材料合成与制备考试题答案

一名词解释

1共沉淀法

沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加人适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物,再将沉淀物进行干燥或锻烧，从而制得相应的粉体颗粒。

共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀，它是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。

2水热合成法

水热与溶剂热合成：在一定温度(100～1000℃)和压力

(1～100MPa)条件下，利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。它的优点：所的产物纯度高，分散性好、粒

度易控制。

3化学气相沉积

气相沉积：利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的一类技术

1物理气相沉积(Physical Vapor Deposition ，简称PVD)：物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是离子镀。如真空蒸发法、溅射法、离子镀等

“物理气相沉积” 通常指满足下面三个步骤的一类薄膜生长技术:A所生长的材料以物理的方式由固体转化为气体

B生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底

C蒸汽在衬底表明上凝结，形成薄膜

2化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是

反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。（一种或数种反应气体在热、激光、等离子体等作用下发生化学反应析出超微粉的方法）。

4 Ostwald Ripening

Ostwald ripening是一种材料生长的机理，简单点说就是材料从分子阶段开始，首先形成一定尺寸的晶核，然后所有的分子都依附于晶核生长，这个阶段不会再形成新的晶核了，只是晶核生长的越来越大，就是“从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶”

6 烧结末或压坯粉在低于主要组分熔点温度下加热，使颗粒间产生连接，以提高制品性能的方法。1、宏观定义在高温下（低于熔点），陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。

2微观定义：固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

粉体材料成型后，用热、微波等方式将其烧结成固体材料。对陶瓷生坯进行高温焙烧，使之发生质变成为陶瓷产品的过程，也称烧结。目的是去除坯体内所含溶剂、粘结剂、增塑剂等，并减少坯体中的气孔，增强颗粒间的结合强度。

7 Oriented attachment ripening

Banfiled又提出了一种新的晶体生长机制也能形成单晶结构，oriented attachment, 多个取向不一致的单晶纳米颗，通过粒子的旋转，使得晶格取向一致，向后通过定向附着生长（oreinted attachment）使这些小单晶生长成为一个大单晶，当然定向附着的过程出难免会出现一些位错和缺陷，这种生长机理形成的单晶的特点同Ostwald ripening不同，OR形成的单晶大多是规则的，给材料本身晶体结构相关，而OA形成的单晶结构在形貌上则没有限制，任何形状和结构的单晶材料都能通过此机理形成。

9 真空

“真空”是指在指定的空间内压力低于101325Pa的气体状态。“真空度”用来表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力表示。压力的单位过去一般用“托”（Torr）表示，是为纪念Torricelli 而命名的，现在规定用国际单位制中的压力单位，即帕［斯卡］（Pa）表示。

10介电常数

或介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m) 定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。（描述分子被电场极化的能力，也可以认为是样品阻止微波能通过能力的量度）

Langmuir-Blodgett制膜法

Langmuir-Blodgett建立的一种单分子膜制备技术：在水—气界面上将不溶解分子加以紧密有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体表面上的制膜技术。

功能材料

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

三、 简答题

1. 简述玻璃脱色剂的种类和原理。

脱色剂：用以减弱玻璃因铁化合物等杂质所引起的着色的物质 种类：主要有化学脱色剂和物力脱色剂两种。

化学脱色剂：它主要起氧化作用，使着色作用强烈的FeO(青绿

色)氧化成Fe 2O 3(黄绿色)，降低着色程度，增加透明度。

常用的化学脱色剂为硝酸盐，三氧化二砷、三氧化二锑、二氧化铈、氟化物等。

物理脱色剂：它能产生与绿色或黄绿色的互补色，从而起到消色作用。

常用的物理脱色剂有硒和氧化钴、二氧化锰、氧化镍 2. 简述水热与溶剂热合成化学的特点。

①由于反应物反应性能的改变、活性的提高，水热与溶剂热合成法有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应，并产生一系列新的合成方法。

②由于中间态、介稳态以及特殊物相易于生成，因此能合成特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物。 ③能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热与溶剂热低温条件下晶化生成。

④水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件，有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度。

⑤由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境气氛，因而有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。

3. 简述化学气相沉积的特点。

①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；

②可以在大气压（常压）或者低于大气压（低压）下进行沉积。一般说低压效果要好一些；

③采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；

④镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混和镀层；

⑤可以控制镀层的密度和纯度；

⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制； ⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层； ⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐歪曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层； ⑨可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。

