材料化學合成與制備方法鐘博2023/2/6/*材料科學與工程學院zhongbooo@126.com,151663186501.1材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33

材料分類——按材料的用途1、結構材料（傳統材料）：滿足材料強度、韌性等力學性能方面的要求---(材料是最終產品)---(勞動密集型材料)---人類生存的基本物質需要.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、生物、核等功能用于敏感、轉換、傳輸、處理、存儲、顯示、吸收等器件以元件形式對性能進行評價，“材料元件”一體化知識、技術密集型材料：需要物理、化學、生物等基礎科學，以及信息、智能、微電子等技術科學人類高層次的物質需求（智能建筑材料：冬暖下涼、報警等）。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按材料內部原子排列情況分類

晶態材料非晶態材料液態材料氣態材料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

復合材料玻璃結晶陶瓷

碳材料半導體

材料家族

2023/2/6/04:13:331.1材料科學的內涵

人類社會的進步和技術發展過程中的每一個重大突破，都是因為有了先進的新材料而實現的。

現代文明的三大支柱：信息、能源和材料。而其中材料又是信息技術、能源技術幾及其它一切技術發展的物質基礎和關鍵。材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33歷史學家將材料作為文明社會進化的標志。新石器時代青銅器時代復合材料時代合成材料時代…….智能材料????舊石器時代在人類文明的進程中，材料大致經歷了以下五個發展階段：

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人類只能使用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等），相當于人們通常所說的舊石器時代。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單加工。1．使用純天然材料的初級階段------舊石器時代2023/2/6/04:13:33

這一階段橫跨人們通常所說的新石器時代、銅器時代和鐵器時代，也就是距今約10000年前到20世紀初的一個漫長的時期，并且延續至今，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對天然材料進行煅燒、冶煉和加工的時代。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．利用物理與化學原理合成材料的階段2023/2/6/04:13:3320世紀初，隨著物理學和化學等科學的發展以及各種檢測技術的出現，人類一方面從化學角度出發，開始研究材料的化學組成、化學鍵、結構及合成方法，另一方面從物理學角度出發開始研究材料的物性，就是以凝聚態物理、晶體物理和固體物理等作為基礎來說明材料組成、結構及性能間的關系，并研究材料制備和使用材料的有關工藝性問題。這一階段以合成高分子材料的出現為開端，一直延續到現在，仍將繼續下去。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，加上已有的金屬材料和陶瓷材料（無機非金屬材料）構成了現代材料的三大支柱。超導材料、半導體材料、光纖等材料都是這一階段的杰出代表。從這一階段開始，人們不再是單純地采用天然礦石和原料，經過簡單的煅燒或冶煉來制造材料，而且能利用一系列物理與化學原理及現象來創造新的材料。4．材料的復合化階段2023/2/6/04:13:3320世紀50年代金屬陶瓷的出現標志著復合材料時代的到來。隨后又出現了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及最近出現的抗菌材料的熱潮，都是復合材料的典型實例。它們都是為了適應高新技術的發展以及人類文明程度的提高而產生的。人類已經可以利用新的物理、化學方法，根據實際需要設計獨特性能的材料。嚴格來說，復合材料并不只限于兩類材料的復合。只要是由兩種不同的相組成的材料都可以稱為復合材料。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、自診斷合資修復的功能。如所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自診斷和修復。人工材料目前還不能做到這一點。但是近三四十年研制出的一些材料已經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，智能材料的研究取得了重大進展，但是離理想智能材料的目標還相距甚遠，而且嚴格來講，目前研制成功的智能材料還只是一種智能結構。材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33“材料”是早已存在的名詞，但“材料科學”的提出只是20世紀60年代初的事。1957年前蘇聯人造衛星首先上天，美國朝野上下為之震驚，認為自己落后的主要原因之一是先進材料落后，于是在一些大學相繼成立了十余個材料研究中心。采用先進的科學理論與實驗方法對材料進行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學”這個名詞便開始流行。材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33首先，固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等的發展也使對材料本身的研究大大加強，從而對材料的制備、結構與性能，以及它們之間的相互關系的研究也愈來愈深入。“材料科學”的形成實際是科學技術發展的結果材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33其次，在材料科學這個名詞出現以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復合材料也獲得廣泛應用，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，從而促進學科的發展。第三，許多不同類型的材料可以相互替代和補充，能更充分發揮各種材料的優越性，達到物盡其用的目的。但長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料自成體系，缺乏溝通。由于互不了解，不利于發展創新。材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33材料科學材料工程研究材料的組織、結構與性質的關系，探索自然規律?；A研究工程是指研究材料在制備過程中的工藝和工程技術問題綜合性研究材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33材料科學與工程就是研究有關材料組成、結構、制備工藝流程與材料性能和用途的關系的知識的產生及其運用。換言之，材料科學與工程是研究材料組成、結構、生產過程、材料性能與使用效能以及它們之間的關系。組成與結構(composition-structure)合成與生產過程(synthesis-processing)性質(properties)使用效能(performance)四個基本要素(basicelements)材料科學的內涵2023/2/6/04:13:33成分(composition)、合成/加工(synthesis／proeessing)、結構(structure)、性質(properties)、使用效能(performance)五個基本要素(basicelements)1.2材料科學各組元及其關系2023/2/6/04:13:33合成與制備Materialssynthesis:

