材料专业综合设计实验 第二部分

第二部分：

材料专业综合设计实验

一、溶胶凝胶法制备陶瓷薄膜

这是材料系设置的基础实验课。材料专业实验要求针对材料领域的各种制备方法以及热处理方法进行自我设计，自我准备，完成工艺的全过程，并得到预期的实验结果，并结合理论知识，分析实验结果与制备工艺参数之间的关系。通过材料专业实验，让学生基本掌握常用的类制备方法或热处理工艺的原理和工艺过程，了解工艺过程对最终的结果的影响规律，进一步强化学生的理论知识，培养学生的实际动手操作能力，为其毕业设计做基础。

一、 实验目的

1．  了解溶胶-凝胶过程

2．  掌握用溶胶-凝胶法制备薄膜的制备工艺与原理

二、 实验要求

1、  学生应该在讲义的基础上，先查阅相关文献，了解溶胶凝胶法概念及在材料制备方面的基本应用，了解该方法制备材料特别是陶瓷薄膜的一般流程和制备过程中的一些关键问题，以及制备过程中可能的影响因素。

2、   学生可以制备讲义中给出的陶瓷薄膜ZnO，也可以自己决定制备的陶瓷薄膜材料（不过需要提前一周报知教师以方便准备实验药品），讲义中给出了ZnO陶瓷薄膜制备的一般流程和参考方案，学生可以自主调整参考方案中的各种参数如溶胶的浓度、粘度、匀胶机的转速、匀胶时间、热处理的温度及时间等，可以选择不同的基片、甚至选择用其他的涂膜方式如浸滞提拉法，最终目的是在基片上得到陶瓷薄膜样品。由于实验条件以及实验时间的限制，实验取消了最后一步热处理的过程，而且测试条件只是采用金相显微镜进行粗略的表面质量观测，另外，实验并不要求每个学生都能得到质量很好的样品，而是不同的同学选取不同的实验方案，相互之间要进行横向比较。

三、 实验所需仪器设备

     一台匀胶机及吸片用小型真空泵，一台可调温电炉，一台搅拌器，以及化学配备溶胶的一些玻璃器皿；

实验测试采用普通的金相显微镜进行粗略的表面质量观察。

四、 实验原理

近代科学和生产发展使薄膜科学与技术成为新材料和新器件研发的重要领域。

薄膜的研究首先是从研究如何制作薄膜这种特殊形态材料开始的。传统上采用得较多的方法是真空蒸发法、溅射法和气相生长法等，但它们都存在一定的局限性。如真空气相沉积设备中的真空腔大小限制着生产元件的尺寸，溅射法由于薄膜材料与基片之间可能发生反应而导致产品污染等，薄膜生产价格昂贵。而溶胶-凝胶法不需要特别昂贵的设备，具有工艺过程简单，薄膜组分化学计量比容易控制，容易形成大面积的均匀膜等优点。因此越来越得到人们的重视和应用.

1、溶胶凝胶法

溶胶-凝胶法是60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用此法来制备纳米颗粒。溶胶-凝胶法包括以下几个过程：（1）溶胶的制备；（2）溶胶-凝胶转化；（3）凝胶干燥。

2、溶胶-凝胶制膜法的研究

溶胶-凝胶制膜法主要有浸涂(dip-coating)和旋涂(spin-coating)及喷雾热解几种方式。

旋涂法

旋涂法靠离心力和蒸发来减薄沉积膜。过程分成沉积、加快旋转、旋离和蒸发四个阶段，但蒸发一般也和其他阶段同时进行。沉积阶段，多余的液体分布在表面；加快旋转阶段，液体在离心力作用下放射状流出；旋离阶段，多余的液体流到周边并以液滴形式脱离。随着膜变薄，流动阻力增大，同时非挥发组分浓度增大使粘度增大，因此移去多余液体的速率慢下来。最后阶段，蒸发取代离心力成为减薄的主要途径。

3、薄膜的溶胶-凝胶法制备关键问题

l 溶胶体系的选择

l 薄膜的晶体结构与基片的关系

l 薄膜的干燥与裂纹扩展

4、溶胶凝胶法制备陶瓷薄膜的一般工艺流程

1) 基片的清洗；

可选的基片有普通载玻片和普通Al₂O₃陶瓷基片。

基片的选择影响到溶胶体系的选择（润湿性、晶格匹配等）；

镀膜前基片需要清洗（清洗的作用是什么？）：参考清洗程序如下：

l 先用洗洁精擦洗干净后的基片在超声波清洗机中振动清洗十分钟左右， 然后用酸，碱溶液煮沸五分钟。(酸溶液配比：H₂O:H₂O₂:HCl=6:2:1，碱溶液的配比：H₂O:H₂O₂:氨水=5:2:1)。再用去离子水超声清洗和反复冲洗，最后放入烘箱中烘干。

