功能材料制備與性能實(shí)驗(yàn)教程

前言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)卓越工程師的迫切需要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新能力和綜合研究能力及科研素養(yǎng)有著不可替代的作用。材料類專業(yè)要求培養(yǎng)的學(xué)生既要有深厚扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識，又要具備多方面的實(shí)驗(yàn)研究能力，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)日益受到重視。近年來，新材料產(chǎn)業(yè)作為國家的新興的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)越來越受到重視，因而許多高校的材料類專業(yè)大都設(shè)置了和新材料產(chǎn)業(yè)相關(guān)的功能陶瓷材料及薄膜專業(yè)方向，也不同程度開設(shè)了相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。但總體上而言，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為分散且不夠系統(tǒng)，有關(guān)與課程相配套的材料制備與性能實(shí)驗(yàn)教程還不多見。為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與專業(yè)課程教學(xué)緊密聯(lián)系，同時(shí)又有相對的獨(dú)立性和針對性，并能滿足現(xiàn)代開放實(shí)驗(yàn)室對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，我們編寫了本書。本實(shí)驗(yàn)教程以功能陶瓷材料類專業(yè)典型的共性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，主要包括現(xiàn)代陶瓷工藝學(xué)、先進(jìn)功能無機(jī)材料、薄膜技術(shù)與材料、材料物理性能、光電材料、功能材料器件基礎(chǔ)、復(fù)合材料學(xué)、無機(jī)非金屬材料、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、傳感器與自動(dòng)控制等專業(yè)主干課程的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇上，盡可能安排以全面提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能為主的常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，并大體按照材料的制備工藝流程及性能表征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)排序，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容編排的系統(tǒng)性和科學(xué)性。此外，根據(jù)學(xué)科專業(yè)發(fā)展的需要，還特意編寫了相當(dāng)數(shù)量的主要以培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)、綜合實(shí)驗(yàn)研究能力、創(chuàng)新能力為目的的“三性”實(shí)驗(yàn)，即綜合性、設(shè)計(jì)性和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)教程有以下主要特點(diǎn)：一是根據(jù)材料學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，堅(jiān)持面向一級學(xué)科，拓寬專業(yè)面，加強(qiáng)常規(guī)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。因此，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)編寫的盡可能詳細(xì)，以便于學(xué)生獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)技能。二是注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系新結(jié)構(gòu)的探索。以全面提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能為主的常規(guī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，逐步提升實(shí)驗(yàn)層次和廣度，滿足學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣和規(guī)律，因此精心編寫了以提高學(xué)生的科研素養(yǎng)和綜合研究能力及創(chuàng)新能力為主的“三性”實(shí)驗(yàn)。三是本實(shí)驗(yàn)教程相當(dāng)部分是編者從近幾年來最新的科研成果轉(zhuǎn)化過來的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和表征手段新，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度和廣度適中，同時(shí)也吸取了國內(nèi)部分相關(guān)實(shí)驗(yàn)教材的精華，增強(qiáng)了該實(shí)驗(yàn)教程的適用性、針對性、科學(xué)性和系統(tǒng)性。本書所列實(shí)驗(yàn)共49個(gè)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書由實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)基本原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料、實(shí)驗(yàn)步驟與方法、數(shù)據(jù)記錄與處理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)組織和程序、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及參考文獻(xiàn)等組成。學(xué)生在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)條件，可以有選擇地完成部分內(nèi)容。建議采用如下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)可按照教學(xué)大綱要求選擇相關(guān)實(shí)驗(yàn)來做，其它實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生自學(xué)。2 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)應(yīng)放在材料的合成制備與性能表征方面?！叭浴睂?shí)驗(yàn)按組進(jìn)行，采用輪換或每人做一部分，然后集中討論分析結(jié)果的形式共同完成，以利于培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。3 實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開放制度，學(xué)生獨(dú)立自選實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容或自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)時(shí)間的矛盾。本書由桂林電子科技大學(xué)陳國華教授任主編，桂林電子科技大學(xué)袁昌來、朱歸勝和周昌榮博士任副主編。其中陳國華教授負(fù)責(zé)策劃和統(tǒng)稿，并負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)17，19～22，34，37，49；袁昌來負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)29～31，33，41，45，46；朱歸勝負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)6～10，39，47，48；周昌榮負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)1，3～4，11，13，18，35，44；許積文負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)12，16，23，36，40；楊華斌負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)2，5，14，15，43；張小文負(fù)責(zé)編寫26，28，42；江民紅負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)24，25，38；顏東亮負(fù)責(zé)編寫實(shí)驗(yàn)32和附錄。袁昌來博士對書中的圖表格式進(jìn)行校對，全書由中南大學(xué)盧安賢教授主審。本書在編寫過程中，主要參考了桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院所使用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書以及老師們的相關(guān)論文、部分兄弟院校的實(shí)驗(yàn)教材。桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的高原教授和徐華蕊研究員對本書編寫提出了寶貴意見。本書的出版得到了桂林電子科技大學(xué)教務(wù)處和材料科學(xué)與工程學(xué)院的大力支持，謹(jǐn)此一并表示感謝。由于編者水平有限，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。編者2012年6月于桂林電子科技大學(xué)花江校區(qū)

