简明无机合成第3章课件

感应炉感应炉 感应炉主要部件就是一个像变压器初感应炉主要部件就是一个像变压器初级线圈载有交流电的螺旋形线圈，放在线级线圈载有交流电的螺旋形线圈，放在线圈内的被加热的导体就像变压器的次级线圈内的被加热的导体就像变压器的次级线圈，它们之间没有电路连接。当线圈上通圈，它们之间没有电路连接。当线圈上通有交流电时，在被加热体内会产生闭合的有交流电时，在被加热体内会产生闭合的感应电流，称为涡流。由于导体电阻小，感应电流，称为涡流。由于导体电阻小，所以涡流很大；又由于交流的线圈产生的所以涡流很大；又由于交流的线圈产生的磁力线不断改变方向。因此，感应的涡流磁力线不断改变方向。因此，感应的涡流也不断改变方向，新感应的涡流受到反向也不断改变方向，新感应的涡流受到反向涡流的阻滞，就导致电能转换为热能，使涡流的阻滞，就导致电能转换为热能，使被加热物很快发热并达到高温（几秒之内被加热物很快发热并达到高温（几秒之内可达可达3000）。）。感应炉 感应炉主要部件就是一个像变压器初级1 电弧炉电弧炉 电电弧弧炉炉常常用用于于熔熔炼炼金金属属，如如钛钛、锆锆等等，也也可可用用于于制制备备高高熔熔点点化化合合物物，如如碳碳化化物物、硼硼化化物物以以及及低低价价的的氧氧化化物物等等。电电流流由由直直流流发发电电机机或或整整流流器器供供应应。起起弧弧熔熔炼炼之之前前先先将将系系统统抽抽至至真真空空，然然后后通通人人情情性性气气体体，以以免免空空气气渗渗入入炉炉内内，正正压压也也不不宜宜高高向，以减少损失。向，以减少损失。电弧炉 电弧炉常用于熔炼金属，如钛、锆等，2几种管式电炉的比较几种管式电炉的比较 管式炉名称管式炉名称加热元件加热元件/发热体发热体加热温度加热温度使用气氛使用气氛碳化硅电炉碳化硅电炉碳化硅碳化硅/硅碳棒硅碳棒(管管)1350/1500(短时短时)还原性气氛真空，还原性气氛真空，也可为惰性气氛也可为惰性气氛或氢气氛或氢气氛碳管炉碳管炉碳管碳管2000钨管炉钨管炉钨管钨管3000几种管式电炉的比较 管式炉名称加热元件/发热体加热温度使用气33.2.3 高温测温仪表高温测温仪表 温温度度测测量量方方法法通通常常分分为为接接触触式式与与非非接接触触式式两两种种。接接触触式式测测温温就就是是测测温温元元件件要要与与被被测测物物体体有有良良好好的的热热接接触触，使使两两者者处处于于相相同同温温度度，由由测测温温元元件件感感知知被被测测物物体体温温度度的的方方法法。非非接接触触式式与与接接触触式式相相反反，测测温温元元件件不不与与被被测测物物体体接接触触，而而是是利利用用物物体体的的热热辐辐射射或或电电磁磁性性质质来来测测定定物物体体的的温温度度。用用得得较较多多的的高高温温测测温温仪仪表表是是热热电电偶偶高高温温计计，一一般般可可达达2000，某某些些情情况况下下可可达达3000。在在更更高高的的温温度度下下可可用用光光学学高温计，可测高温计，可测7006000，但低温段不准。，但低温段不准。高温红外线高温红外线 测温仪测温仪 3.2.3 高温测温仪表 温度测量方法通常分为4接触式接触式测测温温仪仪表表非接触式非接触式光学高温计计光学高温计计(辐射法：辐射法：400-2000C；部分：；部分：0-3000C)辐射高温计辐射高温计(亮度高温计亮度高温计800-3200C)比色高温计比色高温计(50-3200C)固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计胀式温度计胀式温度计液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计(-200 600C)压力表式压力表式温温 度度 计计充液体型充液体型充气体型充气体型充蒸气型充蒸气型(-200 600C)热电偶热电偶温度计温度计特殊热电阻特殊热电阻铂热电阻铂热电阻铜热电阻铜热电阻半导体热电阻半导体热电阻(-258 900C)热电偶热电偶铂铑铂铑-铂热电偶铂热电偶镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶镍铬镍铬-康铜热电偶康铜热电偶特殊热电偶特殊热电偶(-200 1800C)(2800C)接触式测温仪表非接触式光学高温计计(辐射法：400-2053.2.4 高温合成技术的广泛应用高温合成技术的广泛应用 高温下的固相合成反应高温下的固相合成反应 例例如如合合成成C、N、B、Si等等二二元元陶陶瓷瓷化化合合物物、多多种种类类型型的的复复合氧化物、陶瓷和玻璃态物质，都是高温下的固相反应。合氧化物、陶瓷和玻璃态物质，都是高温下的固相反应。复合外套交流无间隙金属氧化物复合外套交流无间隙金属氧化物金属保持玻璃态金属保持玻璃态3.2.4 高温合成技术的广泛应用 高温下的固相合成反应6 尖晶石型尖晶石型MgAl2O4的高温固相合成的高温固相合成Wagner机理机理 界面界面MgO/MgAl2O4 界面界面MgAl2O4/Al2O3 总反应总反应 尖晶石型MgAl2O4的高温固相合成Wagner7 单晶硼酸铝微管的高温固相合成单晶硼酸铝微管的高温固相合成 L.An等等以以Al2O3和和BN为为原原料料，在在空空气气中中采采用用高高温温固固相相反反应应成成功功地地获获得得了了单单晶晶硼硼酸酸铝铝微微管管。为为了了使使实实验验顺顺利利进进行行，他他们们把把原原料料充充分分混混合合并并用用球球磨磨机机球球磨磨12h后后，放放入入管管式式炉炉中中先先以以10C/min升升温温到到1200，再再以以3/min升升温温到到1700并并维维持持24h。单晶硼酸铝微管的单晶硼酸铝微管的SEM和和TEM照片照片 单晶硼酸铝微管的高温固相合成 L8 单单晶晶硼硼酸酸铝铝微微管管 的的形形成成经经历历了了一一个个固固-液液-固固机机理理：首首先先，彼彼此此接接触触的的反反应应物物反反应应生生成成了了硼硼酸酸铝铝，接接着着未未反反应应的的Al2O3和和BN溶溶解解在在融融化化的的硼硼酸酸铝铝里里形形成成过过饱饱和和溶溶液液，最最后后以以微微管的形式沉淀出来：管的形式沉淀出来：单晶硼酸铝微管 的形成经历了一个固-液-固机理9 高高温温固固相相反反应应的的发发生生不不但但要要看看热热力力学学因因素素，动动力力学学因因素素也也很很重重要要。