制造工艺过程与方法(1)培训资料.ppt

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1、制造工艺过程与方法制造工艺过程与方法(1)(1)不发生不发生化学反应化学反应物理气相沉积法物理气相沉积法 PVD化学气相沉积法化学气相沉积法 CVD气相聚合气相聚合3.2.1 气相法气相法 Deposition发生气相发生气相化学反应化学反应3.2.1.1 Physical Vapor DepositionPVD是利用电孤、高频电场、等离子体等高温热源是利用电孤、高频电场、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，骤将原料加热至高温，使之气化或形成等离子体，骤冷，使之凝聚成各种形态的材料（如：晶须、薄膜、冷，使之凝聚成各种形态的材料（如：晶须、薄膜、晶粒等）。晶粒等）。其原理

2、一般其原理一般基于纯粹的物理效应基于纯粹的物理效应。PVD的步骤的步骤蒸气的产生蒸气的产生使气化材料使气化材料从供给源转移到衬底从供给源转移到衬底通过异相成核作用通过异相成核作用和膜生长形成一种沉积膜和膜生长形成一种沉积膜阴极溅射法阴极溅射法离子镀法离子镀法电子轰击法电子轰击法电阻加热法电阻加热法二极直流溅射二极直流溅射高频溅射高频溅射磁控溅射磁控溅射反应溅射反应溅射PVD法法制备薄制备薄膜材料膜材料图图3-4.PVD法的分类法的分类真空沉积法真空沉积法（1）真空沉积法）真空沉积法EvaporationDepostionPVD for Preparing Film Materials机理：机理

3、：金属元素和化合物，在真空中蒸发或升金属元素和化合物，在真空中蒸发或升华，在工件表面上华，在工件表面上析出并附着析出并附着。当多种元素蒸。当多种元素蒸镀时，镀时，可得一定配比的可得一定配比的合金薄膜合金薄膜。采用真空的原因采用真空的原因：蒸发出来的分子在向基片运：蒸发出来的分子在向基片运动的过程中，会不断与真空中残留气体分子碰动的过程中，会不断与真空中残留气体分子碰撞，失去定向运动的动能，而不能沉积于基片。撞，失去定向运动的动能，而不能沉积于基片。即：即：真空中残留气体分子越多真空中残留气体分子越多（真空度越低）（真空度越低）沉积于基片上的分子数越少。沉积于基片上的分子数越少。真空中加热物质的

4、方法真空中加热物质的方法:a.电阻加法：让电源通过蒸发源（用高熔点金电阻加法：让电源通过蒸发源（用高熔点金属制作）加热蒸镀材料，使之蒸发。属制作）加热蒸镀材料，使之蒸发。缺点：蒸发源材料与蒸镀材料易形成化合物或缺点：蒸发源材料与蒸镀材料易形成化合物或合金。合金。b.电子轰击法：将电子集中轰击蒸发材料的一电子轰击法：将电子集中轰击蒸发材料的一部分而进行加热。可以避免电阻加热法所存在部分而进行加热。可以避免电阻加热法所存在的缺点。的缺点。电阻加热法电阻加热法物理气相沉积物理气相沉积 Physical Vapor Deposition(PVD)Physical Vapor Deposition(PV

5、D)电阻式热蒸发电阻式热蒸发电子轰击法电子轰击法物理气相沉积 Physical Vapor Deposition(PVD)电子束蒸发蒸发材料是单质，可以具有相同的成分。蒸发材料是单质，可以具有相同的成分。合金、化合物的蒸镀方法合金、化合物的蒸镀方法当薄膜是单质时当薄膜是单质时当薄膜是合金当薄膜是合金或化合物时或化合物时 蒸发材料，经蒸镀后，未必与薄膜成分相同。蒸发材料，经蒸镀后，未必与薄膜成分相同。因此，制作预定组成的合金薄膜时，常利用因此，制作预定组成的合金薄膜时，常利用闪蒸蒸镀法闪蒸蒸镀法：使合金粉末的一个一个颗粒在一：使合金粉末的一个一个颗粒在一瞬间完全蒸发。瞬间完全蒸发。双蒸发源蒸镀法

6、双蒸发源蒸镀法：把两种元素分别装入各自的：把两种元素分别装入各自的蒸发源中，独立地控制蒸发，使薄膜的合金成蒸发源中，独立地控制蒸发，使薄膜的合金成分可控。分可控。（2）阴极溅射法（溅镀）阴极溅射法（溅镀）Sputtering DepositionLAD300-I 激光真空溅射薄膜沉积系统清华大学摩擦学国家重点实验室清华大学摩擦学国家重点实验室阴极溅射法是阴极溅射法是高能粒子（离子、中性原子）轰击靶高能粒子（离子、中性原子）轰击靶材，材，使靶材表面原子或原子团逸出，逸出的原子在使靶材表面原子或原子团逸出，逸出的原子在工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜。工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜。特点特点

7、：膜成分基本上与靶材相同，易获得复杂组成：膜成分基本上与靶材相同，易获得复杂组成的合金。薄膜与基体之间的结合力大。（原因：溅的合金。薄膜与基体之间的结合力大。（原因：溅射逸出的原子能量远大于蒸发原子的能量，射逸出的原子能量远大于蒸发原子的能量，与基体与基体的附着力大大优于蒸镀法的附着力大大优于蒸镀法）。）。二极直流溅射二极直流溅射 BipolarSputtering射频电溅镀射频电溅镀RFSputtering磁控溅镀磁控溅镀 MagnetronSputtering反应溅镀反应溅镀 Reactivesputtering磁控溅射靶材表面的磁场及电子运动轨迹磁控溅射靶材表面的磁场及电子运动轨迹物理气

