第3章 材料合成與制備的環(huán)境參量

2023/2/4/19:28:08第三章材料合成與制備的環(huán)境參量材料合成與制備是在一定環(huán)境中進(jìn)行的。環(huán)境參量，如溫度、壓強(qiáng)、氣氛、重力等，對于材料合成與制備有著巨大的甚至是決定性的影響。認(rèn)識這些影響，并且人為地調(diào)控各種環(huán)境參數(shù)，是材料合成與制備的重要環(huán)節(jié)，也是材料合成與制備科學(xué)的主要研究對象之一。2023/2/4/19:28:083.1溫度溫度表征物體的冷熱程度。溫度也是分子平均動能的度量。其中：T為溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，為理想氣體分子的平均動能。2023/2/4/19:28:08材料合成與制備中溫度是關(guān)鍵的可調(diào)控參量

晶體熔化過程中，從有序的晶格出發(fā)，原子的挪動不僅使晶格坐位上的原子發(fā)生重新排列，而且導(dǎo)致了晶格的徹底瓦解。高溫下的晶體，雖然存在不規(guī)則的熱運(yùn)動，但原子仍停留在晶格的坐位附近。轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，晶格已經(jīng)不復(fù)存在，原子的位置分布是無規(guī)的，體現(xiàn)了位置無序性，而且原子并不定局域于某個特定的位置上。例：熔體制備晶體或玻璃（1）2023/2/4/19:28:08例：熔體制備晶體或玻璃（2）在固相到液相的相變過程中：

當(dāng)液體冷卻到熔點(diǎn)Tm時，并不會立即凝固或結(jié)晶，而是先以過冷液體的形式存在于熔點(diǎn)之下。

新的晶相形成，首先要經(jīng)過成核階段，即在局部形成小塊晶核。由于晶核尺寸很小，表面能將占很大的比例，因而將形成能量的壁壘。因此，在熔點(diǎn)之上，成核是不可能實(shí)現(xiàn)的。只有當(dāng)溫度下降至熔點(diǎn)以下，即存在一定的過冷度時，成核的幾率才大于零。2023/2/4/19:28:08例：熔體制備晶體或玻璃（3）晶核形成后，晶核的長大就主要依靠原子的擴(kuò)散過程。因此，結(jié)晶的速率既和成核的幾率有關(guān)，又和長大的速率有關(guān)。前者取決于過冷度的大小，后者則取決于溫度的高低。如果從液相冷卻下來的速率足夠快的話，過冷液相就將避免結(jié)晶而形成玻璃態(tài)。結(jié)晶與形成玻璃態(tài)，均取決于溫度和降溫速率。2023/2/4/19:28:08例：固相反應(yīng)固相反應(yīng)開始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點(diǎn)或系統(tǒng)的低共熔點(diǎn)。這一溫度與反應(yīng)物內(nèi)部開始明顯擴(kuò)散作用的溫度是相一致的，常稱為泰曼溫度或燒結(jié)溫度。不同物質(zhì)的泰曼溫度與其熔點(diǎn)Tm間存在一定的關(guān)系。無論是反應(yīng)控制的固相反應(yīng)還是擴(kuò)散控制的固相反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)與溫度間均存在著阿倫紐斯形式的關(guān)系：其中，K0

為常數(shù)，△G為活化能，R為氣體常數(shù).2023/2/4/19:28:08材料合成與制備中溫度是關(guān)鍵的可調(diào)控參量

溫度對于材料中的相變、燒結(jié)等材料合成與制備中的關(guān)鍵過程無論在熱力學(xué)還是動力學(xué)上都產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。2023/2/4/19:28:083.1.1化學(xué)合成中常用的加熱方法當(dāng)化合物發(fā)生反應(yīng)時，一般情況下升高溫度則反應(yīng)速度加快。大體上溫度每升高l0°C，反應(yīng)速度就要增加一倍。因此，為了增加反應(yīng)速度，往往需要在加熱下進(jìn)行反應(yīng)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室中常用的熱源有煤氣燈、酒精燈和電爐等。必須注意，玻璃儀器一般不能用火焰直接加熱。因?yàn)閯×业臏囟茸兓图訜岵痪鶆驎斐刹Ａx器的損壞。同時，由于局部過熱，還可能引起有機(jī)化合物的部分分解。2023/2/4/19:28:08化學(xué)合成中常用的加熱方法最簡便的是通過石棉網(wǎng)進(jìn)行加熱。但這種加熱仍很不均勻，故在減壓蒸餾或回流低沸點(diǎn)易燃物等操作中就不能應(yīng)用。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，為了保證加熱均勻，經(jīng)常選用熱浴來進(jìn)行間接加熱(熱浴的液面高度皆應(yīng)略高于容器中的液面)。2023/2/4/19:28:08化學(xué)合成中常用的加熱方法(1)水?。寒?dāng)需要的加熱溫度在80°C以下時，可將容器浸入水浴中(注意：勿使容器觸及水浴底部)，小心加熱以保持所需的溫度。但是若要長時間加熱，水浴中的水總難免氣化外逸，在這種情況下，可采用附加自動添水裝置的水浴。若需要加熱到100°C時，可以用沸水浴或水蒸汽浴。2023/2/4/19:28:08化學(xué)合成中常用的加熱方法(2)油浴：在100-250°C范圍內(nèi)加熱，可以用油浴。油浴所能達(dá)到的最高溫度取決于所用油的種類。在植物油中加入1％的對苯二酚，便可增加它們在受熱時的穩(wěn)定性。透明石蠟油可加熱到220°C，溫度過高并不分解，但易燃燒。甘油和鄰苯二甲酸二正丁酯適用于加熱140-150°C，溫度過高則易分解。硅油和真空泵油在250°C附近仍較穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)指出，用油浴加熱時，油浴中應(yīng)放溫度計(jì)，以便及時調(diào)節(jié)燈焰，防止溫度過高。此外，蠟或石蠟也可用作油浴的浴液，可以加熱到220°C。它的優(yōu)點(diǎn)是在室溫時是固體，便于貯藏，但是加熱完畢后，在它們冷凝成固體前，應(yīng)先取出浸于其中的容器。2023/2/4/19:28:08化學(xué)合成中常用的加熱方法(3)砂?。杭訜釡囟缺仨氝_(dá)到數(shù)百度以上時往往使用砂浴。將清潔而又干燥的細(xì)砂平鋪在鐵盤上，盛有液體的容器埋入砂中，在鐵盤下加熱，液體就間接受熱。由于砂對熱的傳導(dǎo)能力較差而散熱卻快，所以容器底部與砂浴接觸處的砂層要薄些，使易受熱；容器周圍與砂接觸的部分，可用較厚的砂層，使其不易散熱。

但砂浴由于散熱太快，溫度上升較慢，且不易控制而使用不廣。2023/2/4/19:28:08化學(xué)合成中常用的加熱方法(4)空氣?。悍悬c(diǎn)在80°C以上的液體原則上均可采用空氣浴加熱。最簡便的空氣浴可用下法制作：取空的鐵罐一只，罐口邊緣剪光后，在罐的底層打數(shù)行小孔，另將圓形石棉片(直徑略小于罐的直徑，厚約2~3mm)放入罐中，使其蓋在小孔上，罐的四周用石棉布包裹。另取直徑略大于罐口的石棉板(厚約2~4mm)一塊，在其中挖一個洞(洞的直徑接近于蒸餾瓶或其他容器頸部的直徑)，然后對切為二，加熱時用以蓋住罐口。使用時將此空氣浴放置在鐵三腳架上，用燈焰加熱即可。注意蒸餾瓶或其他容器在罐中切勿觸及罐底。2023/2/4/19:28:08化學(xué)合成中常用的加熱方法當(dāng)物質(zhì)在高溫加熱時，也可以使用熔融的鹽.如等重量的硝酸鈉和硝酸鉀混合物在218°C熔化，在700°C以下是穩(wěn)定的。含有40％亞硝酸鈉、7%硝酸鈉和53%硝酸鉀的混合物在142°C熔化，使用范150-500°C。必須注意若熔融的鹽觸及皮膚，會引起嚴(yán)重的燒傷。所以在使用時，應(yīng)當(dāng)倍加小心，并盡可能防止溢出或飛濺。2023/2/4/19:28:083.1.2高溫的獲得與測量方法一般稱獲得高溫的設(shè)備為高溫爐。高溫爐就用途不同可分為工業(yè)爐和實(shí)驗(yàn)用爐。高溫爐的爐體是由各種耐火材料砌成，能源可采用固體、氣體、液體、電?，F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)上多用火焰窯爐。電爐與火焰爐相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如清潔環(huán)保、熱效率高，爐溫調(diào)控精確、便于實(shí)驗(yàn)工藝控制等。2023/2/4/19:28:08電爐(1)電阻爐：

