材料合成与制备技术（朱继平 ）

《材料合成与制备技术》一书为高等学校“十三五”规划教材。书中从材料合成与制备的科学基础出发，对功能材料合成的主要技术、方法、应用及前沿领域进行了较为详尽的论述，介绍了材料合成与制备的基本知识。内容包括经典合成方法、软化学合成方法、特殊合成方法、薄膜材料与制备技术、晶体材料的制备、非晶态材料的制备、新能源材料的制备及应用等。书中添加了新能源材料的制备等内容，反映了当前功能材料合成的主要研究动态及技术水平。本书可作为高等院校材料科学与工程类专业本科生教材及研究生参考书，也可供从事相关学科领域研究的技术人员参考。

第1章经典合成方法1

1.1高温合成1

1.1.1高温的获得和测量1

1.1.2高温合成反应类型7

1.1.3高温固相反应8

1.1.4化学转移反应13

1.2低温合成和分离16

1.2.1低温的获得、测量和控制16

1.2.2低温分离20

1.2.3冷冻干燥法合成氧化物粉体24

1.3高压合成27

1.3.1高压高温的产生和测量28

1.3.2高压高温合成方法31

1.3.3高压在合成中的作用32

1.3.4高压下功能材料的合成33

1.3.5功能材料高压合成的研究方向及展望37

参考文献38

第2章软化学合成方法39

2.1概述39

2.1.1软化学合成方法的基本原理39

2.1.2软化学合成方法的分类39

2.1.3软化学合成体系及产物的表征技术39

2.2先驱物法41

2.2.1概述41

2.2.2先驱物法在无机合成中的应用41

2.2.3先驱物法的特点和局限性42

2.3溶胶-凝胶法43

2.3.1概述43

2.3.2溶胶-凝胶法的特点43

2.3.3溶胶-凝胶法过程中的反应机理43

2.3.4溶胶-凝胶法在无机合成中的应用44

2.4低热固相反应法45

2.4.1概述45

2.4.2低热固相反应机理45

2.4.3低热固相反应的规律45

2.4.4固相反应与液相反应的差别46

2.4.5低热固相反应的应用47

2.5水热与溶剂热合成法49

2.5.1水热与溶剂热合成基础49

2.5.2功能材料的水热与溶剂热合成49

2.5.3水热与溶剂热合成技术51

2.6化学气相沉积法53

2.6.1化学气相沉积的分类53

2.6.2化学气相沉积机理概述53

2.6.3化学气相沉积55

2.6.4影响化学气相沉积制备材料质量的因素56

2.6.5化学气相沉积制备材料的应用56

2.7插层反应与支撑和接枝工艺法56

2.7.1插层反应56

2.7.2支撑和接枝工艺57

参考文献59

第3章特殊合成方法61

3.1电解合成61

3.1.1电化学的一些基本概念61

3.1.2含高价态元素化合物的电氧化合成62

3.1.3含中间价态和特殊低价元素化合物的电还原合成62

3.1.4水溶液中的电沉积63

3.1.5熔盐电解64

3.1.6非水溶剂中功能化合物的电解合成66

3.2光化学合成66

3.2.1基本概念66

3.2.2实验方法68

3.2.3光化学合成法在材料合成中的应用70

3.3微波合成71

3.3.1概述71

3.3.2微波燃烧合成和微波烧结71

3.3.3微波水热合成72

3.3.4微波辐射法在材料合成中的应用73

3.4自蔓延高温合成74

3.4.1概述74

3.4.2自蔓延高温合成原理74

3.4.3自蔓延高温合成反应类型75

3.4.4自蔓延高温合成技术及其特点75

3.4.5自蔓延高温合成工艺与设备概况77

3.4.6自蔓延高温合成法在材料合成中的应用77

参考文献78

第4章薄膜材料与制备技术79

4.1薄膜及其特征79

4.1.1薄膜的定义79

4.1.2薄膜的特性80

4.1.3薄膜的结构与缺陷81

4.1.4薄膜和基片83

4.2薄膜的形成与生长84

4.2.1薄膜生长过程概述84

4.2.2薄膜的形核理论85

4.2.3薄膜的成核率及连续薄膜的形成86

4.2.4薄膜生长的晶带模型87

4.3薄膜的物理制备方法88

4.3.1真空蒸镀88

4.3.2溅射沉积93

4.3.3离子镀和离子束沉积99

4.4薄膜的化学制备方法101

4.4.1化学气相沉积101

4.4.2溶液镀膜法107

4.5薄膜的表征109

4.5.1薄膜厚度的测量109

4.5.2薄膜的其他表征方法113

4.6典型薄膜材料简介113

4.6.1金刚石薄膜材料114

4.6.2氧化锌薄膜材料116

