3A 材料合成与制备(材料概论)

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3.1 材料制备工艺与方法
• 根据加热温度 的高低，分为 高温熔融法和 低温熔融法。 玻璃熔融、转 炉炼钢(如图所 示)等为高温熔 融法。高聚物 的本体聚合和 熔融聚合为低 温熔融法。
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3.1 材料制备工艺与方法
• ②溶液法：主要用于高聚物的制备，分为溶液聚 合(如图所示)和溶液缩聚。 • ③界面法：在各种界面条件下发生反应来制备材 料的方法，主要有高聚物的悬浮聚合、乳液聚合 和界面缩聚(如图所示)。
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3.1 材料制备工艺与方法
• 四、固相法 • 固相法：以固体物质为原料，通过各种固相反应 和烧结等过程来制备材料的方法。如水泥熟料的 煅烧、陶瓷的烧结、金属材料的粉末冶金、人工 晶体的固相生长、高聚物的固相缩聚等，还包括 自蔓延高温合成法。 • ①高温烧结法：陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及 水泥熟料等通常都是把成型后的坯体(粗制品)或 固体粉料在高温条件下进行烧结，得到相应产品 的方法(如图所示)。
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3.1 材料制备工艺与方法
• 三、液相法 • 液相法：原料在溶液中均匀地分散、混合，然后 通过反应或其它方式将溶液中的离子、分子或原 子合成固体微粒并加以分离、收集的方法。 • 按制备方式的不同，液相法进一步分为熔融法、 界面法、溶液法、液相沉淀法、溶胶-凝胶法、水 热法、喷雾法、溶液生长法、水解法。 • ①熔融法：将原料加热，使其在加热过程和熔融 状态下产生各种化学反应，得到所需合成材料要 求的化学组成和结构的熔融液体，然后冷却并加 工成型制备材料的方法。
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3.1 材料制备工艺与方法
• 材料的种类繁多，其合成与制备工艺和方法随产 品种类的不同而异。因此，材料的生产工艺流程 也多种多样。 • 一、材料制备工艺与方法分类 • ①材料制品工艺分类：如果将众多的材料制品按 生产工艺进行综合分类，主要分为烧结制品、熔 融制品和浇注制品三大类。 • ②材料制备方法分类：如果将材料制备方法进行 分类，可分为气相法、液相法和固相法三类。这 样便可将复杂的问题简单化。
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3.2 原料制备
• ④添加剂：主要用于对制品性能和外观特征进行 局部性调整(如着色等)。 • 如，玻璃原料：石英砂(主要原料)，纯碱、石灰 石(辅助原料)，长石(熔剂)。蓝色玻璃还有着色剂 Cu2O、Co2O3等。 • ⑤原料的制备变化：原料的选用，除适当的化学 组成外，还必须充分考虑到原料在制备或使用过 程中的晶形变化和体积变化，以及与介质的化学 反应，并加以利用。很多天然原料，如石英、氧 化铝、氧化锆、蓝晶石、蛭石等在加热或冷却过 程中都伴随有晶形变化和体积变化。
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3.2 原料制备
• 二、原料的选择原则和方法 • 与金属材料和高分子材料不同，无机非金属材料 由于产品结构较为复杂，其原料的性质、原始特 性(如组成、杂质、密度、粒径、粒度分布、表面 性质、晶体缺陷、颗粒聚集状态、物理性能等)在 经过一系列处理(破碎、改性、成型、煅烧)后， 对最终制品的性能都会有决定性影响。 • 原料的选用既要满足材料组成和一般性能的要求， 也要考虑加工处理工艺条件对原料特性的影响， 以及原料的技术经济指标。
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3.1 材料制备工艺与方法
• ②粉末冶金法：以金属粉末或金属粉末和非金属 粉末的混合物为原料，经成型和烧结，制备金属 材料、复合材料及其制品的工艺技术(如图所示)。 • ③固相缩聚法：在温度较低条件下合成高聚物， 以避免高温熔融缩聚制备树脂反应中发生的副反 应，从而提高树脂的质量，并可制备特殊需要的 相对分子质量较高的树脂。间隙固相缩聚装臵如 图所示。 • ④自蔓延高温合成法(SHS)：反应一旦被引发就不 再需要外加热源，而是利用反应本身放出的热量 以燃烧波的形式通过反应混合物，维持反应的进 行(如图所示)。
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3.1 材料制备工艺与方法
• 五、合成与制备的共性规律 • 合成与制备的共性规律归纳如图所示。
原料制备 气相法 薄膜、单晶材料 熔融 固相、液相法 粉体半成品 添加剂
配料
泥料混练 塑化处理 成型 干燥 修坯 烧结 成品加工 烧结制品 成型 养护 干燥 浇注 制品
熔融法 喷吹 吹制 成型 熔铸 单晶 纤维 玻璃瓶 退火 退火 空心球 辊压 裁剪 成品加工 纺织 平板 熔铸 纤维 玻璃 制品 制品
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3.2 原料制备
• 由于现代工业对原料的要求更多、更高、更新， 天然原料的种类、品质、性能等不能满足新型材 料和功能材料的制备要求，大量的高纯、超细、 改性、合成原料不断涌现。此外，还需对大量的 工业固体废弃物加以再生利用。 • ②合成原料：采用化学或物理方法将天然原料进 行富集、提纯、加工、改性所得到的产品。根据 其化学组成，合成原料分为无机和有机两大类。 • Ⅰ.无机合成原料：分为氧化物和非氧化物原料。 • 氧化物原料：单一氧化物(如氧化铝)和复合氧化 物(如莫来石)，主要用于制备新型陶瓷。
3.2 原料制备
