秋季西南大学0404《材料化学》.docx
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秋季西南大学0404《材料化学》
西南大学 网络与继续教育学院
课程代码:
0404 学年学季:
20192
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主观题
1、请简述缺陷化学有什么理论意义和实用价值。
参考答案:
缺陷化学具有重要的理论意义和实用价值。
固体中的化学反应,只有通过缺陷的运动。
陶瓷材料在高温时能正常烧结的基本条件是:
材料中要有一定的缺陷机构与缺陷浓度,以使许多传质过程能顺利进行。
点缺陷对材料的性质也有重要的影响,例如,固体材料的导电性与缺陷关系极大。
可以说,缺陷化学及其相关的能带理论,是无机材料化学中最重要的内容。
正如West所说:
“在固态科学中,晶体缺陷的研究是一个活跃和迅速发展的领域。
2、请简述原子团簇的概念及特性。
参考答案:
、参考答案:
是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。
它是几个至几百个原子的聚集体(粒径小于或等于1nm),如Fen,CunSm,CnHm(n和m为正数)和碳簇(C60,C70等)等。
原子分子团簇简称团簇or微团簇(microcluster )是由几个至上千个原子、分子or离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体,其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子,也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。
它们的形状多种多样,它们尚未形成规整的晶体。
原子团簇有许多奇异的特性,如极大的比表面使其具有异常高的化学活性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应。
3、请举例说明何谓铁电体。
参考答案:
参考答案:
肖特基缺陷是由于晶体表面附近的原子热运动到表面,在原来的原子位置留出空位,然后内部邻近的原子再进入这个空位,这样逐步进行而造成的,看来就好像是晶体内部原子跑到晶体表面来了。
显然,对于离子晶体,阴阳离子空位总是成对出现;但若是单质,则无这种情况。
除了表面外,肖特基缺陷也可在位错或晶界上产生。
这种缺陷在晶体内也能运动,也存在着产生和复合的动态平衡。
对一定的晶体来说,在确定的温度下,缺陷的浓度也是一定的。
空位缺陷的存在可用场离子显微镜直接观察到。
简言之,肖特基缺陷:
正常结点上的原子,在能量起伏过程中获得足够的能量后,离开平衡位置迁移到晶体表面正常结点位置,在原来的位置上留下空位。
一般在结构比较紧密,没有较大空隙的晶体中或在阴、阳离子半径相差较小的晶体中比较容易形成肖特基缺陷。
4、请简述纳米
参考答案:
纳米是一种度量单位,1纳米为百万分之一毫米,即1毫微米,也就是十亿分之
5、请简述何谓逆压电效应。
参考答案:
当晶体在外电场激励下,在某些方向上产生应变,且应变和场强之间存在着线性关系,这种由电效应转换为机械效应的现象,则称为逆压电效应。
6、请简述等离子体化学气相沉积(PCVD)技术有哪些应用。
参考答案:
答题要点:
等离子体化学气相沉积技术几乎适用于所有材料领域,特别是电子材料、光学材料、能源材料、机械材料等各种无机新材料及高分子材料的薄膜制备和表面改性,显示出独特的功能和巨大的应用潜力,在许多领域己被作为主要的生产技术。
PCVD技术还广泛用于制作非晶态薄膜,如非晶态硅、非晶态锗、非晶态碳膜等。
尤其是非晶态硅膜,因其在太阳能电池方面的成功应用而特别引人注目。
PCVD技术还进一步为化合物半导体薄膜的研制开辟了广阔途径,如GaN,AIN,GaAs,SnO2,TiO2等许多在电子器件或光电子器件中有重要应用价值的功能材料薄膜正被越来越多地开发应用。