oftenrefertochemicalandphysicalproceduresbywhichatomsandmoleculesareassembled.Materialsprocessing:

manipulationofmaterialsonlargerscalesandincludesproceduresinvolvingseveralstepsundercarefullycontrolledconditions.1.2材料科學各組元及其關系2023/2/6/04:13:33合成與制備

合成主要指促使原子、分子結合而構成材料的化學與物理過程．合成的研究既包括有關尋找新合成方法的科學問題，也包括以適用的數量和形態合成材料的技術問題；既包括新材料的合成，也應包括已有材料的新合成方法(如溶膠—凝膠法)及其新形態(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成有用的材料，這一點是與合成相同的.制備還包括在更為宏觀的尺度上或以更大的規模控制材料的結構，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量、降低生產成本和提高經濟效益的關鍵，也是開發新材料、新器件的中心環節。材料科學各組元2023/2/6/04:13:33在合成與制備中工程性的研究固然重要，基礎研究也不應忽視。對材料合成與制備的動力學過程的研究可以揭示過程的本質。為改進制備方法建立新的制備技術提供科學基礎。以晶體材料為例在晶體生產中如果不了解原料合成與生產各階段發生的物理化學過程、熱量與質量的傳輸、固液界面的變化和缺陷的生成以及環境參數對這些過程的影響，就不可能建立并掌握生長參數優化的制備方法，生長出具有所需組成、完整性、均勻性和物理性的晶體材料。材料科學各組元2023/2/6/04:13:33以陶瓷材料為例，陶瓷材料的最嚴重的問題是可靠性差，原因是制備過程落后以致材料的微結構和特性缺少均勻性和重復性．研究結果已表明，若粉料在材料制備中發生團聚，則材料難免出現分布不均勻的氣孔從而導致性能不均一，因為粉料團聚一旦在制備的早期階段形成，實際上就不可能在不存在液相的情況下通過煅燒或燒結消除其影響。這說明為提高材料的可靠性．必須對制備過程中的每階段所發生的化學、物理變化認真加以研究并做出必要的表征．把合成制備簡單地與工藝等同起來而忽略其基礎研究的科學內涵，是不恰當的。材料科學各組元2023/2/6/04:13:33組成與結構

組成指構成材料物質的原子、分子及其分布；除主要組成以外，雜質及對無機非金屬材料結構與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略.

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

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

使用效能是材料以特定產品形式在使用條件下所表現的效能。它是材料的固有性能、產品設計、工程特性、使用環境和效益的綜合表現，通常以壽命、效率，可靠性、效益及成本等指標衡量。材料科學各組元2023/2/6/04:13:33使用效能的研究與工程設計及生產制造過程密切相關，不僅有宏觀的工程問題，還包括復雜的材料科學問題。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)、器件制備過程引入的二次缺陷以及在使用條件下這些缺陷的發展和新缺陷生成的綜合結果.材料的使用效能是材料科學與工程所追求的最終目標．而且在很大程度上代表這一學科的發展水平。材料科學各組元2023/2/6/04:13:33材料科學三個重要屬性：多學科交叉，它是物理學、化學、冶金學、金屬學、陶瓷、高分子化學及計算科學相互融合與交叉的結果，如生物醫用材料要涉及醫學、生物學及現代分子生物學等學科；一種與實際使用結合非常密切的科學，發展材料科學的目的在于開發新材料，提高材料性能和質量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污染等；材料科學是一個正在發展中的科學，不像物理學、化學已經有一個很成熟的體系，材料科學將隨各有關學科的發展而得到充實和完善。課程內容2023/2/6/04:13:33緒論材料合成的理論基礎材料合成的條件材料合成技術簡介材料合成實例教材及主要參考書2023/2/6/04:13:33材料合成化學，徐甲強，哈爾濱工業大學出版社材料合成與制備方法，曹茂盛，哈爾濱工業大學出版社第二講化學熱力學與化學動力學基礎化學熱力學化學熱力學解決什么？--反應能否進行？化學平衡熱化學化學平衡3.1基本概念3.1.1熱力學函數與熱力學平衡判據