2) 溶胶的配制；

溶胶体系的选择因素有哪些？

溶胶的形成通常可以通过金属醇盐的水解得到，或从前驱体溶液缩聚过程得到。对于后者，关键在于存在一种共同的溶剂能溶解所有的溶质原子，并通过合适选择胶体的稳定剂使得胶体能稳定在某一特定的状态。制备ZnO陶瓷薄膜用普通载玻片为基片的参考溶胶体系为：

原材料为分析纯的醋酸锌，溶剂为乙二醇甲醚、去离子水和乙醇胺。非适量的醋酸锌在乙二醇甲醚中加热溶解，然后加入乙醇胺，与醋酸锌比例为2:1，搅拌10min后再加入去离子水，加热到适当溶液浓度，过滤后倒入滴瓶。

3) 镀膜（旋涂或浸滞提拉或喷雾热解）；

单次镀膜厚度的影响因素有哪些？此步骤的可调节参数有哪些？

匀胶镀膜参考镀膜参数：

溶胶浓度：0.3mol/L，匀胶转速：3000rpm，匀胶时间：30s

4) 薄膜干燥

薄膜干燥的作用是什么？此步骤需要考虑的因素有哪些？

干燥温度可调，可以选择快速干燥或逐步升温的处理方式，对载玻片，建议温度不要超过200摄氏度。

5) 重复镀膜；

重复镀膜的目的是什么？

根据需要的薄膜厚度以及每次镀膜的厚度确定镀膜次数，由于不同镀膜条件下的单次镀膜厚度需要特殊仪器才能检测，因此实验中只要求镀膜一定的次数，可选5～10次。

6) 最终热处理；

热处理的作用是什么？

热处理温度和时间可根据文献选择。由于实验时间的关系，可能不一定能完成，因此不作要求。

7) 薄膜性质的检测（不包含在此次实验）；

溶胶凝胶制备薄膜是一个复杂的工程，制备状态对最终样品的性质具有非常大的影响，包括基片的清洁程度、镀膜时的温度、湿度、溶胶的浓度、匀胶的速度等等。因此需要摸索工艺使样品的性能达到最佳。可以通过对不同植被条件下制备的样品进行检测来获得最佳的制备工艺。

可以进行的检测：

1、 工艺本身

包括薄膜的厚度（除以镀膜次数推算出每次镀膜的厚度，可以用扫描电镜观察断面的方法测得—薄膜厚度在几百个纳米左右）、表面平整度以及颗粒大小（可以用原子力显微镜观察）、样品的成相情况（用XRD观察）

2、 材料性质

ZnO材料本身具有的性质，可以检测不同条件下制成的样品的伏安特性（ZnO为压敏材料）、可以检测介电特性、电阻率、光学性质（吸收光谱、发射光谱等等），以及在不同的环境下以上性质的变化（如加上一个磁场环境、变温条件等）

五、 实验注意事项

实验过程中用到了酸、碱溶液，用到了电炉，在实验过程中要注意安全。

六、 实验结果及数据处理

实验中要记录实验相关的参数，如溶胶体系的选择、镀膜参数等。得到的薄膜样品通过金相显微镜观察表面质量，将结果拍照留存，作为实验结果。对薄膜的表面质量进行评价，并给出改进薄膜质量的方法。

七、 实验报告要求

实验报告的格式采用学校的统一规定格式、内容包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据分析与讨论、结论等。

八、 思考题及讨论

1） 一个好的薄膜的评判标准是什么？如何采用匀胶镀膜法得到高质量的陶瓷薄膜？

2） 匀胶镀膜方法有什么不足之处？如何克服或减小其影响？

九、 参考资料

[1]  赵谢群，邱向东。氧化锌薄膜的研究与开发进展，半导体技术，1998，23（6）：8～12

[2]  潘建平，彭开萍，陈文哲。溶胶-凝胶法制备薄膜涂层的技术与应用，腐蚀与防护，2001，22（8）：339～342

[3]  徐莉，刘琴，祁欣，周志萍。溶胶 凝胶技术制备纳米材料的研究进展，南京林业大学学报(自然科学版)，2002，26（4）：81～84

二、采用化学镀或电镀技术制备功能镀层

一、实验目的

通过本实验使学生掌握利用电化学方法制备耐磨防腐功能镀层，了解电化学方法制备功能镀层的基本过程，电化学反应的基本原理，并对获得的功能镀层性质和结构进行初步研究。

二．实验要求

任课教师根据化学镀或电镀方法的沉积机理和工艺过程，给学生提供需要的仪器设备和基本工艺。学生按照任课教师的基本实验方案和要求，提出具体的实验过程和完整的实验计划，由任课教师确定后独立进行实验。

主要是掌握化学镀或电镀的基本原理，化学镀或电镀过程所需实验装备和条件，以及实验条件的变化对获得的合金镀层性质的影响。

力争获得表面光滑均匀的合金镀层，最好能对镀层性质进行初步分析和表征，探讨工艺条件变化对镀层性质的影响。

最终由学生提出实验方案或按既定方案进行

三．实验所需试剂和仪器

1 试剂

NiSO₄·6H₂O、次亚磷酸钠、乳酸、硫酸、盐酸以及无水乙醇和丙酮

2 仪器

水浴锅，烧杯，搅拌器，PH试纸或酸度计，温度计、电子天平、超声振荡仪和金相抛光机等

     

