材料合成化學(xué)

材料化學(xué)合成與制備方法鐘博2023/2/6/*材料科學(xué)與工程學(xué)院zhongbooo@126.com,151663186501.1材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33

材料分類——按材料的用途1、結(jié)構(gòu)材料（傳統(tǒng)材料）：滿足材料強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能方面的要求---(材料是最終產(chǎn)品)---(勞動(dòng)密集型材料)---人類生存的基本物質(zhì)需要.2、功能材料（新材料）：滿足材料特殊功能性能的要求，電、磁、聲、光，熱、化學(xué)、生物、核等功能用于敏感、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、吸收等器件以元件形式對(duì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，“材料元件”一體化知識(shí)、技術(shù)密集型材料：需要物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)科學(xué)，以及信息、智能、微電子等技術(shù)科學(xué)人類高層次的物質(zhì)需求（智能建筑材料：冬暖下涼、報(bào)警等）。3從材料尺度角度分類

一維材料纖維、晶須等二維材料薄膜、涂層等三維材料

塊體材料零維材料？4按材料內(nèi)部原子排列情況分類

晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料2023/2/6/04:13:33金屬材料高分子材料粉末金屬有色金屬鋼鐵

塑料

橡膠粘合劑

涂料纖維

復(fù)合材料玻璃結(jié)晶陶瓷

碳材料半導(dǎo)體

材料家族

2023/2/6/04:13:331.1材料科學(xué)的內(nèi)涵

人類社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的每一個(gè)重大突破，都是因?yàn)橛辛讼冗M(jìn)的新材料而實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)代文明的三大支柱：信息、能源和材料。而其中材料又是信息技術(shù)、能源技術(shù)幾及其它一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和關(guān)鍵。材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33歷史學(xué)家將材料作為文明社會(huì)進(jìn)化的標(biāo)志。新石器時(shí)代青銅器時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代合成材料時(shí)代…….智能材料????舊石器時(shí)代在人類文明的進(jìn)程中，材料大致經(jīng)歷了以下五個(gè)發(fā)展階段：

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人類只能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹(shù)木、草葉、石塊、泥土等），相當(dāng)于人們通常所說(shuō)的舊石器時(shí)代。這一階段，人類所能利用的材料都是純天然的，在這一階段的后期，雖然人類文明的程度有了很大進(jìn)步，在制造器物方面有了種種技巧，但是都只是純天然材料的簡(jiǎn)單加工。1．使用純天然材料的初級(jí)階段------舊石器時(shí)代2023/2/6/04:13:33

這一階段橫跨人們通常所說(shuō)的新石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代，也就是距今約10000年前到20世紀(jì)初的一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)期，并且延續(xù)至今，它們分別以人類的三大人造材料為象征，即陶、銅和鐵。這一階段主要是人類利用火來(lái)對(duì)天然材料進(jìn)行煅燒、冶煉和加工的時(shí)代。例如人類用天然的礦土燒制陶器、磚瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料，等等。2．人類單純利用火制造材料的階段3．利用物理與化學(xué)原理合成材料的階段2023/2/6/04:13:3320世紀(jì)初，隨著物理學(xué)和化學(xué)等科學(xué)的發(fā)展以及各種檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，人類一方面從化學(xué)角度出發(fā)，開(kāi)始研究材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)及合成方法，另一方面從物理學(xué)角度出發(fā)開(kāi)始研究材料的物性，就是以凝聚態(tài)物理、晶體物理和固體物理等作為基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)明材料組成、結(jié)構(gòu)及性能間的關(guān)系，并研究材料制備和使用材料的有關(guān)工藝性問(wèn)題。這一階段以合成高分子材料的出現(xiàn)為開(kāi)端，一直延續(xù)到現(xiàn)在，仍將繼續(xù)下去。人工合成塑料、合成纖維及合成橡膠等合成高分子材料的出現(xiàn)，加上已有的金屬材料和陶瓷材料（無(wú)機(jī)非金屬材料）構(gòu)成了現(xiàn)代材料的三大支柱。超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、光纖等材料都是這一階段的杰出代表。從這一階段開(kāi)始，人們不再是單純地采用天然礦石和原料，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的煅燒或冶煉來(lái)制造材料，而且能利用一系列物理與化學(xué)原理及現(xiàn)象來(lái)創(chuàng)造新的材料。4．材料的復(fù)合化階段2023/2/6/04:13:3320世紀(jì)50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)標(biāo)志著復(fù)合材料時(shí)代的到來(lái)。隨后又出現(xiàn)了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出現(xiàn)的抗菌材料的熱潮，都是復(fù)合材料的典型實(shí)例。它們都是為了適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展以及人類文明程度的提高而產(chǎn)生的。人類已經(jīng)可以利用新的物理、化學(xué)方法，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)獨(dú)特性能的材料。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料并不只限于兩類材料的復(fù)合。只要是由兩種不同的相組成的材料都可以稱為復(fù)合材料。5．材料的智能化階段2023/2/6/04:13:33

