材料科学工程制备方法介绍
化学工程揭秘新型材料的合成方法
化学工程揭秘新型材料的合成方法为了满足不断变化的社会需求，科学家们在化学工程领域不断探索并研究新的材料合成方法。
这些新型材料在各个领域中发挥着重要作用，如电子、能源、环保等。
本文将揭秘一些新型材料的合成方法，介绍其制备工艺及应用。
一、聚合物材料合成方法1.原位聚合法原位聚合法是一种常见的合成聚合物材料的方法。
它通过在化学反应中加入单体，使其在反应过程中逐渐聚合形成聚合物。
这种方法的特点是简单易行，适用于大规模生产。
例如，聚乙烯和聚丙烯就是通过原位聚合法合成的。
2.溶液聚合法溶液聚合法是将单体溶解在溶剂中，加入引发剂或光引发剂，通过引发剂的作用使单体逐渐聚合形成聚合物。
这种方法的优点是能够控制聚合物的分子量和分子结构，制备出具有特定性能的材料。
举例来说，聚酯和聚酚等材料常采用溶液聚合法合成。
二、无机材料合成方法1.沉积法沉积法是一种通过在底物上逐渐沉积材料的方法。
它包括化学气相沉积、物理气相沉积、溶液沉积等多种形式。
这种方法适用于制备薄膜、纳米颗粒等材料。
例如，气相沉积法常用于制备硅薄膜和二氧化钛薄膜。
2.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是将溶胶与凝胶逐渐转化为固体材料的过程。
溶胶指由溶剂中分散的颗粒或分子组成的胶体体系，凝胶则是指由溶液中形成的三维网状结构的凝胶体系。
这种方法适用于制备陶瓷材料、气凝胶等。
铝氧凝胶就是通过溶胶-凝胶法制备的。
三、纳米材料合成方法1.气相法气相法是通过在气相条件下进行反应合成纳米材料的方法。
它包括气相沉积、气相凝胶法等。
这种方法可以制备出高纯度、均匀分散的纳米材料。
氧化铝纳米颗粒常使用气相法进行合成。
2.凝胶法凝胶法是通过溶胶凝胶过程制备纳米材料的方法。
采用这种方法可以控制纳米颗粒的尺寸和形貌，制备出具有特殊性能的纳米材料。
二氧化硅纳米颗粒常采用凝胶法进行制备。
新型材料的合成方法多种多样，不同的材料类型适用于不同的合成方法。
随着科技的发展，更多新型材料的合成方法将被不断探索和发展。
二氧化硅模板法
二氧化硅模板法二氧化硅（SiO2）是一种广泛应用于材料科学和工程领域的重要材料。
在材料制备过程中，常常需要使用特定的模板来控制二氧化硅的结构和形貌。
其中，模板法是一种常用且有效的制备二氧化硅的方法。
本文将重点介绍二氧化硅模板法的基本原理、制备过程和应用领域。
一、基本原理二氧化硅模板法是在特定的模板表面上进行二氧化硅的制备，利用模板的孔道结构来控制二氧化硅的结构和形貌。
模板可以是有机物、无机物或者生物材料，常见的有聚苯乙烯微球、介孔二氧化硅、碳纳米管等。
制备过程中，首先将模板与硅源混合，并加入适量的溶剂和表面活性剂，形成混合溶液。
随后，通过调节反应条件，如温度、反应时间、pH值、溶液浓度等，使得硅源在模板表面发生特定的化学反应，生成二氧化硅。
最后，通过去除模板，可以得到具有特定孔道结构的二氧化硅材料。
二、制备过程1. 选择合适的模板：选择适当的模板对于二氧化硅的结构和形貌具有重要影响。
模板应具有一定的孔道结构，且易于与硅源反应生成二氧化硅。
根据具体需要，可选择不同类型和大小的模板。
2. 模板表面修饰：为了增加模板表面与硅源的反应性，常常需要进行表面修饰。
而常用的表面修饰方法包括聚合物修饰、功能化修饰等。
修饰后的模板能够与硅源更好地结合，提高制备二氧化硅的效果。
3. 反应条件控制：调节反应条件对于获得所需的二氧化硅结构和形貌至关重要。
其中，温度、反应时间、pH值、溶液浓度等是常见且重要的反应条件。
通过合理地调节这些条件，可以实现对二氧化硅结构和形貌的精确控制。
4. 去除模板：经过反应后，模板中的二氧化硅形成了具有孔道结构的材料。
为了得到纯净的二氧化硅样品，需要去除模板。
常用的去除模板的方法包括煅烧、溶解、酸洗等。
选择适当的方法可以有效地去除模板，得到所需的二氧化硅材料。
三、应用领域基于二氧化硅模板法制备的材料在各个领域具有广泛的应用。
以下列举几个典型的应用领域：1. 催化剂载体：制备具有特定孔道结构的二氧化硅材料，可以作为优良的催化剂载体。
材料科学中的纳米结构材料制备技术
材料科学中的纳米结构材料制备技术纳米结构材料在材料科学领域中是一个非常重要的领域。
随着科学技术的不断进步，纳米材料在各种领域中的应用也越来越广泛。
然而，为了得到更好的性能和性能稳定的纳米材料，需要采用合适的制备技术。
本文将讨论纳米结构材料制备技术。
纳米结构材料制备技术的历史在过去的几十年中，材料科学家们为了生产更有效和高性能的材料，已经发展出了各种制备技术。
最初的工艺是基于母材料的割裂、加工和烧结。
但随着材料表征方法的不断发展，人们意识到在纳米尺度下，材料的物理和化学性质发生了巨大的变化。
因此，需要研究制备这一类材料的新技术。
纳米结构材料的制备技术分类在现代材料科学领域中，常见的制备纳米结构材料的技术分为以下几种：1. 机械制备法机械制备法是目前最常用的制备纳米结构材料的方法之一。