四、实验原理

化学镀是指不用电，而通过氧化还原反应，借助适当还原剂使金属离子在具有催化活性的镀件表面上形成合金沉积层的方法。化学镀液是由可溶性的金属盐和还原剂为主要成分，再加入一此辅助试剂，如配位剂或络合剂、镀层稳定剂、PH缓冲剂和光亮剂等组成的复杂混合液。与电镀相比,化学镀不需要外加电源,利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金属并沉积在基体表面上形成镀层,操作方便,工艺简单,镀层均匀、孔隙率小、外观良好,而且能在塑料、陶瓷等多种非金属基体上沉积。电镀方法是在外加电源的作用下使金属离子在阴极还原的技术。

由于化学镀镍层具有优秀的均匀性、硬度、耐磨和耐腐蚀等综合物理化学性能，该项技术已经得到广泛应用。目前，化学镀技术已在电子、计算机、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天和船舶等工业中得到广泛的应用。

化学镀Ni—P合金的机理是以H₂PO₂^-作还原剂，在酸性介质中发生下列反应：

    Ni²⁺＋H₂PO₂^-＋H₂O→H₂PO₃^-＋Ni＋2H+

这个反应过程包括以下有几个基本步骤：

·  反应物 (Ni²⁺、H₂PO^2-等) 向表面扩散；

·  反应物在催化表面上吸附；

·  在催化表面上发生化学反应；

·  产物(H⁺、H₂、H₂PO₃^-等)从表面层脱附；

·  产物扩散离开表面。

原子氢理论认为，由于Ni的沉积只能在具有催化活性的表面上实现，所以还原剂H₂PO₂^-必须在催化及加热条件下水解释放出原子H，或由H₂PO₂^-催化脱氢产生原子H，即

H₂PO₂^-＋H₂O→　 H₂PO₃^-＋2Had＋H⁺

H₂PO₂^-→PO^2-＋2Had

Ni²⁺的还原就是由活性金属表面上吸附的H原子（活泼的初生态原子H）提供电子实现的，Ni²⁺吸收电子后立即还原成金属沉积在工件表面。

Ni²⁺＋2Had→Ni＋2H⁺

原子H理论又进一步对P的沉积和H₂的析出做出解释，次磷酸根被原子H还原出P，即

H₂PO₂^-＋H→H₂O＋OH^-＋P

或发生自身氧化还原反应沉积出P，即

3H₂PO₂^-→H₂PO₃^-＋H₂O＋2OH^-＋2P

H₂的析出既可以由水解产生，也可以由初生态氢原子合成：

H₂PO₂^-＋H₂O→H₂PO₃^-＋H₂↑

2Had→ H₂

原子氢理论认为真正的还原物质是被吸附的原子态活性氢，并不是H₂PO₂^-与Ni²⁺直接作用，还原剂H₂PO₂^-是活性氢的来源。H₂PO₂^-不止放出活性氢原子，它还分解形成H₂PO₃^-、H₂、析出P，所以还原剂的利用率一般只有３０％～４０％，不可能达到１００％。原子Ｈ理论较好的解释了Ｎi－Ｐ的沉积过程，还不排斥反应过程的氧化还原特征。

电沉积过程主要包括以下几方面；首先是离子的迁移，包括电迁移，对流与扩散三种形式。其次是界面反应，包括表面转化步骤，电化学步骤与新相生成步骤，既迁移到电极/溶液界面双电层处的金属离子在还原反应前首先发生均相前反应，如简单离子水化程度的降低和重排，金属络离子配体的变换或配位数的降低；之后在阴极表面发生放电而还原成金属离子；再长入晶格发生电结晶。电沉积过程由上述传质，放电、结晶等步骤依次联合而成，稳态下整个过程进行的快慢，主要由其中进行得最慢的步骤控制。

化学反应式为：Mⁿ⁺  +  ne → M

基本实验方案如下：

1．  电镀过程                                                      

（1）   瓦特镍                      单位（g/l）         

      NiSO_4·6H₂O                       330      

      NiCl_2·6H₂O                       45

      HBO₃                                                       38          

      PH                              1.5～4.5     

      T,（℃）                        45～65      

D_K,A/dm²                                                2.5～10     

2. 化学镀过程                     单位 （g/L）

                 1              2             3              4

NiSO_4·6H₂O        21             25            30              21

NiCl_2·6H₂O

NaH₂PO₂HO         24             23            12              24

乙酸钠NaC₂H₃O₂        12              9             

乳酸C₃H₆O₃            30ml/L  

琥珀C₄H₆O₄

丙酸C₃H₆O₂            2.2ml/L          10

铅离子Pb²⁺      0.002g         0.01

PH               4.5             4.8        4.5~5.5            6

T,（℃）         93              85           88~98         90~100

五、实验结果及数据处理

对获得的镀层，可进行镀层厚度，显微厚度等性质的测量。时间允许时还可对其进行X射线-衍射，金相及差热分析等分析和表征.