自然界中的材料都具有自適應(yīng)、自診斷合資修復(fù)的功能。如所有的動(dòng)物或植物都能在沒(méi)有受到絕對(duì)破壞的情況下進(jìn)行自診斷和修復(fù)。人工材料目前還不能做到這一點(diǎn)。但是近三四十年研制出的一些材料已經(jīng)具備了其中的部分功能。這就是目前最吸引人們注意的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等等。盡管近10余年來(lái)，智能材料的研究取得了重大進(jìn)展，但是離理想智能材料的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)，而且嚴(yán)格來(lái)講，目前研制成功的智能材料還只是一種智能結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33“材料”是早已存在的名詞，但“材料科學(xué)”的提出只是20世紀(jì)60年代初的事。1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國(guó)朝野上下為之震驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料研究中心。采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學(xué)”這個(gè)名詞便開(kāi)始流行。材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33首先，固體物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，推動(dòng)了對(duì)材料本質(zhì)的了解；同時(shí)，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等的發(fā)展也使對(duì)材料本身的研究大大加強(qiáng)，從而對(duì)材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能，以及它們之間的相互關(guān)系的研究也愈來(lái)愈深入?！安牧峡茖W(xué)”的形成實(shí)際是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33其次，在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復(fù)合材料也獲得廣泛應(yīng)用，其研究也逐步深入。但它們之間存在著頗多相似之處，不同類型材料的研究可以相互借鑒，從而促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展。第三，許多不同類型的材料可以相互替代和補(bǔ)充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。但長(zhǎng)期以來(lái)，金屬、高分子及無(wú)機(jī)非金屬材料自成體系，缺乏溝通。由于互不了解，不利于發(fā)展創(chuàng)新。材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33材料科學(xué)材料工程研究材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，探索自然規(guī)律。基礎(chǔ)研究工程是指研究材料在制備過(guò)程中的工藝和工程技術(shù)問(wèn)題綜合性研究材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識(shí)的產(chǎn)生及其運(yùn)用。換言之，材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過(guò)程、材料性能與使用效能以及它們之間的關(guān)系。組成與結(jié)構(gòu)(composition-structure)合成與生產(chǎn)過(guò)程(synthesis-processing)性質(zhì)(properties)使用效能(performance)四個(gè)基本要素(basicelements)材料科學(xué)的內(nèi)涵2023/2/6/04:13:33成分(composition)、合成/加工(synthesis／proeessing)、結(jié)構(gòu)(structure)、性質(zhì)(properties)、使用效能(performance)五個(gè)基本要素(basicelements)1.2材料科學(xué)各組元及其關(guān)系2023/2/6/04:13:33合成與制備Materialssynthesis:

oftenrefertochemicalandphysicalproceduresbywhichatomsandmoleculesareassembled.Materialsprocessing:

manipulationofmaterialsonlargerscalesandincludesproceduresinvolvingseveralstepsundercarefullycontrolledconditions.1.2材料科學(xué)各組元及其關(guān)系2023/2/6/04:13:33合成與制備

合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過(guò)程．合成的研究既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)問(wèn)題，也包括以適用的數(shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問(wèn)題；既包括新材料的合成，也應(yīng)包括已有材料的新合成方法(如溶膠—凝膠法)及其新形態(tài)(如纖維、薄膜)的合成。2023/2/6/04:13:33“Askagroupoforganicchemistswhytheylovetheirwork,however,andmostwilltellyouthatitenablesthemtomakethingsthatnooneelsehasmadebefore.”

Itisalsotrueformaterialssynthesis.Fivekeywordsofmaterialssynthesis

(材料合成五字訣）2023/2/6/04:13:33知(Knowledge):physicalandchemicalconstants;safetydata;basicsofthepreparationprocedure.常(Commonsense):shouldnotviolatecurrentlaws.修(Modification):makechangeswhennecessary.交(Hybrid):mixdifferentmethods/routes/conditions.試(Trial):trial-and-error.2023/2/6/04:13:33MaterialsMetalPolymerCeramicCompositeFormofproductBulkThinfilmPowderNanoparticlesQuantumdotsProcessSolidstatereactionWet-chemical(sol-gel,precipitation,…)Hydrothermal/solv-othermalEmulsionSelf-assemblyTemplateElectrochemicalCombustionassistedSpraying……

材料合成方法概覽ConditionsT:hi-T/RT/lo-TP:vac/atmos-pheric/highPMicrowaveSonochemicalLaserMagnetic……

材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33制備也研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有用的材料，這一點(diǎn)是與合成相同的.制備還包括在更為宏觀的尺度上或以更大的規(guī)模控制材料的結(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、處理、裝配和制造。

合成與制備是提高材料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵，也是開(kāi)發(fā)新材料、新器件的中心環(huán)節(jié)。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33在合成與制備中工程性的研究固然重要，基礎(chǔ)研究也不應(yīng)忽視。對(duì)材料合成與制備的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究可以揭示過(guò)程的本質(zhì)。為改進(jìn)制備方法建立新的制備技術(shù)提供科學(xué)基礎(chǔ)。以晶體材料為例在晶體生產(chǎn)中如果不了解原料合成與生產(chǎn)各階段發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程、熱量與質(zhì)量的傳輸、固液界面的變化和缺陷的生成以及環(huán)境參數(shù)對(duì)這些過(guò)程的影響，就不可能建立并掌握生長(zhǎng)參數(shù)優(yōu)化的制備方法，生長(zhǎng)出具有所需組成、完整性、均勻性和物理性的晶體材料。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33以陶瓷材料為例，陶瓷材料的最嚴(yán)重的問(wèn)題是可靠性差，原因是制備過(guò)程落后以致材料的微結(jié)構(gòu)和特性缺少均勻性和重復(fù)性．研究結(jié)果已表明，若粉料在材料制備中發(fā)生團(tuán)聚，則材料難免出現(xiàn)分布不均勻的氣孔從而導(dǎo)致性能不均一，因?yàn)榉哿蠄F(tuán)聚一旦在制備的早期階段形成，實(shí)際上就不可能在不存在液相的情況下通過(guò)煅燒或燒結(jié)消除其影響。這說(shuō)明為提高材料的可靠性．必須對(duì)制備過(guò)程中的每階段所發(fā)生的化學(xué)、物理變化認(rèn)真加以研究并做出必要的表征．把合成制備簡(jiǎn)單地與工藝等同起來(lái)而忽略其基礎(chǔ)研究的科學(xué)內(nèi)涵，是不恰當(dāng)?shù)?。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33組成與結(jié)構(gòu)

組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布；除主要組成以外，雜質(zhì)及對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略.