• 石英多晶转变时的体积变化如表所示。
转变温度/℃ 117 163 180-270 573 870 结晶状态转变 γ磷石英→β磷石英 β磷石英→α磷石英 Β方石英→α方石英 β石英→α石英 α石英→α磷石英 线膨胀率/% —— —— +1.00 +0.26 —— 体膨胀率/% +0.28 +0.20 +2.80 +0.82 +12.70
3 材料合成与制备
• • • • • • • • • 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 材料制备工艺与方法 原料制备 配料 泥料混练或熔融 成型 干燥 烧结 成品加工 质量检验与质量标准
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教学目标及基本要求
• 掌握：材料制备工艺与方法分类，液相法，固相 法，合成与制备的共性规律；原料分类，原料的 选择原则和方法，原料的破粉碎与粒度分级作业； 泥料颗粒的堆积，配合料的制备；泥料混练，熔 融；成型，材料的成型特性，成型方法；坯体所 含水分的类型，干燥；气孔与气孔率，烧结，烧 结方法。 • 熟悉：气相法；原料的预处理；成品加工；质量 检验与质量标准。
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3.2 原料制备
• ⑥石英的多晶转变：结晶石英根据其晶形变化和 体积变化，可分为高温石英(α石英、α磷石英和 α方石英)、中温石英(β磷石英)、低温石英(β石 英、γ磷石英和β方石英)等三个系列七个变体。 各种变体之间的转化关系如图所示。
重建(构)型转变 熔体 位 移 型 转 变 约1600℃ α石英 573℃ β石英 中温石英 870℃ 熔体 1670℃ α磷石英 163℃ β磷石英 117℃ γ磷石英 低温石英 22 1470℃ α方石英 180-270℃ β方石英 加热 玻璃 高温石英 1713℃ 熔体 急冷
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3 材料合成与制备
• ③合成与制备：将原子、分子聚合起来并 最终转变为有用产品的一系列连续过程。 • 合成与制备是提高材料质量、降低生产成 本和提高经济效益的关键，也是开发新材 料、新器件的中心环节。在合成与制备中， 工程性的研究固然重要，基础研究也不应 忽视。对材料合成与制备的动力学过程研 究可以揭示过程的本质，为改进制备方法、 建立新的制备技术提供科学依据。
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3.1 材料制备工艺与方法
• 二、气相法 • 根据材料制备系统中发生的反应性质分为物理气 相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)。 • ① PVD ：利用电弧、高频电场或等离子体等高温 热源将原料加热至高温，使之气化或形成等离子 体，然后通过骤冷，使之凝聚成各种形态的材料 (如图所示)。 • ② CVD ：以金属蒸气、挥发性金属卤化物、氢化 物或金属有机化合物等蒸气为原料，进行气相热 分解反应，或两种以上单质或化合物的反应，再 凝聚生成各种形态的材料。 • 例如，用硅烷在单晶硅表面化学气相沉积多晶硅 的过程(如图所示)。
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3.1 材料制备工艺与方法
• ⑥水热法：高温高压或高温常压下在水溶液中或 大量水蒸气存在时所进行的化学反应过程(如图所 示)。 • ⑦喷雾法：也称为溶剂蒸发法，是将溶解度较大 的盐的水溶液雾化成小液滴，使其中的水分迅速 蒸发，而使盐形成均匀的球状颗粒。 • ⑧溶液生长法：主要用于人工合成晶体的制备， 它是将所需制备的晶体的原料作为溶质形成过饱 和溶液，然后逐渐发生结晶使晶体长大。 • ⑨水解法：将金属醇盐或金属盐加水后水解直接 分离制备所需要的粉体。
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3.1 材料制备工艺与方法
• 以上归纳只反映了材料合成与制备的主要工艺和 方法。其中： • ①烧结制品(如陶瓷)：原料制备、配料、泥料混 练、成型、干燥、烧结、加工等。 • ②熔融制品(如钢铁)：原料制备、配料、熔融、 成型、(退火)、加工，不需要干燥和烧结过程。 • ③浇注制品(如混凝土)：原料制备、配料、泥料 混练、浇注、养护干燥，不需要烧结和加工过程。 • 新型材料和功能材料一般由独特的工艺和方法直 接合成与制备。 • 本章主要以陶瓷的高温烧结法结合玻璃的高温熔 融法为例，介绍材料合成与制备的主要工艺过程。
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3.2 原料制备
• 非氧化物原料：主要为金属与非金属难熔化合物 (如氮化铝)、非金属难熔化合物(如碳化硅)、金属 难熔化合物(如钴-铬-钨互化物)等，主要用于制备 非氧化物陶瓷。 • Ⅱ.有机合成原料：主要为合成树脂、合成橡胶、 合成纤维等。 • ③工业固体废弃物：矿石采选、工业生产、加工、 燃料燃烧、交通运输等行业以及环境治理过程中 所丢弃的固体、半固体物质的总称。 • 固体废弃物品种繁多，数量巨大。废弃物是一个 相对概念，在一定条件下为废弃物，在另一条件 下却可能成为宝贵的原料。固体废弃物可视为二 次资源。
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3.2 原料制备
• 大多数材料是由多种原料制成的，为了在选用原 料时主次分明，重点突出，按各种原料的用量多 少及其作用，可以将原料分为主要原料(基本原 料)、辅助原料、结合剂(粘结剂)及添加剂。 • ①主要原料：形成材料的主体及使用性能的基础。 • ②辅助原料：用于协助主料达到或改善材料的使 用性能，并在工艺过程中发挥调节作用。 • ③结合剂：一般用于改善材料的成型条件，使坯 体或制品形成一定的形状。