高温合成技术

无机材料合成第二章高温合成技术高温合成技术高温合成技术一般用于无机固体材料的制备。一般的固相反应在常温常压下很难进行，或者反应很慢，因此需要高温使其加速。如：1、传统无机材料制备2、高熔点金属粉末的烧结3、难熔化合物的熔化和再结晶4、各种功能陶瓷体的烧成等1、如何获得高温的方法？2、什么材料可以耐高温，作为反应容器使用？3、如何测量高温？要解决的问题：人类能制造最高、最低温度是多少？有极限吗？高温：目前人类制造的最高温度是5亿1千万度。这个温度是在1994年5月27日，由美国新泽西州普林斯顿等粒子物理实验室，利用氘和氚等离子混合体在托克马克核聚变反应堆中创造的。

我国的“人造太阳”核聚变实验装置创下了5500万度的国内最高温度记录。低温:

绝对零度第一节获得高温的方法以目前的观点，认为温度只有下限，没有上限!!获得高温，需要一些符合不同要求的产生高温的设备和手段：1010～1014K高温粒子106～109K原子核分裂和聚变105～106K激光20000K等离子体电弧＞4000℃闪放电炉4000～6000聚焦炉1000～3000各种高温电阻炉温度/℃获得高温的方法最常用！想一下可以获得高温的方式有哪些？燃烧热传导热辐射自加热高能量粒子一般获得高温的设备为高温炉工业窑炉：火焰炉、电炉实验室用炉：电炉电炉分类：（1）电阻炉（2）感应炉（3）电弧炉

（4）等离子炉（5）电子束炉(6)微波炉高温炉隧道窑：梭式窑:一、电阻炉电阻炉：当电流流过导体，因为导体存在电阻，于是产生焦耳热，就成为电阻炉的热源。是最常用的加热炉，它的优点是设备简单，使用方便，温度可精确地控制在很窄的范围内。应用不同的电阻发热材料可以达到不同的高温限度。炉内工作室的温度应将稍低于最高使用温度。电热体热电偶非金属：

SiC电热体(2)MoSi2电热体(3)碳质电热体(4)氧化物电热体金属：

Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金电热体(2)Pt和Pt-Rh电热体(3)W、Mo、Ta电热体电阻发热材料（电热体）：是电阻炉的发热元件。耐高温适宜电阻率什么材料可以作为电热体材料？W=I2Rtρ=RS/L选择不同加热体的考核因素：使用温度范围、最高使用温度使用气氛（与气体反应、抗氧化性、真空蒸汽压）与什么物质发生反应（高温下不能与其它物质接触）电阻率的大小、电阻率随温度变化的情况使用寿命（高温挥发、脆化、老化现象）热膨胀系数（抗热震性）加工性经济因素导热性能如何选择加热体？非金属：

SiC电热体(2)MoSi2电热体(3)碳质电热体(4)氧化物电热体金属：

Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金电热体(2)Pt和Pt-Rh电热体(3)W、Mo、Ta电热体发热体使用温度/℃气氛优点缺点Ni-Cr和Fe-Cr-Al1000～1300空气抗氧化；价格便宜；易加工抗热震性不佳；高温脆化Pt和Pt-Rh1400～1500非强氧化性、非还原性化学性能和电性能稳定；易加工高温易挥发，发热丝损失Mo、W、Ta1600～2000以上真空、其它气氛可得到高温抗热震性不佳SiC1400～1600空气抗热震性好温度场不均匀；高温老化MoSi21700空气、惰性气氛高温抗氧化；电阻率温度系数小；无老化低温下不能在空气中使用氧化物1800以上空气最最适合在氧化性气氛下使用电阻大，需两套电热体石墨1800～2000真空、还原性、中性气氛加工性好；高温力学性能好；抗热震性好抗氧化性差二、电感炉感应炉利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。

感应圈→→加交流电压→→交变的电磁场→→导电的物料→→电磁感应→→在产生涡流→→电阻发热若物料不导电，则需通过导电发热体间接加热♫感应加热主要用于粉末热压烧结和真空熔炼等。趋肤效应三、电弧炉电弧:在两电极之间的气体介质中，强烈而持久的放电现象称为电弧电弧炉：利用电弧热效应熔炼金属和其他物料的电炉。按加热方式分为三种类型:①间接加热电弧炉：热辐射加热物料。②直接加热电弧炉：直接加热物料。③埋弧电炉：电极一端埋入料层，在料层内形成电弧并利用料层自身的电阻发热加热物料。气体电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象电弧炉常用于：熔炼金属，如钛、锆等，制备高熔点化合物，如碳化物、硼化物以及低价的氧化物等电弧炉炼钢等离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。