內(nèi)容概要

　　《高等學(xué)校教材：功能材料制備與性能實(shí)驗(yàn)教程》共分三部分，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)部分、綜合性實(shí)驗(yàn)部分和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)部分。全書共有49個(gè)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及功能陶瓷粉體材料的合成制備與表征、各種先進(jìn)介電、光電、磁電等功能陶瓷及薄膜材料的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)性能等的測試分析、材料的成型與燒結(jié)等內(nèi)容。每個(gè)實(shí)驗(yàn)既闡明了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、基本原理與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又較詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟與方法、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，同時(shí)提出了對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)后面都附有參考文獻(xiàn)，旨在為功能材料制備與性能表征的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供指導(dǎo)?！　　陡叩葘W(xué)校教材：功能材料制備與性能實(shí)驗(yàn)教程》可作為高等院校材料科學(xué)與工程、無機(jī)非金屬材料工程、材料物理、材料化學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等專業(yè)本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用書，也可供從事功能材料的科技人員和相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第一章基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)1燒結(jié)電阻爐及熱電偶的認(rèn)識和使用1 實(shí)驗(yàn)2配料與混合6 實(shí)驗(yàn)3功能陶瓷材料的成型10 實(shí)驗(yàn)4功能陶瓷的燒結(jié)14 實(shí)驗(yàn)5固相法合成陶瓷粉體17 實(shí)驗(yàn)6共沉淀法合成陶瓷粉體21 實(shí)驗(yàn)7溶膠—凝膠法合成粉體材料23 實(shí)驗(yàn)8水熱法合成粉體材料25 實(shí)驗(yàn)9粉體材料的比表面積測試28 實(shí)驗(yàn)10粉體材料的激光粒度分布測試31 實(shí)驗(yàn)11電子陶瓷元件表面銀電極的制作34 實(shí)驗(yàn)12磁控濺射法制備光電薄膜38 實(shí)驗(yàn)13固體電介質(zhì)材料介電常數(shù)與介電損耗測量42 實(shí)驗(yàn)14壓電陶瓷的極化47 實(shí)驗(yàn)15陶瓷材料壓電系數(shù)d33和機(jī)電耦合系數(shù)Kp的測量52 實(shí)驗(yàn)16鐵電材料的電滯回線測量57 實(shí)驗(yàn)17材料絕緣電阻的測量60 實(shí)驗(yàn)18介電材料的擊穿強(qiáng)度測量63 實(shí)驗(yàn)19微波陶瓷介電常數(shù)的測量66 實(shí)驗(yàn)20微波陶瓷品質(zhì)因數(shù)的測量69 實(shí)驗(yàn)21微波陶瓷諧振頻率溫度系數(shù)的測量72 實(shí)驗(yàn)22壓敏電阻材料三參數(shù)的測量74 實(shí)驗(yàn)23薄膜材料的方塊電阻測量78 實(shí)驗(yàn)24磁性材料磁滯回線的測量83 實(shí)驗(yàn)25磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)測量86 實(shí)驗(yàn)26材料發(fā)光亮度的測定89 實(shí)驗(yàn)27材料色度的測定93 實(shí)驗(yàn)28材料發(fā)光光譜的測量96 實(shí)驗(yàn)29電子器件耐老化性能測試99 實(shí)驗(yàn)30負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷的阻溫特性測量101 實(shí)驗(yàn)31正溫度系數(shù)熱敏陶瓷的阻溫特性測量104 實(shí)驗(yàn)32超級電容器用氧化錳電極的制備及其電化學(xué)性能測試108 實(shí)驗(yàn)33材料熱膨脹系數(shù)的測定110 實(shí)驗(yàn)34玻璃材料的制備113 第二章綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)121 實(shí)驗(yàn)35壓電陶瓷的制備和性能測試121 實(shí)驗(yàn)36鐵電材料的制備與性能表征123 實(shí)驗(yàn)37溫度穩(wěn)定型微波介電陶瓷復(fù)合材料的制備125 實(shí)驗(yàn)38磁致伸縮材料的制備與性能分析128 實(shí)驗(yàn)39透明導(dǎo)電納米粉體材料的制備與表征130 實(shí)驗(yàn)40透明導(dǎo)電薄膜的制備與表征133 實(shí)驗(yàn)41電子漿料與絲印厚膜電阻的制備技術(shù)135 實(shí)驗(yàn)42材料電光轉(zhuǎn)換效率及發(fā)光性能的綜合測試與評價(jià)139 第三章創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)142 實(shí)驗(yàn)43高溫?zé)o鉛壓電陶瓷的制備142 實(shí)驗(yàn)44鐵電陶瓷介電性能的溫度特性及分析145 實(shí)驗(yàn)45半導(dǎo)體敏感陶瓷的制備及其阻抗分析148 實(shí)驗(yàn)46多鐵性磁電耦合陶瓷的制備與性能表征152 實(shí)驗(yàn)47電調(diào)可變薄膜電容器制備及性能表征156 實(shí)驗(yàn)48白光LED發(fā)光材料的制備及性能表征160 實(shí)驗(yàn)49低溫共燒陶瓷用低熔點(diǎn)玻璃粉的制備及性能表征164 附錄167 附錄1熱電偶電動(dòng)勢分度表167 附錄2常用物理量及轉(zhuǎn)換170 附錄3篩子規(guī)格對照表171