結(jié)構(gòu)則指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次。材料科學(xué)材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料的基本表征。它們一方面是特定的合成與制備條件的產(chǎn)物，另一方面又是決定材料性能與使用效能的內(nèi)在因素，因而在材料科學(xué)與工程的“四面體”中占有獨(dú)特的承前啟后的地位，并起著指導(dǎo)性的作用．材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33了解材料的組成與結(jié)構(gòu)及它們同合成與制備之間、性能與使用效能之間的內(nèi)在聯(lián)系，是材料科學(xué)與工程的基本研究?jī)?nèi)容。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33性能與使用效能

性能是指材料固有的物理、化學(xué)特性，也是確定材料用途的依據(jù)。廣義地說(shuō)，性能是材料在一定的條件下對(duì)外部作用的反應(yīng)的定量表述。例如，對(duì)外力作用的反應(yīng)為力學(xué)性能，對(duì)外電場(chǎng)作用的反應(yīng)為電學(xué)性能，對(duì)光波作用的反應(yīng)為光學(xué)性能等等。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33

使用效能是材料以特定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的效能。它是材料的固有性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程特性、使用環(huán)境和效益的綜合表現(xiàn)，通常以壽命、效率，可靠性、效益及成本等指標(biāo)衡量。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33使用效能的研究與工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造過(guò)程密切相關(guān)，不僅有宏觀的工程問(wèn)題，還包括復(fù)雜的材料科學(xué)問(wèn)題。例：功能器件的一致性與可靠性是功能材料原有缺陷(原生缺陷)、器件制備過(guò)程引入的二次缺陷以及在使用條件下這些缺陷的發(fā)展和新缺陷生成的綜合結(jié)果.材料的使用效能是材料科學(xué)與工程所追求的最終目標(biāo)．而且在很大程度上代表這一學(xué)科的發(fā)展水平。材料科學(xué)各組元2023/2/6/04:13:33材料科學(xué)三個(gè)重要屬性：多學(xué)科交叉，它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科；一種與實(shí)際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開(kāi)發(fā)新材料，提高材料性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時(shí)降低材料成本和減少污染等；材料科學(xué)是一個(gè)正在發(fā)展中的科學(xué)，不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個(gè)很成熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實(shí)和完善。課程內(nèi)容2023/2/6/04:13:33緒論材料合成的理論基礎(chǔ)材料合成的條件材料合成技術(shù)簡(jiǎn)介材料合成實(shí)例教材及主要參考書(shū)2023/2/6/04:13:33材料合成化學(xué)，徐甲強(qiáng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社材料合成與制備方法，曹茂盛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社第二講化學(xué)熱力學(xué)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)解決什么？--反應(yīng)能否進(jìn)行？化學(xué)平衡熱化學(xué)化學(xué)平衡3.1基本概念3.1.1熱力學(xué)函數(shù)與熱力學(xué)平衡判據(jù)

F=U-TS G=H-TS 式中，F(xiàn)—赫姆霍茲自由能；U—內(nèi)能；T—熱力學(xué)溫度；S—熵；H—焓；G—吉布斯自由能。平衡條件(1)熵判別：對(duì)孤立體系或絕熱體系：dS0

(2)赫姆霍茲自由能判據(jù)：等溫等容不作功的條件下，任其自然，則自發(fā)變化總是朝向自由能減少的方向進(jìn)行：(dF)T,V0 (3)吉布斯自由能判據(jù)：在等溫等壓不做功的條件下，任其自然，由自發(fā)變化總是朝向自由減少的方向進(jìn)行：(dG)T,p0熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系（一）dU=TdS-pdV dH=TdS+Vdp dF=-SdT-pdV dG=-SdT+Vdp 熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系（二）化學(xué)位定義自由能與壓力和溫度的關(guān)系吉布斯—赫姆霍茲方程:標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)自由能在指定的反應(yīng)溫度及101.325MPa下，最穩(wěn)定單質(zhì)的自由能為零標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（即101.325MPa）下的理想氣體或101.325MPa下純液體或純固體的穩(wěn)定單質(zhì)，生成1摩爾化合物時(shí)的自由能，稱為該化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能化學(xué)平衡常數(shù)化學(xué)平衡常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)自由能的關(guān)系=-RTlnKp

物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)生成自由能溫度和壓力對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的影響溫度對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的影響范特霍夫(Van’tHoff)方程壓力對(duì)平衡常數(shù)的影響熱化學(xué)化學(xué)反應(yīng)常常伴有能量的釋放或吸收，燃燒反應(yīng)更不例外，是放熱反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)自然科學(xué)的研究、工業(yè)生產(chǎn)、燃料的利用及確定設(shè)備條件都是很重要的?；衔锏纳伸屎蜆?biāo)準(zhǔn)生成焓在室溫(298K)和101.325KPa下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)合成某種化合物，反應(yīng)中焓的增量即定義為化合物的生成焓幾種物質(zhì)的生成焓反應(yīng)焓幾種單質(zhì)或化合物的相互反應(yīng)生成產(chǎn)物時(shí)，放出或吸收的熱量稱為該化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)焓:由生成物和反應(yīng)物的生成焓差來(lái)確定:根據(jù)鍵能計(jì)算反應(yīng)焓當(dāng)化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成焓未知時(shí)，可用鍵能來(lái)計(jì)算反應(yīng)焓化合物原鍵的拆散和新鍵的形成過(guò)程，在此過(guò)程中伴有能量的變化，并以反應(yīng)焓形式表現(xiàn)出來(lái)用鍵能計(jì)算反應(yīng)焓不很精確，但在缺少熱化學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，用鍵能估算反應(yīng)焓也是解決問(wèn)題的一種方法

