Grapes,Add subtopics here,*,*,*,第一章 合成实验技术,第二章 单晶材料的制备,第三章 薄膜材料的制备,第四章 陶瓷材料的制备,第五章 复合材料的制备,第六章 纳米材料的制备,第七章 金属材料的加工,1,第一章 合成实验技术1,第一章 合成实验技术,1.1,高温合成,1.2,低温合成,1.3,高压合成,1.4,真空合成,1.5,气体净化及气氛控制,1.6,物质的分离与纯化技术,2,第一章 合成实验技术1.1 高温合成2,作 业,1,、电阻炉的发热元件有哪些？如何合理选择？,2,、采用接触法和非接触法测量温度各有什么特点？,3,、什么叫低温技术？低温下的温区是如何划分的？,4,、低温控制有哪两种方法？,3,作 业1、电阻炉的发热元件有哪些？如何合理选择？3,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,工业炉：冶金用炉、硅酸盐窑炉,实验用炉：电炉,特点：连续式、自动化作业,特点：体积小、烧结速度快、易于操作,4,1.1 高温合成技术工业炉：冶金用炉、硅酸盐窑炉实验用炉：,1,）电阻炉：当电流流过导体时，因为导体存在电阻而产生焦耳,热，成为电阻炉的热源。,特点：,设备简单、易于制作、温度性能好，在实验室中用得最多,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,5,1）电阻炉：当电流流过导体时，因为导体存在电阻而产生焦耳,名称,最高温度,/,气氛,名称,最高温度,/,气氛,镍铬丝,1060,ThO,2,85%CeO,2,15%,1850,硅碳棒,1400,ThO,2,95%La,2,O,3,5%,1950,铂丝,1400,钽丝,2000,真空,Pt-Rh,1540,ZrO,2,2400,钼丝,1650,真空,石墨棒,2500,真空,/,中性气氛,硅钼棒,1700,碳管,2500,钨丝,1700,真空,钨管,3000,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,电热体是电阻炉的发热元件，合理选用电热体是电阻炉设计的重要内容。,6,名称最高温度/气氛名称最高温度/气氛镍铬丝1060ThO,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,2,）感应炉：在线圈中放一导体，当线圈中通过交流电时，导体,中便被感应出电流，借助于导体的电阻而发热。,无电极接触，便于被加热体系密封和气氛控制,中频感应炉：工业熔炼,高频感应炉：实验室,3,）电弧炉：利用电弧弧光为热源加热物体,工业熔炼,小型电弧炉在实验室中用于熔化高熔点金属,4,）等离子炉：利用气体分子在电弧区高温（,5000K,）作用下，,离解为阳离子和自由电子而达到极高的温度。,7,1.1 高温合成技术2）感应炉：在线圈中放一导体，当线圈中,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,5,）电子束炉：电子束在强电场作用下射向阳极，由于电子束冲击,的巨大能量，使阳极产生很高的温度。,多用来在真空中熔化难熔材料,比电弧炉的温度容易控制，仅适于局部加热和在真空条件下使用。,6,）利用热幅射的加热设备：发热体与试料间的热传导通过辐射和对流达到,特点：使发热体与试料远离，便于在加热过程中对试料进行各种操作,热幅射的速度很快，有利于试料的迅速加热和冷却,8,1.1 高温合成技术5）电子束炉：电子束在强电场作用下射向,高温炉,温度,/K,各种高温电阻炉,1273,3270,聚焦炉,4000,6000,闪光放电,4273,等离子体电弧,20000,激光,10,5,10,6,原子核的分离和聚变,10,6,10,9,高温粒子,10,10,10,14,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,各种高温炉及其能达到的温度,9,高温炉温度/K各种高温电阻炉12733270聚焦炉4000,1.1,高温合成技术,1,、获得高温的方法,无机材料合成中应用的高温炉，应当具有下列特点：,能达到足够高的温度，有合适的温度分布,炉温易于测量与控制,炉体结构简单灵活，便于操作,炉膛易于密封与气氛调整,10,1.1 高温合成技术无机材料合成中应用的高温炉，应当具有下,1,）温标,温度的数值表示方法。