其其中中，影影响响速速率率的的主主要要因因素素有有反反应应物物固固体体表表面面积积和和反反应应物物间间的的接接触触面面积积，生生成成物物相相的的成成核核速速率率,相相界界面面间间特特别别是是通通过过生生成成物物相相层层的的离离子扩散速率和提高原料的反应性等。子扩散速率和提高原料的反应性等。两例的提示两例的提示 高温固相反应的发生不但要看热力学因素，动力学因素也很10 高温下的固高温下的固-气反应气反应 锂还原锂还原YCl3 高温下的固-气反应 锂还原YCl3 11 制备金属钾制备金属钾 工业上于工业上于850时用钠还原熔融态氯化钾的方法制备金属时用钠还原熔融态氯化钾的方法制备金属钾：钾：虽虽 然然 fHmNaCl(s)=-411kJ mol-1,fHmKCl(s)=-435 kJ mol-1,上上述述正正向向是是吸吸能能即即rHm为为正正值值的的反反应应。但但因因钾钾比比钠钠容容易易挥挥发发,沸沸点点分分别别为为756.5、881,在在该该温温度度下下钾钾为为气气态态即即正正向向是是熵熵增增过过程程得得以以进进行行。在在850时时的的rGm=6.6 kJ mol-1,由由rGm=-RTlnK,算得算得K=p(K)/p(Na)=0.458,即即得得到到钠钠和和钾钾的的混混合合物物,经经真真空空蒸蒸馏馏得得纯纯钾钾,钠钠循循环环使用。使用。制备金属钾 工业上于850时用钠还原熔融12工业上钾的提取流程图工业上钾的提取流程图 工业上钾的提取流程图 13 制备无水氯化稀土制备无水氯化稀土 稀稀土土精精矿矿高高温温加加碳碳氯氯化化反反应应是是一一种种大大规规模模连连续续化化生生产产无无水水氯氯化化稀稀土土的的工工业业方方法法。这这也也是是一一个个偶偶合合反反应应。在在氯氯化化炉炉内内1000-1200的的高高温温下下，氟氟碳碳铈铈精精矿矿的的氯氯化化反反应应实实质质上上是是稀稀土土氧化物的氯化反应（放热）：氧化物的氯化反应（放热）：RE2O3(s)+3C(s)+3Cl2(g)2RECl3(l)+3CO(g)2CeO2(s)+4C(s)+3Cl2(g)2CeCl3(l)+4CO(g)其中稀土氧化物是氟碳铈精矿先发生热分解生成的：其中稀土氧化物是氟碳铈精矿先发生热分解生成的：RECO3F(s)REOF(s)+CO2(g)3 RECO3F(s)RE2O3(s)+REF3(s)+3CO2(g)制备无水氯化稀土 稀土精矿高温加碳氯化14 高温氯化炉示意图高温氯化炉示意图1-电流连接器；2-加料漏斗；3-炉罩；4-中心电极；5-炉盖；6-氯气通道；7-团块；8-焦碳；9-熔盐收集室；10-放液槽；11-钢壳；12-矿渣壁；13-外衬；14-内衬；15-内套；16绝缘的密封 15 高温下的化学转移反应高温下的化学转移反应 概念概念 化化学学转转移移反反应应（Chemical transport reaction）是是一一种种固固体体或或液液体体物物质质A在在一一定定的的温温度度下下与与一一种种气气体体B反反应应，形形成成气气相相产产物物，这这个个气气相相反反应应产产物物在在体体系系的的不不同同温温度度部部分分又又发发生生逆逆反反应应，结结果果重重新新得得到到A。这这个个过过程程似似乎乎像像一一个个升升华华或或者者蒸蒸馏馏过过程程。但但是是在在这这样样一一个个温温度度下下，物物质质A并并没没有有经经过过一一个个它它应应该该有有的的蒸蒸气气相相，又又用用到到了了物物质质B（转转移移试试剂剂），所所以以称称化化学学转转移移。化化学学转转移移反反应应广广泛泛的的应应用用在在新新化化合合物物合合成成、物物质质的的分分离离提提纯纯和和大大而而完美的单晶生长以及测定一些热力学数据等方面。完美的单晶生长以及测定一些热力学数据等方面。高温下的化学转移反应 概念 化学转移反应16 装置装置 图图中中示示意意在在温温度度梯梯度度下下固固体体物物质质转转移移的的理理想想化化流流动动装装置置。显显然然，由由于于作作为为转转移移反反应应中中的的传传输输剂剂气气体体在在与与原原料料反反应应之之后后生生成成的的是是气气体体化化合合物物，并并要要充充分分满满足足一一定定的的蒸蒸汽汽压压使使之之向向生生长长端端转转移移，传传输输剂剂还还得得在在管管中中往往返返转转移移，因因此此，真真空空条条件件是是必不可少的。必不可少的。装置 图中示意在温度梯度下固体物质转移的理17 反应条件的选择反应条件的选择 通常，温度和浓度是影响转移反应的重要因素。通常，温度和浓度是影响转移反应的重要因素。可逆的多相反应达到平衡时，即可逆的多相反应达到平衡时，即其平衡常数为其平衡常数为在原料放置区，即图中的在原料放置区，即图中的T1段段,A和和B尽可能生成尽可能生成C并向沉淀区并向沉淀区转移，在沉淀区（转移，在沉淀区（T2），），C尽可能分解沉积出尽可能分解沉积出A。这就要求。这就要求T不要太大，不要太大，Kp尽可能接近尽可能接近1，亦即平衡时气体的分压应近似相，亦即平衡时气体的分压应近似相等才好。等才好。反应条件的选择 通常，温度和浓度是影响转移反18 举例举例化学蒸气转移制备化学蒸气转移制备TaS2晶体晶体:由于是吸热反应，平衡常数随温度上升而增大，由于是吸热反应，平衡常数随温度上升而增大，850时的挥发性产物的分压比时的挥发性产物的分压比750 时的分压大，因此，时的分压大，因此，TaS2在在温度较低的一端沉积。温度较低的一端沉积。举例化学蒸气转移制备TaS2晶体:由于是19 高温下的冶炼和合金制备高温下的冶炼和合金制备 粉粉末末高高温温合合金金的的制制备备工工艺艺流流程程大大致致如如下下：预预合合金金粉粉末末的的制制造造压压实实(热热压压、热热等等静静压压)热热加加工工变变形形(模模锻锻、轧轧制制、挤挤压、等温锻等压、等温锻等)机加工机加工无损检测无损检测热处理。