PCVD技术另一个十分活跃的应用领域是机械加工业。
例如,出于表面硬化或装饰目的常常需要在刀具、量具、模具、表壳等工件表面上沉积超硬耐磨涂层,可以大大提高零部件使用寿命。
7、请举例说明何谓居里温度。
参考答案:
参考答案:
①非晶态形成能力对合金的依赖性;②结构的长程无序和短程有序性;③热力学的亚稳性。
8、请举例说谓何谓弗仑克尔缺陷。
参考答案:
居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。
比如说电饭煲的自动保温。
9、请举例说明何谓正压电效应(压电效应)。
参考答案:
参考答案:
当某些晶体受到机械力作用时,在一定方向的表面上产生束缚电荷,且其电荷密度大小与所加应力大小呈线性关系,这种由机械能转换成电能的现象,称为正压电效应,简称为压电效应。
10、请简述何谓仿生合成。
参考答案:
答题要点:
仿生合成将成为21 世纪合成化学中的前沿领域。
无机合成与制备化学在生物矿化、有机/无机纳米复合、无机分子向生物分子转化等研究领域发挥重要作用。
用一般常规方法难于进行的非常复杂的合成如何利用生物合成将其变为高效、有序、自动进行的合成。
例如生物体对血红素的合成可以从最简单的酪氨酸经过一系列酶的作用很容易地合成出结构极为复杂的血红素。
又如许多生物体的硬组织如羟基磷灰石是按有序排列的形式生成为特殊结构的牙齿。
再如模拟生命体酶反应的条件下实现高效定向的合成反应等。
海洋生物乌贼鱼骨是一种目前尚不能用人工合成制得的具有均匀孔结构的晶体。
因此, 仿生合成无论从理论还是从应用上都将具有非常诱人的前景。
11、请简述何谓弗仑克尔缺陷。
参考答案:
在晶格热振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,挤到晶格间隙位置,成为填隙原子,而在原来的位置上留下一个空位,这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
12、请举例说明何谓纳米固体。
参考答案:
参考答案:
由纳米微粒为主要构成成分,经一定工艺制备条件制得的体相材料,称纳米固体材料。
包括块体材料和薄膜材料。
13、请简述何谓等离子体化学气相沉积。
参考答案:
答题要点:
等离子体化学气相沉积(简称PCVD)是一种新的制膜技术。
它是在低温等离子体中,使原料气体感应而发生等离子体化学反应,在基板上析出固相反应生成物薄膜。
PCVD特别适合于功能材料薄膜和化合物膜的合成并显示出许多优点,被视为第二代薄膜制备技术。
实际上,PCVD技术是在普通的热CVD基础上发展起来的。
14、请简述缺陷化学的研究对象和内容。
参考答案:
缺陷化学的研究对象是点缺陷,但不包括声子和激子。
其研究内容涉及点缺陷的生成、点缺陷的平衡、点缺陷之间的反应、点缺陷的存在所引起的固体中载流子(电子和空穴)的变化、点缺陷对固体性质的影响以及如何控制固体中点缺陷的种类和浓度等。
15、请举例说明非晶态金属材料的基本特征。
参考答案:
参考答案:
原子(或分子、离子)在三维空间呈周期性重复排列,即存在长程有序
16、请举例说明何谓纳米微粒。
参考答案:
参考答案:
纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸大于原子团簇(cluster),小于通常的微粉。
在固体物理和分子化学中,常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm 的粒子称为“簇”,它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。
纳米微粒一般在1~100nm之间。
17、请简述等离子体化学气相沉积(PCVD)技术的基本特征。
参考答案:
答题要点:
PCVD技术是通过反应气体放电来制备薄膜的,这就从根本上改变了反应体系的能量供给方式,从而有效地利用非平衡等离子体的反应特性。