六.思考题

1.不进行任何表面处理, 在塑料、陶瓷等材料表面上能否获得金属镀层?

2.化学沉积过程的机理是什么?

三：热处理控制碳钢的组织、性能及其表征

一、实验目的

1) 熟练掌握并灵活运用碳钢的热处理原理，通过不同的热处理方式来得到不同的组织和性能；

2) 掌握热处理炉的使用，熟悉各类热处理工艺的操作；

3) 掌握金相样品的制备方法与详细步骤；

4) 掌握碳钢金相样品的腐蚀方法；

5) 掌握利用金相显微镜观察和识别碳钢的典型组织，利用硬度计表征各类组织之间硬度的差异。

二、实验要求

1) 每个学生能独立查阅资料，小组讨论，确定实验计划，并将实验计划提前一天给任课老师审阅；

2) 实验计划中对每一个热处理工艺必须给出具体的工艺参数，如升温时间、保温时间、降温方式等等（样品尺寸由学生自己切割）。

3) 认真撰写实验报告，分析实验结果。

三、实验所需仪器设备

1) 箱式（管式）热处理炉；磨光机；抛光机；金相显微镜；硬度计；

2) 20^#、45^#、T8、T10、T13钢

四、实验内容

1) 热处理工艺设计部分：a）通过热处理工艺，分别得到亚共析钢、共析钢和过共析钢的平衡组织；b）通过不同的热处理工艺获得上述某一种碳钢的（三种或三种以上）非平衡组织；

2) 金相样品制备部分：对热处理过的样品进行磨光、抛光，得到符合标准的金相样品，为后续观察做准备；

3) 组织性能表征部分：通过适当的腐蚀处理，显示碳钢的组织形貌；分辨三种平衡组织的形貌特征；分析某一种碳钢的不同组织结构的特征，通过硬度计表征其硬度，并与相关文献值比较，分析其差异和原因。

五、实验安全及注意事项

1) 实验的三个部分相辅相成，所有样品贯穿实验的始终，所以样品不能遗失、不能混淆，必须妥善保管；

2) 热处理过程（特别是淬火的时候）设计高温，操作的时候必须带防护手套，严格按照步骤进行操作，以免发生危险；

3) 所有设备都涉及到电源，注意用电安全，使用完毕后必须切断电源；

4) 金相样品制备的时候，硬度差别很大的样品不能镶嵌在一起，也不能在同张砂纸上打磨；

5) 金相磨光机需要使用水，注意用水的安全，使用完毕后必须切断水源；

6) 金相腐蚀液具有强的腐蚀作用，注意不能泼撒到身体上，特别是眼睛上，使用腐蚀液时，必须带上防护手套；

7) 在使用仪器设备时，必须认真阅读相关仪器的安全使用规程，严格按照操作规程使用，否则造成的损坏将追究赔偿责任；

8) 镶嵌金相样品的时候，镶嵌粉必须捣实，以免造成样品边缘的孔洞；

9) 磨制金相样品的时候，必须磨平，不能出现两个或更多平面。

六、实验结果及数据处理

1) 对所制备的金相样品进行观察和组织识别，并分析这些显微组织与热处理工艺之间的关系，将典型的显微组织描绘出来；

2) 分析各个样品的硬度值，并与热处理工艺结合，分析硬度的分布规律。

七、实验报告要求

1) 详细介绍热处理工艺的设计思路和依据的原理；

2) 详细介绍热处理的具体工艺和操作过程；

3) 详细介绍金相试样制备的具体流程和注意事项；

4) 详细分析金相组织，并描绘出典型的组织特征；

5) 分析这些典型的组织与热处理工艺之间的关系；

6) 详细介绍硬度的测试步骤；

7) 分析样品的硬度值与热处理工艺之间的关系。

八、思考题及问题讨论

讨论完全退火、不完全退火、正火、淬火、低温回火、中温回火、高温回火等热处理工艺的主要作用和具体应用场合。

九、参考资料

1) 金属学与热处理，崔忠圻主编，机械工业出版社，北京

2) 钢铁热处理实用技术，许天己编著，化学化工出版社，北京

3) 金属热处理工，中国就业培训技术指导中心编，中国劳动社会保障出版社，北京

四：氧化铝、硅灰石、钛酸钙等陶瓷材料的制备

一、实验目的

1．  掌握特种陶瓷的制备工艺与原理。

2．  了解陶瓷烧结原理。

3．  了解陶瓷制备常用设备工作原理与操作方法。

二、实验要求

本实验旨在通过学生自行设计实验方案，制备陶瓷块体，培养学生查阅文献，获取知识，掌握陶瓷制备实验技能，分析解决问题，以及文字处理和表达能力，培养学生初步的科研意识和创新能力，提高学生的研发素养。实验要求内容如下：