4.什么是塑料薄膜的拉伸取向？简述双轴拉伸聚酯薄膜的生产工艺流。

拉伸取向是对塑料薄膜施以外力，使聚合物松弛的长链沿力的作用方向得到伸长和取向，分子链沿外力场作用方向解缠、拉直、定向、结晶。分子链取向后，聚合物的物理、机械性能发生很大的变化，其性能大为改善。双轴拉伸聚酯薄膜的生产工艺流程：

1、厚片制造：挤出树脂，在冷却滚筒上急冷成厚片

2、纵横拉伸：进入纵拉伸机，把厚片纵拉到预定倍数；进入横拉伸机，横拉到预定倍数。

3、 切边收卷：切边、收卷得成品

5. 简述冷冻干燥法制备材料的特点和步骤。 冷冻干燥法的特点：

①盐的水溶液易配制，与沉淀相比，由于不添加沉淀剂，可避免杂质的混入。

②因为冷冻的液滴中仍保存着溶液中的离子混合状态，所以组成不发生分离，可实现原子级的完全混合。

③用冷冻干燥法制备无水盐的工艺简单，此无水盐的热分解温度与其他方法制备的无水盐相比要低得多，还可避免水合盐溶化的问题。 ④用冷冻干燥法能得到多孔质粉体，热分解时气体放出容易，利用流动床煅烧时，气体透过性好。

⑤用该法得到微粒子的大小为0.1～0.5μm 冷冻干燥法的步骤 ：

①首先要配制成所要求浓度的盐水溶液。

②用玻璃制喷嘴把配好的盐水溶液喷射到被致冷剂冷却的冷浴中，急速冷冻。

③把冷冻物放入预先冷却的烧瓶中，迅速接入真空系统。边冷冻，边减压排气，随即加热，使冰升华。

④冷冻干燥物在一定温度下进行煅烧热分解，即得到所要求的化合物粉末。

6. 硅酸盐水泥的主要生产原料有那些，画出其生产工艺流程图。 生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。

7. 建筑陶瓷的基本制造工艺流程图

8. 简述分子束外延制备纳米薄膜的特点 分子束外延基本原理：

在超高真空的条件下利用Kunsen 蒸发器中的蒸发出的分子束或原子束在真空室中不受碰撞直接沉积在衬底表面，沿着原来衬底的晶格方向进行生长的一种方法。

该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。

特点：（1）生长速率极慢，每秒1—10埃，因而可以生长极薄而厚度均匀的外延层，实际上是一种原子级的加工技术；

（2）外延生长的温度低，可以避免衬底与外延层间的杂质在扩散，而获得杂质浓度分布异常陡峭p —n 结，同时又避免通常在高温下产生的热缺陷；

（3）生长是在超高真空中进行的，衬底表面经过处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污，因而能生长出质量极好的外延层。在分子束外延装置中，一般还附有用以检测表面结构、成分和真空残余气体的仪器，可以随时监控外延层的成分和结构的完整性。 9. 简述材料的纳米效应。

纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表

面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的效应：表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

（1）小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。在熔点，磁性，热阻，电学性能，光学性能，化学活性和催化性等都较大尺度颗粒发生了变化，产生一系列奇特的性质。

（2）表面与界面效应：随着颗粒的直径的减小，表面积和比表面积都将会显著地增大，表面原子数也将迅速增加。表面原子具有高的活性，且极不稳定，它们很容易与外来的原子相结合，形成稳定的结构。

（3）量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到最低值时 ,费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级。纳米微粒的声、光、电、磁、热以及超导性与宏观特性有着显著的不同 ,这被称为量子尺寸效应。

（4）宏观量子隧道效应：隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力 ,人们发现一些宏观量 ,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效应 ,称之为宏观量子隧道效应。

四、论述题

1. 与金属相比，玻璃钢有那些优缺点?

一、优点

（1）轻质高强

玻璃钢的比重只有1.4—2.0，即只有普通钢材的1/4—1/6，比铝还要轻约1/3，而机械强度却能达到或超过普通碳钢的水平。（2）优良的耐化学腐蚀

玻璃钢不导电，在电解质镕液里不会有离子溶解出来。因而对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有良好的化学稳定性，特别在强的非氧化性酸和相当广泛的pH值范围内的介质中都有着良好的适应性。

（3）优良的电性能

玻璃钢是一种优良的电绝缘材料，用玻璃钢制造的设备不存在电化学腐蚀和杂散电流腐蚀，可广泛用于制造仪表、电机及电器中的绝缘零部件，以提高电气设备的可靠性并延长其使用寿命，此外玻璃钢在高频作用下有着良好的介电性和微波透过性。是制造多种雷达罩等高频绝缘产品的优良材料。