平均鍵能(KJ/mol)例11摩爾乙烯氫化合成乙烷時(shí)要放出146.4KJ的熱量任意溫度下反應(yīng)焓的計(jì)算—

基爾霍夫(Kirhoff)定律反應(yīng)焓隨溫度的變化率等于恒壓下生成物和反應(yīng)物恒壓熱容差焓與溫度的關(guān)系曲線T（K）ΔHT0ΔH2980化學(xué)動(dòng)力學(xué)

化學(xué)反應(yīng)速度各種參數(shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響反應(yīng)速度理論鏈鎖反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)速度基本定義化學(xué)反應(yīng)速度是在單位時(shí)間內(nèi)由于化學(xué)反應(yīng)而使反應(yīng)物質(zhì)(或燃燒產(chǎn)物)的濃度改變率，一般常用符號(hào)w來(lái)表示。質(zhì)量作用定律當(dāng)溫度不變時(shí)，某化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度是與該瞬間各反應(yīng)物濃度的乘積成正比例，如果該反應(yīng)按某化學(xué)反應(yīng)方程式的關(guān)系一步完成，則每種反應(yīng)物濃度的方次即等于化學(xué)反應(yīng)方程式中的反應(yīng)比量系數(shù)反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)級(jí)數(shù)n即為各濃度方次之和，即

n=a+b+c……連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)物A的濃度，隨時(shí)間之增加，從初濃度很快地減少而逐漸趨向于零。產(chǎn)物C的濃度從零逐漸增加，最后應(yīng)趨向于，而產(chǎn)物B的濃度則開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)是增加的，然后又逐漸減少。在一定的時(shí)刻，B的濃度達(dá)到最大值

各種參數(shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響壓力對(duì)反應(yīng)速度的影響在等溫等壓下,反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響范特荷夫反應(yīng)速度和溫度的近似關(guān)系阿累尼烏斯定律壓力對(duì)反應(yīng)速度的影響一級(jí)反應(yīng)中壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響

二級(jí)反應(yīng)中壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響三級(jí)反應(yīng)中壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響在等溫等壓下,反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響在溫度和壓力不變的情況下,化學(xué)反應(yīng)速度w僅隨反應(yīng)物的相對(duì)濃度A1而變化反應(yīng)速度理論在一定的溫度下,氣體分子總是處于運(yùn)動(dòng)之中,且隨著溫度升高,其運(yùn)動(dòng)速度亦愈大,分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,不斷地相互碰撞，假如化學(xué)反應(yīng)就是在這樣簡(jiǎn)單的相碰后,都會(huì)反應(yīng)而形成產(chǎn)物的話,那么化學(xué)反應(yīng)將進(jìn)行的非常迅速實(shí)際上,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反應(yīng)速度是有限的有效碰撞理論過(guò)渡狀態(tài)理論（不講）參加反應(yīng)的不是所有的分子,而只是其中活化分子,而所謂活化分子即其所具有的能量比系統(tǒng)平均能量大E1(或E2)的分子,而E1(或E2)稱為活化能?；罨茉谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),而與反應(yīng)物的物理化學(xué)性質(zhì)和各種類型的反應(yīng)有關(guān)。隨著反應(yīng)的種類,反應(yīng)物的化學(xué)結(jié)構(gòu),以及環(huán)境之不同而改變。第三章材料合成與制備的條件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(duì)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(shí)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(duì)象之一。2023/2/6/04:13:3375/31溶劑的選擇與提純氣體與真空物質(zhì)分離與純化高低溫的獲得與測(cè)量76/31

溶劑分類質(zhì)子溶劑、非質(zhì)子溶劑（惰性溶劑）、熔鹽、77/3178/3179/3180/31溶劑的選擇對(duì)反應(yīng)物能充分溶解形成均相溶液反應(yīng)物不與溶劑作用副反應(yīng)最少易于產(chǎn)物的分離81/31溶劑的提純

溶劑中雜質(zhì)的產(chǎn)生生產(chǎn)制備過(guò)程；制備帶來(lái)的副產(chǎn)物；自身的性質(zhì)而混入的雜質(zhì)或者外界因素的影響，吸收或分解生成的物質(zhì)，如氯仿受光的作用產(chǎn)生光氣、氯化氫；穩(wěn)定劑的添加如乙醇、酚類等。82/31

脫水干燥干燥劑分餾共沸蒸餾蒸發(fā)及蒸餾如乙二醇除水干燥氣體（加熱回流時(shí)通干燥的空氣或氮?dú)?，氣體帶走溶劑中的水分，從冷凝器末端的干燥管中放出。此法適用于乙二醇、甘油等難揮發(fā)溶劑的干燥。）其它特殊情況（烴類冷凍，水結(jié)冰除去）83/312.1.4溶劑對(duì)反應(yīng)的影響（1）溶劑介電常數(shù)：介電常數(shù)愈大，離子間引力愈弱，所以介電常數(shù)比較大的溶劑常不利于離子間的化合反應(yīng)。（2）溶劑極性：如果生成物的極性比反應(yīng)物大，則在極性溶劑中反應(yīng)速率比較大；相反，如果反應(yīng)物的極性比生成物的極性大，則在極性溶劑的反應(yīng)速率比較小。（3）溶劑化：物質(zhì)在溶劑中都有一定程度的溶劑化作用，生成溶劑化物。如果反應(yīng)物溶劑化后能形成比較穩(wěn)定的溶劑化物，則會(huì)增加活化能，降低反應(yīng)速率。如果溶劑化后，能形成一種不穩(wěn)定的中間化合物，則可使活化能降低，增大反應(yīng)速率。84/31對(duì)皮膚的毒害(1)造成皮膚表而脂肪層脫除，使皮膚易受細(xì)菌感染；(2)由于皮膚表面角阮(一種硬蛋白質(zhì))的脫除容易引起急性和慢性皮膚炎；(3)溶劑通過(guò)皮膚吸收到體內(nèi)引起中毒作用；(4)與一般皮膚病有關(guān)的變態(tài)反應(yīng)。溶劑安全使用與處理85/31危害分類