8、相沉积磁控溅射应用物理气相沉积磁控溅射应用工模具工模具物理气相沉积磁控溅射具有隔热功能的汽车风挡玻璃具有隔热功能的汽车风挡玻璃物理气相沉积磁控溅射选择性吸收膜选择性吸收膜太阳能热利用太阳能热利用物理气相沉积磁控溅射大幅度提高刀具寿命大幅度提高刀具寿命物理气相沉积磁控溅射类金刚石薄膜耐磨件耐磨件扬声器扬声器离子镀法离子镀法的基本原理与真空的基本原理与真空沉积法相同。沉积法相同。是将蒸发了的金属原子是将蒸发了的金属原子在等在等离子体中离子化离子体中离子化后，在基体后，在基体材料上析出薄膜。材料上析出薄膜。（3）离子镀法）离子镀法Ion Plating等离子等离子体中的体中的离子、离子、电子；电子；

9、以及蒸以及蒸发金属发金属在电场在电场作用下作用下以离子以离子和原子和原子状态进状态进入真空入真空室。室。T T+T T+N N+N N+e-e-e-e-e-引弧电路引弧电路真空阴极电弧离子镀膜原理真空阴极电弧离子镀膜本实验所用设备为本实验所用设备为MIP-8-800MIP-8-800型多功能离子镀膜设备型多功能离子镀膜设备 用途：利用该设备可制备用途：利用该设备可制备各种金属膜、化合物膜、各种金属膜、化合物膜、多层膜和复合膜等多层膜和复合膜等用于多弧离用于多弧离子镀的电弧子镀的电弧靶和控制柜靶和控制柜用于射频溅用于射频溅射的射频功射的射频功率源和匹配率源和匹配箱箱离子镀实例离子镀实例离子镀 应

10、用各种装饰件各种装饰件离子镀 应用各各种种装装饰饰件件离子镀 应用各种装饰件各种装饰件离子镀 应用刀具刀具离子镀 应用各各种种刀刀具具离子镀 应用 我国制造业规模已达世界我国制造业规模已达世界第四位，但制造业大而不强。第四位，但制造业大而不强。使我国早日从制造大国变为制使我国早日从制造大国变为制造强国需要从多方面努力，其造强国需要从多方面努力，其中加工的高速化和精密化是重中加工的高速化和精密化是重要的方面，这对所需的工具材要的方面，这对所需的工具材料提出了更高要求。料提出了更高要求。为了满足这些要求，刀具为了满足这些要求，刀具材料获得了迅速发展：（材料获得了迅速发展：（1 1）超硬颗粒硬质合金

11、材料提高了超硬颗粒硬质合金材料提高了其硬度和耐磨性；（其硬度和耐磨性；（2 2）陶瓷）陶瓷和金属陶瓷刀具材料的发展明和金属陶瓷刀具材料的发展明显改善了其强度和韧性；显改善了其强度和韧性；（3 3）新型涂层材料及制备工）新型涂层材料及制备工艺使涂层的韧性和耐磨性得到艺使涂层的韧性和耐磨性得到显著提高，其中显著提高，其中纳米结构超硬纳米结构超硬薄膜引人关注薄膜引人关注。纳米级硬质复合多层膜 纳米多层（约200层）复合膜的超硬效应单层膜：TiN 21GPa，NbN 14GPa纳米多层膜：TiN/NbN 51GPa离子镀 应用纳米多层膜的纳米多层膜的超硬度和超模量效应超硬度和超模量效应与涂层的与涂层的

12、组成材料、组成材料、调制周期（调制周期（）、及层之间的界面）、及层之间的界面等有关等有关超硬薄膜的纳米多层化还超硬薄膜的纳米多层化还显著改善薄膜的韧性和抗裂纹显著改善薄膜的韧性和抗裂纹扩展能力扩展能力形成超硬度的条件：形成超硬度的条件：自发形成稳定、规则的纳自发形成稳定、规则的纳米结构米结构第二相的厚度为单层第二相的厚度为单层沉积气氛的氮势高沉积气氛的氮势高沉积温度高沉积温度高杂质含量足够低杂质含量足够低离子镀 应用纳米复合膜的主纳米复合膜的主要应用实例要应用实例纳米多层膜钻头纳米多层膜钻头 纳米复合膜钻头纳米复合膜钻头纳纳米米多多层层膜膜钻钻头头切切削削试试验验 应用范围：应用范围：可制备单

13、一氧化物、复杂氧化物、碳化可制备单一氧化物、复杂氧化物、碳化物、金属微粉。特别是：物、金属微粉。特别是：液相法，固相法难以直接液相法，固相法难以直接合成的非氧化物合成的非氧化物，如：合金、氮化物、碳化物的超，如：合金、氮化物、碳化物的超细粉。粒径细粉。粒径100nm以下以下即纳米粉。即纳米粉。特点：特点：可以通过输入惰性气体或改变其压力，而可以通过输入惰性气体或改变其压力，而控控制颗粒的大小，表面光洁，粒度均匀性制颗粒的大小，表面光洁，粒度均匀性。具体操作具体操作：真空容器中，加热蒸发原料，使其凝聚：真空容器中，加热蒸发原料，使其凝聚在基板或钟罩壁上。在基板或钟罩壁上。PVD法制备超细粉体材料

