2024年4月23日发(作者：)
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2014---2015学年 第1学期
课程名称
授课班级
煤炭
121
精细化工概论
煤炭
121
第 2 周
星期二
第5、6节
9月30日
第 周
星期
第 节
月 日
任课教师
第 周
星期
第 节
月 日
王开明
第 周
星期
第 节
月 日
第 2 周
星期一
第 周
星期
第 节
月 日
授课时间
第2节
9月29日
授课课题
第二章 无机精细化学品
第2节 单晶化 第3节 非晶化
教学目的
1. 了解单晶和非晶固体的种类和特点；
2．掌握单晶化、非晶化的工艺流程；
3．熟悉几种单晶化、非晶化的应用举例。
教学重点 单晶和非晶固体的分类，单晶化、非晶化工艺种类。
教学难点 单晶化、非晶化工艺流程
教学用具
备注
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教学过程
引入新课
第2节
单晶化
一、从
Al
2
O
3
到蓝
宝石
1.蓝宝石
特性及应
用
2.蓝宝石
的制备
教 学 内 容
大多数无机物都是以固态形式存在或使用的。固体的状态有单
晶、多晶态和非晶态三种形式，另外也有它们组合而成的复合态。单
晶态是整个固体中原子的排列都是有规则有序的结构。非晶态只是短
程有序，而无长程有序周期性的结构。多晶态是许多微小单晶的聚合
体，既由许多趋向不同的晶粒组成。一般固体都以多晶态形式存在。
如果能够通过某种办法，将通常情况下的多晶态物质制成具有一定使
用尺寸的单晶体或非晶体，那么就可以赋予原物质以新的特性和功
能，使其具有更大的使用价值，变成新型功能材料。本节课我们就来
认识一下单晶体和非晶体的物质。
钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿和猫眼石称为世界五大宝石，第2
节，我们将要认识一下其中的两种红宝石和蓝宝石。
教学方法
讲授
最近科技界比较活跃的当属手机界了，特别是iphone6。Iphone6
发布之前，人们对它进行了无限遐想，让人感觉比较靠谱的是苹果将
在iPhone6手机上搭载蓝宝石玻璃作为抗刮保护，并已开始试验生产，
但是事与愿违。分析师说，蓝宝石屏幕比普通玻璃屏幕更厚更重，成
本比普通玻璃屏幕高10倍，透光性比普通玻璃屏幕差耗能高等因素
让很多手机放弃了它。应用于手机，它只是暂时落后，但是在其他方
面它得到了人们的青睐。
纯的氧化铝单晶体就是通常所说的蓝宝石，其实他并不是蓝颜色
的宝石，而是无色透明的，所以也有叫白宝石的。真正的蓝宝石是掺
钛的。早期蓝宝石都是天然的，数量少，只用来作装饰品。蓝宝石象
征忠诚、坚贞、慈爱和诚实。星光蓝宝石又被称为“命运之石”，能
保佑佩戴者平安，并让人交好运，是9月和秋季的生辰石。
随着科技的发展，蓝宝石逐渐变为了不可缺少的重要材料。蓝宝
石绝缘性好，介电损耗小，耐高温，耐酸、碱腐蚀，导热性好，机械
强度也足够高，可以加工成平整的表面，所以蓝宝石成为一种很好的
集成电路衬底材料。①用它制成的半导体器件，具有高速、低功耗特
点，以用于微型电子计算机中；②用它制成的厚膜集成电路可用于电
子手表，用它做成的薄膜电路可用于微波放大器、振荡器等；③利用
它介电损耗小的特性，可制成微波用微调电容器和微波波导；④利用
它良好的光学特性，可制成光学传导器及其他光通讯器件；⑤利用它
的声学特性，可制成超高频滤波器、延迟线等声表面波器件；⑥利用
它既耐碱金属腐蚀，又透明的特性，可制成钾、钕等特殊光源的灯管；
⑦利用它强度高、不易破碎、可作坦克车上的防弹窗口材料等。
生长蓝宝石单晶体的方法很多，可用焰熔法、引上法(又叫提拉
法)等方法来制取。但为了适应蓝宝石晶片的形态，可采用导模法的
生长技术，直接制得片状蓝宝石晶体。这样可以避免单晶体材料在切
割、研磨等过程中的大量浪费。用导模法生长片状蓝宝石单晶，是将
氧化铝原料放在钼坩埚内，置电炉中加热。为了防止钼在高温下的氧
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教学过程
二、红宝石
与第一台
激光器
1.红宝石
特性及应
用
2.红宝石
的制备
三、新的单
晶体
教 学 内 容 教学方法
化，炉中通入保护性气体(如氩气)等。生长过程为：把原料熔融，在讲授
熔体中插入一个中间开有槽的导模，通过它就可以拉出片状单晶体。
改变槽的尺寸，就可以得到不同规格的片状单晶体。如果采用圆筒状
导模，就可得到管状蓝宝石单晶体，用来制造钾、钕等特殊光源的灯