(1)根據(jù)溶劑對(duì)生理作用產(chǎn)生的毒性分類①損害神經(jīng)的溶劑如伯醇類(甲醇除外)、醚類、醛類、酮類、部分酯類、芐醇類等。②肺中毒的镕劑如羧酸甲酯類、甲酸酯類等。③血液中毒的溶劑如苯及其衍生物、乙二醇類等。④肝臟及新陳代謝中毒的溶劑如鹵代烴類等。⑤腎臟中毒的溶劑如四氯乙烷及乙二醇類等。86/31(2)根據(jù)溶劑對(duì)健康的損害分類

第1類無(wú)害溶劑。①基本上無(wú)毒害，長(zhǎng)時(shí)間使用對(duì)健康沒(méi)有什么影響，如戊烷、石油醚、輕質(zhì)汽油、己烷、庚烷、200號(hào)溶劑汽油、乙醇、氯乙烷、乙酸、乙酸乙酯等。②稍有毒性，但揮發(fā)性低，在普通條件下使用基本上無(wú)危險(xiǎn)，如乙二醇、丁二醇、鄰苯二甲酸二丁酯等。

第2類在一定程度上是有害或稍有毒害的溶劑，但在短時(shí)間最大容許濃度下沒(méi)有重大的危害，如甲苯、二甲苯、環(huán)己烷、異丙苯、環(huán)庚烷、乙酸丙酯、戊醇、乙酸戊酯、丁醇、三氯乙烯、四氯乙烯、環(huán)氧乙烷、氫化芳烴、石腦油、四氫化萘、硝基乙烷等。第3類有害溶劑，除在極低濃度下無(wú)危害外，即使是短時(shí)間接觸也是有害的，如苯、二硫化碳、四氯化碳、甲醇、四氯乙烷、乙醛、苯酚、硝基苯、硫酸二甲酯、五氯乙烷等。87/31(3)根據(jù)在工廠使用條件下的危險(xiǎn)程度分類

第l類弱毒性溶劑，如200號(hào)溶劑汽油、四氫化萘、松節(jié)油、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、溶纖劑、環(huán)己烷、甲基環(huán)己醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、增塑劑、糠醛、糠醇等。

第2類中毒性溶劑，如甲苯、環(huán)己烷、甲醇、二氯甲烷、1，2—二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等。第3類強(qiáng)毒性溶劑，如苯、二硫化碳、二二噁烷、氯仿、四氯化碳、二氯乙烷、四氯乙烷、五氯乙烷、二氯乙醚、氯苯、2—氯乙醇等。88/31溶劑的回收與廢棄回收方法冷凝法壓縮法吸收法，常用吸收液（無(wú)機(jī)吸收液：水、弱酸性水溶液、海水、亞硫酸鈉水溶液、硫酸等。有機(jī)吸收液：乙醇、丁醇、戊醇、動(dòng)植物油、礦物油、煤焦油(200~350℃)、甲酚等。）吸附法，采用吸附劑蒸餾法89/31廢溶劑處理(1)烴類廢溶劑：焚燒處理。(2)由碳、氫、氧組成的化合物：大部分可采用焚燒法，醚類注意其中的爆炸性的過(guò)氧化物。(3)由碳、氫、氮組成的化合物：多次焚燒法(4)由碳、氫、氧、氮組成的化合物：多次少量焚燒(5)含硫化合物：焚燒處理，燃燒生成的二氧化硫必須用堿性溶液吸收。(6)鹵化物：多次燃燒，生成的鹵化氫用堿液中和90/31(7)其他①直接排放在大氣中的：液氮、液氧、液態(tài)二氧化碳等。②液氨：氣化后用水吸收成稀水溶液，再由稀鹽酸、稀硫酸等中和后加大量水稀釋排放。③液態(tài)二氧化硫；氣化后用堿液吸收，加次氯酸鈣放置，將氧化的溶液中和，再與過(guò)量水一起由下水道排放。④無(wú)機(jī)酸：中和后，與大量水一起由下水道排放。硼酸酯、磷酸酯多次焚燒，堿液中和殘留物，與大量水排入下水道。91/312.2氣體的凈化及氣氛控制2.2.1凈化方法吸收，固體吸收劑吸附，多孔固體吸附劑化學(xué)催化，借助催化劑吸除雜質(zhì)冷凝，除去易冷凝雜質(zhì)92/31物質(zhì)的分離與純化技術(shù)分離過(guò)程機(jī)械分離：過(guò)濾、沉降、離心、靜電除塵等傳質(zhì)分離：用于均相混合物，伴隨質(zhì)量傳遞。有平衡分離過(guò)程和速率分離過(guò)程。93/31平衡分離過(guò)程借助媒介（熱能、溶劑或吸附劑）使均相混合物分相。解吸、共沸蒸餾、萃取、蒸發(fā)（旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，見(jiàn)下頁(yè)）、結(jié)晶、升華、浸取、吸附、離子交換、泡沫分離、區(qū)域熔煉。新技術(shù)：多級(jí)分步結(jié)晶、變壓吸附、超臨界萃取、膜萃取94/31速率分離過(guò)程在推動(dòng)力（溫差、濃度差等）作用下（多數(shù)配合使用選擇性的膜）利用各組分?jǐn)U散速率差異。膜分離技術(shù)【微濾、超濾、反滲透、抽濾（見(jiàn)下頁(yè)）滲析與電滲析】，有固體膜、液體膜、氣態(tài)膜。新技術(shù)：氣體分離、滲透蒸發(fā)、乳液膜、支撐液膜、蒸汽滲透、滲透蒸餾、氣態(tài)膜95/31提純技術(shù)實(shí)驗(yàn)室安全通風(fēng)良好，玻璃儀器使用（特別注意減壓和高溫操作），藥品按易燃和高毒性處理；防護(hù)設(shè)備，注意防火儀器清洗玻璃：熱洗滌劑和蒸餾水、丙酮，或濃硫酸與濃硝酸混酸；120℃烘干