14、法制备超细粉体材料3.2.1.23.2.1.2化学气相沉积法化学气相沉积法CVDCVD CVDCVD是是Chemical Vapor DepositionChemical Vapor Deposition的简称的简称 ，是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等的热分解，氢还原或使它机金属、碳氢化合物等的热分解，氢还原或使它的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。氧化物、碳化物等无机材料的方法。应用：应用：最早（一八八最早（一八八年）用年）用CVD制备碳制备

15、碳、钨丝灯。钨丝灯。后用于后用于Ti、Zr等金属的提纯，提高金属线板材的耐热、等金属的提纯，提高金属线板材的耐热、耐磨性。耐磨性。特殊复合材料、刀具特殊复合材料、刀具、大规模集成电路、铁电材料、大规模集成电路、铁电材料、绝缘材料、磁性材料的薄膜制备技术。绝缘材料、磁性材料的薄膜制备技术。粉末、块状材料、纤维合成。粉末、块状材料、纤维合成。CVD原理原理以金属蒸气，挥发金属卤化物，氢化物，金属有以金属蒸气，挥发金属卤化物，氢化物，金属有机化合物等蒸气为原料，进行气相热解反应，或两机化合物等蒸气为原料，进行气相热解反应，或两种以上单质或化合物的反应，再凝聚生成各种形态种以上单质或化合物的反应，再凝

16、聚生成各种形态的材料。的材料。CVD的机理相对于的机理相对于PVD较复杂较复杂，涉及反应化学、势，涉及反应化学、势力学、动力学、转移机理、膜生长、和反应工程等力学、动力学、转移机理、膜生长、和反应工程等内容。内容。下面以下面以TiCl4+CH4+H2混合体析出混合体析出TiC过程为过程为例，进行介绍。由以下几个过程构成例，进行介绍。由以下几个过程构成：P105原料气体向基片原料气体向基片表面扩散表面扩散原料气体原料气体吸附吸附到基片上到基片上吸附在基片上的化学物质的吸附在基片上的化学物质的表面反应表面反应析出颗粒在析出颗粒在表面的扩散表面的扩散产物从产物从气相分离气相分离从产物析出区向从产物析

17、出区向块状固体扩散块状固体扩散从气相析出固相从气相析出固相的驱动：扩散层内存在的温差。不同的驱动：扩散层内存在的温差。不同化学物质的浓度差。化学物质的浓度差。化学气相沉积化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition(CVDChemical Vapor Deposition(CVD)热分解反应热分解反应 SiHSiH4 4 SiSi+2H+2H2 2(650)(650)还原反应还原反应 SiClSiCl4 4+2H+2H2 2 SiSi+4HCl(1200)+4HCl(1200)氧化反应氧化反应 SiHSiH4 4+O+O2 2 SiOSiO2 2+2H+2H2 2(450)

18、(450)形成化合物形成化合物 SiClSiCl4 4+CH+CH4 4 SiCSiC+4HCl(1400)+4HCl(1400)化学反应类型化学反应类型化学气相沉积化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition(CVDChemical Vapor Deposition(CVD)1.进气口进气口2.灯丝列灯丝列3.灯丝电源灯丝电源4.基体基体5.试样台试样台6.偏压电源偏压电源7.冷却水冷却水8.热电偶热电偶9.真空泵真空泵热丝化学气相沉积原理热丝化学气相沉积原理化学气相沉积化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition(CVD)Chemical Vapor

19、 Deposition(CVD)优异的性能优异的性能高硬度高硬度高弹性模量高弹性模量低摩擦系数低摩擦系数高热导高热导高绝缘高绝缘宽能隙和高的载流宽能隙和高的载流子迁移率子迁移率高的光学透过率高的光学透过率良好的化学稳定性良好的化学稳定性金刚石薄膜金刚石薄膜化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition(CVD)纳米金刚石薄膜纳米金刚石薄膜硬度和弹性模量硬度和弹性模量与天然金刚石单晶接近，且表面极其光与天然金刚石单晶接近，且表面极其光滑平整，光学透过率高，摩擦系数极低滑平整，光学透过率高，摩擦系数极低（大大低于普通的微米晶粒金刚石膜）（大大低于普通的微米晶粒金刚石膜）具有高的韧

20、性和场发射电压，具有高的韧性和场发射电压，预计在预计在工具涂层、光学涂层、微工具涂层、光学涂层、微机电系统、高性能大屏幕显示、机电系统、高性能大屏幕显示、半导体功率器件的金刚石封装半导体功率器件的金刚石封装等等一系列高技术应用领域会有十分一系列高技术应用领域会有十分光明的市场前景。光明的市场前景。化学气相沉积化学气相沉积 Chemical Vapor Deposition(CVD)Chemical Vapor Deposition(CVD)金刚石膜的主要应用实例刀具刀具CVD法的特点：1)可以在远比材料熔点低的温度下进行材料合成；可以在远比材料熔点低的温度下进行材料合成；2）对于由两个以上元素