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

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

物質標準生成自由能溫度和壓力對化學平衡常數的影響溫度對化學平衡常數的影響范特霍夫(Van’tHoff)方程壓力對平衡常數的影響熱化學化學反應常常伴有能量的釋放或吸收，燃燒反應更不例外，是放熱反應?；瘜W反應的熱效應數據，對自然科學的研究、工業生產、燃料的利用及確定設備條件都是很重要的?；衔锏纳伸屎蜆藴噬伸试谑覝?298K)和101.325KPa下，由最穩定的單質合成某種化合物，反應中焓的增量即定義為化合物的生成焓幾種物質的生成焓反應焓幾種單質或化合物的相互反應生成產物時，放出或吸收的熱量稱為該化學反應的反應焓:由生成物和反應物的生成焓差來確定:根據鍵能計算反應焓當化合物的標準生成焓未知時，可用鍵能來計算反應焓化合物原鍵的拆散和新鍵的形成過程，在此過程中伴有能量的變化，并以反應焓形式表現出來用鍵能計算反應焓不很精確，但在缺少熱化學數據時，用鍵能估算反應焓也是解決問題的一種方法

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

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

化學反應速度各種參數對化學反應速度的影響反應速度理論鏈鎖反應化學反應速度基本定義化學反應速度是在單位時間內由于化學反應而使反應物質(或燃燒產物)的濃度改變率，一般常用符號w來表示。質量作用定律當溫度不變時，某化學反應的反應速度是與該瞬間各反應物濃度的乘積成正比例，如果該反應按某化學反應方程式的關系一步完成，則每種反應物濃度的方次即等于化學反應方程式中的反應比量系數反應級數反應級數n即為各濃度方次之和，即

n=a+b+c……連續反應反應物A的濃度，隨時間之增加，從初濃度很快地減少而逐漸趨向于零。產物C的濃度從零逐漸增加，最后應趨向于，而產物B的濃度則開始一段時間內是增加的，然后又逐漸減少。在一定的時刻，B的濃度達到最大值

各種參數對化學反應速度的影響溫度對化學反應速度的影響壓力對反應速度的影響在等溫等壓下,反應物濃度對反應速度的影響溫度對化學反應速度的影響范特荷夫反應速度和溫度的近似關系阿累尼烏斯定律壓力對反應速度的影響一級反應中壓力對化學反應速度的影響

二級反應中壓力對化學反應速度的影響三級反應中壓力對化學反應速度的影響在等溫等壓下,反應物濃度對反應速度的影響在溫度和壓力不變的情況下,化學反應速度w僅隨反應物的相對濃度A1而變化反應速度理論在一定的溫度下,氣體分子總是處于運動之中,且隨著溫度升高,其運動速度亦愈大,分子運動過程中,不斷地相互碰撞，假如化學反應就是在這樣簡單的相碰后,都會反應而形成產物的話,那么化學反應將進行的非常迅速實際上,由實驗測得的反應速度是有限的有效碰撞理論過渡狀態理論（不講）參加反應的不是所有的分子,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臏囟确秶鷥仁桥c溫度無關的常數,而與反應物的物理化學性質和各種類型的反應有關。隨著反應的種類,反應物的化學結構,以及環境之不同而改變。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境中進行的。環境參量，如溫度、壓強、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。認識這些影響，并且人為地調控各種環境參數，是材料合成與制備的重要環節，也是材料合成與制備科學的主要研究對象之一。2023/2/6/04:13:3375/31溶劑的選擇與提純氣體與真空物質分離與純化高低溫的獲得與測量76/31

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

溶劑中雜質的產生生產制備過程；制備帶來的副產物；自身的性質而混入的雜質或者外界因素的影響，吸收或分解生成的物質，如氯仿受光的作用產生光氣、氯化氫；穩定劑的添加如乙醇、酚類等。82/31

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

(1)根據溶劑對生理作用產生的毒性分類①損害神經的溶劑如伯醇類(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)根據溶劑對健康的損害分類

第1類無害溶劑。①基本上無毒害，長時間使用對健康沒有什么影響，如戊烷、石油醚、輕質汽油、己烷、庚烷、200號溶劑汽油、乙醇、氯乙烷、乙酸、乙酸乙酯等。②稍有毒性，但揮發性低，在普通條件下使用基本上無危險，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，但在短時間最大容許濃度下沒有重大的危害，如甲苯、二甲苯、環己烷、異丙苯、環庚烷、乙酸丙酯、戊醇、乙酸戊酯、丁醇、三氯乙烯、四氯乙烯、環氧乙烷、氫化芳烴、石腦油、四氫化萘、硝基乙烷等。第3類有害溶劑，除在極低濃度下無危害外，即使是短時間接觸也是有害的，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)根據在工廠使用條件下的危險程度分類