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   上述高居里溫度陶瓷體系各有優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下問題。 （1）BNT是1960年由Smolenskii等人發(fā)現(xiàn)的一種由A位離子復(fù)合取代的鈣鈦礦型弛豫鐵電體。BNT具有較復(fù)雜的相變序列，在室溫下為三方鐵電相，230。C時(shí)經(jīng)歷彌散相變轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F電相，在320℃轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵?20℃以上為立方相。具有鐵電相強(qiáng)（室溫剩余極化Pr=38μC／cm2），壓電系數(shù)大，機(jī)電耦合系數(shù)大，介電常數(shù)小及聲學(xué)性能好等優(yōu)良特性，且燒結(jié)溫度低，燒成屬于中溫?zé)Y(jié)（約為1050～1100℃），比較容易獲得好的陶瓷燒結(jié)體，因而得到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是最具有吸引力的無鉛壓電陶瓷材料體系之一。然而該陶瓷在室溫下的矯頑電場較高，在鐵電相區(qū)的電導(dǎo)率較高，極化困難，壓電活性難以充分利用。此外，陶瓷燒成溫度范圍窄，工作溫區(qū)窄，且陶瓷中Na2O易吸水，致使BNT陶瓷的化學(xué)物理穩(wěn)定性和致密性差，其總體性能上不能與PZT陶瓷相媲美。 （2）鉍層狀陶瓷具有低介電常數(shù)，低介電損耗，高居里溫度（Tc>500℃），機(jī)電耦合系數(shù)各向異性明顯，低老化率，高電阻率，介電擊穿強(qiáng)度高，燒結(jié)溫度低，應(yīng)力性能穩(wěn)定等特征，適合于高溫高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。但這類材料存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是由于晶體結(jié)構(gòu)特性決定其自發(fā)極化轉(zhuǎn)向受二維控制，導(dǎo)致壓電活性低，壓電系數(shù)一般不超過20pc／N；二是矯頑電場強(qiáng)度太高，電導(dǎo)率較高，極化較困難。這些缺點(diǎn)限制了該陶瓷的應(yīng)用，目前主要通過工藝改性和摻雜改性來改善其壓電性能。 （3）堿金屬鈮酸鹽系壓電陶瓷是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，也是最有可能取代鉛基壓電陶瓷的材料體系之一，它具有密度小，介電常數(shù)低，壓電性能高，頻率常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。但堿金屬高溫下易揮發(fā)，采用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝獲得的陶瓷與傳統(tǒng)的PZT材料相比致密性差，溫度穩(wěn)定性低，而室溫?fù)p耗較高，矯頑場高，難以極化；而熱壓工藝生產(chǎn)成本較高，材料尺寸大小受到限制，實(shí)際應(yīng)用較為困難。就現(xiàn)階段研究而言，堿金屬鈮酸鹽系壓電陶瓷仍難以取代PZT陶瓷。 （4）鎢青銅化合物是僅次于（類）鈣鈦礦型化合物的第二大類壓電體，以晶體結(jié)構(gòu)類似于四角鎢青銅而得名。其結(jié)構(gòu)特征是存在[BO6]氧八面體，其中B為Nb5+、Ta5+等。這些氧八面體以頂角相連構(gòu)成骨架，從而堆積成鎢青銅結(jié)構(gòu)。

編輯推薦

《高等學(xué)校教材:功能材料制備與性能實(shí)驗(yàn)教程》可作為高等院校材料科學(xué)與工程、無機(jī)非金屬材料工程、材料物理、材料化學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等專業(yè)本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用書，也可供從事功能材料的科技人員和相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員參考。

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