热处理。高温下的冶炼和合金制备 粉末高温合金的制备工艺流20 高温下的相变合成高温下的相变合成 这这类类反反应应往往往往同同时时要要求求高高压压条条件件，例例如如在在压压力力为为2.8GPa、温温度度为为850下下，稀稀土土La在在BaTiO3中中的的替替代代导导致致结结构构从从立立方方到到四方到正交的结构转变。典型的例子是人造金刚石的制备四方到正交的结构转变。典型的例子是人造金刚石的制备 。高温下的相变合成 这类反应往往同时要求高压21 高温熔盐电解高温熔盐电解熔盐电解法制备金属钠的装置熔盐电解法制备金属钠的装置 高温熔盐电解熔盐电解法制备金属钠的装置 22 等离子体激光、聚焦等作用下的超高温合成等离子体激光、聚焦等作用下的超高温合成 等等离离子子体体激激光光、聚聚焦焦等等作作用用可可以以产产生生极极高高的的温温度度用用来来进进行行超超高高温温合合成成。等等离离子子体体是是物物质质的的第第四四态态，是是由由大大量量带带电电粒粒子子和和中中性性粒粒子子组组成成的的系系统统。等等离离子子体体物物理理不不仅仅是是物物理理学学中中一一个个重重要要的的分分支支，同同时时它它又又与与材材料料学学、化化学学等等学学科科相相互互交交叉叉。等等离离子子体体技技术术在在微微电电子子、新新材材料料、环环境境、能能源源、空空间间等等高高新新技技术领域具有广阔的应用前景。术领域具有广阔的应用前景。等离子体激光、聚焦等作用下的超高温合成 等离23 等等离离子子体体主主要要用用于于以以下下三三方方面面。等等离离子子体体冶冶炼炼：用用于于冶冶炼炼用用普普通通方方法法难难于于冶冶炼炼的的材材料料，例例如如高高熔熔点点的的锆锆 (Zr)、钛钛(Ti)、钽钽(Ta)、铌铌(Nb)、钒钒(V)、钨钨(W)等等金金属属；还还用用于于简简化化工工艺艺过过程程，例例如如直直接接从从ZrCl、MoS、TaO和和TiCl中中分分别别获获得得Zr、Mo、Ta和和Ti；用用等等离离子子体体熔熔化化快快速速固固化化法法可可开开发发硬硬的的高高熔熔点点粉粉末末，如如碳碳化化钨钨-钴钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等等粉粉末末 等等离离子子体体冶冶炼炼的的优优点点是是产产品品成成分分及及微微结结构构的的一一致致性性好好，可可免免除除容容器器材材料料的的污污染染；等等离离子子体体喷喷涂涂：许许多多设设备备的的部部件件应应能能耐耐磨磨耐耐腐腐蚀蚀、抗抗高高温温，为为此此需需要要在在其其表表面面喷喷涂涂一一层层具具有有特特殊殊性性能能的的材材料料。用用等等离离子子体体沉沉积积快快速速固固化化法法可可将将特特种种材材料料粉粉末末喷喷入入热热等等离离子子体体中中熔熔化化，并并喷喷涂涂到到基基体体（部部件件）上上，使使之之迅迅速速冷冷却却、固固化化，形形成成接接近近网网状状结结构构的的表表层层，这这可可大大大大提提高高喷喷涂涂质质量量；等等离离子子体体焊焊接接：可可用用以以焊焊接接钢钢、合合金金钢钢；铝铝、铜铜、钛钛等等及及其其合合金金。特特点点是是焊焊缝缝平平整整，可可以以再再加加工工,没没有有氧氧化化物物杂杂质质,焊焊接接速速度度快快。用用于于切切割割钢、铝及其合金，切割厚度大。钢、铝及其合金，切割厚度大。等离子体主要用于以下三方面。等离子体冶炼：24 大大连连理理工工大大学学的的“电电子子束束、离离子子束束、激激光光束束材材料料改改性性国国家家重重点点实实验验室室”、中中国国科科学学院院等等离离子子物物理理研研究究所所和和北北京京交交通通大大学学机机电电学学院院在在这这方方面面做做了了很很好好的的工工作作。闻闻立立时时院院士士领领导导的的实实验室作出了杰出贡献。验室作出了杰出贡献。大连理工大学的大连理工大学的“三束材三束材料改性国家重点实验室料改性国家重点实验室”中科院等离子体物理研究所中科院等离子体物理研究所 大连理工大学的“电子束、离子束、激光束材料改性25 高温下的单晶生长和区域熔融提纯高温下的单晶生长和区域熔融提纯 高高温温往往往往伴伴随随着着高高压压。高高温温下下的的单单晶晶生生长长往往往往又又开开新新材材料料的的先先河河。例例如如，3英英寸寸6H-SiC晶晶棒棒就就是是在在籽籽晶晶温温度度2300、生生长长室室压压力力5105 121010 Pa、温温度度梯梯度度3050cm、Ar气气氛环境下生长的。氛环境下生长的。4英寸低位错锗单晶生长英寸低位错锗单晶生长200mm太太阳阳能能用用直直拉拉硅硅单单晶晶生生长长、BN坩坩埚埚中中的的AIN单单晶晶生生长长等等都都是这样。是这样。一些大单晶棒一些大单晶棒 高温下的单晶生长和区域熔融提纯 高温往往伴26 中中科科院院院院士士蒋蒋民民华华教教授授领领导导的的山山东东大大学学晶晶体体材材料料国国家家重重点点实验室为我国的晶体学发展做出了杰出贡献。实验室为我国的晶体学发展做出了杰出贡献。中科院院士蒋民华教授领导的山东大学晶体材料国家重点实27 高高温温下下的的单单晶晶生生长长也也叫叫熔熔体体生生长长。区区域域熔熔融融法法是是用用于于提提纯纯材材料料的的:熔熔区区被被限限制制在在一一段段狭狭窄窄范范围围内内，随随着着熔熔区区由由始始端端（经经常常加加籽籽晶晶）沿沿料料锭锭向向另另一一端端缓缓慢慢移移动动，晶晶体体生生长长过过程程也也逐逐渐渐完完成成。另另有有一一种种装装置置叫叫垂垂直直或或悬悬浮浮区区域域熔熔融融法。法。高温下的单晶生长也叫熔体生长。