第l類弱毒性溶劑，如200號溶劑汽油、四氫化萘、松節油、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、溶纖劑、環己烷、甲基環己醇、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（無機吸收液：水、弱酸性水溶液、海水、亞硫酸鈉水溶液、硫酸等。有機吸收液：乙醇、丁醇、戊醇、動植物油、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，再與過量水一起由下水道排放。④無機酸：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催化，借助催化劑吸除雜質冷凝，除去易冷凝雜質92/31物質的分離與純化技術分離過程機械分離：過濾、沉降、離心、靜電除塵等傳質分離：用于均相混合物，伴隨質量傳遞。有平衡分離過程和速率分離過程。93/31平衡分離過程借助媒介（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（旋轉蒸發儀，見下頁）、結晶、升華、浸取、吸附、離子交換、泡沫分離、區域熔煉。新技術：多級分步結晶、變壓吸附、超臨界萃取、膜萃取94/31速率分離過程在推動力（溫差、濃度差等）作用下（多數配合使用選擇性的膜）利用各組分擴散速率差異。膜分離技術【微濾、超濾、反滲透、抽濾（見下頁）滲析與電滲析】，有固體膜、液體膜、氣態膜。新技術：氣體分離、滲透蒸發、乳液膜、支撐液膜、蒸汽滲透、滲透蒸餾、氣態膜95/31提純技術實驗室安全通風良好，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；防護設備，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）重結晶（3）升華100/31（4）色譜技術（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能的度量。2023/2/6/04:13:33其中：T為溫度，k為玻爾茲曼常數，為理想氣體分子的平均動能。材料合成與制備中溫度是關鍵的可調控參量

晶體熔化過程中，從有序的晶格出發，原子的挪動不僅使晶格坐位上的原子發生重新排列，而且導致了晶格的徹底瓦解。高溫下的晶體，雖然存在不規則的熱運動，但原子仍停留在晶格的坐位附近。轉變為液態，晶格已經不復存在，原子的位置分布是無規的，體現了位置無序性，而且原子并不定局域于某個特定的位置上。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程中：

當液體冷卻到熔點Tm時，并不會立即凝固或結晶，而是先以過冷液體的形式存在于熔點之下。

新的晶相形成，首先要經過成核階段，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，在熔點之上，成核是不可能實現的。2023/2/6/04:13:33只有當溫度下降至熔點以下，即存在一定的過冷度時，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，晶核的長大就主要依靠原子的擴散過程。因此，結晶的速率既和成核的幾率有關，又和長大的速率有關。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晶而形成玻璃態。2023/2/6/04:13:33結晶與形成玻璃態，均取決于溫度和降溫速率。例：固相反應固相反應開始溫度常遠低于反應物的熔點或系統的低共熔點。這一溫度與反應物內部開始明顯擴散作用的溫度是相一致的，常稱為泰曼溫度或燒結溫度。不同物質的泰曼溫度與其熔點Tm間存在一定的關系。無論是反應控制的固相反應還是擴散控制的固相反應，反應速率常數、擴散系數與溫度間均存在著阿倫紐斯形式的關系：2023/2/6/04:13:33其中，K0

為常數，△G為活化能，R為氣體常數.材料合成與制備中溫度是關鍵的可調控參量

溫度對于材料中的相變、燒結等材料合成與制備中的關鍵過程無論在熱力學還是動力學上都產生強烈的影響。2023/2/6/04:13:333.1.1化學合成中常用的加熱方法當化合物發生反應時，一般情況下升高溫度則反應速度加快。大體上溫度每升高l0°C，反應速度就要增加一倍。因此，為了增加反應速度，往往需要在加熱下進行反應?；瘜W實驗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。因為劇烈的溫度變化和加熱不均勻會造成玻璃儀器的損壞。同時，由于局部過熱，還可能引起有機化合物的部分分解。2023/2/6/04:13:33化學合成中常用的加熱方法最簡便的是通過石棉網進行加熱。但這種加熱仍很不均勻，故在減壓蒸餾或回流低沸點易燃物等操作中就不能應用。在化學實驗室中，為了保證加熱均勻，經常選用熱浴來進行間接加熱(熱浴的液面高度皆應略高于容器中的液面)。2023/2/6/04:13:33化學合成中常用的加熱方法(1)水?。寒斝枰募訜釡囟仍?0°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。2023/2/6/04:13:33化學合成中常用的加熱方法(2)油?。涸?00-250°C范圍內加熱，可以用油浴。油浴所能達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附近仍較穩定。應當指出，用油浴加熱時，油浴中應放溫度計，以便及時調節燈焰，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。它的優點是在室溫時是固體，便于貯藏，但是加熱完畢后，在它們冷凝成固體前，應先取出浸于其中的容器。2023/2/6/04:13:33化學合成中常用的加熱方法(3)砂浴：加熱溫度必須達到數百度以上時往往使用砂浴。將清潔而又干燥的細砂平鋪在鐵盤上，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化學合成中常用的加熱方法(4)空氣?。悍悬c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。2023/2/6/04:13:33化學合成中常用的加熱方法當物質在高溫加熱時，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，會引起嚴重的燒傷。所以在使用時，應當倍加小心，并盡可能防止溢出或飛濺。2023/2/6/04:13:333.1.2高溫的獲得與測量方法一般稱獲得高溫的設備為高溫爐。高溫爐就用途不同可分為工業爐和實驗用爐。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工業生產上多用火焰窯爐。電爐與火焰爐相比有許多優點，如清潔環保、熱效率高，爐溫調控精確、便于實驗工藝控制等。2023/2/6/04:13:33電爐(1)電阻爐：

