现代无机合成课件

现现 代代 无无 机机 合合 成成向军辉向军辉中国科学院大学中国科学院大学材料材料学院学院学园二学园二205室室2第一章第一章 高温合成高温合成1.各种高温设备；各种高温设备；2.高温测量方法；高温测量方法；3.高温合成反应的种类。高温合成反应的种类。3获得高温的方法及其温度获得高温的方法及其温度获得高温的方法获得高温的方法温度温度/K高温电阻炉高温电阻炉1,273 3,273聚焦炉聚焦炉4,000 6,000闪光放电闪光放电 4,273等离子体电弧等离子体电弧20,000激光激光105 106原子核裂变及聚变原子核裂变及聚变106 109高温粒子高温粒子1010 101441 高温反应设备高温反应设备v电阻炉电阻炉v感应炉感应炉v电弧炉电弧炉v放电等离子烧结炉（放电等离子烧结炉（Spark Plasma Sintering）51.1 电阻炉电阻炉v简介：最常见的加热设备。具有结构简单，使用方便，温度简介：最常见的加热设备。具有结构简单，使用方便，温度精确可控等优点。精确可控等优点。v工作原理：利用发热体加热。工作原理：利用发热体加热。v电阻材料：石墨，金属，氧化物，等等。电阻材料：石墨，金属，氧化物，等等。6各种电阻材料及其最高工作温度各种电阻材料及其最高工作温度发热体发热体最高温度最高温度/镍铬丝镍铬丝1060硅碳棒硅碳棒1400铂丝铂丝1400铂铑合金铂铑合金1540钼丝钼丝1650硅钼棒硅钼棒1700钨丝钨丝1700发热体发热体最高温度最高温度/ThO2/CeO21850ThO2/La2O31950钽丝钽丝2000ZrO22400碳管碳管2500石墨棒石墨棒2500钨管钨管30007电阻炉实物图片电阻炉实物图片81.2 感应炉感应炉v简介：也称高频感应加热设备，主要用于简介：也称高频感应加热设备，主要用于金属金属、导电材料导电材料的的热处理、粉末热压烧结和真空熔炼等。热处理、粉末热压烧结和真空熔炼等。v特点：升温速度快，操作方便、清洁，并且可准确控制实现特点：升温速度快，操作方便、清洁，并且可准确控制实现局部加热。局部加热。v工作原理：以工作原理：以交流线圈交流线圈为加热部件，将被加热的导体置于线为加热部件，将被加热的导体置于线圈内。在线圈上通以交流电，在被加热的导体内产生感应电圈内。在线圈上通以交流电，在被加热的导体内产生感应电流流涡流。由于交流电方向变化导致涡流方向变化，电能涡流。由于交流电方向变化导致涡流方向变化，电能转化为热能，实现被加热导体的迅速升温。转化为热能，实现被加热导体的迅速升温。9简易感应炉简易感应炉10工业用感应炉工业用感应炉11感应炉感应炉 VS 电阻炉电阻炉v感应炉：感应炉：1.最高使用温度最高使用温度2500；2.炉膛寿命长，基本不需要维护；炉膛寿命长，基本不需要维护；3.发热体与外界不接触，炉膛结发热体与外界不接触，炉膛结构密实，保温性能好；构密实，保温性能好；4.节能。节能。v电阻炉：电阻炉：1.最高使用温度最高使用温度1800 2000；2.需要经常更换发热体和电接头需要经常更换发热体和电接头部分；部分；3.发热体与外界有接触，炉膛保发热体与外界有接触，炉膛保温性能相对较差；温性能相对较差；4.能耗较大。能耗较大。12应用范围应用范围v金属表面热处理；金属表面热处理；v感应焊接；感应焊接；v铸造熔炼；铸造熔炼；v锻造锻造/轧制毛坯加热；轧制毛坯加热；v金属材料空中悬浮熔炼；金属材料空中悬浮熔炼；v复合材料加热。复合材料加热。131.3 电弧炉电弧炉v简介：一般用于金属冶炼、磨具磨料工业。目前也用于大块非晶材料的简介：一般用于金属冶炼、磨具磨料工业。目前也用于大块非晶材料的制备。其优点是熔化固体炉料的能力强，具有大吨位生产的能力。缺点制备。其优点是熔化固体炉料的能力强，具有大吨位生产的能力。缺点是耗电量大，不利于电网容量小的国家和地区推广。是耗电量大，不利于电网容量小的国家和地区推广。v工作原理：利用电极间的电弧放电进行加热。工作原理：利用电极间的电弧放电进行加热。v电极材料：石墨。电极材料：石墨。