区域熔融法是用28 高温下的还原反应高温下的还原反应金属的两种制备方法金属的两种制备方法 高温下的还原反应金属的两种制备方法 29氢还原氢还原WO3大致可分三个阶段：大致可分三个阶段：2WO3+H2 =W2O5+H2OW2O5+H2 =2WO2+H2O WO2+2H2 =W+2H2O 用氢还原用氢还原WO3的管式炉的管式炉1-铁管；2-涂有耐热的石棉层；3-镍铬电热丝线圈；4-镍铬电热丝线圈四周涂的石棉与耐热混合涂料；5-异型耐热砖；6-熟耐热粒热绝缘层；7-铁壳；8-石棉热绝缘层；9-冷却器；10-塞子氢还原WO3大致可分三个阶段：2WO3+H2 =W30金属热还原法中注意事项金属热还原法中注意事项 选择还原用金属的原则显然可由高温合成的原理得知，比较生成自由能的大小作为依据。当可以用两种以上的金属作为还原剂时，应多考虑那些还原力强、易制得高纯度、副产物易与生成金属分离、不与生成金属生成合金的金属。反应时加入熔剂的目的是为了改变反应热并使熔渣有良好的流动性易于分离。此外，用Ca、Mg、Al作还原剂时，由于生成的CaO(m.p.2570)MgO(m.p.2800)Al2O3(m.p.2050)等都是高熔点化合物，单靠反应热是不能将其熔融的，须向反应体系中加入助熔剂以降低熔体的熔点易使金属易于凝集。常用的助熔剂有氟化物、氯化物或氧化物，冰晶石、石灰石等。要注意对反应生成物的处理。一般是将金属与熔渣的混合物取出捣碎，根据生成金属和熔渣的不同化学性质，用乙醇、水、酸或碱加以处理，以使熔渣与金属分离。最后剩下的金属粉末进行低温干燥。也有使用重液的分离方法。所渭重液分离方法就是利用大相对密度的液体将产物和副产物分离。金属热还原法中注意事项 选择还原用金属的原则31 自蔓延高温合成自蔓延高温合成 自蔓延高温合成的概念自蔓延高温合成的概念 自自蔓蔓延延高高温温合合成成材材料料制制备备是是指指利利用用原原料料本本身身的的热热能能来来制制备备材材料料。自自蔓蔓延延 高高 温温 合合 成成(Self-propagating High tempereture Synthesis,SHS）最最早早是是由由于于德德国国冶冶金金学学家家Goldschmidt在在1885年年发发现现很很多多金金属属氧氧化化物物与与铝铝混混合合加加热热时时都都可可以以被被还还原原，并并得得到到金金属属或或合合金金。在在此此基基础础上，出现了铝热反应冶金技术。上，出现了铝热反应冶金技术。自蔓延燃烧示意图自蔓延燃烧示意图 自蔓延高温合成 自蔓延高温合成的概念 32 自蔓延高温合成方法的优点自蔓延高温合成方法的优点 能能量量利利用用充充分分；产产品品纯纯度度高高，因因为为SHS能能产产生生15004000高温使其命大量杂质蒸发而除去；高温使其命大量杂质蒸发而除去；产产量量高高,因因为为反反应应传传播播速速度度可可达达0.115cms-1大大大大高高于于常规合成方法；常规合成方法；在在反反应应过过程程中中，材材料料经经历历了了很很大大的的温温度度变变化化，非非常常高高的的加加热热和和冷冷却却速速率率可可使使生生成成物物中中缺缺陷陷和和非非平平衡衡相相较较易易集集中中，因因此此某某些些产产物物比比用用传传统统方方法法制制造造的的产产物物更更具具有有活活性性，例例如如更更容容易易烧烧结结；可可以以制制造造某某些些非非化化学学汁汁量量比比的的产产品品、中中间间产产物物以以及介稳相等。及介稳相等。自蔓延高温合成方法的优点 能量利用充分；产品33铝热焊接铝热焊接 自蔓延高温合成的碳化钛微粉自蔓延高温合成的碳化钛微粉铝热焊接 自蔓延高温合成的碳化钛微粉34自蔓延高温合成与传统固相合成的比较自蔓延高温合成与传统固相合成的比较 SHS反应反应传统固相反应传统固相反应最高温度最高温度/150040002200反应传播速率反应传播速率/cm/s0.115很慢（以很慢（以cm/h计）计）合成带宽度合成带宽度/mm0.15.0较长较长加热速率加热速率/h10310（以燃烧波的形（以燃烧波的形式）式）8点火能量点火能量/W/cm2500-点火时间点火时间/s0.054-自蔓延高温合成与传统固相合成的比较 SHS反应传统固相反应最35 反应进行的关键反应进行的关键 反反应应进进行行的的关关键键是是引引燃燃（需需要要高高能能量量）。常常用用的的引引燃燃技技术术有以下几种：有以下几种：燃烧波点火：用钨丝或镍铬合全线圈作为点火剂点燃。燃烧波点火：用钨丝或镍铬合全线圈作为点火剂点燃。辐辐射射流流点点火火：用用氖氖灯灯等等作作为为辐辐射射源源，采采用用辐辐射射脉脉冲冲的的方式点火。方式点火。激激光光点点火火法法、火火花花点点火火、电电热热爆爆炸炸、微微波波能能点点火火、化化学学(自燃式自燃式)点火，及线性加热等。点火，及线性加热等。各类燃烧机用点火电极、各类燃烧机用点火电极、点火棒及高能点火装置点火棒及高能点火装置 反应进行的关键 反应进行的关键是引燃（需36 自蔓延高温合成技术自蔓延高温合成技术 制制粉粉技技术术：化化合合法法：气气体体合合成成化化合合物物或或复复合合化化合合物物粉粉末末的的制制备备；还还原原化化合合法法：由由氧氧化化物物或或矿矿物物原原料料、还还原原剂剂(镁镁等等)和和元元素素粉粉末末(或或气气体体)，经经还还原原过过程程制制备备成成高高质质量量可可用用于于陶陶瓷瓷及金属陶瓷制品的原料。及金属陶瓷制品的原料。热热爆爆技技术术：指指在在加加热热钟钟罩罩内内对对反反应应物物进进行行加加热热，达达到到一一定定温温度度后后，整整个个试试样样将将同同时时出出现现燃燃烧烧反反应应，合合成成可可在在瞬瞬间间完成。通常用来合成金属间化合物。完成。通常用来合成金属间化合物。烧烧结结技技术术：致致密密化化技技术术、熔熔铸铸、焊焊结结技技术术、涂涂层层技技术术等等。以以制制备备功功能能陶陶瓷瓷材材料料为为例例，使使用用致致密密技技术术能能将将制制粉粉、成成型与烧结三步合一，成为型与烧结三步合一，成为个崭新的制备路线。个崭新的制备路线。自蔓延高温合成技术 制粉技术：化合法：气体合成化合37 自蔓延高温合成技术的应用举例自蔓延高温合成技术的应用举例 针针对对空空间间实实验验能能源源紧紧缺缺的的矛矛盾盾和和空空间间实实验验费费用用高高昂昂的的限限制制，由由自自蔓蔓延延高高温温合合成成反反应应(SHS)所所释释放放的的高高温温高高热热将将可可以以作作为为很很好好的的空空间间实实验验加加热热源源，俗俗称称“化化学学炉炉”(Chemical Oven)。