这种方法通过机械磨削和高能球磨等技术，使母材料逐渐缩小，最终得到尺寸为纳米级别的粉末。
2. 化学合成法化学合成法是制备纳米结构材料的主要方法之一。
化学反应可以促进原子和分子之间的化学键重组，通常利用水相合成或油相合成方法可以制备出各种纳米材料。
3. 物理气相沉积法物理气相沉积法是一种利用蒸发和凝聚来制备纳米结构材料的方法。
通常会将被制备的材料加热至高温度，再用惰性气体溶解物质并沉积到光滑的衬底上。
4. 生物法生物法是指利用生物反应生产纳米结构材料的技术。
这些生物材料可以通过生物有机体的代谢，自然界中发生的生物化学反应，或人工制备的生物催化过程中制备出来。
其主要特点是成本低、无毒无害。
需要注意的是，不同的制备技术会影响纳米结构材料的物理和化学性质。
因此，在选择适当的方法时，需要充分考虑材料的性质以及采用的制备材料的效率和安全性。
纳米结构材料的应用由于纳米材料的独特性质，这些材料在许多领域中得到了广泛的应用。
随着对纳米技术的不断研究，科学家们意识到这些材料的潜在应用不仅是物理、化学或生物领域，而且在其他领域中所有的技术和应用都将受益。
无机材料合成方法
无机材料合成方法无机材料合成方法是研究和制备各种无机材料的关键步骤，它对于材料科学和工程领域的发展起着重要的推动作用。
本文将介绍几种常用的无机材料合成方法，并讨论它们的优缺点以及适用范围。
一、溶液法合成溶液法是最常用的无机材料合成方法之一。
它的基本原理是通过将适量的溶剂中溶解适量的金属离子或化合物，并进行适当的处理，从而得到所需的无机材料。
溶液法具有反应条件温和、操作简单、容易控制产物形态以及适用范围广等优点。
在实际应用中，溶液法合成可以分为沉淀法、水热法和水热合成法等多种方法。
沉淀法是指通过控制反应条件，使溶液中的沉淀物达到一定的固相浓度，然后进行沉淀分离和热处理来制备无机材料。
水热法则是利用高温高压条件下的水热反应来完成材料的合成。
水热合成法则是在水热条件下，将金属离子和有机模板分子共同反应，通过水热合成过程形成无机材料。
尽管溶液法合成具有许多优点，但也存在一些局限性。
比如，溶液法合成的过程中可能产生大量的溶剂废液，处理成本较高。
同时，溶液法合成中产物的纯度和晶型控制也是一个挑战，需要通过优化反应条件来获得所需的材料性质。
二、气相法合成气相法是另一种常用的无机材料合成方法。
它的基本原理是通过将气体或气态前驱物在适当的条件下进行反应，从而制备无机材料。
气相法具有反应速度快、产物纯度高、晶型控制好等优点。
气相法合成常用的方法包括化学气相沉积法、物理气相沉积法和热分解法等。
化学气相沉积法是将气态前驱物通过催化剂的作用在固体表面进行化学反应，生成无机材料。
物理气相沉积法是通过将气态前驱物蒸发，然后在底板上进行凝结，最终形成材料薄膜。
热分解法则是将气态前驱物加热至高温条件下，使其分解生成无机材料。
然而，气相法合成也存在一些问题。
例如，操作条件要求严格，需要高温高压条件下进行反应。
此外，气相法合成的过程中可能产生有毒气体，需要进行有效的排放和处理，以保护环境和人身安全。
三、固相法合成固相法合成是将适量的固体反应物在适当的温度和压力下进行反应，从而制备所需的无机材料。
我国材料的历史进程、分类及学科延伸
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
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4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
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
能源
现代技术的三大支柱
信息
材料品种
数量 国家现代化程度标志之一
质量
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
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9、要学 生做的 事，教 职员躬 亲共做 ；要学 生学的 知识， 教职员 躬亲共 学；要 学生守 的规则 ，教职 员躬亲 共守。2 1.6.29 21.6.2 9Tues day, J une 29 , 2021
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
纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法
纳米材料是一种具有纳米尺度特征的材料，其在材料科学领域具有重要的应用
价值。
制备纳米材料的方法多种多样，包括物理方法、化学方法、生物方法等。
下面将介绍几种常见的纳米材料制备方法。
首先，物理方法是一种常见的纳米材料制备方法。
其中，溅射法是一种常用的
物理方法。
通过在真空环境中，利用高能粒子轰击靶材，使靶材表面的原子或分子脱落，从而在基底上形成纳米薄膜。