v分类：分类：交流电弧炉交流电弧炉直流电弧炉直流电弧炉14电弧炉图示电弧炉图示1-倾炉液压缸倾炉液压缸 2-倾炉摇架倾炉摇架 3-炉门炉门 4-熔池熔池 5-炉盖炉盖 6-电极电极 7-电极夹紧器电极夹紧器 8-炉体炉体 9-电弧电弧 10-出钢槽出钢槽 15直流直流 VS 交流交流直流电弧炉直流电弧炉交流电弧炉交流电弧炉电极损耗电极损耗小小大大电网干扰电网干扰小小大大熔池温度熔池温度均匀均匀较不均匀较不均匀炉体结构炉体结构简单简单复杂复杂炉体容量炉体容量大大小小消耗电能消耗电能少少多多161.4 放电等离子烧结炉（放电等离子烧结炉（SPS）v简介：放电等离子烧结（简介：放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS），又称等离），又称等离子活化烧结（子活化烧结（Plasma Activated Sintering，PAS）或等离子辅助烧结）或等离子辅助烧结（Plasma Assisted Sintering，PAS）。是九十年代兴起的一种高温制）。是九十年代兴起的一种高温制备新技术。备新技术。1930196519881990v特点：快速、特点：快速、低温低温、节能、环保，等等。、节能、环保，等等。v工作原理：利用脉冲大电流直接施加于石墨模具和样品，产生体加热，工作原理：利用脉冲大电流直接施加于石墨模具和样品，产生体加热，实现样品的快速升温。同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应，净化颗实现样品的快速升温。同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应，净化颗粒表面，实现快速烧结。粒表面，实现快速烧结。17等离子体的获得方式等离子体的获得方式物质状态物质状态固固 态态液液 态态气气 态态等离子态等离子态加加 热热放放 电电光激励光激励直流放电直流放电射频放电射频放电微波放电微波放电获得方式获得方式18SPS装置装置v轴向压力装置；轴向压力装置；v水冷冲头电极；水冷冲头电极；v真空腔体；真空腔体；v气氛控制系统（真空，氩气）；气氛控制系统（真空，氩气）；v直流脉冲电源及冷却水；直流脉冲电源及冷却水；v监测控制系统。监测控制系统。19SPS内部装置示意图内部装置示意图1 电极；电极；2 冲头；冲头；3 模腔；模腔；4 样品粉末样品粉末20脉冲放电的作用效果脉冲放电的作用效果脉冲电压脉冲电压开开关关现象现象效果效果技术优势技术优势产生放电等离子产生放电等离子蒸发、熔化、纯化蒸发、熔化、纯化产生放电冲击压力产生放电冲击压力局部应力和喷发局部应力和喷发产生焦耳热产生焦耳热局部高温局部高温电场作用电场作用高速等离子迁移高速等离子迁移脉冲电流和电压脉冲电流和电压热扩散热扩散热由高温点转移热由高温点转移低温、短时烧结低温、短时烧结烧结难熔材料烧结难熔材料（不需催化剂）（不需催化剂）连接不相容材料连接不相容材料短时烧结短时烧结短时均匀烧结短时均匀烧结烧结非晶材料烧结非晶材料烧结纳米材料烧结纳米材料低温烧结低温烧结表面活化表面活化高速扩散高速扩散高速材料转移高速材料转移有效加热有效加热塑性变形提高塑性变形提高高密度能量供应高密度能量供应放电点的弥散运动放电点的弥散运动晶内快速冷却晶内快速冷却晶内快速冷却晶内快速冷却21反应机理反应机理v颗粒间放电说：颗粒间放电激发等离子体，可以解释导电性颗粒间放电说：颗粒间放电激发等离子体，可以解释导电性材料的反应，无法解释非导电性材料的反应；材料的反应，无法解释非导电性材料的反应；v放电热传导说：导电性材料中存在放电效应与热效应，非放电热传导说：导电性材料中存在放电效应与热效应，非导电性材料的反应源于模具的热传导，无法解释与其他方法导电性材料的反应源于模具的热传导，无法解释与其他方法的区别；的区别；v诱导电磁波说：导体、非导体在反应过程中都出现诱导电磁诱导电磁波说：导体、非导体在反应过程中都出现诱导电磁波，未能给出诱导电磁波的产生机制。波，未能给出诱导电磁波的产生机制。22SPS技术的应用技术的应用v纳米材料；纳米材料；v梯度功能材料；梯度功能材料；v先进陶瓷材料；先进陶瓷材料；v磁性材料；磁性材料；v大块非晶合金材料；大块非晶合金材料；v其他材料。