,为了统一国际间的温度量值，目前各国采用的是,1990,年国际温标,（,ITS-90),：以一些纯物质的相平衡点为基础建立起来的，固定点间的温度数值用补差公式确定。,用“,T,90,”,代表新温标的热力学温度，单位为,K,用“,t,90,”,代表摄氏度温度，单位为,两者之间的关系：,t,90,T,90,273.15,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,温度是表征物体冷热程度的物理量，是物理化学过程只能够应用最普通、,最重要的工艺参数，多种工业产品的产量、质量、能耗等都直接与温度,有关。因此准确测量温度具有十分重要的意义。,11,1）温标温度的数值表示方法。为了统一国际间的温度量值，目,国际温标采用四种标准仪器分段复现热力学温标：,0.655.0K,，,3He,和,4He,蒸汽压温度计,3.024.5561K,，,3He,和,4He,定容气体温度计,13.8033k961.78K,，铂电阻温度计,961.78,以上，光学或光电高温计,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,12,国际温标采用四种标准仪器分段复现热力学温标：0.655.,2,）温度测量方法,接触法,非接触法,温度范围,1000,以下,高温,准确度,测量范围的,1,左右,一般在,10,左右,响应速度,较慢,较快,接触式：测温元件与被测物体有良好的热接触,非接触式：利用物体的热幅射或电磁性质,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,接触法和非接触法的特点,13,2）温度测量方法接触法非接触法温度范围1000以下高温准确,3,）常用测温仪表：,A,、热电偶高温计,B,、辐射温度计,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,以热电偶作为测温元件，测得与温度相对应的电动势，再通过仪表显示温度,结构：热电偶、测量仪表、补偿导线,特点：测温范围广（,300,1800,）、精度高、便于远距离测温和自动控制,所有温度高于,0K,的物体表明都会辐射出电磁波，辐射温度计就是以物体辐射,这种电磁波为测量对象来进行温度测量的。,特点：非接触式仪表，感温元件不破坏被测物体的温度场,一般只能测高温，低温段不准,分类：光学高温计、光电高温计、红外辐射温度计,14,3）常用测温仪表：A、热电偶高温计B、辐射温度计1.1 高,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,原理：物体的光谱辐射亮度与温度、波长有关，只要选取一定的波长，,则辐射亮度就只是温度的函数。温度越高，物体越亮。,结构：望远镜、测量仪器,使用方法：通过人眼对热辐射体和高温计灯泡再某一波长（,=0.66,m,）,附近一定光谱范围的辐射亮度进行亮度平衡。,使用注意：灯丝温度不能超过,1400,，否则钨丝要升华沉积在玻璃泡上，,形成灰暗的薄膜，改变亮度而造成测量误差；当被测物体温度,超过,1400,时，需要在物镜与灯泡之间安装灰色吸收玻璃。,误差：国产精密光学温计在,900,1400,、,1200,2000,、,1800,3200,误差分别为,8 14 40,优缺点：使用方便、携带方便、单人操作误差较小,依靠人眼判断，手动平衡亮度，误差较大,光学高温计,15,1.1 高温合成技术原理：物体的光谱辐射亮度与温度、波长有,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,光学高温计,16,1.1 高温合成技术光学高温计16,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,光电高温计,原理：采用,Si,或,PbSe,、,PbS,、,GeIn,、,GaAs,等作为仪表的光敏元件，代替,人眼感受辐射源的亮度变化，并将此亮度信息转换成与亮度成比,例的电信号，此信号经放大后送往检测系统进行测量。