4.6.3铜铟镓硒薄膜材料119

参考文献121

第5章晶体材料的制备123

5.1人工晶体概述123

5.1.1人工晶体的发展123

5.1.2人工晶体的分类及应用125

5.2晶体生长基础125

5.2.1晶体成核理论126

5.2.2晶体生长的界面过程130

5.3晶体生长的方法和技术131

5.3.1气相生长法131

5.3.2水溶液生长法136

5.3.3助熔剂法142

5.3.4熔体生长法147

参考文献158

第6章非晶态材料的制备160

6.1非晶态材料的结构160

6.1.1非晶态材料的结构特征160

6.1.2无机玻璃的结构161

6.1.3非晶态合金的结构163

6.1.4非晶态的X射线散射特征164

6.2非晶态合金的形成理论164

6.2.1熔液结构与玻璃形成能力164

6.2.2非晶态合金形成热力学167

6.2.3非晶态合金形成动力学167

6.3非晶态合金的形成规律168

6.3.1形成非晶态合金的合金化原则168

6.3.2合金的玻璃形成能力判据170

6.3.3影响玻璃形成能力的因素172

6.4非晶态材料的制备技术173

6.4.1非晶粉末的制备173

6.4.2非晶薄膜的制备177

6.4.3薄带非晶态合金的制备179

6.4.4大块非晶态合金的制备179

6.5非晶态合金的性能及应用182

6.5.1非晶态合金的性能182

6.5.2非晶态合金的应用186

参考文献189

第7章新能源材料的制备及应用190

7.1概述190

7.1.1锂离子电池材料190

7.1.2太阳能电池材料191

7.1.3燃料电池材料191

7.1.4超级电容器材料192

7.2锂离子电池材料192

7.2.1概述192

7.2.2负极材料194

7.2.3正极材料197

7.2.4电解质材料200

7.2.5锂离子电池的应用202

7.3太阳能电池材料203

7.3.1概述203

7.3.2晶体硅太阳能电池材料204

7.3.3非晶硅太阳能电池材料208

7.3.4太阳能电池的应用与展望212

7.4燃料电池材料213

7.4.1概述213

7.4.2质子交换膜燃料电池材料214

7.4.3固体氧化物燃料电池材料218

7.4.4熔融碳酸盐燃料电池材料222

7.4.5燃料电池的应用225

7.5超级电容器材料226

7.5.1概述226

7.5.2超级电容器的工作原理227

7.5.3超级电容器制备的工艺流程228

7.5.4超级电容器的分类228

7.5.5超级电容器的应用228

参考文献229

 

回顾已经过去的20世纪,可以发现新材料从来没有像今天这样广泛而深刻地影响着我们的社会、生活、观念, 而且这种影响仍在继续深化。材料合成与制备主要从材料科学的角度看问题,把材料研究中有关合成与制备的内容集中起来加以分析、综合以及提升，是研究功能材料制备、组成、结构、性质和应用的科学。

本书分为经典合成方法、软化学合成方法、特殊合成方法、薄膜材料与制备技术、晶体材料的制备、非晶态材料的制备、新能源材料的制备及应用7章。其中，第1章内容包括材料的高温合成、低温合成和分离、高压合成；第2章内容包括先驱物法、溶胶-凝胶法、低热固相反应法、水热与溶剂热合成法、化学气相沉积法、插层反应与支撑和接枝工艺法；第3章内容包括电解合成、光化学合成、微波合成、自蔓延高温合成；第4章内容包括薄膜的形成与生长、薄膜的物理制备方法、薄膜的化学制备方法、薄膜的表征、典型薄膜材料简介；第5章内容包括晶体生长基础、晶体生长的方法和技术；第6章内容包括非晶态材料的结构、非晶态合金的形成理论、非晶态合金的形成规律、非晶态材料的制备技术、非晶态合金的性能及应用；第7章内容包括锂离子电池材料、太阳能电池材料、燃料电池材料、超极电容器材料。

本书特点如下。

① 选择组织内容的时候,尽量反映前沿领域的新知识、新成果、新应用。

② 在呈现内容的时候,关注科学思路以及方法的介绍,注意兼顾科学性和可读性。

③ 综合考虑了无机材料的制备、结构、性质和应用的关系。体现了实用为主、够用为度的原则，特别适合材料科学与工程专业少学时教学的特点。

本书第1章、第5章、第6章由安徽工业大学李家茂编写，第2章、第7章由合肥工业大学朱继平编写，第3章由安徽理工大学王庆平编写，第4章由合肥工业大学罗派峰编写。

限于作者时间和视野所限，本书难免存在一些不妥之处，诚恳地希望读者予以指正。

编者

2018年3月