此外，还有气溶胶法、机械合金化等物理方法也被广泛应用于纳米材料的制备过程中。
其次，化学方法也是一种常见的纳米材料制备方法。
溶胶-凝胶法是一种常用
的化学方法。
通过将溶胶中的溶质在溶剂中溶解，并在一定条件下使其成为凝胶，然后通过热处理或化学处理，形成纳米材料。
此外，还有水热法、溶剂热法等化学方法也被广泛应用于纳米材料的制备过程中。
另外，生物方法也是一种新兴的纳米材料制备方法。
生物合成法是一种常用的
生物方法。
通过利用微生物、植物或动物等生物体内的代谢活性，将金属离子还原成金属纳米颗粒，从而实现纳米材料的制备。
此外，还有基因工程法、生物矿化法等生物方法也被广泛应用于纳米材料的制备过程中。
总的来说，纳米材料的制备方法多种多样，每种方法都有其独特的优势和适用
范围。
在实际应用中，可以根据需要选择合适的制备方法，以获得所需的纳米材料。
随着纳米材料制备技术的不断发展和创新，相信纳米材料将在材料科学领域发挥越来越重要的作用。
纳米晶体材料的制备方法
纳米晶体材料的制备方法纳米晶体材料是目前材料科学领域中备受关注的研究方向之一。
纳米晶体材料具有优异的物理、化学和机械性能，其制备方法的研究对于材料科学和工程领域的进展至关重要。
本文将介绍一些常见的制备纳米晶体材料的方法，并对其优缺点进行评述。
1. 氧化物法：氧化物法是制备纳米晶体材料中常用的一种方法。
它通过控制金属氧化物的热分解反应来合成纳米晶体。
具体步骤包括混合金属盐和脱水剂，然后通过加热使其分解成金属氧化物。
随后，通过升温还原反应将金属氧化物转化为纳米晶体。
这种方法具有简单易行、成本低廉等优点。
然而，氧化物法制备的纳米晶体尺寸分布较宽，往往需要进一步的后处理工艺来提高其分散性和稳定性。
2. 溶胶凝胶法：溶胶凝胶法是通过溶胶和凝胶中的水合物分解来制备纳米颗粒的方法。
它通常通过酸碱中和、水解或胶体沉淀等反应来形成凝胶。
然后，通过热退火或热处理将凝胶转化为纳米晶体。
溶胶凝胶法制备的纳米晶体具有较窄的尺寸分布和较高的纯度，具有良好的分散性和稳定性。
然而，溶胶凝胶法的制备过程复杂，需要较长的时间和特殊实验条件。
3. 气相沉积法：气相沉积法是一种通过气相反应在固体基底上制备纳米晶体材料的方法。
它通常包括化学气相沉积、物理气相沉积和分子束外延等技术。
气相沉积法具有制备高纯度、高质量纳米晶体的优势，并且可实现对纳米晶体尺寸和形貌的精确控制。
然而，气相沉积法的设备复杂、操作条件苛刻，制备过程对杂质敏感，对环境污染的压力较大。
4. 高能球磨法：高能球磨法是一种机械力作用下制备纳米晶体材料的方法。
其原理是通过机械合金化和粉末强化使颗粒尺寸减小至纳米级。
高能球磨法具有简单易行、操作灵活的优点，并且能够制备大量纳米晶体材料。
然而，高能球磨法需要较长的时间和较高的能量消耗，同时会引入机械应力导致材料性能下降。
5. 模板法：模板法是制备具有特定形貌和尺寸的纳米晶体材料的一种方法。
它通过将溶胶或气相前体封装在一些具有特定形貌和尺寸的模板中，然后通过化学反应或物理处理来生成纳米晶体。
材料的合成与制备
材料的合成与制备材料的合成与制备是现代科学技术领域中一个非常重要的研究方向，它涉及到材料的物理、化学性质以及在工程应用中的性能表现。
材料的合成与制备技术的发展，对于推动材料科学和工程技术的进步具有重要意义。
本文将从合成与制备的基本原理、常见方法及其应用等方面进行介绍。
首先，材料的合成与制备是指通过化学反应、物理方法或生物技术等手段，将原料转化为所需的材料。
合成与制备的基本原理包括原料选择、反应条件控制、反应机理等内容。
在材料的合成过程中，原料的选择对于最终产物的性能具有至关重要的影响。
同时，合成过程中的反应条件控制也是至关重要的，例如温度、压力、溶剂选择等因素都会影响反应的进行和产物的性质。
此外，了解反应的机理对于优化合成过程、提高产物纯度和性能也具有重要意义。
其次，常见的材料合成与制备方法包括化学合成、物理合成和生物合成等。
化学合成是指通过化学反应将原料转化为所需的产物，常见的化学合成方法包括溶胶-凝胶法、水热法、溶剂热法等。
物理合成是指通过物理手段将原料转化为所需的产物，常见的物理合成方法包括溅射法、磁控溅射法、电化学沉积等。
生物合成是指利用生物技术手段进行材料的合成与制备，例如利用微生物、植物等生物体进行材料的合成。
不同的合成方法适用于不同类型的材料，选择合适的合成方法对于提高产物的纯度和性能具有重要意义。
最后，材料的合成与制备在各个领域都有着广泛的应用，例如在材料科学、化工、能源、环境等领域中都有着重要的地位。
在材料科学领域，合成与制备技术的发展推动了新型材料的研发和应用，例如纳米材料、功能材料等的合成与制备技术的进步为材料科学的发展提供了重要支持。
在化工领域，合成与制备技术的发展为新型化工产品的研发和生产提供了重要技术支持。
在能源和环境领域，合成与制备技术的应用也为新能源材料、环境治理材料等的研发和应用提供了重要技术支持。
总之，材料的合成与制备是一个非常重要的研究方向，它涉及到材料的物理、化学性质以及在工程应用中的性能表现。