當電流流過導體時，因為導體存在電阻，于是產生焦耳熱，就成為電阻爐的熱源。一般供發熱用的導體的電阻值是比較穩定的，如果在穩定電源作用下，并且具備穩定的散熱條件，則電阻爐的溫度是容易控制的。電阻爐設備簡單、易于制作、溫度性能好，故在實驗室中用得最多。2023/2/6/04:13:33實驗使用的高溫爐基本上都是電爐電爐(2)感應爐：在線圈中放一導體，當線圈中通以交流電時，在導體中便被感應出電流，借助于導體的電阻而發熱。若試料為絕緣體時，則必須通過發熱體(導體)間接加熱。感應加熱時無電極接觸，便于被加熱體系密封與氣氛控制，故實驗室中也有較多使用。感應爐按其工作電源頻率的不同有中頻與高頻之分，前者多用于工業熔煉，實驗室多用高頻爐，其電源頻率為10—100kHz。供高頻爐加熱用的感應圈是中空銅管制成，管內通水冷卻。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，它廣泛用于工業熔煉爐。在實驗室中，為了熔化高熔點金屬，常使用小型電弧爐。等離子爐是利用氣體分子在電弧區高溫(5000K)作用下，離解為陽離子和自由電子而達到極高的溫度(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千伏，電流為數百毫安。可通過改變燈絲電流而調整功率輸出，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備：一般的高溫爐，發熱體與試料間的熱傳導是通過輻射和對流達到的。輻射加熱方式的特點是使發熱體與試料遠離，便于在加熱過程中對試料進行各種操作。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。2023/2/6/04:13:33材料合成中應用的高溫爐特點能達到足夠高的溫度，有合適的溫度分布；爐溫易于測量與控制；爐體結構簡單靈活，便于制作；爐膛易于密封與氣氛調整。2023/2/6/04:13:33各種高溫爐及其能達到的溫度電阻爐的發熱元件－－電熱體(1)Ni-Cr和Fe-Cr-A1合金電熱體：在1000－1300°C高溫范圍內，在空氣中使用最多的發熱元件。它們具有抗氧化、價格便宜、易加工、電阻大和電阻溫度系數小等特點。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一步氧化。為了不使保護膜破壞，此種發熱體不能在還原氣氛中使用，還應盡量避免與碳、硫酸鹽、水玻璃、石棉以及有色金屬及其氧化物接觸。發熱體不應急劇地升降溫，因它會使致密的氧化膜產生裂紋以致脫落，起不到應有的保護作用。2023/2/6/04:13:33電熱體(1)Ni-Cr合金常用牌號有Cr20Ni80和Cr15Ni60。經高溫使用后，只要沒有過燒，仍然比較柔軟。Ni-Cr合金具有較好的抗氮氣能力，常用于含氮氣氛的電阻爐。Fe-Cr-Al合金絲經高溫使用后，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，需要彎折時，可用噴燈加熱至暗紅色后再進行操作。實驗室用的Ni-Cr或Fe-Cr-A1發熱體，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，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：鉑的化學性能與電性能都很穩定，且易于加工，使用溫度高，在某些特殊場合下被用作電熱體。鉑的熔點為1769°C，高于1500°C時軟化。鉑在低于熔點溫度的高溫下，與氧可形成中間的鉑氧化物相，使鉑絲細化損失。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。2023/2/6/04:13:33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，應避免接觸。當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。通常繞在爐管外側的Pt絲要用A12O3

