2014材料设计与制备实验报告
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实验二
一．实验目的：
1、掌握燃烧法的实验原理；
2、掌握燃烧法合成钒酸盐粉体的制备过程和方法；
3、掌握燃烧法合成稀土掺杂钒酸盐粉体的基本工艺参数；
4、了解材料的测试表征方法。
二．
燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。燃烧过程的本质是高放热性化学反应，反应体系经外部能量诱发局部化学反应(点燃)，形成前沿燃烧波，燃烧波伴随着剧烈的传热、传质等过程使化学反应持续蔓延，直至整个反应体系，最后达到合成所需材料目的。由于燃烧反应过程异常剧烈，反应物几乎瞬间点燃达到高温生成产物，加之热空气强烈对流使生成的细小产物颗粒“飞散开”并快速冷却，因此燃烧法的合成产物一般非常蓬松，无需进行研磨便可获得分散性良好、粒径均匀的粉体材料。该法作为新材料制备的高新技术，具有节能、高效、合成产物质量高、合成产品成本低、易于实现规模生产等特点。
2．掌握沉淀法制备碳酸钙超细粉体的基本过程。
二
碳酸钙(Calcim carbonate)，化学分子式：CaCO3，是一种非常重要的无机材料。碳酸钙超细粉体具有量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子相应和表面效应，作为添加剂被广泛用于橡胶、塑料、食品、医药等部门，碳酸钙的性质和用途与其颗粒的晶型和大小有很大关系。
根据图1-4，右边纵坐标为区间分布，左边纵坐标为累计分布，横坐标为颗粒粒径。有尖峰的曲线（红线）上的所有点，都代表那一粒度(横轴)的含量(右边纵轴)。没有尖峰的曲线（蓝线），叫“累积”线，是那点与小于那点含量的和，它用左边纵轴。
看这个粒径测定图，物料粒径分布主要在8-12微米之间。从区间分布上看，只有一个峰，说明物料粒径较为集中均匀。
3．根据实验所得粒径分布图说明什么是累计百分含量，什么是区间百分含量？
答:下图是本组实验所得的激光粒度分布仪分析系统结果报告单
图1-43班6组粒度分布图
粒度分布：用仪器和方法来检测反映出样品中不同粒径颗粒占颗粒总量的百分数。有区间分布和累积分布两种形式。区间分布表示粒径区间中颗粒的百分含量。累积粒度分布指单位体积空气中大于或小于某规定粒径的颗粒粒子数目或体积、质量等于颗粒的总粒子数或总体积、总质量的百分比对其不同粒径的关系，可用此作出其粒度分布曲线图。由于颗粒物中粒径小的粒子数目多于粒径大的粒子数目，所以多用小于规定粒径的表示法。
其基本原理是将反应原料制成CaTiO3:Pr3+的溶胶，在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到泡沫状材料，该泡沫状物质不结团，易粉碎。
三．
药品：Ca(NO3)2·4H2O，钛酸丁酯，Pr2O3，乙二醇，柠檬酸，浓硝酸，蒸馏水。
仪器：药匙、烧杯、量筒（10ml）、移液管、洗耳球、刚玉坩埚、电子天平、高温马弗炉、紫外灯、X射线衍射仪(XRD)、荧光光谱仪。
九．
1.严格控制物料的配比；
2.严格称量；
3.严格控制搅拌温度；
4.观察实验过程中的颜色变化。
学生实验 心得
通过两周的综合实验，从实验要求，到实验的规范操作，明确了材料制备与合成实验的要点及思路。观测到了实验的现象，学会通过仪器来测定样品的性能，也通过origin和jade等相关软件的使用来分析样品的性能。
三
1．药品：CaCl2,NH4HCO3；
2．仪器设备：物理天平、水浴锅、烧杯1000ml6个、烧杯500ml6个、磁力搅拌器、光学显微镜（DC9000），激光粒度分布仪(BT-9300H)，真空抽滤机（SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵），离心机
四
1．样品的称量
调平天平，分别称取1.10gCaCl2（0.01mol）、1.5812g NH4HCO3(0.02mol)，分别置于500ml，1000ml烧杯中；
(3)然后将上述Ca(NO3)2溶液和Pr(NO3)3溶液依次加入到上述溶液A中，继续于80 ºC恒温加热搅拌1h，得到淡黄色透明溶胶；
(4)将溶胶倒入适量于坩埚，将装样坩埚置于马弗炉中，于900ºC恒温焙烧1h得到白色粉末样品；
(5)在紫外光灯下观察样品的发光情况；
(6)最后，利用X射线衍射仪、荧光光谱仪等现代先进的测试分析仪器和设备对所制备的CaTiO3:Pr3+发光材料进行表征。
2．溶液的配制
将实际称取的1.1033gCaCl2加250ml去离子水溶解，得到A液；
将实际称取的1.5815gNH4HCO3加500ml去离子水溶解，得到B液；
3．沉淀反应
将水浴锅加热到特定温度100℃，放入B液，搅拌过程中加入A液，加完A液后保温半小时；
4．离心
5．倒掉上清液，稀浆料滴片，利用光学显微镜从低倍到高倍观察其形貌；
乙二醇（ml）
2.3615
3.4
5.6335
0.0048
6.3
五．
(1)按照上述配比二，用量筒量取钛酸丁酯Ti(OC4H9)4，将其缓慢加入到适量的乙二醇溶液中，并置于磁力搅拌器上加热至80ºC，然后将事先称好的柠檬酸加入搅拌中的Ti-乙二醇溶液中，待柠檬酸完全溶解，溶液变为淡黄色透明溶液A；
(2)将事先称好的Ca(NO3)2.4H2O溶于10ml蒸馏水，得到Ca(NO3)2溶液，并控制浓硝酸用量适度，将上述配比的Pr2O3溶于浓硝酸中（需要用电炉加热除去多余硝酸），制得Pr(NO3)3溶液；
2.