,特点：自动平衡亮度，不受人眼敏感度的限制,比光学高温计更灵敏准确，能自动记录和远距离传输,误差：与光学高温计相比，灵敏度提高两个数量级,准确度提高一个数量级,17,1.1 高温合成技术 光电高温计原理：采用Si或PbSe、,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,光敏元件感受辐射源亮度变化,转换成与亮度成比例的电信号,放大,检测系统进行测量,光电高温计工作原理,18,1.1 高温合成技术光敏元件感受辐射源亮度变化转换成与亮度,1.1,高温合成技术,2,、高温测量,红外辐射温度计,原理：采用列阵硅光电池，形成较大的测量和捕获晃动目标的能力,特点：功能多、量程宽、精度高、稳定性好,测量范围：,600,1600,误差：,10,19,1.1 高温合成技术 红外辐射温度计原理：采用列阵硅光电池,1.2,低温合成技术,1,、低温合成的重要性,低温技术,：在,150C,以下的制冷技术，通常是将氧、氮、氢、氦,等气体经过压缩膨胀和节流效应获得低温。,用途：,1,）工业气体的分离与液化,2,）采用绝热去磁及稀释制冷的原理获得极低温，是物质研究,(,凝聚态物理,),中十分重要的实验条件，主要应用于基础理论研究和某些特殊实验的需要,3,）合成超导材料,目前真正可应用的超导工程材料主要是铌钛合金，其超导临界温度为,264C,左右。以铌钛材料制造的各种应用超导装置必须采用氦制冷系统才能实现超导状态。因此超导技术与低温技术是分不开的。,4,）航天领域：低温光子传感器、航天器低温系统,宇宙低温环境模拟,20,1.2 低温合成技术低温技术：在150C以下的制冷技术,1.2,低温合成技术,2,、低温源,人们常用“冷”、“深冷”、“低温”、“超低温”和“极低温”等术语描述低的温度，,但是这些术语的含意往往是不明确的或者是带有主观性的。,为避免混乱，国际制冷学会（,IIR,）于,1971,年对,0,以下温区进行划分，,并正式向全世界建议：,T,120K,为冷冻温区,120K,T,0.3K,为低温温区,T,0.3K,为超低温温区,1,）低温下温区的划分,21,1.2 低温合成技术人们常用“冷”、“深冷”、“低温”、“,1.2,低温合成技术,2,、低温源,2,）冷冻温区的主要制冷手段,基于相变原理的制冷,利用氨、氟里昂等工作介质的相变性质，可以制冷。,工作原理：通常用一个电动压缩机压缩工作介质，使其成为液体，从而产生,放热反应，放出的热量被水或周围空气带走。然后将这部分工作介质通过,节流阀减压汽化，汽化时要吸收大量的热从而可以实现制冷。,应用：电冰箱、去湿机、空气温度调节装置以及各种冷库,缺点：由于氟利昂等对大气臭氧层有严重的破坏作用,电制冷,利用半导体材料的帕尔贴效应，可以取得制冷效果。,应用：主要用于医学和生物学领域，外科用的降温帽、降温毯，眼科用,的白内障摘除器，以及医学、生物学领域广泛使用的冷冻切片机等。,温度通常在,50,以上。,22,1.2 低温合成技术2）冷冻温区的主要制冷手段 基于相变,1.2,低温合成技术,2,、低温源,3,）低温温区的主要制冷手段,等焓节流。,1853,年焦耳（,T.P.Joule,）和汤姆孙（,W.Thomson,）进行了有名的多孔塞实验。,当气体通过绝热的多孔塞而降低压力时，获得制冷效果。焦耳,-,汤姆孙实验为,等焓过程，因此通常称这种过程为等焓节流。,等熵膨胀。,广泛地用于气体液化器中。对焦耳,-,汤姆孙转换温度低气体，进行通过等熵膨胀,低温液体抽气降温。,选定低温液体后，若要获得低于其沸点的温度，可以将低温液体,置于真空绝热的容器内，通过抽气机降低液体的蒸汽压力，达到,降温目的。,23,1.2 低温合成技术3）低温温区的主要制冷手段等焓节流。,1.2,低温合成技术,2,、低温源,3,）超低温温区的主要制冷手段,磁制冷。,某些顺磁场盐在液氦温度下借助于强磁场，使电子自旋磁矩的排列从无序变为有序，然后再将磁盐绝热，撤去磁场，顺磁盐湿度降低。用这种办法能达到的最低温度为,0.001K,。另外，利用类似的原理对核自旋磁矩进行磁制冷，可以获得更低的温度。近年来分兰赫尔辛基技术大学利用铜的核自旋去磁，达到了,510,8,K,，这是迄今人类所获得的最低温度。,帕末朗丘克制冷。,帕末朗丘克（,Pomeran-Chuk,）于,1950,年提出，,3He,溶解曲线有一最小值为,0.32K,。