管。应用这种方法还可以生长出太阳能电池用的片状硅单晶体，以及
制造大有用处的声表面波器件、延迟线、滤波器等片状铌酸锂单晶体
等。用于坦克防弹窗口的蓝宝石单晶体，由于尺寸大而厚，导模法不
适用，而是采用一种更新的梯度法生长单晶体技术。即把装有氧化铝
原料的钼坩埚放在钨热交换器上，在热交换器里通入氦气，坩埚底正
中央放着一块蓝宝石籽晶，坩埚和热交换器都放在真空石墨加热炉
中。当原料熔化后，通过缓慢降低炉温和控制氦气的流量，就能在籽
晶上长成大块的蓝宝石单晶体（直径30cm，厚度12cm）。
红宝石是掺铬的氧化铝单晶体。由于铬离子部分取代了氧化铝晶
格中的铝离子，而使晶体带红色，所以相对于蓝宝石人们把它叫做红
宝石。随着掺铬离子量的增加，红色由浅变深。红宝石的英文名为
Ruby，在圣经中红宝石是所有宝石中最珍贵的。红宝石炙热的红色使
人们总把它和热情、爱情联系在一起，被誉为“爱情之石”，象征着
热情似火，爱情的美好、永恒与坚贞。红宝石是七月的生辰石。
由于红宝石的耐磨性好、硬度高，除作为装饰物外，还被用来制
作手表、仪器的微型轴承。1960年，世界上第一台固体激光器就是采
用红宝石晶体作为工作物质的。现在激光的应用和研究仍然离不开红
宝石。用铬离子含量为0.05%~0.1%的红宝石制造的激光器可以发出
694.3nm波长的红色激光。
红宝石单晶体采用焰熔法或引上法进行生长。由于前法所用设备
简单，晶体生长速度快，所以是目前生长高熔点单晶体常用的方法。
大体过程是：料斗中装着高纯度氧化铝细粉（铬已均匀掺入），小锤
周期性地敲打料斗，使粉料下落，进入氢氧混合燃烧的高温区（2000℃
以上），此时粉料融化成小液滴，掉落在支座上，支座缓慢向下移动，
随着时间的推移，单晶体就逐渐生长起来。
掺钕的钇铝石榴石单晶体是目前认为最好的激光工作物，分子式
Nd
3+
：Y
3
Al
5
O
12
。它发出的激光在性能上迄今还没有一种晶体能全面
胜过它，发出红外激光的最强波长为1.06μm。利用引上法生长，用
钼片或铱金做成的坩埚中装入高纯原料，用电阻加热的方式使原料融
化，然后把籽晶浸入熔体中，再缓慢地把籽晶向上提，从籽晶开始单
晶体就会逐渐长大。为了得到良好的单晶体，需要有一个始终保持稳
定的合适的炉温场分布、合适的籽晶提拉速度和旋转速度等条件。
还有磷酸钕锂（LiNdP
4
O
12
）是一种浅紫色透明单晶体，作为光
纤通讯用的微型激光器光源，颜色纯、光束聚集程度好。
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教学
过程
教 学 内 容
教
学
方
法
第3大家都知道的非晶态材料仅有窗玻璃，它的主要成分是非晶态二氧化硅。非晶态材料是讲
节 由晶态材料变来的。它们相比有两个最基本的特点：一是非晶态材料中原子排列不具有周期授
单晶性；二是非晶态材料属于热力学的亚稳态。在晶态中，原子的排列是规则的、有序的，共有
体 32种基本排列方式，从一个原子位置出发，在各个方向每隔一定的距离，一定能找到另一
个相同的原子；而在非晶态中，原子排列混乱，千变万化、无章可循。无定型材料、无序材
料、玻璃态材料是它的别名。
非晶态合金是在研究合金快速淬火处理过程中意外发现的。这一发现从根本上解决了晶
态和非晶态之间的转换难题。非晶态金属又称玻璃金属，分为金属-半金属合金系、金属-金
属合金系。
一、
非晶
态合
金
元素
周期
表
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教学过程
1.特性
及应用
教 学 内 容
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教学方法
讲授 ①非晶态合金具有高强度、高韧性
一些非晶态合金的强度非常高，抗拉强度可达相应晶态合金的
5～6倍，这使高强度钢望尘莫及。但由于目前仅能制得条带形或薄
片形的非晶态合金，所以尚且还只能用于制作轮胎、传送带、水泥制
品及高压管道的增强材料，以及制作各种切削刀具和保安刀片等。随
着科学技术的发展，非晶态合金只要能制得型材，依其优异的机械性
能，它不仅可以充分发挥高强度和高韧性的作用，而且可望大大降低
成本，由液体金属一次直接成型，省去了铸、锻、轧、拉等工序，且
边角料也可全部回收，在能源和材料上都有很大的节省。
②非晶态合金对酸、碱、盐具有高的耐腐蚀性
非晶态合金的显微组织均匀，没有位错、层错、晶界等缺陷，使
腐蚀液“无隙可钻”，同时非晶态合金自身的活性很高，能够在表面上
迅速地形成均匀的钝化膜，或者一旦钝化膜局部破裂，也能立即自动
修复。这使它的耐蚀性全面胜过不锈钢。利用非晶态合金几乎完全不