滴涂法制备薄膜
滴涂法制备薄膜一、介绍薄膜制备是材料科学与工程领域的一项重要研究任务。
滴涂法是一种常用的方法，用于制备具有高质量、均匀厚度和特定结构的薄膜材料。
本文将详细介绍滴涂法制备薄膜的原理、步骤和应用。
二、滴涂法的原理滴涂法是一种自上而下的薄膜制备技术。
其原理基于表面张力和毛细现象。
在该方法中，溶液通过一根细管或注射器滴落到底物表面，并形成由液滴组成的薄膜。
通过控制滴液的滴落速度和滴液大小，可以调节薄膜的厚度和均匀性。
三、滴涂法制备薄膜的步骤1. 准备底物选择合适的底物是滴涂法中至关重要的一步。
底物的选择应考虑到材料的表面性质、化学反应活性和机械稳定性。
通常使用玻璃片、硅片或陶瓷片作为底物。
2. 准备溶液选择适当的溶液是制备高质量薄膜的关键。
溶液的选择应考虑到材料的溶解度、稳定性和所需薄膜的性质。
溶液的浓度和pH值也需要经过调节。
3. 滴涂将准备好的溶液使用细管或注射器滴落到底物表面。
滴液的滴落速度、滴液大小和滴液间隔时间需要精确控制，以获得均匀且适当厚度的薄膜。
4. 干燥在制备过程中，滴涂的溶液会自然挥发，但为了加快干燥过程，可以利用加热或通风等方法。
干燥的时间和温度应根据所用材料和薄膜的厚度而定。
5. 后处理制备好的薄膜可能需要进行后处理步骤，如退火、烧结或添加表面修饰剂等。
这些步骤有助于提高薄膜的结晶度、致密性和稳定性。
四、滴涂法制备薄膜的应用1. 光学领域滴涂法可以用于制备透明导电薄膜、光学滤波器和光学薄膜等。
通过控制薄膜的厚度和组成，可以调节光的透射和反射特性，从而实现光学器件的设计和优化。
2. 电子学领域滴涂法可以用于制备有机半导体薄膜、金属氧化物薄膜和导电聚合物薄膜等。
这些薄膜在柔性电子学、有机电子学和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
3. 生物医学领域滴涂法可以用于制备生物传感器、药物载体和细胞培养基质等。
通过在底物表面形成适当的薄膜，可以实现对生物分子、药物和细胞的检测、传递和稳定释放。
工程学中的材料科学与制备技术
工程学中的材料科学与制备技术随着科技的发展和社会的进步，工程学中的材料科学日益成为许多领域的关键。
材料科学是研究材料的物理、化学、结构和性质等方面的学科，其应用范围非常广泛。
在工程学中，材料科学有着重要的地位。
本文将从制备技术、材料分类和材料应用三个方面探讨工程学中的材料科学。
制备技术制备技术是材料科学中不可或缺的一部分。
在工程学中，制备技术是将原材料转化为可应用于工业生产和日常生活的材料的过程。
这种技术包括材料设计、材料生产和材料加工等多个过程，其中，材料生产是最关键的部分。
在材料生产过程中，需要根据材料的物理和化学性质，选择适合生产的材料原料，将原材料进行加工和处理，最终得到高质量的制品。
例如，在金属材料的制备过程中，需要进行熔炼、浇铸、锻造、淬火等多个工序，不同的工序使用不同的工艺和设备，需要精细的操作和不断的改进。
值得一提的是，现代材料科学在制备技术上的进展使得材料原料的利用效率得到了大幅提高。
例如，再生铜是由废旧电子产品中回收的铜粉，再经过一系列加工和处理之后，得到的高纯度铜材料，对于保护环境和资源利用有着非常重要的意义。
材料分类材料分类是工程学中材料科学的重要内容之一。
材料分类是将材料根据特性、成分和结构等不同方面进行分类，以方便选择、设计和应用。
在工程学中，材料分类主要从以下三个方面进行。
1.按成分分类材料按成分分类是指根据材料中包含的化学成分进行分类。
以金属材料为例，金属可以根据成分分为纯金属、合金和金属间化合物三类。
纯金属包括单质金、银、铜等，合金是由两种或以上的元素组成的金属，金属间化合物由金属原子和非金属原子构成。
2.按性质分类材料按性质分类是指根据材料物理、化学和机械性质等不同方面进行分类。
例如，金属材料可以根据硬度、延展性、导电性和热伸缩系数等物理性质进行分类。
这种分类方法可以根据需要选择具有特定物性的材料。
3.按结构分类材料按结构分类是指根据材料的晶体结构或分子结构等特性进行分类。
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温控系统 真空泵
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spin Coating 在硅片上 coating一层PR(photo resist) 层 用Aligner在PR层做出pattern
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
猪纹陶盆
商 陶酒尊
唐 三彩俑
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、 半坡变体鸟纹盆 釜、罐、瓶等， 甚至还有吹气 能发声的陶埙。
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
b v A kC a CB A