也就是说,本应在热力学平衡态下需要相当高的温度才能发生的化学反应,若利用非平衡等离子体便可在低得多的温度条件下实现。
由此可见PCVD技术的基本持点是实现了薄膜沉积工艺的低温化。
18、请简述微波加热的机理
参考答案:
答题要点:
根据物质对微波的吸收程度,可将物质材料分成导体、绝缘体和介质。
微波不能进入导体内部,只能在其表面反射。
绝缘体可透过微波而对微波吸收很少。
介质可透过并吸收微波,介质通常为极性分子组成。
介质分子在微波场中其极性分子取向将与电场方向一致,当电场发生变化时,极性分子也随之变化。
一方面由于极性分子的变化滞后于电场的变化,因而产生了扭曲效应而转化为热能。
另一方面介质分子在电场的作用下两极排列,电场振荡,迫使两极分子旋转、移动,当加速的离子相遇,碰撞摩擦时就转化为热能。
即微波加热机理是通过极化机制和离子传导机制进行加热。
19、请简述何谓极端条件合成。
参考答案:
答题要点:
在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技术来实现通常条件下无法进行的合成,并在这些极端条件下开拓多种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态。
例如在模拟宇宙空间的高真空、无重力的情况下, 可能合成出无位错的高纯度化合物。
在超高压下许多物质的禁带宽度及内外层轨道的距离均会发生变化, 从而使元素的稳定价态与通常条件下有很大差别。
此外,如GaN 及金刚石等超硬材料的高压合成、高压下合成反应的研究、超临界流体反应、超声合成以及微波合成等研究发展较快。
20、请举例说明何谓肖特基缺陷。
参考答案:
参考答案:
在形成热缺陷时,晶体中具有足够高能量的原(离)子离开其平衡位置,挤入晶体中的间隙位置,造成微小的局部晶格畸变,成为所谓填隙原子,而在其原来的位置上形成空位,这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
这种填隙原子是晶体本身所具有的,所以又称为自填隙原子,以区别于杂质原子。
弗仑克尔缺陷的特点是填隙原子或离子与晶格结点空位成 对出现,晶体内局部晶格畸变,但总体积不发生可观察到的改变。
简言之,在晶格热振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,挤到晶格间隙位置,成为填隙原子,而在原来的位置上留下一个空位,这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。
21、请简述何谓非整比化合物缺陷(化合物)材料。
参考答案:
道尔顿的定比定律圆满地解释了有机化学中分子晶体的许多现象,虽然它有时需要加以修正,才能用以说明单键、双键、叁键、链状或环状化合物的结构问题。
后来研究发现,这种严格按化学计量形成的化合物其实是一种很特殊的情况,大多数原子或离子晶体化合物并不符合定比定律,其正负离子的比,并不是一个简单、固定的值。
它们呈现范围很宽的组成,并且组成和具体结构之间没有简单的对应关系(或化学同一性),这些化合物被称为非化学计量化合物、非化学计量比化学物、非化学配比化合物或非整比化合物,或被称为偏离整比的化合物。
22、请举例说明何谓反铁电体。
参考答案:
参考答案:
有些晶体虽然也有自发极化,但顺电相相邻晶胞的自发极化方向相反而且相互平行,因此晶体总的自发极化宏观上仍为零,这种晶体称为反铁电体。
23、请简述何谓色心(F色心)。
参考答案:
固体物理和固体化学里的一个相当大的领域与研究碱金属卤化物晶体中的色心有关,最典型例子是F色心。
在20世纪20年代, Pohl根据颜色的德文单词Farbe,把这种缺陷称为F中心(F-centre,德文为Farbenzentre),后人习惯上把它改称为F色心。
NaCl晶体在Na蒸气中加热会变成浅绿黄色,这种现象被认为F色心的形成有关。
此时,1个Na原子扩散到NaC1晶体的内部时,是以过剩的Na+存在,同时引入1个电子。
为了保持晶格中Na+和Cl?
之间的位置关系,会造成1个Cl?
