材料合成化学

材料化学合成与制备方法钟博2023/2/6/*材料科学与工程学院zhongbooo@126.com,151663186501.1材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33

材料分类——按材料的用途1、结构材料（传统材料）：满足材料强度、韧性等力学性能方面的要求---(材料是最终产品)---(劳动密集型材料)---人类生存的基本物质需要.2、功能材料（新材料）：满足材料特殊功能性能的要求，电、磁、声、光，热、化学、生物、核等功能用于敏感、转换、传输、处理、存储、显示、吸收等器件以元件形式对性能进行评价，“材料元件”一体化知识、技术密集型材料：需要物理、化学、生物等基础科学，以及信息、智能、微电子等技术科学人类高层次的物质需求（智能建筑材料：冬暖下凉、报警等）。3从材料尺度角度分类

一维材料纤维、晶须等二维材料薄膜、涂层等三维材料

块体材料零维材料？4按材料内部原子排列情况分类

晶态材料非晶态材料液态材料气态材料2023/2/6/04:13:33金属材料高分子材料粉末金属有色金属钢铁

塑料

橡胶粘合剂

涂料纤维

复合材料玻璃结晶陶瓷

碳材料半导体

材料家族

2023/2/6/04:13:331.1材料科学的内涵

人类社会的进步和技术发展过程中的每一个重大突破，都是因为有了先进的新材料而实现的。

现代文明的三大支柱：信息、能源和材料。而其中材料又是信息技术、能源技术几及其它一切技术发展的物质基础和关键。材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33历史学家将材料作为文明社会进化的标志。新石器时代青铜器时代复合材料时代合成材料时代…….智能材料????旧石器时代在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段：

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人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。1．使用纯天然材料的初级阶段------旧石器时代2023/2/6/04:13:33

这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。2．人类单纯利用火制造材料的阶段3．利用物理与化学原理合成材料的阶段2023/2/6/04:13:3320世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。4．材料的复合化阶段2023/2/6/04:13:3320世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。5．材料的智能化阶段2023/2/6/04:13:33

自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33“材料”是早已存在的名词，但“材料科学”的提出只是20世纪60年代初的事。1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，“材料科学”这个名词便开始流行。材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33其次，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材料也获得广泛应用，其研究也逐步深入。但它们之间存在着颇多相似之处，不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进学科的发展。第三，许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料自成体系，缺乏沟通。由于互不了解，不利于发展创新。材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33材料科学材料工程研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。基础研究工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题综合性研究材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其运用。换言之，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。组成与结构(composition-structure)合成与生产过程(synthesis-processing)性质(properties)使用效能(performance)四个基本要素(basicelements)材料科学的内涵2023/2/6/04:13:33成分(composition)、合成/加工(synthesis／proeessing)、结构(structure)、性质(properties)、使用效能(performance)五个基本要素(basicelements)1.2材料科学各组元及其关系2023/2/6/04:13:33合成与制备Materialssynthesis:

oftenrefertochemicalandphysicalproceduresbywhichatomsandmoleculesareassembled.Materialsprocessing:

manipulationofmaterialsonlargerscalesandincludesproceduresinvolvingseveralstepsundercarefullycontrolledconditions.1.2材料科学各组元及其关系2023/2/6/04:13:33合成与制备

合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程．合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法(如溶胶—凝胶法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成。2023/2/6/04:13:33“Askagroupoforganicchemistswhytheylovetheirwork,however,andmostwilltellyouthatitenablesthemtomakethingsthatnooneelsehasmadebefore.”

Itisalsotrueformaterialssynthesis.Fivekeywordsofmaterialssynthesis

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

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

材料科学各组元2023/2/6/04:13:33制备也研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料，这一点是与合成相同的.制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。

合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33在合成与制备中工程性的研究固然重要，基础研究也不应忽视。对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质。为改进制备方法建立新的制备技术提供科学基础。以晶体材料为例在晶体生产中如果不了解原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握生长参数优化的制备方法，生长出具有所需组成、完整性、均匀性和物理性的晶体材料。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33以陶瓷材料为例，陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差，原因是制备过程落后以致材料的微结构和特性缺少均匀性和重复性．研究结果已表明，若粉料在材料制备中发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而导致性能不均一，因为粉料团聚一旦在制备的早期阶段形成，实际上就不可能在不存在液相的情况下通过煅烧或烧结消除其影响。这说明为提高材料的可靠性．必须对制备过程中的每阶段所发生的化学、物理变化认真加以研究并做出必要的表征．把合成制备简单地与工艺等同起来而忽略其基础研究的科学内涵，是不恰当的。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33组成与结构

组成指构成材料物质的原子、分子及其分布；除主要组成以外，杂质及对无机非金属材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略.