當(dāng)電流流過導(dǎo)體時，因?yàn)閷?dǎo)體存在電阻，于是產(chǎn)生焦耳熱，就成為電阻爐的熱源。一般供發(fā)熱用的導(dǎo)體的電阻值是比較穩(wěn)定的，如果在穩(wěn)定電源作用下，并且具備穩(wěn)定的散熱條件，則電阻爐的溫度是容易控制的。電阻爐設(shè)備簡單、易于制作、溫度性能好，故在實(shí)驗(yàn)室中用得最多。實(shí)驗(yàn)使用的高溫爐基本上都是電爐2023/2/4/19:28:08電爐(2)感應(yīng)爐：在線圈中放一導(dǎo)體，當(dāng)線圈中通以交流電時，在導(dǎo)體中便被感應(yīng)出電流，借助于導(dǎo)體的電阻而發(fā)熱。若試料為絕緣體時，則必須通過發(fā)熱體(導(dǎo)體)間接加熱。感應(yīng)加熱時無電極接觸，便于被加熱體系密封與氣氛控制，故實(shí)驗(yàn)室中也有較多使用。感應(yīng)爐按其工作電源頻率的不同有中頻與高頻之分，前者多用于工業(yè)熔煉，實(shí)驗(yàn)室多用高頻爐，其電源頻率為10—100kHz。供高頻爐加熱用的感應(yīng)圈是中空銅管制成，管內(nèi)通水冷卻。2023/2/4/19:28:08電爐(3)電弧爐和等離子爐：電弧爐是利用電弧弧光為熱源加熱物體的，它廣泛用于工業(yè)熔煉爐。在實(shí)驗(yàn)室中，為了熔化高熔點(diǎn)金屬，常使用小型電弧爐。等離子爐是利用氣體分子在電弧區(qū)高溫(5000K)作用下，離解為陽離子和自由電子而達(dá)到極高的溫度(10000K)。2023/2/4/19:28:08電爐(4)電子束爐：電子束在強(qiáng)電場作用下射向陽極，由于電子束沖擊的巨大能量，使陽極產(chǎn)生很高的溫度。多用來在真空中熔化難熔材料。在直流高壓下，電子沖擊會產(chǎn)生X光輻射，對人體有害，故一般不希望采用過高的電子加速電壓。常用的加速電壓為數(shù)千伏，電流為數(shù)百毫安。可通過改變燈絲電流而調(diào)整功率輸出，故電子束爐比電弧爐的溫度容易控制，但它僅適于局部加熱和在真空條件下使用。2023/2/4/19:28:08電爐(5)利用熱輻射的加熱設(shè)備：一般的高溫爐，發(fā)熱體與試料間的熱傳導(dǎo)是通過輻射和對流達(dá)到的。輻射加熱方式的特點(diǎn)是使發(fā)熱體與試料遠(yuǎn)離，便于在加熱過程中對試料進(jìn)行各種操作。由于熱輻射的速度很快，又無通常爐體的熱惰性，故輻射爐有利于試料的迅速加熱和冷卻。2023/2/4/19:28:08無機(jī)材料合成中應(yīng)用的高溫爐特點(diǎn)能達(dá)到足夠高的溫度，有合適的溫度分布；爐溫易于測量與控制；爐體結(jié)構(gòu)簡單靈活，便于制作；爐膛易于密封與氣氛調(diào)整。各種高溫爐及其能達(dá)到的溫度2023/2/4/19:28:08電阻爐的發(fā)熱元件－－電熱體(1)Ni-Cr和Fe-Cr-A1合金電熱體：在1000－1300°C高溫范圍內(nèi)，在空氣中使用最多的發(fā)熱元件。它們具有抗氧化、價格便宜、易加工、電阻大和電阻溫度系數(shù)小等特點(diǎn)。Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金有較好的抗氧化性，在高溫下由于空氣的氧化能生成CrO或NiCrO4

致密的氧化膜，能阻止空氣對合金的進(jìn)一步氧化。為了不使保護(hù)膜破壞，此種發(fā)熱體不能在還原氣氛中使用，還應(yīng)盡量避免與碳、硫酸鹽、水玻璃、石棉以及有色金屬及其氧化物接觸。發(fā)熱體不應(yīng)急劇地升降溫，因它會使致密的氧化膜產(chǎn)生裂紋以致脫落，起不到應(yīng)有的保護(hù)作用。2023/2/4/19:28:08電熱體(1)Ni-Cr合金常用牌號有Cr20Ni80和Cr15Ni60。經(jīng)高溫使用后，只要沒有過燒，仍然比較柔軟。Ni-Cr合金具有較好的抗氮?dú)饽芰ΓＳ糜诤獨(dú)夥盏碾娮锠t。Fe-Cr-Al合金絲經(jīng)高溫使用后，因晶粒長大而變脆。溫度越高、時間越長，脆化越嚴(yán)重。因此，高溫用過的Fe-Cr-A1絲，不要拉伸和彎折，修理時要仔細(xì)，需要彎折時，可用噴燈加熱至暗紅色后再進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)室用的Ni-Cr或Fe-Cr-A1發(fā)熱體，大部分制成直徑為0.5~3.0mm的絲狀。電熱絲一般繞在耐火爐管外側(cè)，有的繞在特制爐膛的溝槽中。2023/2/4/19:28:08電熱體(2)(2)Pt和Pt-Rh電熱體：鉑的化學(xué)性能與電性能都很穩(wěn)定，且易于加工，使用溫度高，在某些特殊場合下被用作電熱體。鉑的熔點(diǎn)為1769°C，高于1500°C時軟化。鉑在低于熔點(diǎn)溫度的高溫下，與氧可形成中間的鉑氧化物相，使鉑絲細(xì)化損失。因此，一般建議在空氣中鉑的最高使用溫度為1500°C，長時間安全使用溫度低于1400°C，不能在PO2

≥0.1MPa下使用。2023/2/4/19:28:08電熱體(2)在高溫下，鉑與所有的金屬和非金屬(P、S等)都能形成合金或化合物，應(yīng)避免接觸。當(dāng)有能被還原的化合物與還原性氣氛共同存在時，對鉑也是有害的。例:SiO2

與還原氣氛共存時，在高溫下形成氣相SiO2。所以，即使SiO2與Pt無直接接觸，也有可能生成Pt-Si化合物而使Pt遭到破壞。通常繞在爐管外側(cè)的Pt絲要用A12O3

粉覆蓋。要求Al2O3

粉不含Si和Fe的氧化物雜質(zhì)。Pt絲長時間在高溫下使用，會因晶粒長大而脆斷，此外，Pt在高溫下切忌與含H或C的氣氛接觸，否則會使其中毒而導(dǎo)致使用壽命大為縮短。2023/2/4/19:28:08電熱體(2)Pt-Rh合金與Pt比較，具有更高的熔點(diǎn)與更高的使用溫度。隨著Rh含量增加，合金最高使用溫度也增高。但與此同時，合金的加工性能急劇惡化。2023/2/4/19:28:08電熱體(2)Pt和Pt-Rh合金的電阻率隨溫度的變化較Ni-Cr、較Fe-Cr-A1合金更為顯著.Pt-Rh合金的使用條件與Pt基本一致，但在高溫下，晶粒長大較Pt遲緩。Pt-Rh合金在高溫下長時間使用，絲徑會因Rh的揮發(fā)而變細(xì)，揮發(fā)金屬附著于爐體較冷部位。Pt、Rh均為貴金屬，使用后應(yīng)回收。2023/2/4/19:28:08電熱體(3)(3)Mo、W、Ta電熱體：為了獲得更高的溫度，在真空或適當(dāng)氣氛下,往往采用高熔點(diǎn)金屬(Mo、W、Ta等)為電熱體。鎢是金屬中熔點(diǎn)最高的，用于電光源做發(fā)光燈絲材料。鎢的冷加工性能不太好，但還可制成細(xì)絲和薄片。鎢在常溫下很穩(wěn)定，但在空氣中加熱便氧化成WO3，它能與堿性氧化物生成鎢酸鹽，鎢能同鹵族元素直接化合。鎢和碳、硅、硼在高溫下共熱，可生成相應(yīng)的化合物。在空氣或氧化劑存在時，鎢溶解于熔堿中生成鎢酸鹽，并為熱的堿性水溶液腐蝕。鎢與酸起輕微作用，但在氧氟酸和硝酸混合物中加熱溶解很快.為了獲得2000°C以上的高溫，常采用鎢絲或鎢棒為電熱元件，使用氣氛應(yīng)為真空或經(jīng)脫氧的氫氣與惰性氣體。2023/2/4/19:28:08電熱體(3)鉬的密度小，價格便宜，加工性能好，廣泛用作獲得1600-1700°C高溫的電熱元件。鉬有較高的蒸氣壓，在高溫下長時間使用，會因基體揮發(fā)而縮短電熱元件的壽命。鉬在高溫下極易氧化生成MoO3