（4）良好的隔热性能

导热系数只有金属的1/100－1/1000,用作良好的隔热材

料和瞬时耐高温材料。

（5）良好的表面性能

玻璃钢一般和化学介质接触时表面很少有腐蚀产物，也很少结垢，因此用玻璃钢管道输送流体，管道内阻力很小，摩擦系数也较低，可有效地节省动力；此外，玻璃钢设备一般不会生成金属离子污染介质。

（6）可设计性好

玻璃钢是一种可以改变其原料的种类、数量比例和排列方式，以适应各种不同要求的复合材料。

（7）良好的施工工艺性

未固化前的热固性树脂和玻璃纤维组成的材料具有改变

形状的能力，通过不同的成型方法和模具，可以方便地加工成所需要的任何形状。

二、缺点

(1) 同金属相比，玻璃钢的弹性模量较低；不适合做轴承

(2)长期耐温性一般在l00℃以下，个别可达到150℃左右，低于金属和无机材料

(3)对溶剂和强氧化性介质的耐蚀性也较差。

3.论述高炉冶炼的特点、炉渣的成分和作用。

高炉冶炼的特点：(1)高炉冶炼是在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛。

(2)高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操作人员无法直接观察到反应过程的状。只能凭借仪器仪表间接观察炉内状况。(3)高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。高炉炉渣的主要成分是Si、Al、Ca、Mg、Mn、Fe的氧化物和CaS等，冶炼特殊矿石时，渣中还含有TiO2、CaF2等。

作用：（1）分离渣铁。有良好流动性，能顺利排出。

（2）具有足够的脱硫能力。

（3）调整生铁成分。

（4

）保护炉衬。有较高熔点的炉渣，易附着于炉衬上，形成“渣皮”，保护炉衬，维持生产。

图示溅射过程的物理模型。它是利用荷能粒子轰击靶材表面，从靶面上溅射出粒子，粒子飞行到对面的衬底上沉积得到薄膜

图示Sol-Gel法制备纳米颗粒的过程。一般是先用金属无机盐或金属醇盐在一定的溶剂中超过慢速水解的方法制备成胶体溶液，再通过浸涂法或旋涂法等在衬底上制备形成薄膜，溶胶法制备薄膜。

简述陶瓷注浆坯料中陈腐的作用。

1．通过毛细管的作用使泥料中水分更加均匀分布。

2．粘土颗粒充分水化和离子交换；一些硅酸盐矿物(如白云母、绿泥石和末风化的长石等)长期与水接触发生水解转变为粘土物质，从而提高可塑性。

3．增加腐植酸物质的含量，改善泥料肋成型性能。4．发生一些氧化与还原反应，使泥料松散而均匀。简述玻璃脱色剂的种类和原理。

用以减弱玻璃因铁化合物等杂质所引起的着色的物质

1 化学脱色剂：它主要起氧化作用，使着色作用强烈的FeO(青绿色)氧化成Fe2O3(黄绿色)，降低着色程度，增加透明度。

常用的化学脱色剂为硝酸盐，三氧化二砷、三氧化二锑、二氧化铈、氟化物等。

2 物理脱色剂：它能产生与绿色或黄绿色的互补色，从而起到消色作用。

常用的物理脱色剂有硒和氧化钴、二氧化锰、氧化镍

物理脱色剂的使用必须很谨慎，因为它本身就是着色剂，使用不当会适得其反。

2. 综述一种材料的合成（制备）原理、设备、工艺及应用。要求字数300-600、条理清晰。

干混砂浆是将水泥、砂、矿物掺合料和功能性添加剂按一定比例，在专业生产厂于干燥状态下搅拌均匀，混合成的一种颗粒状或粉状状态的混合物，然后以干粉包装的形式运至工地，按规定比例加水拌合后即可直接使用的干粉砂浆材料。

最基本的均含有胶凝材料、骨料和外加剂。胶凝材料包括无机胶凝材料如水泥、石灰、石膏等,有机胶凝材料如再分散乳胶粉和水溶性聚乙烯醇等。干混砂浆的性能取决于其组成。干混砂浆的无机胶凝材料和有机胶凝材料主要起胶结作用。骨料主要起骨架作用(有时利用其装饰效果),矿物外加剂主要改善砂浆工作性,两者对体积稳定性均有重要作用。化学外加剂主要是改善新拌砂浆的物理性能,但他们对砂浆硬化后的性能也有重要作用。化学外加剂常是一些粉末状的高分子聚合物,包括保水剂、增塑剂、引气剂、消泡剂、调凝剂、憎水剂等。工艺设备