容量器皿：不能加熱，洗后丙酮淋干聚四氟乙烯設(shè)備：丙酮、正己烷浸泡，或混酸96/3197/31（1）蒸餾：

常壓蒸餾98/31真空蒸餾99/31（2）重結(jié)晶（3）升華100/31（4）色譜技術(shù)（5）萃取3.1溫度溫度表征物體的冷熱程度。溫度也是分子平均動(dòng)能的度量。2023/2/6/04:13:33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(dòng)能。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(guò)程中，從有序的晶格出發(fā)，原子的挪動(dòng)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(dòng)，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(wú)規(guī)的，體現(xiàn)了位置無(wú)序性，而且原子并不定局域于某個(gè)特定的位置上。2023/2/6/04:13:33例：熔體制備晶體或玻璃（1）例：熔體制備晶體或玻璃（2）在固相到液相的相變過(guò)程中：

當(dāng)液體冷卻到熔點(diǎn)Tm時(shí)，并不會(huì)立即凝固或結(jié)晶，而是先以過(guò)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(guò)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。2023/2/6/04:13:33只有當(dāng)溫度下降至熔點(diǎn)以下，即存在一定的過(guò)冷度時(shí)，成核的幾率才大于零。例：熔體制備晶體或玻璃（3）晶核形成后，晶核的長(zhǎng)大就主要依靠原子的擴(kuò)散過(guò)程。因此，結(jié)晶的速率既和成核的幾率有關(guān)，又和長(zhǎng)大的速率有關(guān)。前者取決于過(guò)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(lái)的速率足夠快的話，過(guò)冷液相就將避免結(jié)晶而形成玻璃態(tài)。2023/2/6/04:13:33結(jié)晶與形成玻璃態(tài)，均取決于溫度和降溫速率。例：固相反應(yīng)固相反應(yīng)開(kāi)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(kāi)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(wú)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：2023/2/6/04:13:33其中，K0

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

溫度對(duì)于材料中的相變、燒結(jié)等材料合成與制備中的關(guān)鍵過(guò)程無(wú)論在熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)上都產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。2023/2/6/04:13:333.1.1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(shí)，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?huì)造成玻璃儀器的損壞。同時(shí)，由于局部過(guò)熱，還可能引起有機(jī)化合物的部分分解。2023/2/6/04:13:33化學(xué)合成中常用的加熱方法最簡(jiǎn)便的是通過(guò)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(lái)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)。2023/2/6/04:13:33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(shí)，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(zhǎng)時(shí)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(dòng)添水裝置的水浴。若需要加熱到100°C時(shí)，可以用沸水浴或水蒸汽浴。2023/2/6/04:13:33化學(xué)合成中常用的加熱方法(2)油?。涸?00-250°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(duì)苯二酚，便可增加它們?cè)谑軣釙r(shí)的穩(wěn)定性。透明石蠟油可加熱到220°C，溫度過(guò)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(guò)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(shí)，油浴中應(yīng)放溫度計(jì)，以便及時(shí)調(diào)節(jié)燈焰，防止溫度過(guò)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(shí)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。2023/2/6/04:13:33化學(xué)合成中常用的加熱方法(3)砂浴：加熱溫度必須達(dá)到數(shù)百度以上時(shí)往往使用砂浴。將清潔而又干燥的細(xì)砂平鋪在鐵盤(pán)上，盛有液體的容器埋入砂中，在鐵盤(pán)下加熱，液體就間接受熱。由于砂對(duì)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。2023/2/6/04:13:33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(jiǎn)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(gè)洞(洞的直徑接近于蒸餾瓶或其他容器頸部的直徑)，然后對(duì)切為二，加熱時(shí)用以蓋住罐口。使用時(shí)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。2023/2/6/04:13:33化學(xué)合成中常用的加熱方法當(dāng)物質(zhì)在高溫加熱時(shí)，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(huì)引起嚴(yán)重的燒傷。所以在使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)倍加小心，并盡可能防止溢出或飛濺。2023/2/6/04:13:333.1.2高溫的獲得與測(cè)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。現(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。2023/2/6/04:13:33電爐(1)電阻爐：