空位,这种阴离子空位称为α中心。
这个失去了负电荷的空位带正电,能捕获由Na所引入的1个价电子,形成了所谓的F色心和1个Na+。
F色心是由1个阴离子空位和1个在此位置上的电子组成的,它是个陷落的电子中心(atrapped-electroncentre)。
一般来说,碱金属原子的价电子并不束缚在某个特定的原子或离子上,它可以迁移穿越过点阵,并最终束缚在卤素原子空位上。
F色心实际上是没有原子核的价电子,或称为类氢原子。
24、请简述何晶体具有哪些共性。
参考答案:
由于具有周期性的空间点阵结构,晶体具有下列共同性质:
均一性,即晶体不同部位的宏观性质相同;各向异性,即晶体在不同方向上具有不同的物理性质;自限性,即晶体能自发地形成规则的几何外形;对称性,即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同;具有固定熔点;内能最小。
性能上两大特点:
固定的熔点,各向异性。
25、请简述何谓非化学计量缺陷。
参考答案:
非化学计量化合物的晶格结点中带有空位,或含有处于间隙位置的填隙原(离)子,存在着缺陷,在组成和结构两方面显示出非化学计量的特征;而热缺陷并不会造成组成的改变。
非化学计量缺陷也是某些固体材料所固有的,尽管它的浓度不仅会随温度而变化,而且会随着周围气氛性质及其分压大小的改变而改变;但热缺陷一般与气氛无关。
26、请举例说明无机材料化学主要研究哪些方面的问题。
参考答案:
无机材料化学主要研究:
无机材料的制备原理、无机材料的成键本质和结构、无机材料的表征、无机材料的物理性质及反应性能、无机材料的设计,这五个方面的问题。
(请举例说明题)
27、请简述什么是极端条件下的合成。
参考答案:
答题要点:
所谓极端条件是指极限情况, 即超高压、超高温、超真空及接近绝对零度、强磁场与电场、 激光等离子体等。
过去所积累的许多有关化学变化的知识, 仅限于有影响的变量的小范围内, 其中最重要的是温度和压力。
现在随着科学技术的发展, 测试技术也越来越先进, 我们就能够研究远远超越正常的环境条件下发生的化学过程。
研究这种极端条件下的化学, 可以扩展实验变量的数目, 从而可以改变并控制化学反应。
凭借已有的和将有的能力集中力量进行极端条件下的化学合成研究将会在新材料、新工艺、新设备和新知识方面获得重大进展。
28、请简述陶瓷具有超塑性应该具备的基本条件。
参考答案:
答题要点:
一般认为陶瓷具有超塑性应该具备两个条件:
一是较小的粒径,二是快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。
纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以具有室温超塑性能。
很多产品博览会上展览的所谓“摔不破,打不烂”的碗具即是用纳米材料制成。
29、请论述为什么说溶胶-凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性。
参考答案:
答题要点:
由于溶胶-凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性,近年来己用该技术制成LiTaO2、LiNbO3、PbTiO3、Pb(ZrTi)O3和BaTiO3,等各种电子陶瓷材料。
特别是制备出形状各异的超导薄膜、高温超导纤维等。
在光学方面该技术己被用于制备各种光学膜,如高反射膜、减反射膜等和光导纤维、折射率梯度材料、有机染料掺杂型非线性光学材料等以及波导光栅、稀土发光材料等。
在热学方面用该技术制备的SiO2-TiO2玻璃非常均匀,热膨胀系数很小,化学稳定性也很好;已制成的InO3-SnO2(ITO)大面积透明导电薄膜,具有很好的热镜性能;制成的SiO2气凝胶具有超绝热性能等特点。
在化学材料方面用该技术制备的下列产品都具有独特的优点:
超微细多孔滤膜具有耐温耐压耐腐蚀等特点,而且孔径可以调节;超细氧化物已被广泛应用在金属、玻璃、塑料等表面作为氧化物保护膜,其抗磨损和抗腐蚀能力大为增强;催化剂具有高比表面、大孔容和孔径均匀以及低的表观堆密度等特点;氧化物气敏材料具有良好的透气性、较大的比表面和均匀分布的微孔。
30、请简述什么是特种功能材料的分子设计。
参考答案:
答题要点:
开展特定结构无机化合物或功能无机材料的分子设计、裁剪与分子工程学的研究是无机合成化学的又一前沿领域。
它应用传统的化学研究方法寻找与开发具有特定结构与优异性能的化合物。
由于依靠的是从成千上万种化合物中去筛选,因而, 自然而然地会把发展重心放在制备和发现新化合物上。
31、请简述什么是软化学合成。
参考答案:
答题要点:
软化学是相对于硬化学而言的。
它是指在较温和条件下实现的化学过程。
软化学开辟的无机固体化合物及材料制备方法, 正将新无机化合物及材料制备的前沿技术从高温、高压、高真空、高能和高制备成本的硬化学方法中解放出来, 进入一个更广阔的领域。
32、请论述理想合成应用于制备物质(材料)的意义何在?