而揮發(fā).氣氛中的氧應(yīng)盡量去除。對鉬絲爐一般采用經(jīng)除氧后的H2

或H2+N2

為保護(hù)氣氛，后者因比較安全。實(shí)驗(yàn)室中的鉬絲爐，是將鉬絲直接繞在剛玉(A12O3)爐管上的，剛玉管高于1900°C會軟化，故鉬絲爐所能達(dá)到的最高溫度受爐管限制。

鉭不能在氫氣中使用，因?yàn)樗芪諝涠剐阅茏儔?。鉭比鉬熔點(diǎn)高，比鎢加工性能好，在真空或惰性氣氛中穩(wěn)定。2023/2/4/19:28:08電熱體(4)(4)碳化硅(SiC)電熱體：由SiC粉加黏結(jié)劑成形后燒結(jié)而成。質(zhì)量優(yōu)良的碳化硅電熱體在空氣中可使用到1600°C，一般使用到1450°C左右，它是一種比較理想的高溫電熱材料。碳化硅電熱體通常制成棒狀和管狀，故也叫硅碳棒和硅碳管。硅碳棒有不同規(guī)格，它可以靈活地布置在爐膛內(nèi)需要的位置上，它的兩個接線端露于爐外。使用硅碳棒的缺點(diǎn):爐內(nèi)溫度場不夠均勻，并且各支硅碳棒電阻匹配困難。2023/2/4/19:28:08電熱體(4)硅碳管是直接把SiC制成管狀發(fā)熱體，故溫度場比較均勻。目前國產(chǎn)硅碳管最大直徑為100mm。硅碳管有無螺紋、單螺紋和雙螺紋之分。為了減少SiC電熱體接線電阻，在接線端噴鍍一層金屬鋁，電極卡頭用鎳或不銹鋼片制成。在安裝SiC電熱體時，切忌使發(fā)熱部位與其他物體相接觸，以免高溫下互相作用。SiC電熱體有良好的耐急冷急熱性能。在800°C左右，SiC電熱體電阻率出現(xiàn)最低點(diǎn)，說明SiC在低溫區(qū)呈半導(dǎo)體特性，而在高溫區(qū)呈金屬特性。2023/2/4/19:28:08電熱體(4)SiC電熱體在使用過程中，電阻率緩慢增大的現(xiàn)象叫“老化”。這種現(xiàn)象在高溫時尤為嚴(yán)重。SiC的老化是電熱體氧化的結(jié)果，在空氣中使用溫度過高，或空氣中水汽含量很多時，都可使SiC老化加速。在CO氣氛中，SiC發(fā)熱體能使用到1800°C。SiC發(fā)熱體不能在真空下與氫氣氛中使用。老化后的SiC發(fā)熱體仍可勉強(qiáng)使用，但應(yīng)提升工作電壓并注意安全。一般認(rèn)為，SiC發(fā)熱體有效壽命結(jié)束在其常溫下電阻值為初始值兩倍的時候。2023/2/4/19:28:08電熱體(5)(5)碳質(zhì)電熱體：石墨或碳質(zhì)電熱體具有良好的耐急冷急熱性，至少在2500°C以前，其機(jī)械強(qiáng)度隨溫度升高而增大。它的電阻率隨溫度變化不大，加工性能良好，使用溫度極高。故常用作獲得高溫的電熱材料.將石墨加工成筒形發(fā)熱體的高溫爐稱為碳管爐。因?yàn)樘假|(zhì)材料的電阻率很小(10-3W·cm)，所以常在筒形發(fā)熱體上作螺旋或橫向切口以增大發(fā)熱體的電阻值。使用碳質(zhì)發(fā)熱體時仍需用大電流變壓器供電。2023/2/4/19:28:08電熱體(5)以碳質(zhì)發(fā)熱體為熱源的高溫爐，最高使用溫度可達(dá)3600°C，常用溫度為1800°C~2000°C。碳在常溫下十分穩(wěn)定，當(dāng)加熱到高溫時，碳的化學(xué)活性迅速增加，此時它容易和氧化合，為了防止碳質(zhì)電熱體高溫氧化而燒毀，應(yīng)在真空、還原性氣氛或中性氣氛中使用。2023/2/4/19:28:08電熱體(6)(6)二硅化鉬(MoSi2)電熱體:在高溫下使用具有良好的抗氧化性，因?yàn)樵诟邷叵?，發(fā)熱體表面生成MoO3

而揮發(fā)，于是形成一層很致密的SiO2

保護(hù)膜,阻止了MoSi2

進(jìn)一步氧化。MoSi2發(fā)熱體在空氣中可安全使用到1700°C，但在氮和惰性氣體中，最高使用溫度將要下降，它也不能在氫氣或真空中使用。MoSi2

電熱體不宜在低溫下(500—700°C)的空氣中使用，此時Mo被大量氧化而又不能形成SiO2

保護(hù)膜。故一般認(rèn)為，MoSi2不宜在低于1000°C下長時間使用。2023/2/4/19:28:08電熱體(6)MoSi2

在空氣中長時間使用，其電阻率保持不變，無所謂產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象，這是MoSi2

所特有的優(yōu)點(diǎn)，為其他電熱體所不及。為了使SiO2

保護(hù)膜不被破壞，應(yīng)防止電熱體與可能生成硅酸鹽的材料相接觸。電熱體表面溫度不宜過高，以免SiO2

膜熔融下流。MoSi2

發(fā)熱體通常做成棒狀或U形兩種，大多在垂直狀態(tài)下使用。因?yàn)镸oSi2

發(fā)熱體在高于1350°C時會變軟，有延展性，若水平使用，必須用耐火材料支持發(fā)熱體，但最高使用溫度不超過1500°C。MoSi2

在常溫下很脆，安裝使用時應(yīng)特別小心，以免折斷，并要留有一定的伸縮余地。2023/2/4/19:28:08電熱體(7)(7)氧化物電熱體：ZrO2、ThO2

等氧化物可以作為電熱體在空氣中使用到1800°C上。ZrO2、ThO2

具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，屬半導(dǎo)體類型材料。它們在常溫下具有很大的電阻值，以致無法直接通電加熱。實(shí)際上，在氧化物發(fā)熱體通電之前，先采用其他電熱體如Pt-Rh、MoSi2、SiC等)把它加熱到1000°C以上，使其電阻大為下降，此時才能對氧化物通電加熱升溫。因此，使用氧化物電熱體的高溫爐需要配置兩套供電系統(tǒng)。2023/2/4/19:28:08電熱體(7)鉻酸鑭是以LaCrO3

為主成分的可在氧化性氣氛中使用的高溫電爐發(fā)熱體，是利用LaCrO3

的電子導(dǎo)電性的氧化物發(fā)熱體。其特點(diǎn)是：熱效率高，單位面積發(fā)熱量大；發(fā)熱體表面溫度可長時間保持在1900°C，爐內(nèi)有效溫度可達(dá)1850°C；在大氣、氧化性氣氛中可以穩(wěn)定使用；使用方法簡單，電極安全可靠；較容易得到較寬的均熱帶，易于實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。通常LaCrO3

發(fā)熱體是棒狀的，適于制作管式爐。兩端的電極部和中間的發(fā)熱部結(jié)合成一體，電極部涂以銀漿，用銀絲做電極引線。2023/2/4/19:28:08電熱體各種發(fā)熱體的最高工作溫度2023/2/4/19:28:08溫度測量方法溫度測量方法通常分為接觸式與非接觸式兩種。接觸式測溫就是測溫元件要與被測物體有良好的熱接觸，使兩者處于相同溫度，由測溫元件感知被測物體溫度的方法。非接觸式，測溫元件不與被測物體接觸，而是利用物體的熱輻射或電磁性質(zhì)來測定物體的溫度。2023/2/4/19:28:08溫度測量方法2023/2/4/19:28:083.1.3低溫獲得及測量通常獲得低溫的途徑有相變制冷、熱電制冷、等焓與等熵絕熱膨脹等.2023/2/4/19:28:08常見的低溫源（1）(1)冰鹽共熔體系：將冰塊和鹽盡量弄細(xì)并充分混合(通常用冰磨將其磨細(xì))可以達(dá)到比較低的溫度。例如，下面一些冰鹽混合物可達(dá)到不同的溫度：3份冰+1份NaCl(-2l°C)；3份冰+3份CaCl2(-40°C)；2份冰+1份濃HNO3(-56°C)。2023/2/4/19:28:08常見的低溫源（2）(2)干冰?。航?jīng)常用的一種低溫浴，它的升華溫度－78．3°C，用時常加一些惰性溶劑，如丙酮、醇、氯仿等，以使它的導(dǎo)熱更好一些。(3)液氮：N2

