高溫合成技術(shù)

無(wú)機(jī)材料合成第二章高溫合成技術(shù)高溫合成技術(shù)高溫合成技術(shù)一般用于無(wú)機(jī)固體材料的制備。一般的固相反應(yīng)在常溫常壓下很難進(jìn)行，或者反應(yīng)很慢，因此需要高溫使其加速。如：1、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料制備2、高熔點(diǎn)金屬粉末的燒結(jié)3、難熔化合物的熔化和再結(jié)晶4、各種功能陶瓷體的燒成等1、如何獲得高溫的方法？2、什么材料可以耐高溫，作為反應(yīng)容器使用？3、如何測(cè)量高溫？要解決的問(wèn)題：人類(lèi)能制造最高、最低溫度是多少？有極限嗎？高溫：目前人類(lèi)制造的最高溫度是5億1千萬(wàn)度。這個(gè)溫度是在1994年5月27日，由美國(guó)新澤西州普林斯頓等粒子物理實(shí)驗(yàn)室，利用氘和氚等離子混合體在托克馬克核聚變反應(yīng)堆中創(chuàng)造的。

我國(guó)的“人造太陽(yáng)”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)下了5500萬(wàn)度的國(guó)內(nèi)最高溫度記錄。低溫:

絕對(duì)零度第一節(jié)獲得高溫的方法以目前的觀點(diǎn)，認(rèn)為溫度只有下限，沒(méi)有上限!!獲得高溫，需要一些符合不同要求的產(chǎn)生高溫的設(shè)備和手段：1010～1014K高溫粒子106～109K原子核分裂和聚變105～106K激光20000K等離子體電?。?000℃閃放電爐4000～6000聚焦?fàn)t1000～3000各種高溫電阻爐溫度/℃獲得高溫的方法最常用！想一下可以獲得高溫的方式有哪些？燃燒熱傳導(dǎo)熱輻射自加熱高能量粒子一般獲得高溫的設(shè)備為高溫爐工業(yè)窯爐：火焰爐、電爐實(shí)驗(yàn)室用爐：電爐電爐分類(lèi)：（1）電阻爐（2）感應(yīng)爐（3）電弧爐

（4）等離子爐（5）電子束爐(6)微波爐高溫爐隧道窯：梭式窯:一、電阻爐電阻爐：當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體，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。是最常用的加熱爐，它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便，溫度可精確地控制在很窄的范圍內(nèi)。應(yīng)用不同的電阻發(fā)熱材料可以達(dá)到不同的高溫限度。爐內(nèi)工作室的溫度應(yīng)將稍低于最高使用溫度。電熱體熱電偶非金屬：

SiC電熱體(2)MoSi2電熱體(3)碳質(zhì)電熱體(4)氧化物電熱體金屬：

Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金電熱體(2)Pt和Pt-Rh電熱體(3)W、Mo、Ta電熱體電阻發(fā)熱材料（電熱體）：是電阻爐的發(fā)熱元件。耐高溫適宜電阻率什么材料可以作為電熱體材料？W=I2Rtρ=RS/L選擇不同加熱體的考核因素：使用溫度范圍、最高使用溫度使用氣氛（與氣體反應(yīng)、抗氧化性、真空蒸汽壓）與什么物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)（高溫下不能與其它物質(zhì)接觸）電阻率的大小、電阻率隨溫度變化的情況使用壽命（高溫?fù)]發(fā)、脆化、老化現(xiàn)象）熱膨脹系數(shù)（抗熱震性）加工性經(jīng)濟(jì)因素導(dǎo)熱性能如何選擇加熱體？非金屬：