参考答案:
答题要点:
(1)、理想合成是指从易得的起始物开始, 经过一步简单、安全、环境友好、反应快速、100%产率获得目标产物。
(2)、理想合成虽然不易实现, 但为合成化学家提出了挑战, 激发了合成化学家的巨大创造力。
(3)、趋近理想合成策略之一是开发一步合成反应。
如富勒烯及相关高级结构的合成, 从易得的石墨出发, 只需一步反应即得到目标产物, 产率达 44%。
产物富勒烯和碳纳米管以其新颖的结构, 方便的合成及潜在应用开拓了新的研究领域。
(4)、趋近理想合成策略之二为单元操作。
相对复杂的分子, 如药物、天然产物的合成,需要多步反应完成。
在自然界里, 生物采取多级合成的策略, 在众多酶的作用下, 用前一步催化反应的产物作为后续反应的起始物, 直至目的产物的生成。
(5)、这个策略的成功依赖于反应物、产物、催化剂的相容性。
这种相容性已在实验室中模拟进行单元操作, 在一个单元操作中经由多个步骤合成目标产物, 如β-香树素就是利用了阳离子多级联和反应单元操作合成的。
33、请简述何谓水热化学法。
参考答案:
水热法又称热液法,具有晶粒发育完整、粒径很小且分布均匀、团聚程度较轻、易得到合适的化学计量比和晶粒形态、不需高温煅烧和球磨等特点。
34、请简述何谓多孔陶瓷。
参考答案:
参考答案:
多孔陶瓷是19世纪20年代发展起来的以气孔为主相的一类陶瓷材料,多孔陶瓷是由各种颗粒与结合剂组成的坯料,经过成型、烧成等工艺制得的,调节各种颗粒料之间的矿物组成颗粒级配比和坯料的烧成温度、多孔陶瓷可具有不同的物理与化学特性。
35、请简述多孔陶瓷有哪些种类。
参考答案:
答题要点:
多孔陶瓷的种类繁多,根据多孔陶瓷材料的孔径尺寸大小可分为:
微孔陶瓷 (孔径<2nm)、介孔陶瓷(2nm>孔径<50nm)、宏孔陶瓷( 孔径>50nm);根据孔的结构特征可分为网孔型和泡沫型两大类。
根据其多面体在空间排列方式不同,可分为蜂窝状多孔陶瓷和泡沫状多孔陶瓷。
另外,还可以根据孔之间关系分类,可分为闭气孔和开气孔两种等。
36、请简述何谓气相化学沉积(CVD)法。
参考答案:
是一种利用气相反应制备材料的重要合成方法之一。
是挥发性原料化合物的蒸气通过化学反应合成所需要物质的方法。
CVD是利用热能、等离子体放电或紫外光照射等形式的能源,使气态物质在固体表面上发生化学反应,并在该表面上沉积,形成稳定固态膜的过程。
37、请论述为什么说软化学是一种新材料的制备思路。
参考答案:
答题要点:
软化学是20世纪70年代初由德国固体化学家费尔(Schafer)提出来的。
严格地讲,软化学与其说是一门新的学科,不如说是一种新材料的制备思路。
在这种思路下产生了一系列新型材料的制备技术,开辟出了具有节能、高效、经济、环境友好的工艺路线。
软化学合成正在将新材料制备的前沿技术从高温、高压、高真空、高能和高制备成本的物理、化学方法中解放出来,进入一个更广阔的空间!
38、请举例论述高温自蔓燃合成技术有哪些特点。
参考答案:
参考答案:
① 生产工艺简单,反应迅速,生产过程时间短;
② 最大限度利用材料人工合成中的化学能,节约能源;
③ 合成反应温度高,可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品;
④ 合成过程经历了极大的温度梯度,生成物中可能出现缺陷集中和非平衡相,使产品活性高,可获得复杂相和亚稳相;
⑤ 集材料合成和烧结于一体,可广泛应用于合成金属、陶瓷和复合材料。
39、请举例论述微波加热法制备高纯超细粉体有哪些优势?