粉覆蓋。要求Al2O3

粉不含Si和Fe的氧化物雜質。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。2023/2/6/04:13:33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的揮發而變細，揮發金屬附著于爐體較冷部位。Pt、Rh均為貴金屬，使用后應回收。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，在真空或適當氣氛下,往往采用高熔點金屬(Mo、W、Ta等)為電熱體。鎢是金屬中熔點最高的，用于電光源做發光燈絲材料。鎢的冷加工性能不太好，但還可制成細絲和薄片。鎢在常溫下很穩定，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.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，使用氣氛應為真空或經脫氧的氫氣與惰性氣體。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.氣氛中的氧應盡量去除。對鉬絲爐一般采用經除氧后的H2

或H2+N2

為保護氣氛，后者因比較安全。實驗室中的鉬絲爐，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，因為它能吸收氫而使性能變壞。鉭比鉬熔點高，比鎢加工性能好，在真空或惰性氣氛中穩定。電熱體(4)(4)碳化硅(SiC)電熱體：由SiC粉加黏結劑成形后燒結而成。質量優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。硅碳棒有不同規格，它可以靈活地布置在爐膛內需要的位置上，它的兩個接線端露于爐外。使用硅碳棒的缺點:爐內溫度場不夠均勻，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制成管狀發熱體，故溫度場比較均勻。目前國產硅碳管最大直徑為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電熱體電阻率出現最低點，說明SiC在低溫區呈半導體特性，而在高溫區呈金屬特性。2023/2/6/04:13:33電熱體(4)SiC電熱體在使用過程中，電阻率緩慢增大的現象叫“老化”。這種現象在高溫時尤為嚴重。SiC的老化是電熱體氧化的結果，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發熱體能使用到1800°C。SiC發熱體不能在真空下與氫氣氛中使用。老化后的SiC發熱體仍可勉強使用，但應提升工作電壓并注意安全。一般認為，SiC發熱體有效壽命結束在其常溫下電阻值為初始值兩倍的時候。2023/2/6/04:13:33電熱體(5)(5)碳質電熱體：石墨或碳質電熱體具有良好的耐急冷急熱性，至少在2500°C以前，其機械強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熱體的高溫爐稱為碳管爐。因為碳質材料的電阻率很小(10-3W·cm)，所以常在筒形發熱體上作螺旋或橫向切口以增大發熱體的電阻值。使用碳質發熱體時仍需用大電流變壓器供電。2023/2/6/04:13:33電熱體(5)以碳質發熱體為熱源的高溫爐，最高使用溫度可達3600°C，常用溫度為1800°C~2000°C。碳在常溫下十分穩定，當加熱到高溫時，碳的化學活性迅速增加，此時它容易和氧化合，為了防止碳質電熱體高溫氧化而燒毀，應在真空、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，因為在高溫下，發熱體表面生成MoO3

而揮發，于是形成一層很致密的SiO2

保護膜,阻止了MoSi2

進一步氧化。MoSi2發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

保護膜。故一般認為，MoSi2不宜在低于1000°C下長時間使用。2023/2/6/04:13:33電熱體(6)MoSi2

在空氣中長時間使用，其電阻率保持不變，無所謂產生“老化”現象，這是MoSi2

所特有的優點，為其他電熱體所不及。為了使SiO2

保護膜不被破壞，應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

發熱體通常做成棒狀或U形兩種，大多在垂直狀態下使用。因為MoSi2

發熱體在高于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

具有負的電阻溫度系數，屬半導體類型材料。它們在常溫下具有很大的電阻值，以致無法直接通電加熱。實際上，在氧化物發熱體通電之前，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。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熱體，是利用LaCrO3

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

發熱體是棒狀的，適于制作管式爐。兩端的電極部和中間的發熱部結合成一體，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各種發熱體的最高工作溫度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來測定物體的溫度。2023/2/6/04:13:33溫度測量方法2023/2/6/04:13:333.1.3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.2023/2/6/04:13:33常見的低溫源（1）(1)冰鹽共熔體系：將冰塊和鹽盡量弄細并充分混合(通常用冰磨將其磨細)可以達到比較低的溫度。例如，下面一些冰鹽混合物可達到不同的溫度：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常見的低溫源（2）(2)干冰浴：經常用的一種低溫浴，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，它是在合成反應與物化性能試驗中經常用的一種低溫浴，當用于冷浴時，使用溫度最低可達-205°C(減壓過冷液氮浴)。2023/2/6/04:13:33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-111.6°C，這個溫度是標準氣壓下二硫化碳的固液平衡點。2023/2/6/04:13:33低溫的溫度測量（1）(1)低溫熱電偶