为为此此，人人们们设设计计了了利利用用特特殊殊的的两两固固态态SHS反反应应作作为为高高温温高高热热的的加加热热源源，炉炉温温可可达达3000多多度度，可可用用于于制制备备高高熔熔点点材材料料。两两固固态态无无气气SHS反反应应以以硼硼钛钛或或碳碳钛钛反反应应为为主主，产产热热效效率率高高。对对于于硼硼钛钛系系统统，要要得得到到302KJ热热量量所所需需化化学学物物质质不不到到60 g，再再加加上上点点燃燃电电池池共共约约100 g，而而用用电电热热丝丝法法仅仅银银欣欣电电池池至至少少需需836g。如如增增加加化化学学物物质质，在在同同样样负负载载条条件件下下，化化学学炉炉热热效效率率可提高可提高10倍左右。倍左右。自蔓延高温合成技术的应用举例 针对空间实验38 将将离离心心铸铸造造技技术术和和自自蔓蔓延延高高温温合合成成技技术术结结合合在在一一起起而而发发展展起起来来的的离离心心自自蔓蔓延延高高温温合合成成技技术术,具具有有工工艺艺与与设设备备简简单单、生生产产率率高高、节节能能和和成成本本低低等等特特点点,为为陶陶瓷瓷衬衬管管的的生生产产开开辟辟了了新新的的途途径径。以以北北京京科科技技大大学学为为技技术术依依托托单单位位的的“陶陶瓷瓷内内衬衬钢钢管管”列列为为“九九五五”国国家家科科技技成成果果重重点点推推广广项项目目,陶陶瓷瓷内内衬衬钢钢管管具具有有自自主主知知识识产产权权,已已形形成成规规模模生生产产能能力力,全全国国年年产产值值已已达达亿亿元元。中中国国陶陶瓷瓷衬衬管管的的生生产产和和应应用用上上已已走走在在了了世世界界前前列列，现现已已开开发发了了长长度度6 m,最最大大直直径径800 mm的的陶陶瓷瓷衬衬管管,其其陶陶瓷瓷层层密密度相当于度相当于-Al2O3理论密度的理论密度的85%90%。离心离心SHSSHS涂层复合管工艺原理涂层复合管工艺原理各种形状的陶瓷内衬钢管各种形状的陶瓷内衬钢管 将离心铸造技术和自蔓延高温合成技术结合在一39 2005年年，美美国国国国家家航航空空航航天天局局(NASA)将将注注意意力力集集中中到到了了空空间间探探测测领领域域，在在宇宇宙宙空空间间对对材材料料进进行行构构造造以以及及修修复复以以及及有有效效利利用用行行星星上上的的矿矿产产资资源源进进行行材材料料的的构构造造和和修修复复已已成成为为其其中中一一个个重重要要研研究究领领域域。自自蔓蔓延延高高温温合合成成技技术术即即为为这这一一领领域域打打开开了了一一扇扇创创新新之之门门，可可在在真真空空、低低或或微微重重力力环环境境下下合合成成、修修复复以以及及组组合合各各类类具具有有全全致致密密性性以以及及可可控控孔孔隙隙(20%-90%)的的先先进材料。进材料。2005年，美国国家航空航天局(NASA)403.3 高压合成高压合成3.3 高压合成413.3.1 概念与实例概念与实例 指指在在高高压压（经经常常还还有有高高温温）下下合合成成常常态态时时不不能能生生成成或或难难于于生生成成的的物物质质的的过过程程，它它不不仅仅可可以以帮帮助助人人们们从从更更深深的的层层次次去去了了解解常常压压条条件件下下的的物物理理现现象象和和性性质质，而而且且可可以以发发现现常常规规条条件件下下难难以以产产生生而而只只在在高高压压环环境境才才能能出出现现的的新新现现象象、新新规规律律、新新物物质、新性能、新材料。质、新性能、新材料。静静高高压压是是指指利利用用外外界界机机械械加加载载方方式式通通过过缓缓慢慢逐逐渐渐施施加加负负荷荷挤挤压压被被研研究究的的物物体体或或试试样样，当当其其体体积积缩缩小小时时在在物物体体或或试试样样内内部部产产生生的的高高压压；动动高高压压是是指指利利用用爆爆炸炸、强强放放电电等等产产生生的的冲冲击击波波在在sps的的瞬瞬间间以以很很高高的的速速度度作作用用到到物物体体上上，可可使使物物体内部压力达到几十体内部压力达到几十GPa甚至上千甚至上千GPa，同时伴随着骤然升温。，同时伴随着骤然升温。3.3.1 概念与实例 指在高压（经常还有高温42 一一个个单单元元系系或或二二元元系系物物质质，在在常常压压下下可可能能只只有有几几个个稳稳定定的的相相，但但在在高高压压下下大大部部分分可可变变为为成成分分相相同同的的高高压压相相或或新新成成分分的的高高压压相相；二二元元系系的的两两相相区区也也能能形形成成新新的的高高压压化化合合物物。它它们们具具有有不不同同的的结结构构，也也往往往往有有可可被被利利用用的的物物理理、化化学学、力学等性能。力学等性能。冰的相图冰的相图 一个单元系或二元系物质，在常压下可能只有几个稳43为什么高压合成时常常需要高温？为什么高压合成时常常需要高温？因因为为单单单单的的高高压压合合成成就就是是利利用用外外加加的的高高压压力力，使使物物质质产产生生多多型型相相转转变变或或发发生生不不同同物物质质问问的的化化合合，而而得得到到新新物物相相、新新化化合合物物或或新新材材料料。但但是是，当当施施加加的的外外高高压压卸卸掉掉之之后后，大大多多数数物物质质的的结结构构和和行行为为会会产产生生可可逆逆变变化化，又又失失去去高高压压状状态态的的结结构构和和性性质质。因因此此，通通常常的的高高压压合合成成都都采采用用高高压压和和高高温温两两种种条条件件交交加加，目目的的是是寻寻求求经经卸卸压压降降温温以以后后的的高高压压高高温温合合成成产产物物能能够够在在常压常温下保持其高压高温状态时的特殊结构和性能。常压常温下保持其高压高温状态时的特殊结构和性能。为什么高压合成时常常需要高温？因为单单的高压合443.3.2 高压的产生和测量高压的产生和测量 高压的产生高压的产生静压法静压法 静静压压法法是是指指利利用用外外界界机机械械加加载载压压力力的的方方式式，通通过过缓缓慢慢逐逐渐渐施施加加负负荷荷挤挤压压所所研研究究的的物物体体或或试试样样，当当其其体体积积缩缩小小时时，就就在物体或试样内部产生高压强。