21、构成的材料，可以调整这些材料的组分；）对于由两个以上元素构成的材料，可以调整这些材料的组分；3）可以得到特定的晶体结构，还可以使其沿特定的结晶方向排列；）可以得到特定的晶体结构，还可以使其沿特定的结晶方向排列；4）可以控制材料的形态（粉末状、纤维状、块状）；）可以控制材料的形态（粉末状、纤维状、块状）；5）不需要烧结助剂，得到高纯度高密度的材料；）不需要烧结助剂，得到高纯度高密度的材料；6）结构控制一般能从微米级的亚微米级，在某些条件下能达到）结构控制一般能从微米级的亚微米级，在某些条件下能达到0.1nm级的水平；级的水平；7）能够制成复杂形状的制品；）能够制成复杂形状的制品；8）能够对复杂形

22、状的底材进行涂覆；）能够对复杂形状的底材进行涂覆；9）能够容易地进行多层涂覆；）能够容易地进行多层涂覆；10)能够进行亚稳态物质和新材料的合成。能够进行亚稳态物质和新材料的合成。3.2.1.3气相聚合流化床流化床气相聚合是常见的气相聚合。具有下面两气相聚合是常见的气相聚合。具有下面两个特点：个特点：传热性好传热性好温度均匀温度均匀气相聚合省去了溶剂的精制与回收气相聚合省去了溶剂的精制与回收流化床气相聚合设备流化床气相聚合设备关键设备包括：关键设备包括：流化床器反应器流化床器反应器循环气体压缩机循环气体压缩机循环气体冷却器循环气体冷却器调温水换热器调温水换热器引发剂加料器引发剂加料器产品出料罐和

23、产品吹送罐。产品出料罐和产品吹送罐。流化床流化床是整个聚合过程的是整个聚合过程的核心设备核心设备流化床反应的基本原理流化床反应的基本原理:气体和固体之间的相互作用，即随着流体速度的变气体和固体之间的相互作用，即随着流体速度的变化（低化（低高）固体颗粒由相互支撑转变为气流悬高）固体颗粒由相互支撑转变为气流悬浮，反应器内的物料浮，反应器内的物料具有流体的特征具有流体的特征。流化床内的气固混合物分为两相：乳化相（高温相）流化床内的气固混合物分为两相：乳化相（高温相）和气泡相（低温相）。和气泡相（低温相）。反应在此发生。反应在此发生。3.2.2液相法 按材料制备时反应状态、反应温度按材料制备时反应状态

24、、反应温度不同可分为：熔融法，溶液法，界面法，不同可分为：熔融法，溶液法，界面法，液相沉积法，溶胶凝胶法，水热法，液相沉积法，溶胶凝胶法，水热法，喷雾法等。喷雾法等。液相法溶胶凝胶法界面法熔融法溶液法液相沉淀法喷雾法喷雾法水热法水热法加热温度高低加热温度高低 高温熔融法低温熔融法熔融法玻璃的熔制高炉的炼铁本体聚合熔融缩聚3.2.2.13.2.2.1熔融法熔融法A.高温熔融法(1)玻璃的熔制过程玻璃的熔制过程指利用熔室将玻璃配合料加热熔化，制成适合成型使指利用熔室将玻璃配合料加热熔化，制成适合成型使用的玻璃液的过程。用的玻璃液的过程。目的：是获得均匀，纯净，透明，无气泡并适合成型目的：是获得均匀

25、，纯净，透明，无气泡并适合成型的玻璃液。的玻璃液。它包括一系列它包括一系列物理变化物理变化：配合料的加热、：配合料的加热、吸附水分的吸附水分的蒸发排出蒸发排出、某些单独组分的熔融、某些单独组分的熔融、某些组分的多晶转某些组分的多晶转变变、个别组分的挥发等。、个别组分的挥发等。化学反应化学反应：固相反应、：固相反应、盐类的分解、盐类的分解、水合物的分解、水合物的分解、结合水的排出结合水的排出等。等。物理反应物理反应：低共熔物的生成：低共熔物的生成、组分之间的互溶。、组分之间的互溶。生产玻璃的主要原料：生产玻璃的主要原料：SiO2（砂岩）（砂岩）CaO（石灰石（石灰石方解石方解石白云石等）白云石等

26、）Na2O（纯碱（纯碱芒硝）。芒硝）。熔融过程可分为熔融过程可分为5个阶段个阶段 硅酸盐形成阶段（硅酸盐形成阶段（800-1000）各种原料在高温下相互反应，生成烧结状态的硅酸盐各种原料在高温下相互反应，生成烧结状态的硅酸盐及其熔融物，存在大量的石英砂粒，气泡和条纹。所及其熔融物，存在大量的石英砂粒，气泡和条纹。所发生的物理的、化学的、物理化学的变化是在固体状发生的物理的、化学的、物理化学的变化是在固体状态下进行的。态下进行的。玻璃形成阶段（玻璃形成阶段（1000-1250）低共熔混合物开始熔化，随间温度升高，硅酸盐和剩低共熔混合物开始熔化，随间温度升高，硅酸盐和剩余石英砂粒互溶，直到石英砂颗