CaTiO3:Pr3+是以Pr3+离子为发光中心的发光材料，所以Pr3+离子浓度对材料性能十分重要。
图2-1CaTiO3:Pr3+的发射光谱EM280
图2-2CaTiO3:Pr3+的激发光谱EX620
从图2-2中可以看出，在620nm附近，激发光强度最高，因此为最佳激发波长。
属于可见光波段，为红色波段。从图2-1中看出，发射峰值波长在570nm附近，颜色为黄绿色。在这过程中，Pr3+的辐射跃迁占据主导地位，发光强度随着Pr3+的浓度提高呈现急剧的增长趋势。
本科生实验报告
实验课程材料设计与制备综合实验
学院名称材料与化学化工学院
专业名称材料科学与工程
学生姓名
学生学号
指导教师邱克辉 张百度文库聪 李峻峰 张文涛 陈显飞 周世杰
实验地点测试楼104、105、205、206和马公馆102
实验成绩
二〇一七年五月二日二〇一七年五月十二日
材料设计与制备综合实验
实验一
一
1．了解沉淀法制备纳米粉体的基本原理。
1
仪器：X射线衍射仪DX-2700型
图2-1 CaTiO3的XRD图
图2-1为Pr3+浓度为0.2%燃烧法合成得到的CaTiO3:Pr3+粉末在900℃锻烧温度下锻烧1h后的XRD图。
从图中可以看出，属于正交晶系，钙钛矿结构。其晶格结构并未发生明显的变化,样品的主要衍射峰均与，标准卡片相匹配，仅在一些微小的结构处有些不同。综合分析可知，杂质掺入后并未改变原品体的晶格结构或明显生成其他物质。在样品中未发现Pr3+化合物的物相，说明少量的Pr3+掺杂没有影响样品的相组成。
2．最后形成溶胶时，用玻璃棒放入烧杯中，溶胶在玻璃棒上形成液滴但不会发生掉落时，方可倒入坩埚中进行下一步的操作。
3．不同的烧结温度对CaTiO3:Pr3+的发光特性有一定的影响，发现随烧结温度的上升,发光强度也随之增大。
八．
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱测试，分析测试数据，了解样品的发光性能与合成工艺参数之间的关系。
六．
七．
观察记录溶解、搅拌过程中的实验现象，对得到的样品性状特征进行描述。在暗室中，通过紫光灯照射合成样品，初步观察样品的发光亮度和发光颜色，对不同实验条件下合成样品的发光情况进行相互对比，来观察不同的实验条件对合成样品情况的影响。
1．恒温搅拌过程中尽可能地使搅拌速度慢，缓慢搅拌中溶胶才容易形成且形成的溶胶均匀性更好，搅拌速度太快容易导致溶液沸腾起泡，溶胶制取失败。
七．
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱测试，分析测试数据，了解样品的发光性能与合成工艺参数之间的关系。
1．
图1-5 CaCO3的XRD衍射图
根据图1-5，XRD扫描图与标准卡PDF#05-0586对比，大概一致，并无明显的杂相存在，可以确认产品是碳酸钙。具有一个强度相对较大的衍射峰，该粉体约在29.20°衍射峰强而尖锐，粉体的结晶程度较好。
四．
配比一：
硝酸钙(g)
钛酸丁酯（ml）
柠檬酸(g)
氧化镨（g）
乙二醇（ml）
2.3615
3.4
5.6335
0.0016
6.3
配比二：
硝酸钙(g)
钛酸丁酯（ml）
柠檬酸(g)
氧化镨（g）
乙二醇（ml）
2.3615
3.4
5.6335
0.0032
6.3
配比三：
硝酸钙(g)
钛酸丁酯（ml）
柠檬酸(g)
氧化镨（g）