1 干混砂浆生产工艺流程

干混砂浆的生产过程主要有：砂预处理包括采石场破碎、干燥(碾磨)、筛分、储存（河砂则只须干燥、筛分、然后储存），砂仓储，胶结料、填料以及添加剂的仓储，配料计量称重，高效均匀混合，成品料的包装或散装。

塔式工艺布局:将所有预处理好的原料提升到原料筒仓顶部，原材料依靠自身的重力从料仓中流出，经电脑配料、螺旋输送计量、混合再到包装机包装成袋或散装入散装车或入成品仓储存等工序后成为最终产品，全部生产由中央电脑控制系统操作。

1 砂预处理

配置干混砂浆主要成分是砂，而砂的含水率变化范围大，因此必须对原始砂进行含水率测定、干燥、筛分。

1）干砂设备原砂的干燥采用干砂机，目前干砂机主要振动流化床式和机械滚筒式。

2）干砂分级筛分机目前主要有投影式振动筛分机与水平式筛分机。

3）干砂的输送干砂的输送一般采用斗式提升机或皮带运输机。

2 物料的储存和上料水泥、石灰粉等填充料必须储存于密封的筒仓内，一般采用气力输送设备和螺旋排料系统送入筒仓。由控制系统自动按配方要求配料，且保证连续供料。也可以人工称量后，直接投入混合机中使用

3 配料计量配料配料计量可采用精确的电子称和先进的微机控制，并具有落差跟踪、称量误差自动补偿、故障诊断等功能。

4 混合搅拌混合机有无重力双轴桨叶混合机、卧式螺带混合机、犁刀式混合机。混合机性能：高混合均匀度，高混合效率；卸料速度快；无残余卸料；能耗低；更有效地配置高速刀片，高效地混合纤维和颜料

5包装、散装系统成品干混砂浆可用包装机包装，也可放入散装筒仓或专用散装运输罐车。

应用

2.1 普通干混砂浆

1)普通抹灰砂浆。主要用于墙面打底、找平和满足一般饰面要求,要解决的主要问题是抹灰层的开裂、空鼓、脱落等。

2)普通砌筑砂浆。主要用于烧结砖、混凝土砌块、石材等块材的砌筑。加气混凝土砌块、轻质保温砌块等)的专用砂浆。干混砌筑砂浆要解决的主要问题是传统砂浆的砌筑灰缝不饱满、砌体劈剪强度低等。

3)普通地面砂浆。主要用于地面找平处理和满足一般地面装饰要求。

2.2 特种砂浆

1)墙体保温系统专用砂浆(EIFS)。这类砂浆是目前我国北方地区用量最大的特种砂浆,其以高聚合物含量为产品配料特点,以高粘结强度、高变形性、低吸水率为性能特点。

2)墙地砖粘结砂浆。主要用于墙面、地面装饰砖的粘结,可分为陶瓷砖粘结砂浆、石材粘结砂浆和彩色填缝砂浆等。

3)界面处理砂浆。主要用于提高抹灰层与基材之间和新旧抹灰层之间的粘结性能,这类砂浆以高聚合物掺量、高粘结性能为主要特点。

4)自流平地坪砂浆。指具有自流平、耐磨、防静电、防滑和耐腐蚀等特殊性能的地面砂浆,

5)刮墙腻子。主要用于涂料装饰前墙面的找平,可分为内墙腻子、外墙腻子、柔性抗裂腻子等几类。以高保水剂掺量为配料特点,以高保水性、高粘结强度、表面光滑细腻为性能特点。

6)装饰砂浆。主要用于墙面最终装饰,可分为彩色砂浆、彩色腻子和艺术砂浆等以粘结强度、耐老化性、抗泛碱性和装饰性为性能特点。

7)修复砂浆。主要用于对既有建筑物进行修复处理。其粘结性突出,结构强度高。

8)防水砂浆

主要用于对墙面、地面和层面等进行防水处理,其抗渗性能突出,粘结强度高。

9)灌浆材料。主要用于混凝土后浇灌浆、设备基础灌浆、加固灌浆等工程,具有微膨胀特性和较高的强度。

10)弹性砂浆。主要用于具有防裂、抗变形要求的工程。其掺加大量聚合物、纤维材料等,具有较高的柔性和良好的形变能力。

11)其他特种砂浆。根据实际使用要求,通过高分子聚合物等外加剂的掺入,可以配制生产出具有特殊性能、满足特殊要求的砂浆