液化的溫度是-195.8°C，它是在合成反應(yīng)與物化性能試驗(yàn)中經(jīng)常用的一種低溫浴，當(dāng)用于冷浴時，使用溫度最低可達(dá)-205°C(減壓過冷液氮浴)。2023/2/4/19:28:08常見的低溫源（3）(4)相變制冷?。哼@種低溫浴可以恒定溫度。如CS2可達(dá)-111.6°C，這個溫度是標(biāo)準(zhǔn)氣壓下二硫化碳的固液平衡點(diǎn)。2023/2/4/19:28:08低溫的溫度測量（1）(1)低溫?zé)犭娕?/p>

是用來測量低溫的常用傳感器，其結(jié)構(gòu)原則沒有太大改變。熱電偶的測溫范圍為2－300K。低溫?zé)犭娕寂c高溫?zé)犭娕汲嗽谶x材方面不相同外，在使用時還應(yīng)考慮選擇絲徑更細(xì)的線材，以滿足低溫下漏熱少的要求。另外熱電偶接點(diǎn)的焊接方法也不相同，這里要求焊接點(diǎn)能承受低溫而不易脫離。2023/2/4/19:28:08低溫的溫度測量（2）(2)電阻溫度計(jì)：是利用感溫元件的電阻與溫度之間存在一定的關(guān)系而制成的。制作電阻溫度計(jì)時，應(yīng)選用電阻比較大、性能穩(wěn)定、物理及金屬復(fù)制性能好的材料，最好選用電阻與溫度間具有線性關(guān)系的材料。常用的有鉑電阻溫度計(jì)、鍺電阻溫度計(jì)、碳電阻溫度計(jì)、銠鐵電阻溫度計(jì)等。2023/2/4/19:28:08低溫的溫度測量（3）(3)紅外輻射溫度計(jì)：輻射式溫度計(jì)是依據(jù)物體輻射的能量來測量其溫度的傳感器。它屬于非接觸式，具有測溫范圍寬、反應(yīng)迅速、熱惰性小等優(yōu)點(diǎn)。這種傳感器適用于腐蝕性場合、運(yùn)動狀態(tài)物體的溫度測量。由于它的感溫部分不與測溫介質(zhì)直接接觸。因此，其測溫精度不如熱電偶溫度計(jì)高，測量誤差較大，由于低溫時輻射能量大大減小，而且是發(fā)射波長較長的紅外線。因此，在低溫場合用來測量的機(jī)會相對比較少。隨著輻射檢測元件的進(jìn)展，美國正努力將檢測元件安裝在極低溫的全輻射溫度計(jì)上，將溫度延伸到低溫范圍并可望進(jìn)行溫度的絕對測定。2023/2/4/19:28:08低溫的溫度測量（4）(4)新型低溫溫度傳感器：俄羅斯利用聲速在氣體中與溫度的關(guān)系，研制了電聲氣體溫度計(jì)，在2－273K溫度范圍內(nèi)測定熱力學(xué)溫度的誤差約為0．01°C，并可得到0.00l－0.0005K的復(fù)現(xiàn)性，研制的石英晶體音叉溫度傳感器，測量范圍4.2K－+250°C，分辨力0.0001K，精度0.02－0.2K；英國的低溫氣體溫度計(jì)在2－20K溫度范圍內(nèi)可達(dá)0.0005K的精度；澳大利亞定容氣體溫度計(jì)在2－16K溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確度達(dá)±0.003K。2023/2/4/19:28:08低溫的控制（1）低溫控制有兩種，一是恒溫冷浴，二是低溫恒溫器。恒溫冷浴冰水浴泥浴(相變制冷浴)