27、粒完全熔化。形成不余石英砂粒互溶，直到石英砂颗粒完全熔化。形成不够均匀的透明玻璃液够均匀的透明玻璃液仍含有大量气泡，条纹。仍含有大量气泡，条纹。玻璃液澄清阶段（玻璃液澄清阶段（1400-1500）粘度进一步降低，大量气泡逸出（去除可见气泡）。粘度进一步降低，大量气泡逸出（去除可见气泡）。但还有条纹，液体温度也不均匀。但还有条纹，液体温度也不均匀。玻璃的均化阶段（长时间处于高温）玻璃的均化阶段（长时间处于高温）玻璃液长时间处于高温下，粘度最小。化学组成趋向玻璃液长时间处于高温下，粘度最小。化学组成趋向一致，条纹和热不均匀性消除。一致，条纹和热不均匀性消除。玻璃液冷却阶段（降低玻璃液冷却阶段（降低

28、200-300）达到成型所要求的粘度。达到成型所要求的粘度。（2）金属的冶炼过程本质：破坏金属与氧的结合。高炉是根据逆流反应器原理建造的竖式鼓风炉。运行过程(示意图）固体由上部下沉气体自下部向上运动下部导入热风，产生热量，供给CO熔化并分离矿料，反应温度达到所需底部铁的熔点由1530 降到1150 底部，排放铁水生铁上部，由渣口排放废矿渣（3）熔体生长单晶晶籽提拉法晶籽提拉法坩埚下降法坩埚下降法焰熔法焰熔法区域熔融法区域熔融法方法将欲生长晶体的原料熔化，将欲生长晶体的原料熔化，然后在一定条件下使之凝固，变成单晶然后在一定条件下使之凝固，变成单晶基基本本原原理理晶粒提拉法晶粒提拉法：其特点是：生

29、长速度快，单晶质量高。：其特点是：生长速度快，单晶质量高。例：例：Si单晶单晶GaAs单晶单晶坩埚下降法坩埚下降法：盛料容器缓慢经过陡变的温度场，使：盛料容器缓慢经过陡变的温度场，使熔体变为晶体。熔体变为晶体。焰熔法焰熔法：原料细粉进入燃烧室，被熔化，落在粒晶：原料细粉进入燃烧室，被熔化，落在粒晶上使晶体生长。设备简单，操作方便，但应力大。上使晶体生长。设备简单，操作方便，但应力大。区域熔融法区域熔融法：熔质（晶体成分）分凝，生长晶体。：熔质（晶体成分）分凝，生长晶体。本体聚合本体聚合本体聚合是不加入溶剂和其它介质的情况下，只有单体在本体聚合是不加入溶剂和其它介质的情况下，只有单体在引发剂，热

30、，光，辐射的作用下进行的聚合方法，纯单体引发剂，热，光，辐射的作用下进行的聚合方法，纯单体的聚合的聚合优点优点：无杂质，产品纯度高无杂质，产品纯度高，聚合设备简单。，聚合设备简单。尤其是制透尤其是制透明制品。如：聚乙烯，聚甲基丙烯甲酯（有机玻璃），聚明制品。如：聚乙烯，聚甲基丙烯甲酯（有机玻璃），聚氯乙烯。氯乙烯。缺点缺点：体系粘度大，聚合热不易扩散，：体系粘度大，聚合热不易扩散，反应难以控制反应难以控制，易，易局部过热，造成产品发黄。自动加速作用大，严重时可导局部过热，造成产品发黄。自动加速作用大，严重时可导致暴聚。致暴聚。B.本体聚合和熔融缩聚本体聚合和熔融缩聚 聚合体系中只加单体和少量的

31、催化聚合体系中只加单体和少量的催化剂，不加入任何溶剂，聚合过程中剂，不加入任何溶剂，聚合过程中原料单体和生成的聚合物均处于熔原料单体和生成的聚合物均处于熔融状态。融状态。熔融缩聚熔融缩聚主要用于平衡缩聚反应，主要用于平衡缩聚反应，如聚酯、聚酰胺等的生产。如聚酯、聚酰胺等的生产。特点特点：不用溶剂或介质，副反应很少：不用溶剂或介质，副反应很少;反应温反应温度较高。度较高。优点优点：高分子化合物的质量好：高分子化合物的质量好,设备简单，效设备简单，效率高，可连续生产。可生产：聚酰胺，聚酯，率高，可连续生产。可生产：聚酰胺，聚酯，聚碳酸酯等。聚碳酸酯等。缺点缺点：反应温度较高，不适合于合成熔点太高：

32、反应温度较高，不适合于合成熔点太高的单体，或热稳定性差的高聚物。的单体，或热稳定性差的高聚物。3.2.2.2溶液法优点优点：反应温度低，副反应少；反应温度低，副反应少；传热性好，反应可平稳进行；传热性好，反应可平稳进行；无需高真空，反应设备较简单；无需高真空，反应设备较简单；可合成热稳定性低的产品。可合成热稳定性低的产品。缺点缺点：反应影响因素增多，工艺复杂；反应影响因素增多，工艺复杂；若需除去溶剂时，后处理复杂：溶剂回收，聚合若需除去溶剂时，后处理复杂：溶剂回收，聚合物的析出，残留溶剂对产品性能的影响等。物的析出，残留溶剂对产品性能的影响等。A.溶液聚合：单体和引发剂与适当的溶剂中进行的聚合