每组学生可自主地选择以下实验任务中的任一种方案：

任务1：通过以二氧化硅和碳酸钙为原料，选定二氧化硅、氧化铝作为烧结助剂，设计一套能够在1320ºC时烧结出制备硅灰石陶瓷的实验方案，并测试相应块材的物理性能。

任务2：自行设计一套烧结助剂的选择方案，使氧化铝粉体能够在1480ºC时烧结出陶瓷块体，并测试相应陶瓷的物理性能。

任务3：选择高岭土、碳酸钙、碳酸镁作为烧结助剂，设计一套组分配比实验方案，要求能够在1480ºC时烧结出密度是3.45g/cm3以上的陶瓷块体，并测试相应块材的物理性能。

三、实验所需仪器设备

1. 化学原料

CaCO3           500g

Al2O3            1000g

SiO2            1000g

H3BO3            500g

高岭土          500g

钙盐CaCO3       500g

镁盐MgCO3       500g

TiO2             500g

2. 实验器具

（1）粘土或高铝瓷舟

（2）粘土或氧化铝坩埚20～50ml

3. 实验设备

压片机

星型球磨机

高温烧结炉（硅钼棒炉）

四、实验原理

陶瓷，一般是将原料粉末以适当方法成形，再进行烧结而制成的。要获得高性能的陶瓷，必须制备出理想的粉末原料，然后，将其制成具有最大体积密度的均质素坯，并进行合理烧结。以上是陶瓷制备的基本步骤，但哪一步控制不好都不能获得最佳结果。

4.1粉末制备方法

作为陶瓷粉末，必须具备：（1）粒子小，粒径分布范围窄；（2）粒子呈球状；（3）团聚粒子少，团聚强度低；（4）化学纯度和化学组成均匀性可以控制。目前，特种陶瓷粉体制备方法有：（1）粉碎法；（2）聚集法。粉碎法是由粗粒子制成细粉的方法，包括球磨、振动粉碎、气流粉碎等。其中的机械粉碎法被广泛使用，但要高效率制得1μm以下的微粒子却很困难，粉碎过程中还有可能混入杂质。聚集法是由离子、原子经形核和核长大两个阶段而制成粒子的方法，很容易制得1μm以下的微粒子。它适用于制造诸如电子材料和工程材料等特种陶瓷的原料粉末，能够制得化学纯度高、均匀性好的细粉，其应用范围不断在扩大。但工艺复杂，适用性受到限制。聚集法分为固相法、液相法和气相法。

4.2造粒

造粒是粉体获得后，压制成型素坯前的一道重要工序。陶瓷颗粒形状的好坏，直接影响着它的松装密度和流动性。流动性和松装密度的变化，直接影响着干压坯体密度，并最终对陶瓷烧成密度及收缩率产生影响。和其它陶瓷工艺一致，造粒是通过粉体与有机粘结剂、分散剂、消泡剂以及润滑剂等相混合，经过球磨混合后，通过造粒设备或过筛，制造球形或者类球形的假颗粒。

4.3素坯成型工艺

    由陶瓷颗粒进一步加工成素坯的工艺称为成型，是决定陶瓷制件形状和质量的重要环节。根据陶瓷产品的外形、尺寸、性能要求及陶瓷原料的化学成分、物理性质乃至生产批量的大小、经济效益等，可以选择不同的成型方法。特种陶瓷的成型方法与传统陶瓷相比更加丰富、广泛，而且具有不同的特点和原理。由成型工艺和原理的不同，大致可以分为模压成形、等静压成形、注浆成形、热等静压成形、塑性成形、带式成型等方法。

4.4陶瓷烧结技术

陶瓷的烧结，是指高温下，在陶瓷的粉末系统中，粒子相互接触或聚合，气孔被排除，使其成为致密、高强度的烧结体。烧结过程在粒子表面自由能、外部施加的压力和晶粒晶界的自由能等驱动力的推动下，通过物质的传递，使气孔逐渐得到填充，使坯体由疏松变得致密。陶瓷烧结过程中物质传递方式和机理，在固相烧结时，被认为主要是（1）蒸发和凝聚；（2）扩散；在液相烧结过程中，由于液相的存在，其传质过程可能还有（3）粘滞流动和塑性流动；（4）溶解和沉淀等两种方式。在实际的烧结过程中可能有几种传质机理在起作用，但在一定条件下，以某种机理占主导地位。烧结中的物质迁移导致素坯致密化和晶粒长大，理想的烧结工艺是使陶瓷微观结构晶粒细小而均匀，排除构成缺陷的气孔而接近于理论密度，没有残余应力。因此，要制备高性能的特种陶瓷，必须选择正确的烧结方法和合理的烧结工艺。对于特种陶瓷，根据方法和原理的不同，主要的烧结方法有：（1）常压烧结；（2）热压烧结；（3）反应烧结；（4）液相烧结等。