在物体或试样内部产生高压强。工业上常用的几种压力机工业上常用的几种压力机3.3.2 高压的产生和测量 高压的产生静压法 45常见的静高压产生装置常见的静高压产生装置 常见的静高压产生装置 46动高压动高压 动动高高压压就就是是利利用用爆爆炸炸(核核爆爆炸炸、火火药药爆爆炸炸等等)、强强放放电电等等产产生生的的冲冲击击波波，在在sps的的瞬瞬间间以以很很高高的的速速度度作作用用到到物物体体上上，可可使使物物体体内内部部压压力力达达到到几几十十GPa以以上上，甚甚至至几几干干GPa，同同时时伴伴随随着着骤骤然然升升温温。动动态态高高压压也也可可用用来来开开展展新新材材料料的的合合成成研研究究，但但因因受受条条件件的的限限制制，动动高高压压材材料料合合成成的的研研究究工工作作，开开展展得得还还不不多多。例例如如，1955年年，美美国国通通用用电电气气高高温温高高压压静静压压制制得得世世界界上上第第一一批批工工业业用用人人造造金金刚刚石石小小晶晶体体不不久久，杜杜邦邦公公司司发发明明了了爆爆炸炸法法，利利用用瞬瞬时时爆爆炸炸产产生生的的高高压压和和急急剧剧升升温温，也也获获得得了了几几毫毫米米大小的人造金刚石。大小的人造金刚石。核爆炸 火药爆炸 动高压 动高压就是利用爆炸(核爆炸、火药爆炸等47 高压的测量高压的测量 高高压压的的测测量量经经常常采采用用物物质质相相变变点点定定标标测测压压法法。利利用用国国际际公公认认的的某某些些物物质质的的相相变变压压力力作作为为定定标标点点，将将其其与与之之对对应应的的外外加加负负荷荷联联系系起起来来就就得得到到压压力力定定标标曲曲线线，即即可可对对高高压压腔腔内内式式样样所所受受 的的 压压 力力 进进 行行 定定 标标。通通 常常 是是 利利 用用 纯纯 金金 属属 Bi()(2.5GPa)、Ti()(3.67GPa)、Cs()(4.2GPa)、Ba()(5.3GPa)、Bi()(7.4GPa)等等相相变变时时电电阻阻发发生生跃跃变变的的压压力力值值作作为为定定标标点点。对对于于微微型型金金刚刚石石对对顶顶砧砧高高压压装装置置，常常采采用用红红宝宝石石荧荧光光的的R线线随随压压力力红红线线的的效效应应进进行定标测压，也有利用行定标测压，也有利用NaCl晶格常数随压力的变化来定标的。晶格常数随压力的变化来定标的。高压的测量 高压的测量经常采用物质相483.3.3 高压合成技术的广泛应用高压合成技术的广泛应用 人造金刚石的高压高温合成人造金刚石的高压高温合成天然金刚石天然金刚石常林钻石常林钻石 1937 年年和和1939 年年我我国国山山东东郯郯城城地地区区曾曾发发现现二二颗颗200ct 以以上上的的大大金金刚刚石石。1977 年年又又在在该该地地区区发发现现“常常林林钻钻石石”重重158.786ct,长长17.3毫米）。毫米）。3.3.3 高压合成技术的广泛应用 人造金刚石的高压高温49 金金刚刚石石是是至至今今自自然然界界已已知知的的最最硬硬的的材材料料，人人们们模模拟拟远远古古时时，当当熔熔岩岩冷冷却却固固化化时时产产生生的的高高压压和和当当时时的的高高温温，促促使使残残留留在在其其中中的的石石墨墨构构型型的的碳碳砖砖变变成成金金刚刚石石的的条条件件，开开展展了了人人工工合合成成金金刚刚石石的的广广泛泛研研究究。1962年年，人人们们在在不不加加催催化化剂剂，在在约约12.5GPa、3000K的条件下实现了静高压高温转变。的条件下实现了静高压高温转变。金刚石是至今自然界已知的最硬的材料，人们模拟远50 金金刚刚石石薄薄膜膜在在密密度度和和硬硬度度上上稍稍逊逊于于金金刚刚石石颗颗粒粒。但但其其耐耐磨磨性性也也是是数数一一数数二二，仅仅5微微米米厚厚的的薄薄膜膜，寿寿命命也也比比硬硬质质合合金金钢钢长长10倍倍以以上上。如如果果在在塑塑料料、玻玻璃璃的的外外面面用用金金刚刚石石薄薄膜膜做做耐耐磨磨涂涂层层，可可以以大大大大扩扩展展其其用用途途，开开发发性性能能优优越越又又经经济济的的产产品品。更更重重要要的的是是，薄薄膜膜的的出出现现使使金金刚刚石石的的应应用用突突破破了了只只能能作作为为切切削削工工具具的的樊樊篱篱，使使其其优优异异的热、电、声、光性能得以充分发挥。的热、电、声、光性能得以充分发挥。金刚石薄膜切割工具金刚石薄膜切割工具 金刚石薄膜金刚石薄膜 金刚石薄膜在密度和硬度上稍逊于金刚石颗粒。但51 1957年年，Wentorf Jr 等等人人将将类类似似于于石石墨墨结结构构的的六六角角氮氮化化硼硼做做起起始始原原料料，添添加加金金属属催催化化剂剂在在6.2GPa和和1650 K条条件件下下合合成成出出了了与与碳碳具具有有等等电电子子结结构构的的立立方方氮氮化化硼硼）。不不用用催催化化剂剂的的直直接接 转转 变变 条条 件件 为为 11.5GPa和和 2000 K。立立 方方 BN的的 硬硬 度度 为为45009000kg/mm2,仅仅次次于于金金刚刚石石（9000kg/mm2），但但具具有有优优于于金金刚刚石石的的化化学学稳稳定定性性。如如金金刚刚石石的的使使用用温温度度不不能能超超过过1073K,否否则则就就会会氧氧化化成成石石墨墨型型且且会会与与铁铁反反应应，而而立立方方BN在在1573 K以以上上的的高高温温下下也也不不会会被被氧氧化化、不不发发生生晶晶型型转转变变，所所以以在在以以钢钢、镍镍、钴钴为为基基质质的的耐耐热热材材料料的的高高速速切切削削中中，可可弥弥补补金金刚石的不足。刚石的不足。1957年，Wentorf Jr 等人将类似于52 石墨石墨 六角氮化硼六角氮化硼 金刚石金刚石 立方氮化硼立方氮化硼 石墨 六角氮化硼 金刚石 53 石英的高压高温多型相变石英的高压高温多型相变 柯柯石石英英、超超石石英英是是石石英英的的高高压压相相变变体体。