33、溶液聚合：单体和引发剂与适当的溶剂中进行的聚合制备高分子化合物的溶液聚合、溶液缩聚是溶液法的典型例子。特点：特点：(1)散热容易，反应速度便于控制。散热容易，反应速度便于控制。(2)体系的粘度低，混合和传热容易，温度容易控制。体系的粘度低，混合和传热容易，温度容易控制。(3)引发剂分散均匀，引发效率高。引发剂分散均匀，引发效率高。缺点：缺点：(1)单体浓度低，反应慢，生产能力低。单体浓度低，反应慢，生产能力低。(2)聚合物的相对分子质量较低。聚合物的相对分子质量较低。(3)产物含有一定量的溶剂分子，除去较困难。产物含有一定量的溶剂分子，除去较困难。(4)溶剂回收费用较高。溶剂回收费用较高。这些

34、缺点限制了此法在工业上的应用。这些缺点限制了此法在工业上的应用。常用于：氯乙烯、常用于：氯乙烯、丙烯腈丙烯腈、丙烯酸酯、丙烯酸酯、丙烯酰胺的聚、丙烯酰胺的聚合反应，也用于生产各种粘合剂，涂料，合成纤维的合反应，也用于生产各种粘合剂，涂料，合成纤维的纺丝液。纺丝液。B.B.溶液缩聚溶液缩聚:在纯溶剂或混合溶剂中进行的缩聚反应。在纯溶剂或混合溶剂中进行的缩聚反应。所使用的溶剂一般有三种情况：所使用的溶剂一般有三种情况：原料和生产物都溶解于溶剂中原料和生产物都溶解于溶剂中原料溶解于反应介质中，产物不溶或部分溶于原料溶解于反应介质中，产物不溶或部分溶于介质介质原料部分溶解或完全不溶于反应介质，产物完原

35、料部分溶解或完全不溶于反应介质，产物完全可溶。全可溶。3.2.2.3界面法界面法是指在各种界面条件下发生反应来制备材料的方法：悬浮聚合乳液聚合界面缩聚悬浮聚合定义：定义：是指单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合。是指单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合。一个小液滴相当于本体聚合中的一个单元。悬浮聚一个小液滴相当于本体聚合中的一个单元。悬浮聚合体系由：单体合体系由：单体 、引发剂、引发剂 、水、水 、分散剂、分散剂 4 4个基个基本组分组成。本组分组成。注意：注意：水介质的存在，有利于聚合热的排出水介质的存在，有利于聚合热的排出;加分加分散剂是因为单体液滴转变为高分子化合物固体颗粒散剂是因为单体液滴

36、转变为高分子化合物固体颗粒中间经过高分子化合物单体粘性粒子阶段，防粘中间经过高分子化合物单体粘性粒子阶段，防粘结。结。悬浮聚合分散剂主要有两大类：悬浮聚合分散剂主要有两大类：(i)i)水溶性的高分子：如聚乙烯醇、明胶、水溶性的高分子：如聚乙烯醇、明胶、羟基纤维素等；羟基纤维素等；(ii)ii)难溶于水的无机物：如碳酸钙、滑难溶于水的无机物：如碳酸钙、滑石粉、硅藻土等。石粉、硅藻土等。水溶性高分子水溶性高分子难溶于水的无机物难溶于水的无机物定义：是指借助于机械搅拌和剧烈振荡，使单定义：是指借助于机械搅拌和剧烈振荡，使单体在水中由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合。体在水中由乳化剂分散成乳液状态进行的

37、聚合。其体系由：单体其体系由：单体 、引发剂、引发剂、水、水、乳化剂乳化剂4 4组组分组成。分组成。乳液聚合乳液聚合特点：特点：以水为介质，热量易排除，温度较低，易控制。以水为介质，热量易排除，温度较低，易控制。相对分子质量较溶液聚合高。相对分子质量较溶液聚合高。高分子化合物乳液的粘度低，可直接制作涂料、粘高分子化合物乳液的粘度低，可直接制作涂料、粘 合剂等。合剂等。缺点：缺点：若需要固体产物，则聚合后需后处理工序（凝聚、若需要固体产物，则聚合后需后处理工序（凝聚、洗涤、洗涤、干燥），生产成本较悬浮法高。干燥），生产成本较悬浮法高。产品中留有乳化剂。产品中留有乳化剂。应用：它是最重要的工业生产

38、方法之一。聚氯乙烯、应用：它是最重要的工业生产方法之一。聚氯乙烯、聚聚 苯乙烯等都是采用此法进行大规模生产的。苯乙烯等都是采用此法进行大规模生产的。乳液聚合乳液聚合界面缩聚界面缩聚 己二酰氯与己二己二酰氯与己二胺之界面缩聚胺之界面缩聚将两种单体分别溶解在两种互不相溶的溶剂（如水和烃类）中，当两种单体溶液倒在一起时，在两相的界面处即发生反应。拉出聚合物膜拉出聚合物膜己二胺己二胺-NaOH水溶液水溶液己二酰氯的己二酰氯的CHCl3溶液溶液界面聚合膜界面聚合膜牵引牵引 己二酰氯与己二酰氯与己二胺之界面己二胺之界面缩聚缩聚3.2.2.4液相沉淀法 液相沉淀法主要用于制备氧化物。液相沉淀法主要用于制备氧