泥浴(相變制冷浴)的制備都是在通風(fēng)櫥里慢慢地加液氮到杜瓦瓶里，杜瓦瓶內(nèi)預(yù)先放上裝有調(diào)制泥浴的某種液體的容器并攪拌，當(dāng)泥浴液相成一種稠的牛奶狀時，就表明已成了液—固平衡物了。注意不要加過量的液氮。干冰浴2023/2/4/19:28:08低溫的控制（2）低溫恒溫器通常是指實(shí)驗(yàn)杜瓦容器和容器內(nèi)部裝置的總稱，它利用低溫流體或其他方法，使試樣處在恒定的或按所需方式變化的低溫溫度下，并能對試樣進(jìn)行某種化學(xué)反應(yīng)或某種物理量的測量。低溫恒溫器大體可以分成兩大類：（1）是所需溫度范圍可用浸泡試樣或使實(shí)驗(yàn)裝置在低溫液體中的方法來實(shí)現(xiàn)。改變液體上方蒸氣的壓強(qiáng)即可以改變溫度，如減壓降溫恒溫器。（2）是所需溫度包括液體正常沸點(diǎn)以上的溫度范圍，例如，4.2－77K，77－300K等，一般稱做中間溫度。2023/2/4/19:28:08低溫的控制（3）兩種辦法獲得中間溫度：（1）是使試樣或裝置與液池完全絕熱或部分絕熱，然后用電加熱來升高溫度；（2）是用冷氣流、制冷機(jī)或其他制冷方法(例如，活性炭吸附等)控制供冷速率，以得到所需的溫度。2023/2/4/19:28:08低溫的控制（3）它制冷是通過一根銅棒來進(jìn)行的，銅棒作為冷源，它的一端同液氮接觸，可借銅棒浸入液氮的深度來調(diào)節(jié)溫度，目的是使冷浴溫度比我們所要求的溫度低5°C左右。另外有一個控制加熱器的開關(guān)，經(jīng)冷熱調(diào)節(jié)可使溫度保持恒定(±0.1°C)。由于大量氣態(tài)、發(fā)性或?qū)λ?、氧、熱等敏感的無機(jī)化合物(包括金屬有機(jī)化合物與配合物、簇合物等)的合成、分離與提純以及相關(guān)的反應(yīng)往往在低溫條件下進(jìn)行。液體浴低溫恒溫器2023/2/4/19:28:083.2高壓的獲得高壓作為一種特殊的研究手段，在物理、化學(xué)及材料合成方面具有特殊的重要性。高壓作為一種典型的極端物理?xiàng)l件能夠有效地改變物質(zhì)的原子間距和原子殼層狀態(tài)，因而經(jīng)常被用作一種原子間距調(diào)制、信息探針和其它特殊的應(yīng)用手段，幾乎滲透到絕大多數(shù)的前沿課題的研究中。利用高壓手段不僅可以幫助人們從更深的層次去了解常壓條件下的物理現(xiàn)象和性質(zhì)，而且可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)條件下難以產(chǎn)生而只在高壓環(huán)境才能出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新規(guī)律、新物質(zhì)、新性能、新材料。2023/2/4/19:28:08高壓合成高壓合成，就是利用外加的高壓力，使物質(zhì)產(chǎn)生多型相轉(zhuǎn)變或發(fā)生不同物質(zhì)間的化合，而得到新相、新化合物或新材料。施加在物質(zhì)上的高壓卸掉以后，大多數(shù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為產(chǎn)生可逆的變化，失去高壓狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。通常的高壓合成都采用高壓和高溫兩種條件交加的高壓高溫合成法，目的是尋求經(jīng)卸壓降溫以后的高壓高溫合成產(chǎn)物能夠在常壓常溫下保持其高壓高溫狀態(tài)的特殊結(jié)構(gòu)和性能的新材料。2023/2/4/19:28:08高壓合成通常，需要高壓手段進(jìn)行合成的有以下幾種情況：①在大氣壓(0．1MPa)條件下不能生長出滿意的晶體；②要求有特殊的晶型結(jié)構(gòu)；③晶體生長需要有高的蒸氣壓；④生長或合成的物質(zhì)在大氣壓下或在熔點(diǎn)以下會發(fā)生分解；⑤在常壓條件下不能發(fā)生，而只有在高壓條件下才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；⑥要求有某些高壓條件下才能出現(xiàn)的高價態(tài)(或低價態(tài))以及其它的特殊的電子態(tài)；⑦要求某些高壓條件下才能出現(xiàn)的特殊性能等情況。2023/2/4/19:28:08高壓合成目前通常所采用的高壓固態(tài)反應(yīng)合成范圍一般從1—10MPa的低壓力合成到幾十個GPa(1GPa＝1萬大氣壓)的高壓力合成。通常所指的高壓合成為1GPa以上的合成。2023/2/4/19:28:083．2．1高壓的產(chǎn)生和測量利用外界機(jī)械加載方式，通過緩慢逐漸施加負(fù)荷擠壓所研究的物體或試樣，當(dāng)其體積縮小時，就在物體或試樣內(nèi)部產(chǎn)生高壓強(qiáng)。由于外界施加載荷的速度緩慢(通常不會伴隨著物體的升溫)，所產(chǎn)生的高壓力稱為靜態(tài)高壓。2023/2/4/19:28:08靜態(tài)高壓常見的靜高壓產(chǎn)生裝置：①利用油壓機(jī)作為動力，推動高壓裝置中的高壓構(gòu)件，擠壓試樣，產(chǎn)生高壓。這類高壓裝置，最常見的有六面頂(高壓構(gòu)件由六個頂錘組成)高壓裝置和年輪式兩面頂(高壓構(gòu)件由一對頂錘和一個壓缸組成)高壓裝置。2023/2/4/19:28:08靜態(tài)高壓②利用天然金剛石作頂錘(壓砧)，制成的微型金剛石對頂砧高壓裝置(diamondanvilcell，簡稱DAC)。這種裝置可以產(chǎn)生幾十GPa到三百多GPa的高壓，還可以與同步輻射光源、X射線衍射、Raman散射等測試設(shè)備聯(lián)用，開展高壓條件下的物質(zhì)相變、高壓合成的原位測試。通常，以產(chǎn)物合成為研究目的的高壓裝置都采用具有大腔體(10－1cm3，甚至數(shù)百cm3)的大型高壓裝置(如兩面頂和六面頂壓機(jī)等)。其中還有一種壓腔較小(但比金剛石對頂砧大很多)的裝置，壓強(qiáng)可達(dá)30GPa，它也可以和同步輻射及其它測試裝置聯(lián)用，進(jìn)行些原位測試。進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)使用的工業(yè)裝置，壓腔一般比較大，壓強(qiáng)可以達(dá)到8GPa。2023/2/4/19:28:08動態(tài)高壓利用爆炸(核爆炸，火藥爆炸等)、強(qiáng)放電等產(chǎn)生的沖擊波，在ms～ps的瞬間以很高的速度作用到物體上，可使物體內(nèi)部壓力達(dá)到幾十GPa以上，甚至上千GPa，同時伴隨著驟然升溫。這種高壓力，就稱為動態(tài)高壓。它也可用來開展新材料的合成研究，但因受條件的限制，動高壓材料合成的研究工作，開展得還不多。2023/2/4/19:28:08動高壓合成技術(shù)當(dāng)炸藥爆炸時所產(chǎn)生沖擊波，是一種以超音速在物體中傳播的波，沖擊波的中心處于強(qiáng)烈的壓縮狀態(tài)。這種壓縮狀態(tài)稱之為“沖擊壓縮”。當(dāng)炸藥爆炸時伴有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，則稱之為“爆轟波”，“沖擊壓縮”是沖擊波到達(dá)的瞬間產(chǎn)生的，不會使熱傳導(dǎo)出去，因此它是一種絕熱現(xiàn)象。當(dāng)固體粉末受到?jīng)_擊波沖擊壓縮時，伴隨粉末粒子間的移動摩擦，以及粉末間氣體壓縮產(chǎn)生的超高溫，使粉末表面得到加熱，并在其內(nèi)部瞬間產(chǎn)生局部的高溫分布，此現(xiàn)象在多孔質(zhì)物體中亦會發(fā)生。通常把這種“沖擊壓縮”產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫高壓用于人工合成超硬材料，或用于固化粉狀物的技術(shù)，均稱為動高壓合成技術(shù)。2023/2/4/19:28:08定標(biāo)測壓法高壓合成要測量的物理量首先是作用在試樣單位面積上的壓力，也就是壓強(qiáng)。在高壓研究的文獻(xiàn)中，一般都習(xí)慣地把壓強(qiáng)稱為壓力，它不等于外加的負(fù)載。在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常采用物質(zhì)相變點(diǎn)定標(biāo)測壓法。利用國際公認(rèn)的某些物質(zhì)的相變壓力作為定標(biāo)點(diǎn)，把一些定標(biāo)點(diǎn)和與之對應(yīng)的外加負(fù)荷聯(lián)系起來，給出壓力定標(biāo)曲線，就可以對高壓腔內(nèi)試樣所受到的壓力進(jìn)行定標(biāo)?，F(xiàn)在通用的是利用純金屬Bi(I－Ⅱ)(2.5GPa)、T1(I－Ⅱ)(3.67GPa)、Cs(Ⅱ－Ⅲ)(4.2GPa)、Ba(I－Ⅱ)(5.3GPa)、Bi(Ⅲ－Ⅳ)(7.4GPa)等相變時電阻發(fā)生躍變的壓力值作為定標(biāo)點(diǎn)。2023/2/4/19:28:083.2.2高壓合成方法從高壓高溫合成產(chǎn)物的狀態(tài)變化看，合成產(chǎn)物有兩類。（1）某種物質(zhì)經(jīng)過高壓高溫作用后其產(chǎn)物的組成(成分)保持不變，但發(fā)生了晶體結(jié)構(gòu)的多型相轉(zhuǎn)變，形成新相物質(zhì)。（2）某種物質(zhì)體系，經(jīng)過高壓高溫作用后，發(fā)生了元素間或不同物質(zhì)間的化合，形成新化合物、新物質(zhì)。人們可以利用多種高壓高溫合成方法來獲得新相物質(zhì)、新化合物和新材料。2023/2/4/19:28:08動高壓合成技術(shù)動態(tài)高壓合成技術(shù)可分成兩大類：第一類為爆轟產(chǎn)物法，它是在瞬時的高溫高壓下伴隨化學(xué)反應(yīng)，生成物料不同的另一種物質(zhì)。第二類為沖擊波瞬態(tài)高壓高溫法，它是利用沖擊壓力產(chǎn)生新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。2023/2/4/19:28:08動態(tài)高壓合成技術(shù)動態(tài)高壓合成技術(shù)的爆炸沖擊方法：為進(jìn)行有效的沖擊壓縮，獲得人工合成超硬材料所必要的高溫高壓和平面性良好的沖擊波，可采用炸藥透鏡來滿足這一要求。炸藥透鏡是如圖所示的一個錐狀高爆速炸藥錐形罩，內(nèi)側(cè)裝有低爆速炸藥。錐頂端裝有電雷管，起爆以后的爆轟波陣面呈平面狀。2023/2/4/19:28:08動態(tài)高壓合成技術(shù)使用炸藥透鏡進(jìn)行動高壓合成的典型處理裝置如圖所示。銅質(zhì)密封盒內(nèi)以50％密度裝上沖擊壓縮物(粉末)，主爆藥為TNT／硝酸鋇，對粉末的最大壓力為11GPa。另一種方法是把沖擊壓縮物裝入圓筒狀的密封容器內(nèi)，容器周圍裝上炸藥并使之爆炸沖擊，大部分固化金屬、固化陶瓷都采用這種方法。2023/2/4/19:28:08靜高壓高溫合成法1．超高壓激光加熱合成法利用微型金剛石對頂砧高壓裝置，配合激光直接加熱方法，壓力可達(dá)100GPa以上，溫度可達(dá)(2～5)×103K以上。合成溫度和壓力范圍很寬，加上DAC可同時與多種測試裝置聯(lián)用，進(jìn)行原位測試，對新物質(zhì)合成的研究和探索，有重要的作用，值得重視。2023/2/4/19:28:08靜高壓高溫合成法2．靜高壓高溫(大腔體)合成法