受腐蚀的特性，可以制造耐腐蚀的管道和设备，电池的电极，以及用
作海底电缆的屏蔽等。
③非晶态合金具有磁导率和磁感应强度高、矫顽力和损耗低的特性
目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基、铁-镍基和钴基三
大类。铁基和铁-镍基软磁合金的饱和磁感强度高，可代替配电变压
器和电机中的硅钢片，使变压器本身的电耗降低一半；使电机的铁损
降低75％，节能意义极大。钴基非晶态合金不仅初始导磁率高、电
阻率高，而且磁致伸缩接近于零，是制作磁头的理想材料。特别难得
的是非晶态合金的硬度高，耐磨性也比坡莫合金好，因而使用寿命长。
另外，非晶态合金的饱和磁感比铁氧体高，用作磁头可以明显改善高
频响应和清晰度。
④非晶态合金可用作催化剂
对于金属催化剂，一般认为其活性的大小与晶体结构及位错等缺
陷的密度有关。非晶态合金是从高温熔融状态急速冷却制得的，它一
方面在表面上保持了液态时原子的混乱排列，有利于对反应物的吸
附，另一方面表面保持均匀的液态结构，不会出现偏析、相分凝等不
利于催化的现象。这已在CO氢化反应催化和电解催化等过程中得到
证实，非晶态合金比对应的晶态合金的活性高出几十倍，甚至几百倍。
但是，也存在一些问题，如许多化学反应是放热反应，温度升高会使
非晶态转变为晶态，使催化活性下降；还有，目前的非晶态合金大多
数为薄带状，若能生产出粉末状用作催化剂才是理想的。
⑤非晶态合金具有超导电特性
非晶态合金可以用作不脆的超导材料：其热膨胀系数小，适合于
制作精密零件等。
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教学过程
2.制备
3.缺陷
二、非晶态
半导体
1.非晶硅
2.硫属
半导体
三、非晶态
碳酸钙
小结
教 学 内 容
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教学方法
讲授 非晶态合金的制备，最重要的条件是要有足够快的冷却速度，并
冷却到材料的再结晶温度以下。但在一定的快速冷却条件下，也并不
是所有的材料都可以成为非晶态材料。例如，普通的氧化物玻璃即使
在缓慢冷却时也能得到非晶态，而大多数纯金属即使在106 K／s的
冷却速度下也无法非晶化。可见，要使一种材料非晶化，还得考虑材
料本身的内在因素，这主要和材料各组元的化学本质及各组元的含量
有关。
目前制造非晶态合金的方法大致分为气相冷凝法、镀层发和液相
极冷法三类。
非晶态合金热力学的亚稳态，它随着时间的推移会发生转晶。尤
其是温度越高，非晶态转变成晶态的速度就越快。所以它只适用于低
温场合。
目前，研究的最多。使用价值最大的非晶态半导体主要有两类：
非晶态的硅和硫属半导体。
非晶硅（α-Si:H）是一种新型的半导体薄膜材料，是太阳能电池
的理想材料，光电转换效率已达到13%。另外还可以制成各种器件。
非晶硅的制备：由非晶态合金的制备可知，要获得非晶态，需要
有高的冷却速率，而对冷却速率的具体要求则随材料而定。硅要求有
极高的冷却速率，用液态快速冷却淬火的方法目前还无法得到非晶
态。近年来，发展了许多气相淀积非晶态硅膜的技术，其中包括真空
蒸发、辉光放电，溅射及化学气相淀积等方法。一般所用的主要原料
是单硅烷(SiH
4
)、二硅烷(Si
2
H
6
)、四氟化硅(SiF
4
)等，纯度要求很高。
非晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切，目前认为以辉光
放电法制备的非晶硅膜质量最好，设备也并不复杂。
硫属半导体是S、Se、或Te的金属化合物或这几种化合物的混
合物。这类材料在性质上属于半导体材料，但又像玻璃一样是非晶态，
因此又称为玻璃半导体或者硫属玻璃。主要应用是基于它在光、热、
电场等外界条件作用下引起的性能和结构变化，如太阳能电池、复印
机光感膜等。
非晶态碳酸钙已经制备成功，可以说是碳酸钙的一个新品种。据
报道，非晶态碳酸钙在室温、真空下放置30天，或在空气中放置3
天后，仍为非晶态；但在空气中放置4天就出现结晶相，放置时间越
长，结晶度越高，所以应在真空或惰性气氛中保存。非晶态CaCO
3
具有比表面积大、溶解度高等特点。利用其比表面积大，可用作吸附
剂、生物陶瓷、新型化合物等；利用其溶解度高，可用作食品和医药
制品，更容易被人体吸收。开发更多这类产品显然也是很有意义的。
1.蓝宝石和红宝石的制备方法；
2.非晶态合金的特性。
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