是用來測量低溫的常用傳感器，其結構原則沒有太大改變。熱電偶的測溫范圍為2－300K。2023/2/6/04:13:33低溫熱電偶與高溫熱電偶除了在選材方面不相同外，在使用時還應考慮選擇絲徑更細的線材，以滿足低溫下漏熱少的要求。另外熱電偶接點的焊接方法也不相同，這里要求焊接點能承受低溫而不易脫離。低溫的溫度測量（2）(2)電阻溫度計：是利用感溫元件的電阻與溫度之間存在一定的關系而制成的。制作電阻溫度計時，應選用電阻比較大、性能穩定、物理及金屬復制性能好的材料，最好選用電阻與溫度間具有線性關系的材料。常用的有鉑電阻溫度計、鍺電阻溫度計、碳電阻溫度計、銠鐵電阻溫度計等。2023/2/6/04:13:33低溫的溫度測量（3）(3)紅外輻射溫度計：輻射式溫度計是依據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、反應迅速、熱惰性小等優點。這種傳感器適用于腐蝕性場合、運動狀態物體的溫度測量。由于它的感溫部分不與測溫介質直接接觸。因此，其測溫精度不如熱電偶溫度計高，測量誤差較大，由于低溫時輻射能量大大減小，而且是發射波長較長的紅外線。因此，在低溫場合用來測量的機會相對比較少。隨著輻射檢測元件的進展，美國正努力將檢測元件安裝在極低溫的全輻射溫度計上，將溫度延伸到低溫范圍并可望進行溫度的絕對測定。2023/2/6/04:13:33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系，研制了電聲氣體溫度計，在2－273K溫度范圍內測定熱力學溫度的誤差約為0．01°C，并可得到0.00l－0.0005K的復現性，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在2－20K溫度范圍內可達0.0005K的精度；澳大利亞定容氣體溫度計在2－16K溫度范圍內準確度達±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)的制備都是在通風櫥里慢慢地加液氮到杜瓦瓶里，杜瓦瓶內預先放上裝有調制泥浴的某種液體的容器并攪拌，當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。干冰浴低溫的控制（2）低溫恒溫器通常是指實驗杜瓦容器和容器內部裝置的總稱，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，并能對試樣進行某種化學反應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驗裝置在低溫液體中的方法來實現。改變液體上方蒸氣的壓強即可以改變溫度，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，然后用電加熱來升高溫度；（2）是用冷氣流、制冷機或其他制冷方法(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）它制冷是通過一根銅棒來進行的，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節溫度，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，經冷熱調節可使溫度保持恒定(±0.1°C)。由于大量氣態、發性或對水、氧、熱等敏感的無機化合物(包括金屬有機化合物與配合物、簇合物等)的合成、分離與提純以及相關的反應往往在低溫條件下進行。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條件能夠有效地改變物質的原子間距和原子殼層狀態，因而經常被用作一種原子間距調制、信息探針和其它特殊的應用手段，幾乎滲透到絕大多數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象和性質，而且可以發現常規條件下難以產生而只在高壓環境才能出現的新現象、新規律、新物質、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，使物質產生多型相轉變或發生不同物質間的化合，而得到新相、新化合物或新材料。施加在物質上的高壓卸掉以后，大多數物質的結構和行為產生可逆的變化，失去高壓狀態的結構和性質。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，目的是尋求經卸壓降溫以后的高壓高溫合成產物能夠在常壓常溫下保持其高壓高溫狀態的特殊結構和性能的新材料。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構；③晶體生長需要有高的蒸氣壓；④生長或合成的物質在大氣壓下或在熔點以下會發生分解；⑤在常壓條件下不能發生，而只有在高壓條件下才能發生化學反應；⑥要求有某些高壓條件下才能出現的高價態(或低價態)以及其它的特殊的電子態；⑦要求某些高壓條件下才能出現的特殊性能等情況。2023/2/6/04:13:33高壓合成目前通常所采用的高壓固態反應合成范圍一般從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。2023/2/6/04:13:333．2．1高壓的產生和測量利用外界機械加載方式，通過緩慢逐漸施加負荷擠壓所研究的物體或試樣，當其體積縮小時，就在物體或試樣內部產生高壓強。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)，所產生的高壓力稱為靜態高壓。2023/2/6/04:13:33靜態高壓常見的靜高壓產生裝置：2023/2/6/04:13:33①利用油壓機作為動力，推動高壓裝置中的高壓構件，擠壓試樣，產生高壓。