當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，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(jiǎn)單、易于制作、溫度性能好，故在實(shí)驗(yàn)室中用得最多。2023/2/6/04:13:33實(shí)驗(yàn)使用的高溫爐基本上都是電爐電爐(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(shí)，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(shí)，則必須通過(guò)發(fā)熱體(導(dǎo)體)間接加熱。感應(yīng)加熱時(shí)無(wú)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。2023/2/6/04:13:33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(yáng)離子和自由電子而達(dá)到極高的溫度(10000K)。2023/2/6/04:13:33電爐(4)電子束爐：電子束在強(qiáng)電場(chǎng)作用下射向陽(yáng)極，由于電子束沖擊的巨大能量，使陽(yáng)極產(chǎn)生很高的溫度。多用來(lái)在真空中熔化難熔材料。在直流高壓下，電子沖擊會(huì)產(chǎn)生X光輻射，對(duì)人體有害，故一般不希望采用過(guò)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(guò)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。2023/2/6/04:13:33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(guò)輻射和對(duì)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(guò)程中對(duì)試料進(jìn)行各種操作。由于熱輻射的速度很快，又無(wú)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。2023/2/6/04:13:33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(cè)量與控制；爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，便于制作；爐膛易于密封與氣氛調(diào)整。2023/2/6/04:13:33各種高溫爐及其能達(dá)到的溫度電阻爐的發(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(jià)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(duì)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(huì)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。2023/2/6/04:13:33電熱體(1)Ni-Cr合金常用牌號(hào)有Cr20Ni80和Cr15Ni60。經(jīng)高溫使用后，只要沒(méi)有過(guò)燒，仍然比較柔軟。Ni-Cr合金具有較好的抗氮?dú)饽芰?，常用于含氮?dú)夥盏碾娮锠t。Fe-Cr-Al合金絲經(jīng)高溫使用后，因晶粒長(zhǎng)大而變脆。溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，脆化越嚴(yán)重。因此，高溫用過(guò)的Fe-Cr-A1絲，不要拉伸和彎折，修理時(shí)要仔細(xì)，需要彎折時(shí)，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。2023/2/6/04:13:33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(chǎng)合下被用作電熱體。鉑的熔點(diǎn)為1769°C，高于1500°C時(shí)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(zhǎng)時(shí)間安全使用溫度低于1400°C，不能在PO2

≥0.1MPa下使用。2023/2/6/04:13:33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(shí)，對(duì)鉑也是有害的。例:SiO2

與還原氣氛共存時(shí)，在高溫下形成氣相SiO2。所以，即使SiO2與Pt無(wú)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(zhǎng)時(shí)間在高溫下使用，會(huì)因晶粒長(zhǎng)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(huì)使其中毒而導(dǎo)致使用壽命大為縮短。2023/2/6/04:13:33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(shí)，合金的加工性能急劇惡化。2023/2/6/04:13:33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(zhǎng)大較Pt遲緩。Pt-Rh合金在高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用，絲徑會(huì)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。2023/2/6/04:13:33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(shí)，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.2023/2/6/04:13:33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。電熱體(3)鉬的密度小，價(jià)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(zhǎng)時(shí)間使用，會(huì)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(duì)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(huì)軟化，故鉬絲爐所能達(dá)到的最高溫度受爐管限制。2023/2/6/04:13:33

鉭不能在氫氣中使用，因?yàn)樗芪諝涠剐阅茏儔摹ｃg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。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?jī)?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(gè)接線端露于爐外。使用硅碳棒的缺點(diǎn):爐內(nèi)溫度場(chǎng)不夠均勻，并且各支硅碳棒電阻匹配困難。2023/2/6/04:13:33電熱體(4)硅碳管是直接把SiC制成管狀發(fā)熱體，故溫度場(chǎng)比較均勻。目前國(guó)產(chǎn)硅碳管最大直徑為100mm。硅碳管有無(wú)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(shí)，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(shuō)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。2023/2/6/04:13:33電熱體(4)SiC電熱體在使用過(guò)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(shí)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(guò)高，或空氣中水汽含量很多時(shí)，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(shí)候。2023/2/6/04:13:33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(shí)仍需用大電流變壓器供電。2023/2/6/04:13:33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(shí)，碳的化學(xué)活性迅速增加，此時(shí)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。2023/2/6/04:13:33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)樵诟邷叵拢l(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(shí)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(zhǎng)時(shí)間使用。2023/2/6/04:13:33電熱體(6)MoSi2

在空氣中長(zhǎng)時(shí)間使用，其電阻率保持不變，無(wú)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(guò)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(shí)會(huì)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(guò)1500°C。MoSi2

在常溫下很脆，安裝使用時(shí)應(yīng)特別小心，以免折斷，并要留有一定的伸縮余地。2023/2/6/04:13:33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?cè)诔叵戮哂泻艽蟮碾娮柚?，以致無(wú)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(shí)才能對(duì)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)。2023/2/6/04:13:33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(zhǎng)時(shí)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(jiǎn)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。2023/2/6/04:13:33電熱體2023/2/6/04:13:33各種發(fā)熱體的最高工作溫度溫度測(cè)量方法溫度測(cè)量方法通常分為接觸式與非接觸式兩種。接觸式測(cè)溫就是測(cè)溫元件要與被測(cè)物體有良好的熱接觸，使兩者處于相同溫度，由測(cè)溫元件感知被測(cè)物體溫度的方法。非接觸式，測(cè)溫元件不與被測(cè)物體接觸，而是利用物體的熱輻射或電磁性質(zhì)來(lái)測(cè)定物體的溫度。2023/2/6/04:13:33溫度測(cè)量方法2023/2/6/04:13:333.1.3低溫獲得及測(cè)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.2023/2/6/04:13:33常見(jiàn)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)。2023/2/6/04:13:33常見(jiàn)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(shí)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(shí)，使用溫度最低可達(dá)-205°C(減壓過(guò)冷液氮浴)。2023/2/6/04:13:33常見(jiàn)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(gè)溫度是標(biāo)準(zhǔn)氣壓下二硫化碳的固液平衡點(diǎn)。2023/2/6/04:13:33低溫的溫度測(cè)量（1）(1)低溫?zé)犭娕?/p>