其他材料。23纳米材料的制备纳米材料的制备v纳米材料制备存在的问题：利用传统的方法，如热压、热等静压烧结等等，难以纳米材料制备存在的问题：利用传统的方法，如热压、热等静压烧结等等，难以在保证晶粒尺寸为纳米级别的同时达到完全致密化。在保证晶粒尺寸为纳米级别的同时达到完全致密化。vSPS技术：在有效阻止晶粒长大的同时达到完全致密化。技术：在有效阻止晶粒长大的同时达到完全致密化。v以超细以超细SiC的烧结为例：的烧结为例：热压烧结热压烧结SPS烧结烧结相对密度相对密度/92 9399显微韦氏硬度显微韦氏硬度/GPa.mm-223.0 29.028.6断裂韧性断裂韧性/MPa.m1/23.2 4.24.724梯度功能材料的制备梯度功能材料的制备v梯度功能材料的特点：组份存在梯度变化。梯度功能材料的特点：组份存在梯度变化。v难点：由于不同组份的烧结温度不同，利用传统方法难以一难点：由于不同组份的烧结温度不同，利用传统方法难以一次烧成；利用次烧成；利用CVD、PVD等方法，成本昂贵，难以实现工业等方法，成本昂贵，难以实现工业化生产。化生产。vSPS技术：能够以较低的成本实现一次烧成。技术：能够以较低的成本实现一次烧成。25梯度功能材料的梯度功能材料的SPS烧结烧结PSZ/Ti梯度材料梯度材料26非晶合金材料的制备非晶合金材料的制备v非晶合金材料的制备关键：针对合金成分，选择适当的条件，非晶合金材料的制备关键：针对合金成分，选择适当的条件，保证合金具有极低的非晶形成临界冷却速度，提高形成非晶保证合金具有极低的非晶形成临界冷却速度，提高形成非晶的能力。的能力。vSPS技术：利用脉冲过程中晶内快速冷却的特点制备非晶合技术：利用脉冲过程中晶内快速冷却的特点制备非晶合金材料。金材料。27SPS技术制备其他材料技术制备其他材料v先进陶瓷材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化；先进陶瓷材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化；v磁性材料：追求晶粒细化；磁性材料：追求晶粒细化；v热电材料：追求成分梯度化；热电材料：追求成分梯度化；v铁电材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化。铁电材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化。28SPS技术的优势技术的优势v加热均匀，升温速度快；加热均匀，升温速度快；v烧结温度低；烧结温度低；v烧结时间短；烧结时间短；v生产效率高；生产效率高；v产物显微组织细小均匀，能保持产物显微组织细小均匀，能保持原材料的自然状态；原材料的自然状态；v可以得到高致密度的材料；可以得到高致密度的材料；v操作简单，自动化程度高。操作简单，自动化程度高。29发展趋势发展趋势vSPS是一种低温、短时的快速烧结法，可用于制备金属、陶瓷、纳米材是一种低温、短时的快速烧结法，可用于制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料等等，将在无机化合物的合成与新材料的研究与生产中发料、非晶材料等等，将在无机化合物的合成与新材料的研究与生产中发挥重要作用；挥重要作用；vSPS的基础理论还有待进一步研究完善，反应设备向多功能、高脉冲容的基础理论还有待进一步研究完善，反应设备向多功能、高脉冲容量发展，适应形状复杂、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产要求；量发展，适应形状复杂、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产要求；v开发强度更高、重复使用率更好的模具材料，提高模具的承载能力并降开发强度更高、重复使用率更好的模具材料，提高模具的承载能力并降低模具费用；低模具费用；v针对不同材料体系，寻找确定反应规律，更好的控制产品质量。针对不同材料体系，寻找确定反应规律，更好的控制产品质量。