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
v A dCA / dt kC CB A
α和β是反应A和B的分级数
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
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
宝钢高炉
长征三号运载火箭在发 射架上的图片
材料分类及学科延伸
材料分类：
晋国铁鼎
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。
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 。
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
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
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 湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 土的铁刃铜钺，距今约3000余年。
铁刃铜钺
我国材料的历史进程
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
Z + VH
B Width w VxB Length L Ex Thickness d Ex, Jx X Y
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
Crystal
2
X-ray source
d
2
d sin
Detector
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
A
B
C
D
材料合成制备中的表征和分析
电子探针显微分析仪（Electron probe microanalyzer）：元素组分分析
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
我国材料的历史进程 青铜器时代
青铜戈
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
青铜头盔
我国材料的历史进程
爵 商
铜三足鸟 西周
秦始皇陵铜车马 秦
铜奔马(马踏飞燕) 汉
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
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:
0 0 0 r Gm r H m T r S m
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-TΔrSm<0 自发过程 ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm=0 平衡过程 ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm>0 非自发过程 系统的亥姆霍兹函数:
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
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）
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.
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53,300k g，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
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
绪论
材料：社会文明进步的里程碑
绪论
材料发展过程
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
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、电义:恒温恒容下对外做功的能力
ΔrAm=ΔrUm-TΔrSm<0 自发过程 ΔrAm=ΔrUm-TΔrSm=0 平衡过程 ΔrAm=ΔrUm-TΔrSm>0 非自发过程
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+mM vA=-dCA/dt vB=-dCB/dt vL=dCL/dt vM=dCM/dt 对于基元反应,速率方程可表示为:
半坡陶盆
半坡小口尖底瓶
陶埙
我国材料的历史进程