实验探究Ca(HCO3)2水溶液加热制备得到CaCO3。由CaCl2溶液和NH4HCO3溶液反应，反应过程中先生成Ca(HCO3)2，经过一定亚稳时间后得到CaCO3沉淀。
激光粒度仪测试颗粒是运用激光的衍射/散射原理，采用激光衍射/散射原理进行颗粒测试与其他方法相比，其显著优势在于，测试重复性好、准确度高、速度快、动态范围大、操作简便，并独有可对动态颗粒群惊醒跟踪测试分析的突出特点。
6．激光粒度仪测粒度，并进行分析；
五．实验结果
如图，下面是在光学显微镜下样品的形貌。
图1-1放大倍数10*10
图1-2放大倍数25*10
图1-1放大倍数60*10
六
1．如果是B液滴入A液，对沉淀反应可能会有什么样的影响？
答：在碳酸氢铵和氯化钙浓度都比较大时才能发生反应，2NH4HCO3 + CaCl2 =CaCO3↓ + 2 NH4Cl + H2O + CO2。NH4HCO3在水中发生双水解,反应NH4HCO3+H2O==（可逆符号）NH3·H2O+H2CO3与呈中性的醋酸铵NH4Ac相比,酸性HAc＞H2CO3,所以离子的水解Ac-＜HCO3-,HCO3-水解程度更大（剩余的离子浓度更少）,溶液呈碱性,且c(NH4+)>c(HCO3-)>c(OH-)>c(H+)，提前加入热水中可以使NH3·H2O分解，让溶液的PH值降低，之后再加入CaCl2使其能够更好的反应，如果B液滴入A液贼会使反应不完全，而且反应物的加入顺序会影响生成物的晶型。
学生（签名）：
年 月 日
指导
教师
评语
成绩评定：
指导教师（签名）：
年 月 日
一．实验目的：
1、掌握燃烧法的实验原理；
2、掌握燃烧法合成钒酸盐粉体的制备过程和方法；
3、掌握燃烧法合成稀土掺杂钒酸盐粉体的基本工艺参数；
4、了解材料的测试表征方法。
二．
燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。燃烧过程的本质是高放热性化学反应，反应体系经外部能量诱发局部化学反应(点燃)，形成前沿燃烧波，燃烧波伴随着剧烈的传热、传质等过程使化学反应持续蔓延，直至整个反应体系，最后达到合成所需材料目的。由于燃烧反应过程异常剧烈，反应物几乎瞬间点燃达到高温生成产物，加之热空气强烈对流使生成的细小产物颗粒“飞散开”并快速冷却，因此燃烧法的合成产物一般非常蓬松，无需进行研磨便可获得分散性良好、粒径均匀的粉体材料。该法作为新材料制备的高新技术，具有节能、高效、合成产物质量高、合成产品成本低、易于实现规模生产等特点。
2．掌握沉淀法制备碳酸钙超细粉体的基本过程。
二
碳酸钙(Calcim carbonate)，化学分子式：CaCO3，是一种非常重要的无机材料。碳酸钙超细粉体具有量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子相应和表面效应，作为添加剂被广泛用于橡胶、塑料、食品、医药等部门，碳酸钙的性质和用途与其颗粒的晶型和大小有很大关系。
根据图1-4，右边纵坐标为区间分布，左边纵坐标为累计分布，横坐标为颗粒粒径。有尖峰的曲线（红线）上的所有点，都代表那一粒度(横轴)的含量(右边纵轴)。没有尖峰的曲线（蓝线），叫“累积”线，是那点与小于那点含量的和，它用左边纵轴。
看这个粒径测定图，物料粒径分布主要在8-12微米之间。从区间分布上看，只有一个峰，说明物料粒径较为集中均匀。
3．根据实验所得粒径分布图说明什么是累计百分含量，什么是区间百分含量？
答:下图是本组实验所得的激光粒度分布仪分析系统结果报告单