實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中常用的靜高壓高溫合成，是利用具有較大尺寸的高壓腔體和試樣的兩面頂和六面頂高壓設(shè)備來進(jìn)行的。按照合成路線和合成組裝的不同，這類方法還可細(xì)分成許多種。2023/2/4/19:28:08靜高壓高溫合成法①靜高壓高溫直接轉(zhuǎn)變合成法：在合成中，除了所需的合成起始材料外，不加其它催化劑，而讓起始材料在高壓高溫作用下直接轉(zhuǎn)變(或化合)成新物質(zhì)。②靜高壓高溫催化劑合成法：在起始材料中加入催化劑，由于催化劑的作用，可以大大降低合成的壓力、溫度和縮短合成時間。③非晶晶化合成法：以非晶材料為起始材料，在高壓高溫作用下，使之晶化成結(jié)晶良好的新材料。與此相反，也可將結(jié)晶良好的起始材料，經(jīng)高壓高溫作用，壓致轉(zhuǎn)變成為非晶材料。2023/2/4/19:28:08靜高壓高溫合成法④前驅(qū)物高壓轉(zhuǎn)變合成法：對一些不易轉(zhuǎn)變或不適于轉(zhuǎn)變成所需的合成物質(zhì)，可以通過其它方法，將起始材料預(yù)先制成前驅(qū)物，然后進(jìn)行高壓高溫合成。⑤將起始材料進(jìn)行預(yù)處理，如常壓高溫處理，其它的極端條件處理，包括高壓條件，然后再進(jìn)行高壓高溫合成的混合型合成法。⑥高壓熔態(tài)淬火方法：將起始材料施加高壓，然后加高溫，直至全部熔化，保溫保壓，最后在固定壓力下，實(shí)行淬火，迅速凍結(jié)高壓高溫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。這種方法，可以獲得準(zhǔn)晶、非晶、納米晶，特別是可以截獲各種中間亞穩(wěn)相，是研究和獲取中間亞穩(wěn)相的行之有效的方法。2023/2/4/19:28:08高壓合成實(shí)例1、金剛石的合成1962年，人們將具有六角晶體結(jié)構(gòu)的質(zhì)地柔軟的層狀石墨作起始材料，不加催化劑，在約12.5GPa、3000K的高壓高溫條件下，使石墨直接轉(zhuǎn)變成具有立方結(jié)構(gòu)的金剛石。金剛石是至今自然界已知的最硬的材料。由于石墨和金剛石都是由碳元素構(gòu)成的，高壓高溫作用使它發(fā)生了同素異型相轉(zhuǎn)變，金剛石是石墨的高壓高溫新相物質(zhì)。合成時沒有外加催化劑的參與，這是一種靜高壓高溫直接合成法。如果起始石墨材料添加金屬催化劑，則在較低的壓力(5－6)GPa和溫度1300－2000K條件下，就可以實(shí)現(xiàn)由石墨到金剛石的轉(zhuǎn)變。這是靜高壓高溫催化劑合成法成功的一個典型例子。2023/2/4/19:28:08高壓合成實(shí)例2.復(fù)合雙稀土氧化物的合成

以兩種倍半稀土氧化物混合料為起始材料，不加催化劑，高壓腔高壓組裝件如圖所示在2.0～6.0GPa，1100—1750K溫壓條件下，可直接合成出高壓高溫復(fù)合雙稀土氧化物L(fēng)nLn’O3(Ln=RE)新相物質(zhì)。高壓腔高壓組裝件1、葉臘石柱；2、鉬片；3、石墨坩鍋；4、氮化硼坩鍋；5、試樣；6、葉臘石；7、鋼圈。2023/2/4/19:28:083.3真空氣體的宏觀狀態(tài)通常用壓強(qiáng)p，體積v和溫度T來表示。真空并不是一無所有的意思，而是指低于大氣壓的狀態(tài)。真空度的高低用氣體壓強(qiáng)表示，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(或稱常壓)的定義為：在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g=980.665厘米／秒，溫度T為278K時，760毫米高的汞所施加的壓強(qiáng)。如果把273K時汞的密度定為13.59509g／cm3,這個數(shù)值相當(dāng)于101325N/m2。2023/2/4/19:28:08真空其后又制定了一個不隨汞密度，溫度和重力加速度而變化的單位托(Torr)，它與毫米汞高的區(qū)別主要是定義上的，在數(shù)值上的差別(<1.4×10-7)實(shí)際上可以忽略：1托=1毫米汞高。按照國際單位制，壓強(qiáng)單位已定為帕斯卡(Pascal)，簡稱為Pa：1Pa=1N／m2。2023/2/4/19:28:08真空真空度劃分為以下幾個階段：粗真空1.013×105~1.33×103Pa；低真空1.33×103~1.33×10-1Pa；高真空1.33×10-1~1.33×10-6Pa；超高真空1.33×10-6~1.33×10-12pa；極高真空低于1.33×10-12Pa所謂真空度高，指的是體系壓強(qiáng)低。2023/2/4/19:28:083.3.1真空的獲得和真空泵簡介產(chǎn)生真空的過程稱為抽真空。用于產(chǎn)生真空的裝置稱為真空泵，如水泵、機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、冷凝泵、吸氣劑離子泵和渦輪分子泵等。由于真空包括105~10-12Pa共17個數(shù)量級的壓強(qiáng)范圍，通常不能僅用一種泵來獲得，而是由多種泵的組合。一般實(shí)驗(yàn)室常用的是機(jī)械泵、擴(kuò)散泵和各種冷凝泵。2023/2/4/19:28:08真空泵通常用四個參量來表征真空泵的工作特性：①起始壓強(qiáng)：真空泵開始工作的壓強(qiáng)；②臨界反壓強(qiáng)：真空泵排氣口一邊所能達(dá)到的最大反壓強(qiáng)；③極限壓強(qiáng)：又稱極限真空，指在真空系統(tǒng)不漏氣和不放氣的情況下，長時間抽真空后，給定真空泵所能達(dá)到的最小壓強(qiáng)；④抽氣速率：在一定的壓強(qiáng)和溫度下，單位時間泵從容器中抽除氣體的體積。如，機(jī)械泵的起始壓強(qiáng)為101.3MPa，極限壓強(qiáng)一般為0.1Pa，而擴(kuò)散泵的起始壓強(qiáng)為10Pa。因此，在使用擴(kuò)散泵之前應(yīng)先用機(jī)械泵將被抽容器的壓強(qiáng)抽至10Pa以下。由此常把機(jī)械泵稱為前級泵，而將擴(kuò)散泵稱為次級泵。2023/2/4/19:28:08真空泵常見真空泵簡介：(1)往復(fù)式真空泵

它是獲得粗真空的設(shè)備。一般用于真空蒸餾、真空蒸發(fā)和濃縮、真空結(jié)晶、真空干燥、真空過濾等過程。運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)的活塞作往復(fù)運(yùn)動，活塞的一端從真空系統(tǒng)中吸入氣體，另一端將吸人氣缸內(nèi)的氣體通過氣閥排人氣閥箱，再由排氣管排人大氣。這種泵的極限真空度為lkPa。它不適于抽出腐蝕性氣體或含有顆粒狀灰塵的氣體。2023/2/4/19:28:08真空泵(2)水蒸氣噴射真空泵

運(yùn)轉(zhuǎn)時，由高速水蒸氣噴人抽氣機(jī)內(nèi)而建立一個低壓空間，被抽系統(tǒng)內(nèi)的氣體，就不斷地流向此低壓空間而被水蒸氣流帶向出氣口，排到大氣中，它的極限真空度可達(dá)0.1Pa。這種泵抽氣量大，安裝運(yùn)行和維修均簡便，適用于真空蒸發(fā)及濃縮、真空干燥、真空制冷、真空冶煉等作業(yè)。2023/2/4/19:28:08真空泵(3)滑閥式真空泵其極限真空度可達(dá)0.07Pa，可單獨(dú)使用，亦可與羅茨泵聯(lián)合作為大型真空系統(tǒng)的粗抽泵用。它不適于抽出含氧過高的、有爆炸性的以及對金屬及真空泵油能起化學(xué)作用的氣體。一般用于真空冶煉、真空干燥、真空蒸餾、真空處理等作業(yè)。2023/2/4/19:28:08真空泵(4)機(jī)械增壓泵又稱羅茨泵(Roots)由兩個8字形轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)相對旋轉(zhuǎn)，形成容積的重復(fù)變化，達(dá)到吸氣和排氣的目的。由于轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與定子之間都不接觸(間距0.1~0.15mm)，也沒有摩擦，因此它的轉(zhuǎn)速高達(dá)1000—3000r／min。這種泵有抽速大、體積小、噪聲低、驅(qū)動功率小、啟動快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于冶金、化工、電子等工業(yè)中。羅茨泵必須配置合適的前級泵，在100—1Pa真空下有較大抽速，彌補(bǔ)了機(jī)械泵和蒸氣流泵，在該壓力范圍下抽速小的缺點(diǎn)。在高真空工業(yè)中，羅茨泵常作為大型擴(kuò)散泵或渦輪分子泵的前級泵使用，其極限真空度可達(dá)0.01Pa。2023/2/4/19:28:08真空泵(6)渦輪式分子泵分子泵也是一種使用機(jī)械方法獲得真空的，它只是一種次級泵，不能從大氣開始工作；其次，它并不是從壓縮及膨脹原理出發(fā)來進(jìn)行抽氣的。它包含一對間距h很小的定子和同軸轉(zhuǎn)子。當(dāng)前級泵抽氣至規(guī)定的預(yù)備真空滿足氣體分子的λ>h開始使分子泵的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于氣體分子相互碰撞的機(jī)會比碰到轉(zhuǎn)子的機(jī)會少得多，結(jié)果大量的氣體分子就因外摩擦而被轉(zhuǎn)子表面所驅(qū)勸，在前級端集結(jié)而被抽出。2023/2/4/19:28:08真空泵(7)吸附泵