這類高壓裝置，最常見的有六面頂(高壓構件由六個頂錘組成)高壓裝置和年輪式兩面頂(高壓構件由一對頂錘和一個壓缸組成)高壓裝置。靜態高壓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散射等測試設備聯用，開展高壓條件下的物質相變、高壓合成的原位測試。通常，以產物合成為研究目的的高壓裝置都采用具有大腔體(10－1cm3，甚至數百cm3)的大型高壓裝置(如兩面頂和六面頂壓機等)。其中還有一種壓腔較小(但比金剛石對頂砧大很多)的裝置，壓強可達30GPa，它也可以和同步輻射及其它測試裝置聯用，進行些原位測試。進行工業生產使用的工業裝置，壓腔一般比較大，壓強可以達到8GPa。2023/2/6/04:13:33動態高壓利用爆炸(核爆炸，火藥爆炸等)、強放電等產生的沖擊波，在ms～ps的瞬間以很高的速度作用到物體上，可使物體內部壓力達到幾十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。2023/2/6/04:13:33動高壓合成技術當炸藥爆炸時所產生沖擊波，是一種以超音速在物體中傳播的波，沖擊波的中心處于強烈的壓縮狀態。這種壓縮狀態稱之為“沖擊壓縮”。當炸藥爆炸時伴有化學反應的沖擊波，則稱之為“爆轟波”，“沖擊壓縮”是沖擊波到達的瞬間產生的，不會使熱傳導出去，因此它是一種絕熱現象。當固體粉末受到沖擊波沖擊壓縮時，伴隨粉末粒子間的移動摩擦，以及粉末間氣體壓縮產生的超高溫，使粉末表面得到加熱，并在其內部瞬間產生局部的高溫分布，此現象在多孔質物體中亦會發生。通常把這種“沖擊壓縮”產生的瞬態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，均稱為動高壓合成技術。2023/2/6/04:13:33定標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。在高壓研究的文獻中，一般都習慣地把壓強稱為壓力，它不等于外加的負載。在實驗室和工業生產中，經常采用物質相變點定標測壓法。利用國際公認的某些物質的相變壓力作為定標點，把一些定標點和與之對應的外加負荷聯系起來，給出壓力定標曲線，就可以對高壓腔內試樣所受到的壓力進行定標?，F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)等相變時電阻發生躍變的壓力值作為定標點。2023/2/6/04:13:333.2.2高壓合成方法從高壓高溫合成產物的狀態變化看，合成產物有兩類。（1）某種物質經過高壓高溫作用后其產物的組成(成分)保持不變，但發生了晶體結構的多型相轉變，形成新相物質。（2）某種物質體系，經過高壓高溫作用后，發生了元素間或不同物質間的化合，形成新化合物、新物質。人們可以利用多種高壓高溫合成方法來獲得新相物質、新化合物和新材料。2023/2/6/04:13:33動高壓合成技術動態高壓合成技術可分成兩大類：第一類為爆轟產物法，它是在瞬時的高溫高壓下伴隨化學反應，生成物料不同的另一種物質。第二類為沖擊波瞬態高壓高溫法，它是利用沖擊壓力產生新的結晶結構。2023/2/6/04:13:33動態高壓合成技術動態高壓合成技術的爆炸沖擊方法：為進行有效的沖擊壓縮，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。2023/2/6/04:13:33炸藥透鏡是如圖所示的一個錐狀高爆速炸藥錐形罩，內側裝有低爆速炸藥。錐頂端裝有電雷管，起爆以后的爆轟波陣面呈平面狀。動態高壓合成技術使用炸藥透鏡進行動高壓合成的典型處理裝置如圖所示。銅質密封盒內以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，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頂砧高壓裝置，配合激光直接加熱方法，壓力可達100GPa以上，溫度可達(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用，進行原位測試，對新物質合成的研究和探索，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

實驗室和工業生產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備來進行的。按照合成路線和合成組裝的不同，這類方法還可細分成許多種。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變(或化合)成新物質。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，使之晶化成結晶良好的新材料。與此相反，也可將結晶良好的起始材料，經高壓高溫作用，壓致轉變成為非晶材料。2023/2/6/04:13:33靜高壓高溫合成法④前驅物高壓轉變合成法：對一些不易轉變或不適于轉變成所需的合成物質，可以通過其它方法，將起始材料預先制成前驅物，然后進行高壓高溫合成。⑤將起始材料進行預處理，如常壓高溫處理，其它的極端條件處理，包括高壓條件，然后再進行高壓高溫合成的混合型合成法。⑥高壓熔態淬火方法：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，實行淬火，迅速凍結高壓高溫狀態的結構。這種方法，可以獲得準晶、非晶、納米晶，特別是可以截獲各種中間亞穩相，是研究和獲取中間亞穩相的行之有效的方法。2023/2/6/04:13:33高壓合成實例1、金剛石的合成1962年，人們將具有六角晶體結構的質地柔軟的層狀石墨作起始材