SiC電熱體(2)MoSi2電熱體(3)碳質(zhì)電熱體(4)氧化物電熱體金屬：

Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金電熱體(2)Pt和Pt-Rh電熱體(3)W、Mo、Ta電熱體發(fā)熱體使用溫度/℃氣氛優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)Ni-Cr和Fe-Cr-Al1000～1300空氣抗氧化；價(jià)格便宜；易加工抗熱震性不佳；高溫脆化Pt和Pt-Rh1400～1500非強(qiáng)氧化性、非還原性化學(xué)性能和電性能穩(wěn)定；易加工高溫易揮發(fā)，發(fā)熱絲損失Mo、W、Ta1600～2000以上真空、其它氣氛可得到高溫抗熱震性不佳SiC1400～1600空氣抗熱震性好溫度場(chǎng)不均勻；高溫老化MoSi21700空氣、惰性氣氛高溫抗氧化；電阻率溫度系數(shù)?。粺o(wú)老化低溫下不能在空氣中使用氧化物1800以上空氣最最適合在氧化性氣氛下使用電阻大，需兩套電熱體石墨1800～2000真空、還原性、中性氣氛加工性好；高溫力學(xué)性能好；抗熱震性好抗氧化性差二、電感爐感應(yīng)爐利用物料的感應(yīng)電熱效應(yīng)而使物料加熱或熔化的電爐。

感應(yīng)圈→→加交流電壓→→交變的電磁場(chǎng)→→導(dǎo)電的物料→→電磁感應(yīng)→→在產(chǎn)生渦流→→電阻發(fā)熱若物料不導(dǎo)電，則需通過(guò)導(dǎo)電發(fā)熱體間接加熱?感應(yīng)加熱主要用于粉末熱壓燒結(jié)和真空熔煉等。趨膚效應(yīng)三、電弧爐電弧:在兩電極之間的氣體介質(zhì)中，強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象稱為電弧電弧爐：利用電弧熱效應(yīng)熔煉金屬和其他物料的電爐。按加熱方式分為三種類(lèi)型:①間接加熱電弧爐：熱輻射加熱物料。②直接加熱電弧爐：直接加熱物料。③埋弧電爐：電極一端埋入料層，在料層內(nèi)形成電弧并利用料層自身的電阻發(fā)熱加熱物料。氣體電離和電子發(fā)射是電弧中最基本的物理現(xiàn)象電弧爐常用于：熔煉金屬，如鈦、鋯等，制備高熔點(diǎn)化合物，如碳化物、硼化物以及低價(jià)的氧化物等電弧爐煉鋼等離子體定義為：正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。

等離子爐：利用工作氣體被電離時(shí)產(chǎn)生的等離子體來(lái)進(jìn)行加熱或熔煉的電爐，簡(jiǎn)稱PAF。四、等離子爐氣體放電法與普通電弧爐相比：用等離子體發(fā)生器(即等離子槍)代替石墨電極，其主要特點(diǎn)是電弧溫度高，氣氛可控，適合于冶煉特殊鋼，特別是活潑金屬及其合金、難熔金屬及其合金。

psp放電等離子熱壓燒結(jié)爐容量較大的爐子裝有多個(gè)等離子槍電子束爐：用高速電子轟擊物料使之加熱熔化的電爐。在真空爐殼內(nèi),用通低壓電的燈絲加熱陰極，使之發(fā)射電子，電子束受加速陽(yáng)極的高壓電場(chǎng)的作用而加速運(yùn)動(dòng)，轟擊位于陽(yáng)極的金屬物料，使電能轉(zhuǎn)變成熱能。因?yàn)殡娮邮山?jīng)電磁聚焦裝置高度密集，所以可在物料受轟擊的部位產(chǎn)生很高的溫度。五、電子束爐?電子束爐用于熔煉特殊鋼、難熔和活潑金屬。

反應(yīng)器皿材料使用性能比較材料聚四氟乙烯玻璃金屬陶瓷石墨硼硅石英鐵鎳Pt普通剛玉T25030011009001100120012001700﹥2000反應(yīng)耐各種腐蝕耐各種腐蝕氫氟酸、苛性堿和堿金屬碳酸鹽、鎂酸性或含硫物質(zhì)耐腐蝕性好氫氟酸、堿性溶劑抗腐蝕能力強(qiáng)優(yōu)良的耐腐蝕性備注電絕緣