常常温温常常压压下下生生成成的的石石英英，密密度度为为2.65，柯柯石石英英的的密密度度为为2.93，一一般般是是大大于于25109Pa压压力力下下生生成成的的；超超石石英英是是一一种种更更为为致致密密的的石石英英变变体体，密密度度为为4.28，具具金金红红石石型型结结构构，是是高高于于1.151GPa的的压压力力下下形形成成的的。二二者者都都是是准准稳稳定定态态的的结结晶晶物物，只只有有在在较较早早期期的的撞撞击击岩岩中才能找到。中才能找到。石英的高压高温多型相变 柯石英、超石英是石英54含有柯石英的榴辉岩含有柯石英的榴辉岩具金红石型结构的超石英具金红石型结构的超石英寻找和研究石英的多型相变体的目的何在？寻找和研究石英的多型相变体的目的何在？最最早早是是1953年年Coes以以-SiO2为为原原料料在在矿矿化化剂剂的的参参与与下下，利利用用3.5GPa和和2050 K 15小小时时的的高高压压高高温温条条件件得得到到了了柯柯石石英英。1962年年Chao等等又又在在 16.0 GPa和和15001700 K静静高高压压合合成成了了超超石石英英。静静高高压压合合成成柯柯石石英英的的压压力力和和温温度度的的实实验验条条件件是是提提出出地地球球板板块块折折返返假假说说的的基基础础，因因此此引引起起地地质质学学者者的的极极大大兴兴趣趣。他他们们在在许许多多地地方方找找到到了了含含柯柯石石英英的的矿矿石石，并并不不断断在在实实验验室室研研究究其其合成条件。合成条件。含有柯石英的榴辉岩具金红石型结构的超石英寻找和研究石英的多型55 复合双金属氧化物的高压高温合成复合双金属氧化物的高压高温合成 这这是是一一类类新新材材料料，广广泛泛的的应应用用在在催催化化剂剂、吸吸附附剂剂、陶陶瓷瓷颜颜料料、固固体体燃燃料料电电池池及及化化学学机机械械抛抛光光等等领领域域，已已成成为为合合成成化化学学家家研研究究的的热热点点。其其中中双双稀稀土土氧氧化化物物的的研研究究更更是是方方兴兴未未艾艾。高高压压腔腔内内的的高高温温高高压压反反应应条条件件不不仅仅可可使使常常压压高高温温下下难难以以合合成成的的双双稀稀土土氧氧化化物物容容易易得得到到，还还能能得得到到后后者者条条件件下下未未能能合合成成的的、自自然然界界尚尚未未发发现现的的新新物物质，如质，如EuTbO3,PrTbO3,PrTmO3等。等。高压腔高压组装件高压腔高压组装件1-液腊石柱；2-钼片；3-石墨坩埚；4-氮化硼坩埚；5-试样；6-液腊石；7-钢圈 复合双金属氧化物的高压高温合成 这是一类新56 一一般般的的，以以两两种种倍倍半半稀稀土土氧氧化化物物混混合合料料为为原原料料，不不加加催催化化剂剂，高高压压腔腔内内在在2.06.0GPa和和11001750K温温压压下下可可直直接接合合成成出出双双稀稀土土氧氧化化物物新新相相物物质质。例例如如，对对La2O3+Er2O3体体系系，在在常常压压、1550K下下保保温温192小小时时后后，得得到到的的主主要要是是C-(La,Er)O1.5固固熔熔体体，只只有有少少量量的的LaErO3；而而若若在在2.9GPa和和1550K温温压压下下30min就就可可得得到到纯纯LaErO3。常常压压和和1950K 下下上上百百小小时时都都不不反反应应的的Nb2O3+Yb2O3体体系系，高高温温高高压压反反应应条条件件下下可可迅迅速速反反应应生生成成NdYbO3，而而 La2O3+Lu2O3体体系系，更更是是在在510min 即即可可得得到到LaLuO3。一般的，以两种倍半稀土氧化物混合料为原料，不57 高高Tc金属氧化物超导体的合成金属氧化物超导体的合成 什么是超导体？什么是超导体？1911年年，K.Onnes首首次次观观察察到到超超导导现现象象。他他在在将将汞汞冷冷却却到到4.2K以以下下温温度度时时，发发现现金金属属汞汞的的电电阻阻突突然然降降低低到到极极小小值值。超超导导体体都都具具有有两两个个突突出出的的性性质质：一一是是临临界界温温度度以以下下的的电电阻阻为为零零；二二是是显显示示Meissner效效应应。人人们们熟熟知知的的磁磁悬悬浮浮列列车车和和核核磁磁共共振振成像技术就是超导技术的实际应用。成像技术就是超导技术的实际应用。超导体的排斥磁场效应超导体的排斥磁场效应金属汞的电阻金属汞的电阻-温度关系温度关系 高Tc金属氧化物超导体的合成 什么是超导体？58 20022002年年1212月月3131日，上海磁浮列车驶出浦东国际机场站日，上海磁浮列车驶出浦东国际机场站 2002年12月31日，上海磁浮列车驶出浦东国59 哪些元素是超导元素？哪些元素是超导元素？研研究究表表明明能能显显示示超超导导性性的的元元素素在在周周期期表表上上会会有有某某些些规规律律：铁铁磁磁性性金金属属Fe、Co和和Ni不不显显示示超超导导性性，碱碱金金属属和和钱钱币币金金属属Cu、Ag和和Au也也没没有有超超导导性性；任任何何金金属属本本身身不不可可能能既既具具有有铁铁磁磁性性又又具具有有超超导导性性；某某些些金金属属氧氧化化物物超超导导体体的的铁铁磁磁性性和和超超导导性性似似乎乎共共存存于于固固体体的的不不同同亚亚晶晶格格上上，超超导导性性往往往往出出现现在在组组成成处处于于金金属属导导电电相相与与半半导导体体（或或绝绝缘缘体体）相相的的交交界界区区。例例如如BaPb1-xBixO3。相的不稳定性与超相的不稳定性与超导性之间的关系示导性之间的关系示 意排斥磁场效应意排斥磁场效应 哪些元素是超导元素？研究表明能显示超导性60超导性元素在周期表中的分布超导性元素在周期表中的分布 超导性元素在周期表中的分布 61一些超导体的一些超导体的Tc元素元素Tc/K化合物化合物Tc/KZn0.88Nb3Ge23.2Cd0.56Nb3Sn18.0Hg4.15LiTiO413Pb7.19K0.4Ba0.6BiO329.8Nb9.50YBa2Cu3O795Tl2Ba2Ca2Cu3O10一些超导体的Tc元素Tc/K化合物Tc/KZn0.88Nb362 高温超导体高温超导体 1986年年才才发发现现了了高高温温超超导导体体。