等离子炉：利用工作气体被电离时产生的等离子体来进行加热或熔炼的电炉，简称PAF。四、等离子炉气体放电法与普通电弧炉相比：用等离子体发生器(即等离子枪)代替石墨电极，其主要特点是电弧温度高，气氛可控，适合于冶炼特殊钢，特别是活泼金属及其合金、难熔金属及其合金。

psp放电等离子热压烧结炉容量较大的炉子装有多个等离子枪电子束炉：用高速电子轰击物料使之加热熔化的电炉。在真空炉壳内,用通低压电的灯丝加热阴极，使之发射电子，电子束受加速阳极的高压电场的作用而加速运动，轰击位于阳极的金属物料，使电能转变成热能。因为电子束可经电磁聚焦装置高度密集，所以可在物料受轰击的部位产生很高的温度。五、电子束炉♫电子束炉用于熔炼特殊钢、难熔和活泼金属。

反应器皿材料使用性能比较材料聚四氟乙烯玻璃金属陶瓷石墨硼硅石英铁镍Pt普通刚玉T25030011009001100120012001700﹥2000反应耐各种腐蚀耐各种腐蚀氢氟酸、苛性碱和碱金属碳酸盐、镁酸性或含硫物质耐腐蚀性好氢氟酸、碱性溶剂抗腐蚀能力强优良的耐腐蚀性备注电绝缘

易氧化，抗碱性好耐HF性好，导热性好高温下耐碱性差高温下耐氧化性能差，保护气氛第二节高温反应容器的选择第三节高温温度测量方法温度不能直接测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来简介的测量。要求：随温度变化是单质、连续变化的，且易于测量。常选用的物理性质和效应：（1）热膨胀（2）电阻变化（3）热电效应（4）热辐射测温仪表：最常用！测温仪表接触式非接触式光学高温计（亮度法）（800～3200℃）比色高温计（比色法）（50～3200℃）辐射高温计（辐射法）（400～2000℃）热电阻（-258～900℃）金属热电阻：铜、铂、镍热电阻半导体热电阻：锗电阻、碳电阻氧化物热敏电阻热膨胀（-200～600℃）玻璃温度计双金属温度计压力式温度计（气体膨胀）热电偶（-200～1800℃）铜-康铜、镍铬-镍硅、镍铬-康铜贵重金属铂铑-铂石墨系、硅化物系、碳化物系、硼化物系钨铼系、钨钼系（热电效应）热电偶高温计热电效应：两种不同的导体相接触，当其两点温度不同时会产生热电势AtBt0热电偶焊接形成闭合回路A+++---tt0静电场方向EA（t，t0）AB+++---VAVB电场方向EAB（t）回路的电动势：包括接触电动势和温差电动势两部分组成。EAB=VA-VB+EA（t，t0）+EB（t，t0）（1）接触电势（2）温差电势热电子发射：接触电势差：脱出功EFEF0ΦAΦBAB电子EFEF0ΦAΦBABeVA-eVB表面带+电荷，产生静电势VA,表面带—电荷，产生静电势VB,VA-VB=ΦB-ΦA接触电势1）回路电动势是金属连接点温度差值的函数。EAB=fAB(t-t0)2）当t0不变时，EAB(t,t0)=fAB(t)-C

说明：热电势只是一个接点温度的函数3）一端温度固定为0℃——冷端一端受热产生温差电动势——热端外接仪表（室温）被测温度场（高温）回路的电动势：EAB=VA-VB+EA（t，t0）+EB（t，t0）钨铼热电偶简单的热电偶线路图电位差计“热”接头镍铬合金冷端热端温度补偿热电偶校正将冷端置于冰-水平衡体系中，而热端置于恒定的标准体系中。标准体系是一些温度恒定的物质，成为标准物质。校正热电偶的标准物质1.体积小，重量轻，结构简单，易于装配维护，使用方便。2.主要作用点是出两根线连成的很小的热接点，两根线较细，所以热惰性很小，有良好的热感度。3.能直接与被测物体相接触，不受环境介质如烟雾、尘埃、二氧化碳、蒸气等影响而引起误差，具有较高的准确度，可保证在预期的误差以内。4.侧温范围较广，一般可在室温至2000℃左右之间应用，某些情况其至可达3000℃。5.测量讯号可远距离传送，并由仪表迅速显示或自动记录，便于集中管理。热电偶高温计的优点：热电偶在使用中，还须注意避免受到侵蚀、污染和电磁的干扰，同时要求有一个不影响其热稳定性的环境。例如有些热电偶不宜于氧化气氛，但有些又应避免还原气氛。在不合适的气氛环境中，应以耐热材料套管将其密封，并用惰性气体加以保护，但这样就会多少影响它的灵敏度。当温度变动较快时，隔着套管的热电偶就显得有些热感滞后。热电偶高温计使用注意事项：金属热电偶的种类及使用的温度接触式1、用于普通高温测温；2、精度高，准确度1%；3、不受介质环境的影响；4、响应速度慢、测量热容量小的物体的温度有问题。缺点优点适用热膨胀热惯性大，精度低价格便宜，方便﹤200℃热电阻不能测高温、不能测点温、热惯性大，测量精度高，可自动记录传输，不受介质环境影响一般用于测量850℃以下的温度（-200～850℃）热电偶下线灵敏低，需进行温度补偿；输出信号和温度成非线性关系测温范围广、测量精度高，热感度好，能测点温一般用于测量500℃以上的高温（-200～1600℃）那么高于1600℃的温度如何测量呢？非接触式高温测温计1、辐射式高温测温计（红外高温计）