302 温度测试设备温度测试设备液体膨胀式液体膨胀式固体膨胀式固体膨胀式膨胀式温度计膨胀式温度计液体型液体型气体型气体型蒸汽型蒸汽型压力式温度计压力式温度计铂电阻铂电阻铜电阻铜电阻特殊电阻特殊电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻热电阻温度计热电阻温度计铂铑铂铂铑铂镍铬镍硅（镍铝）镍铬镍硅（镍铝）镍铬康铜镍铬康铜特殊热电偶特殊热电偶热电偶热电偶接触式接触式辐射高温计辐射高温计比色高温计比色高温计光学高温计（亮度高温计）光学高温计（亮度高温计）非接触式非接触式测温仪表测温仪表312.1 温标的建立与发展温标的建立与发展v在高温测量方面，古代人们在烧窑和冶炼时通过观察火焰和被加热物体的颜色判在高温测量方面，古代人们在烧窑和冶炼时通过观察火焰和被加热物体的颜色判断温度，利用陶土制作的断温度，利用陶土制作的熔锥熔锥在高温下的弯曲程度判定温度；在高温下的弯曲程度判定温度；v1714年，德国物理学家华伦海特（年，德国物理学家华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit），华氏水银温），华氏水银温度计（冰点度计（冰点32度，沸点度，沸点212度，间隔度，间隔180度）；度）；v1742 1745年，瑞典的摄耳修斯（年，瑞典的摄耳修斯（Celsius）、林奈，摄氏水银温度计（冰点）、林奈，摄氏水银温度计（冰点0度，沸点度，沸点100度，间隔度，间隔100度）；度）；v1802年，气体温度计；年，气体温度计；v1821年，德国的塞贝克（年，德国的塞贝克（Seebeck）发现热电效应，英国的戴维尔发现电阻随）发现热电效应，英国的戴维尔发现电阻随温度变化的规律，随后出现热电偶温度计和热电阻温度计温度变化的规律，随后出现热电偶温度计和热电阻温度计v20世纪初，出现辐射温度计和光学高温计；世纪初，出现辐射温度计和光学高温计；v各种现代测温仪，如热像仪，激光测温仪等等。各种现代测温仪，如热像仪，激光测温仪等等。322.2 热电偶热电偶v工作原理：由两种不同的均质导体形成回路，用于直接测工作原理：由两种不同的均质导体形成回路，用于直接测量的一端称为测量端，接线的一端称为参比端。当两端存量的一端称为测量端，接线的一端称为参比端。当两端存在温差时，就会在回路中产生热电流（在温差时，就会在回路中产生热电流（Seebeck效应效应），），同时两端之间存在热电势。该热电势的大小只与热电偶导同时两端之间存在热电势。该热电势的大小只与热电偶导体材质和两端之间的温差有关。因此可以用于测定温度。体材质和两端之间的温差有关。因此可以用于测定温度。33热电偶的特点热电偶的特点1.体积小，重量轻，结构简单，使用方便；体积小，重量轻，结构简单，使用方便；2.热响应快；热响应快；3.适用温度范围广，可在室温至适用温度范围广，可在室温至2000甚至甚至3000区间工作；区间工作；4.耐冲击、耐震动性好。耐冲击、耐震动性好。34几种热电偶材料及其工作温度几种热电偶材料及其工作温度352.3 光学高温计光学高温计v工作原理：利用受热物体的单波辐射强度（即物体的单色工作原理：利用受热物体的单波辐射强度（即物体的单色亮度）随温度升高而增加的特性进行高温测量。亮度）随温度升高而增加的特性进行高温测量。36光学高温计的特点光学高温计的特点1.使用方便，测量迅速；使用方便，测量迅速；2.工作范围宽，可以测定工作范围宽，可以测定700 6000的高温；的高温；3.测量精度高，误差可在测量精度高，误差可在10以内。以内。4.无需与被测物质接触，适用于热电偶不能或不方便使用的无需与被测物质接触，适用于热电偶不能或不方便使用的场合。场合。373 高温合成反应的类型高温合成反应的类型v高温固相反应；高温固相反应；v高温固气反应；高温固气反应；v高温化学转移反应；高温化学转移反应；v高温熔炼和合金制备；高温熔炼和合金制备；v高温相变反应；高温相变反应；v高温熔盐电解；高温熔盐电解；v等离子体激光、聚焦等作用等离子体激光、聚焦等作用下的超高温合成；下的超高温合成；v高温下单晶生长和区域熔融高温下单晶生长和区域熔融提纯。提纯。