五、实验注意事项

1.称量前检查天平是否水平。

2.球磨机使用前，应固定球磨罐，并检查是否松动，开机时应先低速运行，通过听声音检查是否有松动情况，如没有则调节转速旋钮至实验要求转速。

3.造粒时，不要加入过多PVA溶液。

4.每次压片前要将模具阴模内表面和阳模外表面清洗干净。

5.高温炉开启严格按说明书进行。

6.取样时要用坩埚钳，避免烫伤。

六、实验结果及数据处理

1.查阅排水法测量密度的原理，并用该方法测量陶瓷块体的密度。

2.如未烧结出陶瓷块体，请分析其原因。

3.对比同组实验数据，给出相关曲线，描述曲线特征，分析其机制，并解释你自己实验结果与其他同学不同的原因。

七、实验报告要求

按照学校规定格式进行书写。

八、思考题及讨论

1.查找资料，阐述硅灰石、氧化铝、钛酸钙等陶瓷的结构、性能及应用背景。

2.分析组元对陶瓷烧结密度产生的影响。

3.分析烧结温度对陶瓷烧结密度的影响。

九、参考资料

1. 章秦娟.陶瓷工艺学.武汉：武汉工业大学出版社，2005

2. 史荫庭.电子陶瓷工艺基础.上海：上海科技出版社，1982

3. 华南工学院等.陶瓷工艺学. 北京：中国建筑工业出版社，1981

五：水热法制备碳颗粒

这是材料系设置的基础实验课。材料专业实验（2）要求针对材料领域的各种制备方法以及热处理方法进行自我设计，自我准备，完成工艺的全过程，并得到预期的实验结果，并结合理论知识，分析实验结果与制备工艺参数之间的关系。通过材料专业实验（2），让学生基本掌握常用的类制备方法或热处理工艺的原理和工艺过程，了解工艺过程对最终的结果的影响规律，进一步强化学生的理论知识，培养学生的实际动手操作能力，为其毕业设计做基础。

一、 实验目的

本实验让学生熟练掌握水热合成法这种新型的材料制备方法，熟悉该制备方法的基本流程，培养动手操作能力和自主设计实验的能力，为毕业论文设计作基础和必要的实验准备。

二、 实验要求

要求学每个学生能独立查阅文献资料，小组讨论，确定实验方案，并将实验方案提前一天给任课老师审阅；所有的实验必须在我们已有的设备条件和时间条件下完成；实验方案中对每一个工艺必须给出具体的工艺参数，如反应物浓度、合成温度、反应时间等。该实验更要求学生发挥自己的主观能动性，自主设计，自主完成实验全过程。实验完成后认真分析实验结果，撰写实验报告。

三、 实验所需仪器设备

本实验所需的主要仪器设备有：高压反应釜，离心机，烘箱等。

四、 实验原理

水热法是在特制的密闭反应容器（高压釜）里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解、反应并重结晶，从而得到理想的产物^[1]。

按研究对象和目的的不同，水热法可分为水热晶体生长、水热合成、水热反应、水热处理、水热烧结等。分别用来生长各种单晶，制备超细、无团聚或少团聚、结晶良好的陶瓷粉体^[2]，完成某些有机反应或对一些危害人类生存环境的有机废弃物质进行处理，以及在相对较低的温度下完成某些陶瓷材料的烧结等。按设备的差异，水热法又可分为“普通水热法”和“特殊水热法”。所谓“特殊水热法”指在水热条件反应体系上再添加其他作用力场，如直流电场、磁场（采用非铁电材料制作的高压釜）、微波场等。作为一种方法，水热法不仅在实验室里得到了应用和持续的研究，而且已实现了产业规模的人工水晶水热生长。特别是自1982年开始用水热反应制备超细微粉的水热法已引起国内外的重视。用水热法制备的超细粉末，最小粒径已经达到数纳米的水平，归纳起来可分成以下几种类型^[3]：

    ①水热氧化：典型反应可用下式表示：

    mM＋ nH₂O à M_mO_n + H₂       其中M可为铬、铁及合金等。

    ②水热沉淀：

    比如 KF + MnCl₂ à KM_nF₂

    ③水热合成：

    比如 TiCl₄＋ 4KOH à TiO₂ + 4KCl + H₂O

    ④水热还原：

比如 Me_xO_y + yH₂ à xMe + yH₂O         其中Me可为铜、银等。

⑤水热分解：

比如 ZrSiO₄＋ NaOH à ZrO₂ + Na₂SiO₃

⑥水热结晶：

比如Al(OH)₃ à Al₂O₃ + H₂O

水热法具有^[3]以下优点：a．可直接得到结晶良好的粉体，毋需作高温灼烧处理，避免了此过程中可能形成的粉体硬团聚；b．粉体晶粒物相和形貌与水热反应条件有关。例如，以ZrOCl₂加氨水制得的Zr(OH)₄胶体为前驱物，在酸性和强碱溶液中，水热反应制得的是单斜ZrO₂晶粒，而在中性介质里则可得四方／立方ZrO₂晶粒；c. 晶粒线度适度可调。水热法制备的粉体晶粒线度与反应条件（反应温度、时间、前驱物形式）有关；d．工艺较为简单。据报道，日本已用水热法工业规模生产纳米级微粒。