图1-43班6组粒度分布图
粒度分布：用仪器和方法来检测反映出样品中不同粒径颗粒占颗粒总量的百分数。有区间分布和累积分布两种形式。区间分布表示粒径区间中颗粒的百分含量。累积粒度分布指单位体积空气中大于或小于某规定粒径的颗粒粒子数目或体积、质量等于颗粒的总粒子数或总体积、总质量的百分比对其不同粒径的关系，可用此作出其粒度分布曲线图。由于颗粒物中粒径小的粒子数目多于粒径大的粒子数目，所以多用小于规定粒径的表示法。
其基本原理是将反应原料制成CaTiO3:Pr3+的溶胶，在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到泡沫状材料，该泡沫状物质不结团，易粉碎。
三．
药品：Ca(NO3)2·4H2O，钛酸丁酯，Pr2O3，乙二醇，柠檬酸，浓硝酸，蒸馏水。
仪器：药匙、烧杯、量筒（10ml）、移液管、洗耳球、刚玉坩埚、电子天平、高温马弗炉、紫外灯、X射线衍射仪(XRD)、荧光光谱仪。
九．
1.严格控制物料的配比；
2.严格称量；
3.严格控制搅拌温度；
4.观察实验过程中的颜色变化。
学生实验 心得
通过两周的综合实验，从实验要求，到实验的规范操作，明确了材料制备与合成实验的要点及思路。观测到了实验的现象，学会通过仪器来测定样品的性能，也通过origin和jade等相关软件的使用来分析样品的性能。
三
1．药品：CaCl2,NH4HCO3；
2．仪器设备：物理天平、水浴锅、烧杯1000ml6个、烧杯500ml6个、磁力搅拌器、光学显微镜（DC9000），激光粒度分布仪(BT-9300H)，真空抽滤机（SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵），离心机
四
1．样品的称量
调平天平，分别称取1.10gCaCl2（0.01mol）、1.5812g NH4HCO3(0.02mol)，分别置于500ml，1000ml烧杯中；
(3)然后将上述Ca(NO3)2溶液和Pr(NO3)3溶液依次加入到上述溶液A中，继续于80 ºC恒温加热搅拌1h，得到淡黄色透明溶胶；
(4)将溶胶倒入适量于坩埚，将装样坩埚置于马弗炉中，于900ºC恒温焙烧1h得到白色粉末样品；
(5)在紫外光灯下观察样品的发光情况；
(6)最后，利用X射线衍射仪、荧光光谱仪等现代先进的测试分析仪器和设备对所制备的CaTiO3:Pr3+发光材料进行表征。
2．溶液的配制
将实际称取的1.1033gCaCl2加250ml去离子水溶解，得到A液；
将实际称取的1.5815gNH4HCO3加500ml去离子水溶解，得到B液；
3．沉淀反应
将水浴锅加热到特定温度100℃，放入B液，搅拌过程中加入A液，加完A液后保温半小时；
4．离心
5．倒掉上清液，稀浆料滴片，利用光学显微镜从低倍到高倍观察其形貌；
乙二醇（ml）
2.3615
3.4
5.6335
0.0048
6.3
五．
(1)按照上述配比二，用量筒量取钛酸丁酯Ti(OC4H9)4，将其缓慢加入到适量的乙二醇溶液中，并置于磁力搅拌器上加热至80ºC，然后将事先称好的柠檬酸加入搅拌中的Ti-乙二醇溶液中，待柠檬酸完全溶解，溶液变为淡黄色透明溶液A；
(2)将事先称好的Ca(NO3)2.4H2O溶于10ml蒸馏水，得到Ca(NO3)2溶液，并控制浓硝酸用量适度，将上述配比的Pr2O3溶于浓硝酸中（需要用电炉加热除去多余硝酸），制得Pr(NO3)3溶液；
2.