研研究究得得最最为为广广泛泛的的金金属属氧氧化化物物超超导导体体材材料料之之一一是是YBa2Cu3O7（根根据据分分子子式式中中金金属属原原子子的的比比例例非非正正式式的的成成作作“123”化化合合物物），其其结结构构相相当当于于失失去去部部分分晶晶格格O原原子子的的钙钛矿。钙钛矿。YBa2Cu3O7超导体的结构超导体的结构(a)金属原子的位置；（b）以金属原子为中心的氧多面体。与钙钛矿中金属离子的正八面体环境不同，“123”化合物中的金属离子具有平面四方型或四方锥配位环境 高温超导体 1986年才发现了高温超导体63 超导材料研究的最新热点超导材料研究的最新热点 在在2009年年10月月9日日的的自自然然杂杂志志上上，美美国国能能源源部部布布鲁鲁克克海海文文国国家家实实验验室室的的科科学学家家报报告告说说，他他们们成成功功利利用用多多种种铜铜氧氧化化物物材材料料，制制造造出出了了双双层层高高温温超超导导薄薄膜膜。尽尽管管任任何何一一层层材材料料本本身身都都不不具具有有超超导导电电性性，但但二二者者的的界界面面2-3纳纳米米厚厚的的范范围围内内却却展展现现出出了了一一个个超超导导区区域域。此此外外，研研究究人人员员还还进进一一步步证证实实了了，如如果果暴暴露露于于臭臭氧氧，该该双双层层材材料料的的超超导导临临界界温温度度可可以以提提升升到到超超过过50K，这这是是一一个个相相对对很很高高的的温度，更可能有实际的应用价值。温度，更可能有实际的应用价值。A.Gozar,D.A.Muller,I.Bozovic.Nature.2008,455:782 超导材料研究的最新热点 在2009年10月964铁基超导体领域取得重要进展铁基超导体领域取得重要进展 中中国国科科大大微微尺尺度度物物质质科科学学国国家家实实验验室室的的陈陈仙仙辉辉课课题题组组通通过过氧氧和和铁铁同同位位素素交交换换，研研究究SmFeAsO1-xFx和和Ba1-xKxFe2As2两两个个体体系系中中超超导导临临界界温温度度(Tc)和和自自旋旋密密度度波波转转变变温温度度(TSDW)的的变变化化，发发现现Tc的的氧氧同同位位素素效效应应非非常常小小，但但是是铁铁同同位位素素效效应应非非常常大大。令令人人惊惊奇奇的的是是，该该体体系系铁铁同同位位素素交交换换对对Tc和和TSDW具具有有相相同同的的效效应应。这这表表明明在在该该体体系系中中，电电-声声子子相相互互作作用用对对超超导导机机制制起起到到了了一一定定的的作作用用，但但是是并并不不是是简简单单的的电电-声声子子相相互互作作用用机机理理，可可能能还还存存在在自自旋旋与与声声子子的的耦耦合合。这这种种反反常常的的同同位位素素效效应应表表明明电电-声声子子相相互互作作用用在在铜铜氧氧化化合合物物中中也也同同样样非非常常重重要要。因因而而，该该发发现现表表明明，探探寻寻晶晶格格与与自自旋旋自自由由度度之之间间的的相相互互作作用用对对理理解解高高温温超导电性机理是非常重要的。超导电性机理是非常重要的。R.H.Liu,T.Wu,G.Wu,et al.Nature,2009,459:64 铁基超导体领域取得重要进展 中国科大微尺度物质65 学学界界之之前前基基于于铜铜氧氧化化合合物物高高温温超超导导体体的的二二维维层层状状晶晶体体结结构构，普普遍遍认认为为维维度度的的降降低低是是形形成成高高温温超超导导的的必必备备条条件件。最最新新研研究究z z证证明明：在在具具有有二二维维层层状状晶晶体体结结构构的的铁铁基基超超导导材材料料钡钡铁铁砷砷在在低低温温的的上上临临界界磁磁场场具具有有“各各向向同同性性”的的特特征征，也也就就是是说说该该材材料料的的超超导导上上临临界界磁磁场场不不依依赖赖于于外外加加磁磁场场的的方方向向，与与先先前前二二维维层层状状超超导导体体中中所所观观察察到到的的现现象象完完全全不不同同。这这是是首首次次在在二二维维层层状状的的超超导导材材料料中中报报道道三三维维的的超超导导特特性性。研研究究则则表表明明，低低维维的的晶晶体体结结构构可可能能更更有有利利于于高高温温超超导导的的形形成成，但但它它并并不不是是形形成成高高温温超超导导的的唯唯一一因因素素。铁铁基基超超导导材材料料虽虽然然也也具具有有二二维维层层状状的的晶晶体体结结构构，但但其其电电子子结结构构可可能能更更接接近近于于三三维维，铁铁基基高高温温超超导导的形成应该与其独特的电子结构有关。的形成应该与其独特的电子结构有关。H.Q.Yuan,J.Singleton,F.F.Balakirev,et al.Nature,2009,457:565 学界之前基于铜氧化合物高温超导体的二维层状晶体结构，66本章习题本章习题1.1.温温度度与与物物性性有有什什么么样样的的的的关关系系？什什么么是是物物 质的第五态？质的第五态？2 2.为为什什么么稀稀有有气气体体化化合合物物总总是是在在低低温温或或超超低低温温 下合成？下合成？3 3.实实验验室室中中，获获得得低低温温的的方方法法或或低低温温源源装装置置 有哪几种？各举一例。有哪几种？各举一例。4 4.在在X Xe e的的氟氟化化物物制制备备中中，为为什什么么系系统统要要严严格格地地 隔隔绝绝湿湿气气，所所用用仪仪器器、管管路路也也应应是是防防爆爆的的，并且要用镍和蒙铜制品制作？并且要用镍和蒙铜制品制作？5 5.为为什什么么任任何何碱碱金金属属与与液液氨氨反反应应后后溶溶液液都都具具有有 同同一一吸吸收收波波长长的的蓝蓝光光？核核心心物物种种是是什什么么？如如 何证明？何证明？6 6.在在氨氨基基钠钠的的制制备备中中，为为什什么么特特别别强强调调整整个个装装 置的连接都是不允许漏气的？置的连接都是不允许漏气的？本章习题温度与物性有什么样的的关系？什么是物677.7.一般来说，非金属化合物的反应不会很完一般来说，非金属化合物的反应不会很完 全，并且副反应较多。简述它们低温分离全，并且副反应较多。简述它们低温分离 的主要方法。的主要方法。8.8.什么是金属陶瓷？有何特殊