是用來(lái)測(cè)量低溫的常用傳感器，其結(jié)構(gòu)原則沒(méi)有太大改變。熱電偶的測(cè)溫范圍為2－300K。2023/2/6/04:13:33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(shí)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。低溫的溫度測(cè)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(shí)，應(yīng)選用電阻比較大、性能穩(wěn)定、物理及金屬?gòu)?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。2023/2/6/04:13:33低溫的溫度測(cè)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(lái)測(cè)量其溫度的傳感器。它屬于非接觸式，具有測(cè)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(chǎng)合、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物體的溫度測(cè)量。由于它的感溫部分不與測(cè)溫介質(zhì)直接接觸。因此，其測(cè)溫精度不如熱電偶溫度計(jì)高，測(cè)量誤差較大，由于低溫時(shí)輻射能量大大減小，而且是發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線。因此，在低溫場(chǎng)合用來(lái)測(cè)量的機(jī)會(huì)相對(duì)比較少。隨著輻射檢測(cè)元件的進(jìn)展，美國(guó)正努力將檢測(cè)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(duì)測(cè)定。2023/2/6/04:13:33低溫的溫度測(cè)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(cè)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(cè)量范圍4.2K－+250°C，分辨力0.0001K，精度0.02－0.2K；英國(guó)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。2023/2/6/04:13:33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。2023/2/6/04:13:33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?jī)?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(shí)，就表明已成了液—固平衡物了。注意不要加過(guò)量的液氮。干冰浴低溫的控制（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(duì)試樣進(jìn)行某種化學(xué)反應(yīng)或某種物理量的測(cè)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(lái)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。2023/2/6/04:13:33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(lái)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。2023/2/6/04:13:33低溫的控制（3）它制冷是通過(guò)一根銅棒來(lái)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(lái)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(gè)控制加熱器的開(kāi)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⒀?、熱等敏感的無(wú)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。2023/2/6/04:13:33液體浴低溫恒溫器3.2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。2023/2/6/04:13:33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。2023/2/6/04:13:33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(zhǎng)出滿意的晶體；②要求有特殊的晶型結(jié)構(gòu)；③晶體生長(zhǎng)需要有高的蒸氣壓；④生長(zhǎng)或合成的物質(zhì)在大氣壓下或在熔點(diǎn)以下會(huì)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(jià)態(tài)(或低價(jià)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。2023/2/6/04:13:33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(gè)GPa(1GPa＝1萬(wàn)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。2023/2/6/04:13:333．2．1高壓的產(chǎn)生和測(cè)量利用外界機(jī)械加載方式，通過(guò)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(shí)，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(huì)伴隨著物體的升溫)，所產(chǎn)生的高壓力稱為靜態(tài)高壓。2023/2/6/04:13:33靜態(tài)高壓常見(jiàn)的靜高壓產(chǎn)生裝置：2023/2/6/04:13:33①利用油壓機(jī)作為動(dòng)力，推動(dòng)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(jiàn)的有六面頂(高壓構(gòu)件由六個(gè)頂錘組成)高壓裝置和年輪式兩面頂(高壓構(gòu)件由一對(duì)頂錘和一個(gè)壓缸組成)高壓裝置。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(duì)頂砧高壓裝置(diamondanvilcell，簡(jiǎn)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(cè)試設(shè)備聯(lián)用，開(kāi)展高壓條件下的物質(zhì)相變、高壓合成的原位測(cè)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(duì)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(cè)試裝置聯(lián)用，進(jìn)行些原位測(cè)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。2023/2/6/04:13:33動(dòng)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(shí)伴隨著驟然升溫。這種高壓力，就稱為動(dòng)態(tài)高壓。它也可用來(lái)開(kāi)展新材料的合成研究，但因受條件的限制，動(dòng)高壓材料合成的研究工作，開(kāi)展得還不多。2023/2/6/04:13:33動(dòng)高壓合成技術(shù)當(dāng)炸藥爆炸時(shí)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(shí)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(huì)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(shí)，伴隨粉末粒子間的移動(dòng)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(huì)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(dòng)高壓合成技術(shù)。2023/2/6/04:13:33定標(biāo)測(cè)壓法高壓合成要測(cè)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(cè)壓法。利用國(guó)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(duì)應(yīng)的外加負(fù)荷聯(lián)系起來(lái)，給出壓力定標(biāo)曲線，就可以對(duì)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(shí)電阻發(fā)生躍變的壓力值作為定標(biāo)點(diǎn)。2023/2/6/04:13:333.2.2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(guò)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(guò)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(lái)獲得新相物質(zhì)、新化合物和新材料。2023/2/6/04:13:33動(dòng)高壓合成技術(shù)動(dòng)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(shí)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)。2023/2/6/04:13:33動(dòng)態(tài)高壓合成技術(shù)動(dòng)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(lái)滿足這一要求。2023/2/6/04:13:33炸藥透鏡是如圖所示的一個(gè)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。動(dòng)態(tài)高壓合成技術(shù)使用炸藥透鏡進(jìn)行動(dòng)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T(mén)NT／硝酸鋇，對(duì)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。2023/2/6/04:13:33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(duì)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(shí)與多種測(cè)試裝置聯(lián)用，進(jìn)行原位測(cè)試，對(duì)新物質(zhì)合成的研究和探索，有重要的作用，值得重視。2023/2/6/04:13:33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(lái)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。2023/2/6/04:13:33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(shí)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。2023/2/6/04:13:33靜高壓高溫合成法④前驅(qū)物高壓轉(zhuǎn)變合成法：對(duì)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(guò)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。2023/2/6/04:13:33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