易氧化，抗堿性好耐HF性好，導(dǎo)熱性好高溫下耐堿性差高溫下耐氧化性能差，保護(hù)氣氛第二節(jié)高溫反應(yīng)容器的選擇第三節(jié)高溫溫度測(cè)量方法溫度不能直接測(cè)量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來(lái)簡(jiǎn)介的測(cè)量。要求：隨溫度變化是單質(zhì)、連續(xù)變化的，且易于測(cè)量。常選用的物理性質(zhì)和效應(yīng)：（1）熱膨脹（2）電阻變化（3）熱電效應(yīng)（4）熱輻射測(cè)溫儀表：最常用！測(cè)溫儀表接觸式非接觸式光學(xué)高溫計(jì)（亮度法）（800～3200℃）比色高溫計(jì)（比色法）（50～3200℃）輻射高溫計(jì)（輻射法）（400～2000℃）熱電阻（-258～900℃）金屬熱電阻：銅、鉑、鎳熱電阻半導(dǎo)體熱電阻：鍺電阻、碳電阻氧化物熱敏電阻熱膨脹（-200～600℃）玻璃溫度計(jì)雙金屬溫度計(jì)壓力式溫度計(jì)（氣體膨脹）熱電偶（-200～1800℃）銅-康銅、鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-康銅貴重金屬鉑銠-鉑石墨系、硅化物系、碳化物系、硼化物系鎢錸系、鎢鉬系（熱電效應(yīng)）熱電偶高溫計(jì)熱電效應(yīng)：兩種不同的導(dǎo)體相接觸，當(dāng)其兩點(diǎn)溫度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)AtBt0熱電偶焊接形成閉合回路A+++---tt0靜電場(chǎng)方向EA（t，t0）AB+++---VAVB電場(chǎng)方向EAB（t）回路的電動(dòng)勢(shì)：包括接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。EAB=VA-VB+EA（t，t0）+EB（t，t0）（1）接觸電勢(shì)（2）溫差電勢(shì)熱電子發(fā)射：接觸電勢(shì)差：脫出功EFEF0ΦA(chǔ)ΦBAB電子EFEF0ΦA(chǔ)ΦBABeVA-eVB表面帶+電荷，產(chǎn)生靜電勢(shì)VA,表面帶—電荷，產(chǎn)生靜電勢(shì)VB,VA-VB=ΦB-ΦA(chǔ)接觸電勢(shì)1）回路電動(dòng)勢(shì)是金屬連接點(diǎn)溫度差值的函數(shù)。EAB=fAB(t-t0)2）當(dāng)t0不變時(shí)，EAB(t,t0)=fAB(t)-C