利用分子篩對氣體物理吸附的可逆性，即在低溫下吸附氣體、升溫后又解吸的功能來實(shí)現(xiàn)抽氣。除了氫、氦和氖等極難液化的氣體(它們的沸點(diǎn)均在28K以下)外，其他氣體均能高效率地被吸附泵抽出。吸附泵能在大氣壓力下開始抽氣，常作為無油蒸氣污染的前級泵使用，在液氮溫度下使用吸附劑時，其極限真空度可達(dá)到1Pa左右。吸附泵必須裝有安全壓力釋放閥門，以使升溫時由吸附劑解吸出來的氣體經(jīng)此閥門逸出，防止壓力過高而爆裂。吸附泵吸氣量大、無污染、無噪聲、無振動。連續(xù)使用較長時間后，分子篩會逐漸粉化，應(yīng)予以更換。2023/2/4/19:28:08真空泵(8)升華泵和吸氣劑泵

它是利用吸氣劑對氣體的化學(xué)吸附來捕集氣體實(shí)現(xiàn)抽氣的。所用吸氣劑有蒸散型的(如鈦)和非蒸散型的(如鋯—鋁合金)兩類。鈦升華泵在真空下用電子轟擊或其他加熱方式(如輻射)使鈦材(鈦—鉬合金、鈦棒、鈦球)升溫到1200—1500°C，升華出的鈦蒸氣在溫度較低的泵壁內(nèi)表面冷凝，不斷形成新鮮的活性膜層，將被抽氣體相繼吸附?；钚詺怏w與鈦膜結(jié)合成鈦的氧化物、氮化物、碳化物等，惰性氣體如Ar、He等，主要是被“掩埋”在膜層中。2023/2/4/19:28:08真空泵（9)離子泵常用的是濺射離子泵，又稱潘寧泵或冷鈦泵。它利用在很低壓力下，仍能自持地放電，即所謂潘寧(PenningFM)放電作用，讓電子在正交電磁場作用下往復(fù)螺旋振蕩，與氣體分子不斷碰撞時使氣體分子電離，產(chǎn)生的離子以較大能量轟擊陰極鈦板。引起鈦的濺射，同時釋放出二次電子，濺射出來的鈦離子沉積在陽極筒內(nèi)壁，而不斷形成新鮮的活性鈦膜，對氣體產(chǎn)生化學(xué)吸附和“掩埋”作用。泵內(nèi)活性鈦膜的形成是由于潘寧放電引起的陰極濺射來實(shí)現(xiàn)的，故稱為濺射離子泵。它的啟動壓力為0.1Pa，極限真空度可達(dá)10-8Pa以下。2023/2/4/19:28:08真空泵(10)低溫冷凝泵

它是利用液氦或制冷機(jī)循環(huán)氣氦作冷卻介質(zhì)，使氣體冷凝而實(shí)現(xiàn)抽氣的。在液氦溫度-4.2K下，除氦和氫外，其他物質(zhì)的蒸氣壓均趨近于零。也可用活性炭作低溫吸附劑，獲得潔凈的真空，但它的造價昂貴(制冷式)，或要消耗昂貴的液氦。2023/2/4/19:28:08真空泵(11)擴(kuò)散泵三級油擴(kuò)散泵示意圖1進(jìn)氣口；2冷水進(jìn)口；3水冷壁；4噴嘴；5導(dǎo)管；6排氣口；7擴(kuò)散泵油；8導(dǎo)管：9電爐工作時，先用前級泵將擴(kuò)散泵及系統(tǒng)抽成預(yù)備真空，由泵下部的電爐加熱，使擴(kuò)散泵油在真空下迅速揮發(fā)成蒸氣。油蒸氣沿導(dǎo)管上升，由噴嘴噴出。噴嘴可以設(shè)一級、二級、三級、四級不等。高速噴出的油蒸氣打在水冷壁上，又凝結(jié)成液體經(jīng)導(dǎo)管流回泵底，再重新加熱汽化，如此不斷循環(huán)。被抽系統(tǒng)中的氣體分子由于熱運(yùn)動擴(kuò)散，經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入噴口下邊的空間時，在大量的高速定向運(yùn)動的油分子的碰撞下，被帶到泵的下部，經(jīng)排氣口被前級泵抽走。2023/2/4/19:28:083.3.2真空的測量測量真空度的儀器稱為真空計(jì)或真空規(guī)。真空規(guī)分絕對規(guī)和相對規(guī)兩類，前者可直接測量壓強(qiáng)，后者是測量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，它的壓強(qiáng)刻度需要用絕對真空規(guī)進(jìn)行校正。2023/2/4/19:28:08真空規(guī)(1)麥?zhǔn)险婵找?guī):在絕對真空規(guī)中，麥?zhǔn)险婵找?guī)(Mcleodgauge)是應(yīng)用最廣泛的一種壓縮真空計(jì)。它既能測量低真空又能測量高真空。麥?zhǔn)险婵找?guī)1旋塞；2三通旋塞；3測量毛細(xì)管；4比較毛細(xì)管；5連接管；6真空系統(tǒng)與7、8的連接處；7玻璃球；8汞2023/2/4/19:28:08真空規(guī)(2)熱偶真空規(guī)利用真空中熱傳導(dǎo)依賴于氣壓的原理的真空規(guī)統(tǒng)稱為熱導(dǎo)真空規(guī)。它們都是相對真空規(guī)，校準(zhǔn)后才能使用。實(shí)際上測定氣體導(dǎo)熱率的方法就是測定熱絲溫度隨管內(nèi)壓強(qiáng)所起的變化.一般可用下列三種方法(1)測定熱絲的線膨脹；(2)直接用熱電偶測量熱絲溫度-熱偶真空規(guī)；(3)測定熱絲電阻隨溫度的變化-熱阻真空規(guī)。熱偶真空規(guī)管1、2加熱絲；3、4熱電偶絲2023/2/4/19:28:08真空規(guī)(3)熱陰極電離真空規(guī)當(dāng)快速電子或其他高能帶電質(zhì)點(diǎn)通過稀薄氣體時，產(chǎn)生非彈性碰撞而形成電離。單位時間產(chǎn)生離子的數(shù)目和氣體分子的濃度(也就和壓強(qiáng))有關(guān)。利用這個特性作壓強(qiáng)測定的儀器叫做電離真空規(guī)。根據(jù)使氣體分子電離的粒子的來源和性質(zhì)的不同可以把電離真空規(guī)分為三大類，即(1)以熱電陰極發(fā)射的電子作為電離源——熱陰極電離真空規(guī)(簡稱熱規(guī))；(2)以場致、光致或次級發(fā)射的電子作為電離源——冷陰極電離真空規(guī)(簡稱冷規(guī))；(3)以放射性元素(或同位素)的基本粒子作為電離源：α電離真空規(guī)。2023/2/4/19:28:083.3.3真空管道的連接與使用真空管道的連接包括不可拆連接及可拆連接兩種。金屬管道可以相互焊接，玻璃管道之間可以熔接，玻璃管道和金屬管道可以焊接，它們都屬于不可拆連接。不論是焊接或熔接，都要求兩種材料具有相近的膨脹系數(shù)?？刹疬B接包括金屬管道之間的法蘭連接、玻璃管道之間或玻璃與石英管道之間制成磨口連接。磨口處涂以真空封油以達(dá)到連接和不漏氣的效果。另外橡膠管與金屬管、玻璃管的連接處也可以涂真空封蠟或封泥，這些也屬于可拆連接。2023/2/4/19:28:08零件清潔處理各種零件在安裝到真空系統(tǒng)上之前都要進(jìn)行清潔處理，以盡量減少真空系統(tǒng)中的灰塵、油垢等污染物。這些污染物在真空下會放氣或揮發(fā)成蒸氣，降低真空度。清潔處理方法如下:(1)真空橡膠管和真空橡膠制品將其用水清洗后，再用5％一20％的NaOH溶液煮沸數(shù)小時，最后用蒸餾水或去離子水沖洗干凈，吹干或烘干后用不吸水的紙將管口兩端封好或?qū)⒘慵脗溆谩?2)玻璃零件將其浸泡在新配的洗液中，并適當(dāng)加熱，經(jīng)過足夠長時間，取出用蒸餾水或去離子水沖洗干凈，在烘箱中于50—60°C下烘干，最好用真空干燥箱來烘干。用不吸水的紙將零件開口處包扎好備用。(3)金屬制品可用有機(jī)溶劑去油，然后吹干或烘干。2023/2/4/19:28:08超高真空系統(tǒng)和一般真空系統(tǒng)的明顯差別是清潔度，即對系統(tǒng)中能產(chǎn)生氣體的各種污染源的清除程度。真空系統(tǒng)在抽氣時，一方面泵的抽氣作用使系統(tǒng)壓力不斷下降；另一方面，系統(tǒng)中各種放氣源的放氣又使系統(tǒng)壓力逐漸增加。這兩方面的作用達(dá)到平衡時，系統(tǒng)壓力就不再繼續(xù)降低。真空系統(tǒng)中的放氣源主要有：物質(zhì)的蒸發(fā)，特別是蒸氣壓高的污染物更易蒸發(fā)；器壁內(nèi)表面吸附的氣體，包括物理吸附和化學(xué)吸附的氣體；器壁材料內(nèi)部溶解的氣體，在真空下，溶解的氣體會向器壁內(nèi)表面擴(kuò)散并釋放于真空系統(tǒng)內(nèi)；空氣中的氦可以滲透玻璃或石英器壁；氫氣可以透過鋼材，緩慢地進(jìn)入真空系統(tǒng)中。2023/2/4/19:28:08要達(dá)到超高真空，除了要采用合適的真空泵，仔細(xì)清洗系統(tǒng)，盡可能減少放氣源包括各種能放出氣體的污染源，選擇合適的真空材料以及改進(jìn)加工和密封連接工藝外.還要對系統(tǒng)進(jìn)行烘烤除氣，超高真空系統(tǒng)在破壞真空時，也應(yīng)該用過濾(除塵)后的干燥氮?dú)饣蚩諝鈦沓錃?，不能直接引入空氣。烘烤是獲得超高真空的一項(xiàng)必要措施，溫度增加可以使器壁內(nèi)表面吸附的氣體，更快更完全地解吸出來，加速器壁材料內(nèi)溶解氣體的擴(kuò)散.2023/2/4/19:28:08除了烘烤外，金屬系統(tǒng)還可采用輝光放電技術(shù)來清除內(nèi)壁表面吸附的氣體。在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個正電極，以系統(tǒng)器壁為負(fù)極。清洗時，先抽空，再向系統(tǒng)中充人壓力為3Pa的氬氣，然后在兩極間加上電壓使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生輝光放電因氣壓低，輝光放電可擴(kuò)展到整個系統(tǒng)，作為負(fù)極的器壁受到氬離子的轟擊，可使壁面吸附的氣體分子解吸，從而使器壁的放氣率降低2—3個數(shù)量級。2023/2/4/19:28:08檢漏檢漏就是找出真空系統(tǒng)上的漏點(diǎn)和漏氣的原因并加以堵塞，消滅漏氣現(xiàn)象，以保證獲得預(yù)期的真空度。(1)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)可以判斷未達(dá)到預(yù)期真空度的主要原因。安裝完畢的真空系統(tǒng)，按操作步驟進(jìn)行抽氣。當(dāng)抽到足夠長的時間后，將系統(tǒng)關(guān)閉。以關(guān)閉時間為起點(diǎn)，用真空規(guī)測出系統(tǒng)壓力隨時間的變化，繪成曲線.2023/2/4/19:28:08靜態(tài)實(shí)驗(yàn)線l