近年来，水热法技术有了新的改进和发展。如将微波技术引入水热系统，即所谓微波水热法，采用此技术可在很短时间内制得优质纳米粉体。又如利用超临界的水热合成装置，可连接地获得Fe₂O₃,TiO₂,ZrO₂,Cr₂O₃等一系列纳米氧化物陶瓷粉体。反应电极埋弧（RESA）是水热法制备纳米陶瓷粉体的最新技术之一。这种方法是将两块金属电极浸入到能与金属反应的电解质流体中。借助低电压、大电流，在电极间产生电火花提供局部区域内短暂的、极高的温度和压力，导致周围的电解质流体的蒸发，并沉积在周围的电解质溶液中。用此方法已制得了许多氧化物纳米粉体。此外，用有机溶剂代替水作为反应介质的溶剂热反应，在陶瓷纳米粉体制备中也表现出良好的前景。

水热反应机理研究是一个令人感兴趣的课题。根据经典的晶体生长理论，水热条件下晶体生长包括以下步骤：①营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液（溶解阶段）；②由于体系中存在十分有效的热对流以及溶解区和生长区之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被输运到生长区（输运阶段）③离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附；④吸附物质在界面上的运动；⑤结晶（③、④、⑤统称为结晶阶段）。

图1给出了水热法水晶生长速率与反应条件（温度、压力、生长区与溶解区之间的温度梯度）的关系，它代表了水热晶体生长动力学基本特性。从图可看到：填充度一定时，反应温度越高，晶体生长速率越大；在相同反应温度下，填充度越大，体系压力越高，晶体生长速率越大。图1(b)是温度梯度与反应速率的关系．在一定的反应温度（指溶解区温度）和填充度下，△T越大，反应速率越大。图1(c)则是填充度与反应速率的关系曲线．在一定的反应温度下，晶体生长速率与填充度成正比。

图1（a）水热法水晶生长速率对数与反应温度倒数的关系；（b）生长温度梯度ΔT与反应速率的关系；（c）填充度与反应速率的关系

五、 实验注意事项

1、 将实验反应物装入高压反应釜后一定要拧紧釜盖，防止实验过程中釜内压力过大冲开反应釜后高温液体溅出烫伤实验人员。

2、 使用烘箱加热反应时一定要控制好烘箱的温度，如果温度过高釜内压力太大，高压反应釜可能发生爆炸事件。

3、 使用离心机分离反应产物时需在对称位置上放置等重样品进行离心，单个样品离心时需在样品的对称位置放入离心杯，且杯中需装有与样品等重的水，再进行离心。

六、 实验结果及数据处理

如果条件允许，实验结束后对所得产品进行表征，如XRD，SEM，粒度测试等，分析不同实验条件下得到的产品在结构、形貌和粒径上有何差异。

七、 实验报告要求

实验报告的格式、内容等要求按照学校统一下发的“深圳大学实验报告”格式进行填写。

八、 思考题及讨论

1、  实验过程中离心的目的是什么？单个样品离心时如何操作？

2、  水热合成法制备的材料有哪些？请查阅文献，并至少列举出5种。

九、 参考资料

[1] 赵朝辉, 姚素薇, 张卫国. 磁性Fe₃O₄纳米颗粒. 化学通报, 2005, 68: 1-7.

[2] 邓宏, 姜斌, 曾娟, 李阳, 王恩信. 水热法在制备电子陶瓷粉体中的应用. 材料导报, 2001, 16 (7): 30-31,66

[3] 李垚, 赵九蓬, 韩杰才, 赫晓东, 杜善义. 铁氧体粉料制备工艺的新进展, 粉末冶金技术2000, 18(1): 51-55

六：热塑性塑料加工与力学性能综合实验

    塑料加工与力学性能综合实验是材料学院设置的基础实验课——专业实验（2）的内容之一，要求学生针对高分子材料的性能特征进行自我设计加工工艺和加工条件，完成工艺的全过程，并对产品的力学性能进行表征和分析。让学生掌握高分子材料加工原理及常用的高分子材料的加工设备的操作方法，培养学生实际动手能力。

