添加量和分散度对复合材料的性能也有着重要影响，需要进行合理的设计和控制。
此外，复合材料在使用过程中的耐久性和稳定性也需要进行进一步的研究和改进。
总的来说，聚合物无机纳米复合材料是一种具有广泛应用前景的材料，其独特的性能使其在各个领域都有着潜在的应用价值。
随着制备工艺的不断改进和性能的进一步提高，相信聚合物无机纳米复合材料将会在未来发展中得到更加广泛的应用。
高分子材料加工原理第五章
(2)纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动
向纺丝线上的拉伸流动的转化
(3)流体丝条的单轴拉伸流动
(4)纤维的固化
（二）纤维成型过程中成纤聚合物的变化
(1)几何形态变化 (do (2)物理形态变化 ①宏观状态参数 T-X (温度场) Ci-X (浓度场) ②微观状态参数 取向度 结晶度 网络结构 V-X (速度场) P-X (应力场) dx)
ρxAxVx=常数
T(x)：由补偿式接 触温度计、红外线 拍照等确定 ρ(T) ① 高速摄影法 不发生 结晶时
ρx ≈ K Vx
dx： ②取样器取样法确定
③ 激光衍射法
έ(x) =
dVx dx
Test stand for temperature and velocity measurement: Infrared Camera and Laser Doppler Anemometer
(3)化学结构变化
（三）纺丝过程的基本规律
1.在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态 和连续的.
纺丝线:熔体挤出细流和固化初生纤维的总称. 稳态： , T , Ci , P, 0
t
连续：在稳态纺丝条件下，纺程上各点
每一瞬时所流经的聚合物质量相等（流动
连续性方程) : 熔体纺丝 溶液纺丝 ρxAxVx=常数 ρxAxVxCix=常数
2.纺丝线上的主要成形区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸
3.纺丝过程是一个状态参数连续 变化的非平 衡态动力学过程 同 一时间不同位置V 、 T 、 Ci 、 P 等连续变化.
4.纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程
动能传递、传热、传质、结构参数变化等.
(四)纺丝流体的可纺性
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6/15/2020
4-inch的LiNbO3单晶
自动提拉技术
Crystal-500 晶体生长炉
6/ 2. 晶体生长室growth chamber 3. 坩埚crucible 4. 底加热器bottom heater 5. 气阀gas valve 6. 熔面调校器melt-level regulator 7. 探头probe 8. 电脑 9. 温度校正单元 temperature-
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5.1.2 溶液生长法
主要原理：使溶液达到过饱和的状态而结晶。 过饱和途径：
➢ 利用晶体的溶解度随温度改变的特性，升高或降低温度而 达到过饱和；
➢ 采用蒸发等办法移去溶剂，使溶液浓度增高。
介质：
✓ 水、熔盐（制备无机晶体） ✓ 丙酮、乙醇等有机溶剂（制备有机晶体）
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坩埚下降法晶体生长示意图
坩埚下降法
采用冷却棒的结晶炉示意图和理想的温度分布
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5.1.1.3区熔法
狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原 料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶 。
随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的 过程，最后形成单晶棒。
Chapter 5 Preparation of Materials 材料的制备
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主要内容
材 料
化学合成
制 工艺技术 备
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5.1 晶体生长技术 5.2 气相沉积法 5.3 溶胶-凝胶法 5.4 液相沉淀法 5.5 固相反应 5.6 插层法和反插层法 5.7 自蔓延高温合成法 5.8 非晶材料的制备
Application of Hydrothermal Method
Monocrystal Growth
Application (1) Monocrystal Growth
利用水热法在较低的温度下实现单晶的生长，从而避免了晶体相 变引起的物理缺陷
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水热法生长的单晶 水热法生长单晶装置
水热法——在高压釜中， 通过对反应体系加热加压 （或自生蒸汽压），创造 一个相对高温、高压的反 应环境，使通常难溶或不 溶的物质溶解而达到过饱 和、进而析出晶体
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水热法种类
➢ 水热氧化法 ➢ 水热沉淀法 ➢ 水热合成法 Classification ➢ 水热分解 ➢ 水热晶化法
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液相外延系统示意图
液相外延法优点：
生长设备比较简单； 生长速率快； 外延材料纯度比较高； 掺杂剂选择范围较广泛； 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； 成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 操作安全。
缺点：
当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； 由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； 外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
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KTP单晶 杜邦用来生长KTP晶体的装置
Powder Preparation
粉体晶粒发育完整； 粒径很小且分布均匀； 团聚程度很轻；
(2) Powder preparation
易得到合适的化学计量物和晶粒形态； 可以使用较便宜的原料； 省去了高温锻烧和球磨，从而避免了杂质和
correction block
晶体生长过程
开始阶段
径向生长阶段
垂直生长阶段 6/15/2020
Crystal-500 晶体生长炉得到的晶体
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5.1.1.2 坩埚下降法
装有熔体的坩埚缓慢通过具 有一定温度梯度的温场，开 始时整个物料熔融，当坩埚 下降通过熔点时，熔体结晶 ，随坩埚的移动，固液界面 不断沿坩埚平移，至熔体全 部结晶。
料锤1周期性地敲打装在料斗3里的粉末原 料2，粉料从料斗中逐渐地往下掉，落到位 置6处，由入口4和入口5进入的氢氧气形成 氢氧焰，将粉料熔融。熔体掉到籽晶7上， 发生晶体生长，籽晶慢慢往下降，晶体就 慢慢增长。
➢能生长出很大的晶体（长达1m） ➢适用于制备高熔点的氧化物 ➢缺点是生长的晶体内应力很大
焰熔法生长宝石
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焰熔法
焰熔法生长金红石
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金红石晶体
5.1.1.5液相外延法
料舟中装有待沉积的熔体，移动料舟经过单晶衬底 时，缓慢冷却在衬底表面成核，外延生长为单晶薄 膜。
在料舟中装入不同成分的熔体，可以逐层外延不同 成分的单晶薄膜。
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液相外延法
• 提拉法 • 坩埚下降法 • 区熔法 • 焰熔法 • 液相外延法
5.1.1.1 提拉法(丘克拉斯基法，CZ法，Czochralski method)
✓ 可以在短时间内生长大而无 错位晶体
✓ 生长速度快，单晶质量好 ✓ 适合于大尺寸完美晶体的批
量生产
提拉法单晶生长
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控制晶体品质的主要因素：
5.1.2.1 水溶液法
原理：通过控制合适的降 温速度，使溶液处于亚稳 态并维持适宜的过饱和度 ，从而结晶。
制备单晶的关键：
➢ 消除溶液中的微晶； ➢ 精确控制温度。
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生长容器
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水溶液法制备的KH2PO3晶体（历时一年）
5.1.2.2 水热法 Hydrothermal Method
有时也会固定加热器而移动原料棒。
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区熔法
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水平区熔法示意图
包含化合物生成的区熔法
InP单晶的合成
CdTe单晶的合成 6/15/2020
长200mm、直径 75mm的未掺杂 GaAs单晶及晶片
100mm直径的 InP单晶及晶片
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5.1.1.4 焰熔法
学习目的
➢ 学习几种材料制备技术，掌握其基本原理，理解相关工 艺过程。
➢ 了解各种制备技术的特点、适用范围、优缺点等。
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5.1 晶体生长技术
熔体生长法 溶液生长法
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5.1.1 熔体生长法
—将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定 的过冷而形成单晶
6/15/2020