表示系統(tǒng)已達(dá)到泵的極限真空度。在靜態(tài)條件下，系統(tǒng)壓力不隨時間而變，說明系統(tǒng)不漏氣，也沒有放氣源，是一個好的系統(tǒng)。線2

沒有達(dá)到泵的極限真空度，但靜態(tài)下壓力不變，說明系統(tǒng)密封良好，不漏氣，系統(tǒng)清潔程度也是好的，沒有放氣源。之所以未能達(dá)到預(yù)期的真空度，只能是真空泵本身的原因，需要對泵進(jìn)行檢查。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測壓曲線p0

為所選用的真空泵的極限真空度2023/2/4/19:28:08靜態(tài)實(shí)驗(yàn)線3

未能達(dá)到泵的極限真空度，且在靜態(tài)下壓力逐漸增加，但大到一定值之后就不再增加了。這表明系統(tǒng)不漏氣，但系統(tǒng)不清潔，存在放氣源。因?yàn)殡S著抽氣的進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)吸附了氣體的污染物就會放氣，能揮發(fā)的物質(zhì)在真空下易變成氣體。當(dāng)放氣(包括揮發(fā))率與泵的抽速達(dá)到平衡時，系統(tǒng)壓力就不再變化，但達(dá)不到泵的極限真空度。出現(xiàn)這種情況后，就需要檢漏。線4表明系統(tǒng)漏氣。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測壓曲線p0

為所選用的真空泵的極限真空度2023/2/4/19:28:08檢漏(2)易產(chǎn)生漏氣的部位①玻璃器件的熔接處由于熔接質(zhì)量不好，會因?yàn)橛行〉纳翱锥?。另外，玻璃管道上也可能有小漏孔。因此，對整個玻璃管道都要普遍檢漏，重點(diǎn)是熔接口附近。②真空橡膠管兩端由于與連接件沒有連好，也會漏氣。特別是橡膠管與機(jī)械泵進(jìn)氣口處若沒有連好，則真空度根本抽不上去。③玻璃活栓由于磨口質(zhì)量差，或由于真空封油涂得不均勻也可能漏氣。活栓芯和外套之間在涂油均勻后，應(yīng)該是透明的。如有“氣線”，往往容易漏氣。④玻璃泵和活塞若加工技術(shù)不精，有砂眼會造成漏氣。當(dāng)除了前面三種原因外，仍找不到漏氣之處，不妨檢查活栓芯和玻璃泵本身是否存在漏氣砂孔。2023/2/4/19:28:08檢漏(3)檢漏工具除安裝在系統(tǒng)上的真空規(guī)可作為檢漏工具外，對于玻璃系統(tǒng)，高頻火花探測器也是一種方便的檢漏工具?；鸹ㄌ綔y器又名真空槍或火花檢漏器。它是一種高頻發(fā)生器，在槍的尖端能產(chǎn)生高頻電壓，引起氣體放電而出現(xiàn)火花。當(dāng)用它在抽空的玻璃系統(tǒng)外表移動時，如遇漏孔，就會形成一束明亮的小火花鉆人孔內(nèi)，從而發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。2023/2/4/19:28:083.3.4氣氛在材料實(shí)驗(yàn)研究中，常遇到氣體的使用問題。這些氣體或參與反應(yīng)，或作為惰性氣體用于吹洗、載氣或保護(hù)氣氛。有些實(shí)驗(yàn)對氣體純度要求甚高，即使有萬分之一或更少的雜質(zhì)，也會對所研究的體系有不良影響，因此，要將氣體凈化到所需要的純凈度。此外，氣體流量的測定，配制一定組成的混合氣體等等，在實(shí)驗(yàn)研究中也經(jīng)常遇到。2023/2/4/19:28:08

氣體凈化方法實(shí)驗(yàn)室中凈化氣體常用的方法有：

吸收、吸附、化學(xué)催化和冷凝2023/2/4/19:28:08(1)吸收：氣體通過吸收劑時，其中的雜質(zhì)能被吸收劑吸收，吸收劑與被吸收雜質(zhì)要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。液態(tài)吸收劑裝于洗滌瓶內(nèi)，讓氣體以氣泡形式從吸收液中通過。固體吸收劑須安置于干燥塔或管中。一種吸收劑可以吸收一種或多種雜質(zhì)氣體。

氣體凈化方法2023/2/4/19:28:08氣體凈化方法(2)吸附：實(shí)驗(yàn)室中常用多孔的固體吸附劑來吸附雜質(zhì)氣體。吸附與吸收的差別在于吸附僅發(fā)生在吸附劑表面。吸附劑的比表面越大，則其吸附量也越大。在定溫下，吸附達(dá)平衡時，被吸氣體在吸附劑上的吸附量，與被吸氣體分壓的關(guān)系曲線，稱為吸附等溫線。在被吸氣體分壓一定時，吸附量與溫度的關(guān)系曲線稱為吸附等壓線。吸附劑表面吸滿了被吸物質(zhì)達(dá)到飽和后，就需要更換吸附劑或進(jìn)行再生處理。吸附劑再生的方法是加熱、減壓或吹洗。分子篩、硅膠、活性碳等。2023/2/4/19:28:08氣體凈化方法(3)化學(xué)催化：借助于催化劑，使雜質(zhì)吸附在催化劑表面上，并與氣體中的其他組分發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的物質(zhì)(因而可以允許留在氣體中)，或者轉(zhuǎn)化為比原存雜質(zhì)更易于除去的物質(zhì)，這也是一