CaTiO3:Pr3+是以Pr3+离子为发光中心的发光材料，所以Pr3+离子浓度对材料性能十分重要。
图2-1CaTiO3:Pr3+的发射光谱EM280
图2-2CaTiO3:Pr3+的激发光谱EX620
从图2-2中可以看出，在620nm附近，激发光强度最高，因此为最佳激发波长。
属于可见光波段，为红色波段。从图2-1中看出，发射峰值波长在570nm附近，颜色为黄绿色。在这过程中，Pr3+的辐射跃迁占据主导地位，发光强度随着Pr3+的浓度提高呈现急剧的增长趋势。
本科生实验报告
实验课程材料设计与制备综合实验
学院名称材料与化学化工学院
专业名称材料科学与工程
学生姓名
学生学号
指导教师邱克辉 张百度文库聪 李峻峰 张文涛 陈显飞 周世杰
实验地点测试楼104、105、205、206和马公馆102
实验成绩
二〇一七年五月二日二〇一七年五月十二日
材料设计与制备综合实验
实验一
一
1．了解沉淀法制备纳米粉体的基本原理。
1
仪器：X射线衍射仪DX-2700型
图2-1 CaTiO3的XRD图
图2-1为Pr3+浓度为0.2%燃烧法合成得到的CaTiO3:Pr3+粉末在900℃锻烧温度下锻烧1h后的XRD图。
从图中可以看出，属于正交晶系，钙钛矿结构。其晶格结构并未发生明显的变化,样品的主要衍射峰均与，标准卡片相匹配，仅在一些微小的结构处有些不同。综合分析可知，杂质掺入后并未改变原品体的晶格结构或明显生成其他物质。在样品中未发现Pr3+化合物的物相，说明少量的Pr3+掺杂没有影响样品的相组成。
2．最后形成溶胶时，用玻璃棒放入烧杯中，溶胶在玻璃棒上形成液滴但不会发生掉落时，方可倒入坩埚中进行下一步的操作。
3．不同的烧结温度对CaTiO3:Pr3+的发光特性有一定的影响，发现随烧结温度的上升,发光强度也随之增大。
八．
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱测试，分析测试数据，了解样品的发光性能与合成工艺参数之间的关系。
六．
七．
观察记录溶解、搅拌过程中的实验现象，对得到的样品性状特征进行描述。在暗室中，通过紫光灯照射合成样品，初步观察样品的发光亮度和发光颜色，对不同实验条件下合成样品的发光情况进行相互对比，来观察不同的实验条件对合成样品情况的影响。
1．恒温搅拌过程中尽可能地使搅拌速度慢，缓慢搅拌中溶胶才容易形成且形成的溶胶均匀性更好，搅拌速度太快容易导致溶液沸腾起泡，溶胶制取失败。
七．
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱测试，分析测试数据，了解样品的发光性能与合成工艺参数之间的关系。
1．
图1-5 CaCO3的XRD衍射图
根据图1-5，XRD扫描图与标准卡PDF#05-0586对比，大概一致，并无明显的杂相存在，可以确认产品是碳酸钙。具有一个强度相对较大的衍射峰，该粉体约在29.20°衍射峰强而尖锐，粉体的结晶程度较好。
四．
配比一：
硝酸钙(g)
钛酸丁酯（ml）
柠檬酸(g)
氧化镨（g）
乙二醇（ml）
2.3615
3.4
5.6335
0.0016
6.3
配比二：
硝酸钙(g)
钛酸丁酯（ml）
柠檬酸(g)
氧化镨（g）
乙二醇（ml）
2.3615
3.4
5.6335
0.0032
6.3
配比三：
硝酸钙(g)
钛酸丁酯（ml）
柠檬酸(g)
氧化镨（g）
实验探究Ca(HCO3)2水溶液加热制备得到CaCO3。由CaCl2溶液和NH4HCO3溶液反应，反应过程中先生成Ca(HCO3)2，经过一定亚稳时间后得到CaCO3沉淀。
激光粒度仪测试颗粒是运用激光的衍射/散射原理，采用激光衍射/散射原理进行颗粒测试与其他方法相比，其显著优势在于，测试重复性好、准确度高、速度快、动态范围大、操作简便，并独有可对动态颗粒群惊醒跟踪测试分析的突出特点。
6．激光粒度仪测粒度，并进行分析；
五．实验结果
如图，下面是在光学显微镜下样品的形貌。
图1-1放大倍数10*10
图1-2放大倍数25*10
图1-1放大倍数60*10
六
1．如果是B液滴入A液，对沉淀反应可能会有什么样的影响？
答：在碳酸氢铵和氯化钙浓度都比较大时才能发生反应，2NH4HCO3 + CaCl2 =CaCO3↓ + 2 NH4Cl + H2O + CO2。NH4HCO3在水中发生双水解,反应NH4HCO3+H2O==（可逆符号）NH3·H2O+H2CO3与呈中性的醋酸铵NH4Ac相比,酸性HAc＞H2CO3,所以离子的水解Ac-＜HCO3-,HCO3-水解程度更大（剩余的离子浓度更少）,溶液呈碱性,且c(NH4+)>c(HCO3-)>c(OH-)>c(H+)，提前加入热水中可以使NH3·H2O分解，让溶液的PH值降低，之后再加入CaCl2使其能够更好的反应，如果B液滴入A液贼会使反应不完全，而且反应物的加入顺序会影响生成物的晶型。
学生（签名）：
年 月 日
指导
教师
评语
成绩评定：
指导教师（签名）：
年 月 日