說(shuō)明：熱電勢(shì)只是一個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)3）一端溫度固定為0℃——冷端一端受熱產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)——熱端外接儀表（室溫）被測(cè)溫度場(chǎng)（高溫）回路的電動(dòng)勢(shì)：EAB=VA-VB+EA（t，t0）+EB（t，t0）鎢錸熱電偶簡(jiǎn)單的熱電偶線路圖電位差計(jì)“熱”接頭鎳鉻合金冷端熱端溫度補(bǔ)償熱電偶校正將冷端置于冰-水平衡體系中，而熱端置于恒定的標(biāo)準(zhǔn)體系中。標(biāo)準(zhǔn)體系是一些溫度恒定的物質(zhì)，成為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。校正熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)1.體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于裝配維護(hù)，使用方便。2.主要作用點(diǎn)是出兩根線連成的很小的熱接點(diǎn)，兩根線較細(xì)，所以熱惰性很小，有良好的熱感度。3.能直接與被測(cè)物體相接觸，不受環(huán)境介質(zhì)如煙霧、塵埃、二氧化碳、蒸氣等影響而引起誤差，具有較高的準(zhǔn)確度，可保證在預(yù)期的誤差以內(nèi)。4.側(cè)溫范圍較廣，一般可在室溫至2000℃左右之間應(yīng)用，某些情況其至可達(dá)3000℃。5.測(cè)量訊號(hào)可遠(yuǎn)距離傳送，并由儀表迅速顯示或自動(dòng)記錄，便于集中管理。熱電偶高溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：熱電偶在使用中，還須注意避免受到侵蝕、污染和電磁的干擾，同時(shí)要求有一個(gè)不影響其熱穩(wěn)定性的環(huán)境。例如有些熱電偶不宜于氧化氣氛，但有些又應(yīng)避免還原氣氛。在不合適的氣氛環(huán)境中，應(yīng)以耐熱材料套管將其密封，并用惰性氣體加以保護(hù)，但這樣就會(huì)多少影響它的靈敏度。當(dāng)溫度變動(dòng)較快時(shí)，隔著套管的熱電偶就顯得有些熱感滯后。熱電偶高溫計(jì)使用注意事項(xiàng)：金屬熱電偶的種類(lèi)及使用的溫度接觸式1、用于普通高溫測(cè)溫；2、精度高，準(zhǔn)確度1%；3、不受介質(zhì)環(huán)境的影響；4、響應(yīng)速度慢、測(cè)量熱容量小的物體的溫度有問(wèn)題。缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)適用熱膨脹熱慣性大，精度低價(jià)格便宜，方便﹤200℃熱電阻不能測(cè)高溫、不能測(cè)點(diǎn)溫、熱慣性大，測(cè)量精度高，可自動(dòng)記錄傳輸，不受介質(zhì)環(huán)境影響一般用于測(cè)量850℃以下的溫度（-200～850℃）熱電偶下線靈敏低，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償；輸出信號(hào)和溫度成非線性關(guān)系測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高，熱感度好，能測(cè)點(diǎn)溫一般用于測(cè)量500℃以上的高溫（-200～1600℃）那么高于1600℃的溫度如何測(cè)量呢？非接觸式高溫測(cè)溫計(jì)1、輻射式高溫測(cè)溫計(jì)（紅外高溫計(jì)）

3、光學(xué)高溫計(jì)2、比色高溫計(jì)（雙色測(cè)溫儀）1、輻射式高溫測(cè)溫計(jì)（紅外高溫計(jì)）基本原理：一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)（0.36～1000μm的電磁波）紅外輻射能量。而大部分位于紅外線(又稱熱射線)區(qū)段中0.76～20μm的范圍內(nèi)。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度。任何物體接受了這段波長(zhǎng)的輻射，都會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量（特定波長(zhǎng)的輻射量），然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。除了“黑體”，所有實(shí)際物體吸收輻射時(shí)都有反射和透射，不能全部吸收。因此吸收的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類(lèi)、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。引入一個(gè)系數(shù)--------發(fā)射率（黑體的發(fā)射率為1）。如何測(cè)量？紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。2、比色高溫計(jì)（雙色測(cè)溫儀）比色高溫計(jì)與一般的測(cè)溫儀不同，采用二個(gè)光學(xué)波段進(jìn)行測(cè)溫，然后取其比值給出溫度值。這種方法可以消除周?chē)h(huán)境中煙氣灰塵對(duì)測(cè)溫讀數(shù)的影響，還可以消除不同物體不同表面輻射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，因此，比色高溫計(jì)能夠正確地測(cè)得物體真實(shí)的溫度。比色高溫計(jì)包括測(cè)溫儀和防護(hù)外殼，防護(hù)外殼通水通氣，保護(hù)測(cè)溫儀不受高溫和塵埃的影響，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。

光學(xué)高溫計(jì)是利用受熱物體的單波輻射強(qiáng)度(即物體的單色亮度)隨溫度升高而增加的原理來(lái)進(jìn)行高溫測(cè)量的。光學(xué)高溫溫度計(jì)選用的單色光波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光的紅色部分，波長(zhǎng)在0.01～0.65μm之間。注：光輻射亮度測(cè)量較難，采用了亮度比較法；

