现代无机合成

1、现 代 无 机 合 成,向军辉 中国科学院大学材料学院 学园二205室 ,2,第一章 高温合成,各种高温设备； 高温测量方法； 高温合成反应的种类。,3,获得高温的方法及其温度,4,1 高温反应设备,电阻炉 感应炉 电弧炉 放电等离子烧结炉（ Spark Plasma Sintering ）,5,1.1 电阻炉,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。 工作原理：利用发热体加热。 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,7,电阻炉实物图片,8,1.2 感应炉,简介：也称高频感应加热设备，主要用于金属、导电材料的热处理、粉末热压烧结和真

2、空熔炼等。 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。 工作原理：以交流线圈为加热部件，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流涡流。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。,9,简易感应炉,10,工业用感应炉,11,感应炉 VS 电阻炉,感应炉： 最高使用温度2500； 炉膛寿命长，基本不需要维护； 发热体与外界不接触，炉膛结构密实，保温性能好； 节能。,电阻炉： 最高使用温度1800 2000； 需要经常更换发热体和电接头部分； 发热体与外界有接触，炉膛保温性能相对较差； 能耗较大。,12,应用范围

3、,金属表面热处理； 感应焊接； 铸造熔炼；,锻造 / 轧制毛坯加热； 金属材料空中悬浮熔炼； 复合材料加热。,13,1.3 电弧炉,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。缺点是耗电量大，不利于电网容量小的国家和地区推广。 工作原理：利用电极间的电弧放电进行加热。 电极材料：石墨。 分类：,交流电弧炉 直流电弧炉,14,电弧炉图示,1-倾炉液压缸 2-倾炉摇架 3-炉门 4-熔池 5-炉盖 6-电极 7-电极夹紧器 8-炉体 9-电弧 10-出钢槽,15,直流 VS 交流,16,1.4 放电等离子烧结炉（SPS）,

4、简介：放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS），又称等离子活化烧结（Plasma Activated Sintering，PAS）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备新技术。 1930196519881990 特点：快速、低温、节能、环保，等等。 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，净化颗粒表面，实现快速烧结。,17,等离子体的获得方式,物质状态,18,SPS装置,轴向压力装置； 水冷冲头电极； 真空腔体； 气氛

5、控制系统（真空，氩气）； 直流脉冲电源及冷却水； 监测控制系统。,19,SPS内部装置示意图,1 电极；2 冲头；3 模腔；4 样品粉末,20,脉冲放电的作用效果,脉冲电压,开,关,现象,效果,技术优势,产生放电等离子,蒸发、熔化、纯化,产生放电冲击压力,局部应力和喷发,产生焦耳热,局部高温,电场作用,高速等离子迁移,脉冲电流和电压,热扩散,热由高温点转移,低温、短时烧结,烧结难熔材料 （不需催化剂） 连接不相容材料,短时烧结,短时均匀烧结,烧结非晶材料,烧结纳米材料,低温烧结,表面活化,高速扩散 高速材料转移,有效加热 塑性变形提高,高密度能量供应,放电点的弥散运动,晶内快速冷却,晶内快速冷

6、却,21,反应机理,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； 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的区别； 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。,22,SPS技术的应用,纳米材料； 梯度功能材料； 先进陶瓷材料；,磁性材料； 大块非晶合金材料； 其他材料。,23,纳米材料的制备,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。 SPS技术：在有效阻止晶粒长大的同

7、时达到完全致密化。 以超细SiC的烧结为例：,24,梯度功能材料的制备,梯度功能材料的特点：组份存在梯度变化。 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CVD、PVD等方法，成本昂贵，难以实现工业化生产。 SPS技术：能够以较低的成本实现一次烧成。,25,梯度功能材料的SPS烧结,PSZ / Ti梯度材料,26,非晶合金材料的制备,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，提高形成非晶的能力。 SPS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。,27,SPS技术制备其他材料,先进陶瓷材料：追求晶粒细化和显微

8、结构高致密化； 磁性材料：追求晶粒细化； 热电材料：追求成分梯度化； 铁电材料：追求晶粒细化和显微结构高致密化。,28,SPS技术的优势,加热均匀，升温速度快； 烧结温度低； 烧结时间短； 生产效率高；,产物显微组织细小均匀，能保持原材料的自然状态； 可以得到高致密度的材料； 操作简单，自动化程度高。,29,发展趋势,SPS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挥重要作用； SPS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； 开发强度更

9、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； 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。,30,2 温度测试设备,液体膨胀式 固体膨胀式,膨胀式温度计,液体型 气体型 蒸汽型,压力式温度计,铂电阻 铜电阻 特殊电阻 半导体热敏电阻,热电阻温度计,铂铑铂 镍铬镍硅（镍铝） 镍铬康铜 特殊热电偶,热电偶,接触式,辐射高温计 比色高温计 光学高温计（亮度高温计）,非接触式,测温仪表,31,2.1 温标的建立与发展,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，利用陶土制作的熔锥在高温下的弯曲程度判定温度； 1714年，德国物理学家华伦

10、海特（Daniel Gabriel Fahrenheit ），华氏水银温度计（冰点32度，沸点212度，间隔180度）； 1742 1745年，瑞典的摄耳修斯（Celsius）、林奈，摄氏水银温度计（冰点0度，沸点100度，间隔100度）； 1802年，气体温度计； 1821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温度变化的规律，随后出现热电偶温度计和热电阻温度计 20世纪初，出现辐射温度计和光学高温计； 各种现代测温仪，如热像仪，激光测温仪等等。,32,2.2 热电偶,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。当两端存在温差时，就会在回路中产生热电流（Seebeck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,体积小，重量轻，结构简单，使用方便； 热响应快； 适用温度范围广，可在室温至2000甚至3000区间工作； 耐冲击、耐震动性好。,34,几种热电偶材料及其工作温度,35,2.3 光学高温计,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。,36,光学高温计的特点,使用方便，测量迅速； 工作