39、化物。其过程如下：其过程如下：金属盐溶液添加沉淀剂金属盐溶液添加沉淀剂 不溶性盐或氢氧化物不溶性盐或氢氧化物 溶剂蒸发溶剂蒸发 加热分解加热分解 氧化物粉末。氧化物粉末。所得氧化物粉末的性质（如：颗粒的大小，晶型，所得氧化物粉末的性质（如：颗粒的大小，晶型，等）依赖于：加热温度的高低、加热时间的长短、等）依赖于：加热温度的高低、加热时间的长短、气氛。气氛。液相沉淀法主要包括：直接沉淀法直接沉淀法共沉淀法共沉淀法均匀沉淀法均匀沉淀法水解法水解法胶体化学法胶体化学法特殊沉淀法特殊沉淀法共沉淀法共沉淀法定义：含有多种可溶性阳离子的盐溶液，经沉淀反应定义：含有多种可溶性阳离子的盐溶液，经沉淀反应后，得

40、到成分均一的混合沉淀物。后，得到成分均一的混合沉淀物。可制备含有两种金属元素的复合氧化物超细粉末。可制备含有两种金属元素的复合氧化物超细粉末。例：例：BaClBaCl2 2 TiCl TiCl4 4 混合溶液混合溶液+草酸草酸 BaTi(C BaTi(C2 2O O4 4)4H)4H2 2O O 过虑沉淀加热分解过虑沉淀加热分解 BaTiOBaTiO3 3超细粉。超细粉。此法广泛用于合成：钙钛矿型（此法广泛用于合成：钙钛矿型（ABO3ABO3）、尖晶石型）、尖晶石型(AB2O4)(AB2O4)、镧锆钛酸铅、镧锆钛酸铅(PLZT)(PLZT)、敏感材料敏感材料 铁氧体铁氧体（铁磁性材料）、荧光材

41、料等。（铁磁性材料）、荧光材料等。均匀沉淀法均匀沉淀法 定义：定义：控制反应条件，从而控制反应速度，使沉淀反控制反应条件，从而控制反应速度，使沉淀反应缓慢而均匀的进行。得到颗粒均匀的超细颗粒。应缓慢而均匀的进行。得到颗粒均匀的超细颗粒。水解法水解法 定义：定义：利用一些金属盐溶液，在较高温度下，可以发利用一些金属盐溶液，在较高温度下，可以发生水解的反应，生成氢氧化物或水合氧化物沉淀，再生水解的反应，生成氢氧化物或水合氧化物沉淀，再加热分解得到氧化物粉末的方法。加热分解得到氧化物粉末的方法。3.2.3.53.2.3.5溶胶凝胶法溶胶凝胶法在材料的制备过程中，希望得到小尺寸、（如：在材料的制备过程

42、中，希望得到小尺寸、（如：纳米粉体）、形状、成分均匀一致的原始材料。纳米粉体）、形状、成分均匀一致的原始材料。这是溶胶凝胶法发明和应用动力。这是溶胶凝胶法发明和应用动力。其实质是：使用化学手段，在分子级水平上控其实质是：使用化学手段，在分子级水平上控制原材料的性质。制原材料的性质。区别于传统工艺中，既未进行几何控制，又未区别于传统工艺中，既未进行几何控制，又未进行化学控制的原材料。（如：矿物陶瓷原料）进行化学控制的原材料。（如：矿物陶瓷原料）目前主要采用有机金属化合物、高分子化合物、目前主要采用有机金属化合物、高分子化合物、醇盐等作为源物质的溶胶凝法。醇盐等作为源物质的溶胶凝法。其主要应用领域

43、是：其主要应用领域是：无机非金属材料领域（玻璃无机非金属材料领域（玻璃 陶瓷陶瓷 纤维纤维 薄膜）。薄膜）。其过程为：其过程为：溶液溶液 溶胶溶胶 凝胶凝胶 材料材料A.A.溶胶凝胶的基本原理溶胶凝胶的基本原理溶胶：溶胶：1-100nm1-100nm的固体颗粒在适当液体介质中的固体颗粒在适当液体介质中形成的分散体系，固体颗粒一般由形成的分散体系，固体颗粒一般由10103 3-10-109 9个原个原子组成子组成胶体。胶体。凝胶：当胶体受到温度变化、搅拌作用时，受凝胶：当胶体受到温度变化、搅拌作用时，受化学反应或电化学平衡作用影响而失去部分液化学反应或电化学平衡作用影响而失去部分液相，导致体系粘

44、度增大到一定程度时，形成的相，导致体系粘度增大到一定程度时，形成的具有一定强度的固体凝胶块。具有一定强度的固体凝胶块。溶胶凝胶法（Sol-Gel法）Sol-Gel纳米复合材料制备示意图B.B.溶胶凝胶法的特点：溶胶凝胶法的特点：优点：优点：可在较低温度下制成玻璃和各种其他无机材料。可在较低温度下制成玻璃和各种其他无机材料。a.a.凝胶（室温下制备）在玻璃化转变温度附凝胶（室温下制备）在玻璃化转变温度附近可转化为玻璃体。近可转化为玻璃体。b.b.而常规法，则在玻璃的溶化温度以上。而常规法，则在玻璃的溶化温度以上。这使得低熔点材料与玻璃形成复合材料成为可能。这使得低熔点材料与玻璃形成复合材料成为可