一、实验目的

1. 掌握塑料增韧配方设计方法。

2.了解双螺杆挤出机基本构造、使用、注意事项和挤出共混的基本方法。

3.了解注塑机的基本构造和注塑成型的基本原理、操作方法及注意事项，并利用注塑机制备拉伸和冲击试样样条。

4. 掌握注塑成型工艺条件对注塑制品质量的影响，学会注塑工艺条件设定的基本方法。

5.了解拉伸和冲击样条的规格，以及试样规格对拉伸和冲击性能的影响

6.了解塑料韧性的简单判断方法。

7.解高分子材料的拉伸强度及断裂伸长率的意义及其测试方法，通过应力－应变曲线的测定，判断不同高分子材料的性能特征

8.掌握用悬臂冲击实验机测试高分子材料冲击性能的方法、操作及其实验结果处理；了解测试条件对测试结果的影响

二、实验要求

 1. 掌握挤出机和注塑机的基本构造和操作方法

 2. 掌握热塑性塑料挤出造粒的基本原理

 3. 了解注塑机注塑成型的基本原理

 4. 掌握高分子材料拉伸和冲击强度常用的测试方法

三、实验设备和原料

1 实验原料：  

主体树脂：HIPS，                         增韧剂：SBS、LDPE、POE、EVA；

抗氧化剂：1010，                         润滑剂：ZnSt，PE蜡

2 实验设备：

双螺杆挤出机及切粒机组                一台；

注塑机                                一台；

悬臂梁冲击试验机                      一台；

万能拉伸试验机及夹具                  一台

游标卡尺、直尺、千分尺、记号笔        各5套

天平（精确到0.1g,量程 5kg）           2台

四、实验原理

刚性聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、苯乙烯 - 丙烯腈共聚物（SAN）等非改性聚合物在环境温度下易于碎裂。聚酰胺、聚烯烃等其他非改性聚合物在在低温下易于碎裂。聚碳酸酯（PC）等聚合物缺口冲击耐性较差。抗冲改性剂对配混料的内在易脆性（或称零度以下易脆性）、缺口敏感性、豁裂蔓延性等具有改善作用。一般来说，其原理在于引进一种具有弹性或橡胶性质的组分，这一组分能吸收冲击能量或将冲击能量扩散。

对于特定用途来说，如果聚合物体系不能满足冲击性要求，则必须采用抗冲改性剂加以改善。目前，市场上有多种抗冲改性剂，可根据主体聚合物和特定用途予以选择。

冲击强度、拉伸强度是衡量高分子材料力学性能的两项重要性能指标，本实验采用几种不同的增韧剂对HIPS进行抗冲击改性，采用悬臂梁冲击试验机测试各种不同增韧剂对HIPS的增韧效果。并采用万能拉伸试验机测定改性后的HIPS的断裂伸长率和拉伸强度。

五、实验注意事项

1. 熔体挤出前，任何人不得在机头口模的正前方，挤出过程中，严防金属杂质、小工具等物落入进料口中。

2. 清理设备时，只能使用钢棒、铜制刀等工具，切忌损坏螺杆和口模等处的光洁表面。

3. 挤出过程中，要密切注意工艺条件的稳定，不得任意改动，如果发生不正常现象，应立即停车，进行检查处理再恢复实验。

六、实验结果及数据处理

1. 本实验分4组进行，每组4-6人，每组实验配方如下：

2. 拉伸实验记录与数据处理

试样名称：            拉伸速度：              温度:              湿度:

理论计算和表示

（1） 拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏离屈服应力σ_t按式（1）进行计算：

                          （1）

式中σ_t——抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏离屈服应力，MPa；

    p——最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏离屈服负荷，N；

    b——试样宽度,mm;

    d——试样厚度，mm

(2) 断裂伸长率ε_t按式（2）计算

                （2）

式中ε_t——断裂伸长率，％；

     G₀——试样原始标距，mm；

     G——试样断裂时标线间距，mm

 （3）标准偏差值S按式（3）的计算

                    （3）

式中S——标准偏差

    X_i——单个测定值

   ——一组测定值的算术平均值

   n——测定个数

（4） 计算结果以算术平均值表示，σ_t取三位有效数字，ε_t取两位有效数字，S取两位有效数字。

3. 冲击实验记录与数据处理

理论计算与表示

缺口试样悬臂梁冲击强度按式（5）进行计算：

       （5）

式中α_in——缺口试样悬臂梁冲击强度，kJ/m²;

    W——破坏试样所吸收的冲击能量，J;

h——试样厚度，m；

b——试样宽度，m。

仪表读数若为kg·cm,请按1kg·cm＝9.8J进行换算。

试验结果以冲击强度的算术平均值表示，破断试样不足3个时，以单个冲击强度表示。

七、实验报告要求

1.实验目的

2.实验原理

3.实验设备与实验原料（列出本实验所用主要设备的技术参数，操作工艺条件，实验原料）

4.实验步骤

5.实验数据处理与实验结果分析

6.解答思考题

八、思考题与讨论

1.影响挤出物均匀性的主要原因有哪些，怎样影响？如何控制？

2.实验是否成功？如果不成功，请分析实验不成功的主要原因？

3.冲击强度和拉伸强度有哪些影响因素？

4.如何利用材料拉伸试验的应力－应变曲线判断材料的类型？

九、 参考资料

1 刘建平 郑玉斌 主编  高分子科学与材料工程实验  北京 化学工业出版社 2005.4

2.吴智华 主编 高分子材料加工工程实验教程 化学工业出版社 2004.9

3. 刘振兴 冯开才 黄月娥等编著 高分子物理实验 中山大学出版社 1990.10

十、成绩考核办法

1. 预习(提问)                               15分

2. 认真观察，严格操作                       35分

3. 实验产品正常、基本合格                   10分

4. 实验报告(书写认真，分析问题正确)         40分