参考答案:
答题要点:
(1)、盐类的水解是制备均匀分散体系最常用的方法。
(2)、与传统的加热法不同,微波加热能在很短的时间内均匀加热,大大消除了温度梯度,使沉淀相瞬间成核,从而获得均匀的超细粉体。
(3)、实验表明:
微波辐射能加快FeCl3的水解,制备出尺寸、均匀性等均优于常规水浴加热制备的粉体。
(4)、例如有报道利用微波加热制备出的ZnO纳米粉体结晶性能良好,粒径大小均匀,晶体形貌由原来的棒状变为准球形,粒径为纳米级。
又如利用微波加热制备YSZ纳米粉体,其粒子分散性好,晶体形貌为椭球形,平均粒径为37nm。
在480-980e范围内呈现良好的电导率,并有较高的稳定性。
(5)、又如以微波辅助制备纳米级氧化铜,平均粒径在17-24nm左右。
杨升红等用微波法成功合成出锐钛矿型纳米TiO2粉末,颗粒分散性好,粒径分布均匀,平均粒径70nm,粉末呈球形,成本低、工艺简单。
40、请简述连续陶瓷基复合材料的特性。
参考答案:
答题要点:
美国俄亥俄州 Excera材料集团开发研制的陶瓷/金属复合材料,用于生产防弹装甲板、磨具及用于处理熔融金属用的容器等。
这种陶瓷 /金属复合材料的密度是钢材密度的一半,却比钢坚硬,强度相当于铸造铝合金,断裂韧性相当于铸铁,热膨胀系数比钢低30%,还具有非常高的耐磨性和高的热导率。
据介绍,美国最新研制的多孔碳化硼/铝复合材料,其中碳化硼的体积分数达到60~80%。
这种材料不仅具有良好的静力学性能,而且具有高的抗冲击和打击能力,但生产成本过高 (>40美元/kg) ,且制备方法也没有公开报道。
目前,正在研究其它陶瓷骨架材料及其与轻金属的复合技术,以使材料性能更高,且成本降低。
41、请论述特殊凝聚态材料的制备对目前科学与材料的发展具有何意义?
参考答案:
答题要点:
在无机合成与制备化学的研究中, 另一个重要前沿方向是特殊凝聚态化合物或材料的合成制备化学和技术。
例如, 无机膜、非晶态、微孔与胶团簇、单晶等等。
由于物质凝聚态的不同往往导致新性质与功能的出现, 因而对目前的科学与材料的发展均具有非常重要的意义。
这类特殊凝聚态化合物之所以受到重视, 除了化合物本身的特殊性质外, 也是由于材料应用上的需要所致。
目前较被重视的属于特殊凝聚态化合物或材料研究范畴的有溶胶-凝胶过程、前驱物化学、各类CVD技术及其化学、无机膜制备和无机超微粒制备等。
42、
举例说明何溶胶-凝胶技术。
参考答案:
参考答案:
溶胶-凝胶技术是指金属有机或无机化合物,经过溶胶-凝胶化和热处理形成氧化物或其它固体化合物的方法。
其过程是用液体化学试剂(或粉状试剂溶于溶剂)或溶胶为原料而不是用传统的粉状物为反应物,在液相中均匀混合并进行反应,生成稳定且无沉淀的溶胶体系,放置一定时问后转变为凝胶经脱水处理,在溶胶或凝胶状态下成型为制品,再在略低于传统的温度下烧结。
43、
纳米固体材料是以( )为主要构成成分,经一定工艺制备条件制得的( )材料,称纳米固体材料。
包括块体材料和薄膜材料。
参考答案:
纳米微粒;体相
44、
请举例说明何谓软化学合成。
参考答案:
参考答案:
软化学是相对于硬化学而言的。
它是指在较温和条件下实现的化学过程。
软化学开辟的无机固体化合物及材料制备方法,正将新无机化合物及材料制备的前沿技术从高温、高压、高真空、高能和高制备成本的硬化学方法中解放出来,进入一个
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