45、能。高均匀性：溶液中进行化学反应，原料可在分子级高均匀性：溶液中进行化学反应，原料可在分子级水平上均匀混合。水平上均匀混合。高纯度：醇盐原料易于提纯，且反应溶液与容器不高纯度：醇盐原料易于提纯，且反应溶液与容器不易发生反应（低温）保证了纯度高。易发生反应（低温）保证了纯度高。可制得用传统方法得不到的新型玻璃品种和具有特可制得用传统方法得不到的新型玻璃品种和具有特殊组成、结构、性能的材料。殊组成、结构、性能的材料。开辟了制备开辟了制备“无机有机聚合物无机有机聚合物”的非晶态材料的的非晶态材料的可能性。可能性。缺点：缺点：原料成本高原料成本高,不利于规模生产。不利于规模生产。收缩量大，不易制得大尺

46、寸产品。收缩量大，不易制得大尺寸产品。材料中残留气孔材料中残留气孔,羟基、碳含量较高。羟基、碳含量较高。制备过程时间长。制备过程时间长。有机溶液，对人体有害。有机溶液，对人体有害。3.2.2.6 水热法定义：指在水溶液中或大量水蒸气存在下，高定义：指在水溶液中或大量水蒸气存在下，高温高压或高温常压所进行的化学反应过程。温高压或高温常压所进行的化学反应过程。应用：制备无机材料超细粉及晶体材料。应用：制备无机材料超细粉及晶体材料。原理：水热条件下（高温高压）可以加速水溶原理：水热条件下（高温高压）可以加速水溶液中的离子反应和促进水解反应，有利于原子、液中的离子反应和促进水解反应，有利于原子、离子的

47、再分配和重结晶。离子的再分配和重结晶。其反应类型有：水热氧化、其反应类型有：水热氧化、水热还原水热还原 、水热、水热沉淀沉淀 、水热分解、水热分解、水热合成、水热合成、水热结晶等。水热结晶等。水热法水热法在水溶液中或大量水蒸气存在水溶液中或大量水蒸气存在下，以高温高压或高温常在下，以高温高压或高温常压所进行的化学反应过程。压所进行的化学反应过程。3.2.2.7 喷雾法（溶剂蒸发法）定义：将盐的水溶液雾化成小液滴，使其中的水分定义：将盐的水溶液雾化成小液滴，使其中的水分迅速蒸发，使盐形成均匀的球状颗粒。迅速蒸发，使盐形成均匀的球状颗粒。喷雾法分为：喷雾法分为：喷雾干燥法喷雾干燥法热气流干燥。热气

48、流干燥。喷雾热解法喷雾热解法金属盐溶液喷雾至高温气体中，使溶金属盐溶液喷雾至高温气体中，使溶剂蒸发和金属盐受热分解，获得金属氧化物粉末。剂蒸发和金属盐受热分解，获得金属氧化物粉末。冷冻干燥法冷冻干燥法金属盐溶液在较低温度下喷雾生成小金属盐溶液在较低温度下喷雾生成小液滴，小液滴在较短的时间内急速冷冻，接着在迅液滴，小液滴在较短的时间内急速冷冻，接着在迅速减压条件下加热，使水升华，生成小的盐粒。最速减压条件下加热，使水升华，生成小的盐粒。最后煅烧分解，得到氧化物或复合物超细粉。后煅烧分解，得到氧化物或复合物超细粉。喷雾法喷雾法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾热分解法喷雾热分解法喷雾干燥法喷雾干燥法优点：优

49、点：纯度高；纯度高；粒子小，粒度分布和组成均匀；粒子小，粒度分布和组成均匀；粒子为球状，流动性好，易于成型。粒子为球状，流动性好，易于成型。缺点：缺点：盐类分解会产生大量有害气体，污盐类分解会产生大量有害气体，污 染环境；染环境；生产过程较沉淀法等其他方法复杂。生产过程较沉淀法等其他方法复杂。3.2.2.8 溶液生长法主要用于人工合成晶体的制备。主要用于人工合成晶体的制备。基本原理：是将所需制备晶体的原料作为溶质形基本原理：是将所需制备晶体的原料作为溶质形成过饱和溶液，逐渐结晶，使晶体长大。成过饱和溶液，逐渐结晶，使晶体长大。可分为：可分为：低温溶液生长法、变温法（降温法、升温法）、流低温溶液

50、生长法、变温法（降温法、升温法）、流动法。动法。高温溶液生长法：使高熔点的结晶物质溶解于低熔高温溶液生长法：使高熔点的结晶物质溶解于低熔点的助熔剂中，形成饱和溶液，通过降温或蒸发点的助熔剂中，形成饱和溶液，通过降温或蒸发使欲生长的晶体自发结晶或在粒晶上生长。使欲生长的晶体自发结晶或在粒晶上生长。3.2.3固相法定义：以固态物为原料，通过固相反应和烧结定义：以固态物为原料，通过固相反应和烧结等过程制备材料的方法。例如：水泥熟料的煅等过程制备材料的方法。例如：水泥熟料的煅烧烧 陶瓷、耐火材料的陶瓷、耐火材料的高温烧结高温烧结,粉末冶金粉末冶金 ,人工晶体固相生长人工晶体固相生长 ,高温自蔓延合成高