3、光學(xué)高溫計(jì)優(yōu)點(diǎn)：1.不需要同被測(cè)物質(zhì)接觸，同時(shí)也不影響被測(cè)物質(zhì)的溫度場(chǎng)。2.測(cè)量溫度較高，范圍較大，可測(cè)量700一6000℃。3.在正確使用的情況下，誤差可小到正負(fù)10℃。4.使用簡(jiǎn)便、測(cè)量迅速。缺點(diǎn)：1、介質(zhì)會(huì)對(duì)被測(cè)物體的輻射能有吸收，造成誤差。2、不易測(cè)量反射光很強(qiáng)的物體，他們的波長(zhǎng)小于0.36um，不屬于熱輻射。非接觸式1、主要用于超高溫測(cè)溫；2、可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體、腐蝕性環(huán)境溫度；3、測(cè)量為表觀溫度，需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正；4、測(cè)試精度低，準(zhǔn)確度10℃左右，響應(yīng)速度快；5、環(huán)境條件會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性；6、通常測(cè)量表面溫度。光學(xué)無(wú)需外加電源，測(cè)量誤差大輻射受材料本身紅外吸收系數(shù)影響，以及介質(zhì)吸收的影響比色測(cè)量精度高，，但價(jià)格高，在有粉塵、煙霧等非選擇性介質(zhì)中仍可工作作業(yè)：1、對(duì)比各類(lèi)電熱體的使用性能。2、熱電偶測(cè)溫的原理及特點(diǎn)？3、高溫測(cè)量的方法包括幾種？接觸式和非接觸式溫度計(jì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？Ni-Cr、Fe-Cr-Al合金電熱體：溫度范圍：1000℃-1300℃使用氣氛：空氣，可形成氧化膜阻止進(jìn)一步的氧化。特點(diǎn)：抗氧化、價(jià)格便宜、易加工、電阻大、電阻溫度系數(shù)小。注意事項(xiàng)：1、不能與碳、硫酸鹽、水玻璃、石棉以及有色金屬及其氧化物接觸；2、高溫使用過(guò)的Fe-Cr-Al絲，發(fā)生脆化，不能拉伸或彎折。Pt和Pt-Rh電熱體：溫度范圍：最高溫度為1500℃，

空氣中安全使用溫度低1400℃。使用氣氛：不能在Po2≥0.1MPa下使用。

高溫下形成氧化物易揮發(fā)，使鉑絲損失。特點(diǎn)：化學(xué)性能和電性能穩(wěn)定，易于加工，使用溫度高。注意事項(xiàng)：1、與所有金屬和非金屬都能形成合金或化合物避免接觸；2、不要與易被還原的化學(xué)物與還原性氣氛共同存在；3、發(fā)生脆化。鉑耐蝕、耐酸銠的熔點(diǎn)：1966℃Pt-Rh電熱體：1、Rh%含量越高，熔點(diǎn)更高，更高的使用溫度；2、Rh%含量越高，晶粒長(zhǎng)大遲緩，高溫脆化減緩；3、Rh%含量越高，合金的加工性能急劇惡化；4、高溫下Rh的揮發(fā)性較Pt大；5、電阻率隨溫度的變化較Ni-Cr、Fe-Cr-Al合金更顯著；化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%熔點(diǎn)/℃最高使用溫度/℃PtRh100017691500871318501650802019001700604019501750鉑的熔點(diǎn)：1772℃W、Mo、Ta電熱體：共同點(diǎn)：1、熔點(diǎn)高，可獲得較高的溫度；2、只能在真空或適當(dāng)氣氛下使用。不同點(diǎn)：1、熔點(diǎn)：W﹥Ta﹥MoW（﹥2000℃）；Ta（1700～2000℃）；Mo（1600～1700℃）2、加工性：Mo﹥Ta﹥W3、價(jià)位：W﹥Ta﹥Mo4、氣氛：鎢（真空或脫氧的氫氣或惰性氣體）；鉬（H2或N2+H2作為保護(hù)氣氛）；鉭（真空或惰性氣體，不能在H2中使用）