3、光学高温计2、比色高温计（双色测温仪）1、辐射式高温测温计（红外高温计）基本原理：一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发（0.36～1000μm的电磁波）红外辐射能量。而大部分位于红外线(又称热射线)区段中0.76～20μm的范围内。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。任何物体接受了这段波长的辐射，都会产生热效应。用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量（特定波长的辐射量），然后由测温仪计算出被测目标的温度。除了“黑体”，所有实际物体吸收辐射时都有反射和透射，不能全部吸收。因此吸收的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。引入一个系数--------发射率（黑体的发射率为1）。如何测量？红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。2、比色高温计（双色测温仪）比色高温计与一般的测温仪不同，采用二个光学波段进行测温，然后取其比值给出温度值。这种方法可以消除周围环境中烟气灰尘对测温读数的影响，还可以消除不同物体不同表面辐射率对测温结果的影响，因此，比色高温计能够正确地测得物体真实的温度。比色高温计包括测温仪和防护外壳，防护外壳通水通气，保护测温仪不受高温和尘埃的影响，能够长期稳定可靠地工作。

光学高温计是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原理来进行高温测量的。光学高温温度计选用的单色光波长位于可见光的红色部分，波长在0.01～0.65μm之间。注：光辐射亮度测量较难，采用了亮度比较法；

3、光学高温计优点：1.不需要同被测物质接触，同时也不影响被测物质的温度场。2.测量温度较高，范围较大，可测量700一6000℃。3.在正确使用的情况下，误差可小到正负10℃。4.使用简便、测量迅速。缺点：1、介质会对被测物体的辐射能有吸收，造成误差。2、不易测量反射光很强的物体，他们的波长小于0.36um，不属于热辐射。非接触式1、主要用于超高温测温；2、可测运动物体、腐蚀性环境温度；3、测量为表观温度，需对测量值进行修正；4、测试精度低，准确度10℃左右，响应速度快；5、环境条件会影响测量准确性；6、通常测量表面温度。光学无需外加电源，测量误差大辐射受材料本身红外吸收系数影响，以及介质吸收的影响比色测量精度高，，但价格高，在有粉尘、烟雾等非选择性介质中仍可工作作业：1、对比各类电热体的使用性能。2、热电偶测温的原理及特点？3、高温测量的方法包括几种？接触式和非接触式温度计各自的优缺点是什么？Ni-Cr、Fe-Cr-Al合金电热体：温度范围：1000℃-1300℃使用气氛：空气，可形成氧化膜阻止进一步的氧化。特点：抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大、电阻温度系数小。注意事项：1、不能与碳、硫酸盐、水玻璃、石棉以及有色金属及其氧化物接触；2、高温使用过的Fe-Cr-Al丝，发生脆化，不能拉伸或弯折。Pt和Pt-Rh电热体：温度范围：最高温度为1500℃，

空气中安全使用温度低1400℃。使用气氛：不能在Po2≥0.1MPa下使用。

高温下形成氧化物易挥发，使铂丝损失。特点：化学性能和电性能稳定，易于加工，使用温度高。注意事项：1、与所有金属和非金属都能形成合金或化合物避免接触；2、不要与易被还原的化学物与还原性气氛共同存在；3、发生脆化。铂耐蚀、耐酸铑的熔点：1966℃Pt-Rh电热体：1、Rh%含量越高，熔点更高，更高的使用温度；2、Rh%含量越高，晶粒长大迟缓，高温脆化减缓；3、Rh%含量越高，合金的加工性能急剧恶化；4、高温下Rh的挥发性较Pt大；5、电阻率随温度的变化较Ni-Cr、Fe-Cr-Al合金更显著；化学成分的质量分数%熔点/℃最高使用温度/℃PtRh100017691500871318501650802019001700604019501750铂的熔点：1772℃W、Mo、Ta电热体：共同点：1、熔点高，可获得较高的温度；2、只能在真空或适当气氛下使用。不同点：1、熔点：W﹥Ta﹥MoW（﹥2000℃）；Ta（1700～2000℃）；Mo（1600～1700℃）2、加工性：Mo﹥Ta﹥W3、价位：W﹥Ta﹥Mo4、气氛：钨（真空或脱氧的氢气或惰性气体）；钼（H2或N2+H2作为保护气氛）；钽（真空或惰性气体，不能在H2中使用）