结构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构，相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。材料科学材料科学各组元2023/2/6/04:13:33材料的组成与结构是材料的基本表征。它们一方面是特定的合成与制备条件的产物，另一方面又是决定材料性能与使用效能的内在因素，因而在材料科学与工程的“四面体”中占有独特的承前启后的地位，并起着指导性的作用．材料科学各组元2023/2/6/04:13:33了解材料的组成与结构及它们同合成与制备之间、性能与使用效能之间的内在联系，是材料科学与工程的基本研究内容。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33性能与使用效能

性能是指材料固有的物理、化学特性，也是确定材料用途的依据。广义地说，性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。例如，对外力作用的反应为力学性能，对外电场作用的反应为电学性能，对光波作用的反应为光学性能等等。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33

使用效能是材料以特定产品形式在使用条件下所表现的效能。它是材料的固有性能、产品设计、工程特性、使用环境和效益的综合表现，通常以寿命、效率，可靠性、效益及成本等指标衡量。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33使用效能的研究与工程设计及生产制造过程密切相关，不仅有宏观的工程问题，还包括复杂的材料科学问题。例：功能器件的一致性与可靠性是功能材料原有缺陷(原生缺陷)、器件制备过程引入的二次缺陷以及在使用条件下这些缺陷的发展和新缺陷生成的综合结果.材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标．而且在很大程度上代表这一学科的发展水平。材料科学各组元2023/2/6/04:13:33材料科学三个重要属性：多学科交叉，它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科；一种与实际使用结合非常密切的科学，发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等；材料科学是一个正在发展中的科学，不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。课程内容2023/2/6/04:13:33绪论材料合成的理论基础材料合成的条件材料合成技术简介材料合成实例教材及主要参考书2023/2/6/04:13:33材料合成化学，徐甲强，哈尔滨工业大学出版社材料合成与制备方法，曹茂盛，哈尔滨工业大学出版社第二讲化学热力学与化学动力学基础化学热力学化学热力学解决什么？--反应能否进行？化学平衡热化学化学平衡3.1基本概念3.1.1热力学函数与热力学平衡判据

F=U-TS G=H-TS 式中，F—赫姆霍兹自由能；U—内能；T—热力学温度；S—熵；H—焓；G—吉布斯自由能。平衡条件(1)熵判别：对孤立体系或绝热体系：dS0

(2)赫姆霍兹自由能判据：等温等容不作功的条件下，任其自然，则自发变化总是朝向自由能减少的方向进行：(dF)T,V0 (3)吉布斯自由能判据：在等温等压不做功的条件下，任其自然，由自发变化总是朝向自由减少的方向进行：(dG)T,p0热力学参数之间的关系（一）dU=TdS-pdV dH=TdS+Vdp dF=-SdT-pdV dG=-SdT+Vdp 热力学参数之间的关系（二）化学位定义自由能与压力和温度的关系吉布斯—赫姆霍兹方程:标准反应自由能在指定的反应温度及101.325MPa下，最稳定单质的自由能为零标准状态（即101.325MPa）下的理想气体或101.325MPa下纯液体或纯固体的稳定单质，生成1摩尔化合物时的自由能，称为该化合物的标准生成自由能化学平衡常数化学平衡常数与标准反应自由能的关系=-RTlnKp

物质标准生成自由能温度和压力对化学平衡常数的影响温度对化学平衡常数的影响范特霍夫(Van’tHoff)方程压力对平衡常数的影响热化学化学反应常常伴有能量的释放或吸收，燃烧反应更不例外，是放热反应。化学反应的热效应数据，对自然科学的研究、工业生产、燃料的利用及确定设备条件都是很重要的。化合物的生成焓和标准生成焓在室温(298K)和101.325KPa下，由最稳定的单质合成某种化合物，反应中焓的增量即定义为化合物的生成焓几种物质的生成焓反应焓几种单质或化合物的相互反应生成产物时，放出或吸收的热量称为该化学反应的反应焓:由生成物和反应物的生成焓差来确定:根据键能计算反应焓当化合物的标准生成焓未知时，可用键能来计算反应焓化合物原键的拆散和新键的形成过程，在此过程中伴有能量的变化，并以反应焓形式表现出来用键能计算反应焓不很精确，但在缺少热化学数据时，用键能估算反应焓也是解决问题的一种方法

平均键能(KJ/mol)例11摩尔乙烯氢化合成乙烷时要放出146.4KJ的热量任意温度下反应焓的计算—

基尔霍夫(Kirhoff)定律反应焓随温度的变化率等于恒压下生成物和反应物恒压热容差焓与温度的关系曲线T（K）ΔHT0ΔH2980化学动力学

化学反应速度各种参数对化学反应速度的影响反应速度理论链锁反应化学反应速度基本定义化学反应速度是在单位时间内由于化学反应而使反应物质(或燃烧产物)的浓度改变率，一般常用符号w来表示。质量作用定律当温度不变时，某化学反应的反应速度是与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按某化学反应方程式的关系一步完成，则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比量系数反应级数反应级数n即为各浓度方次之和，即

n=a+b+c……连续反应反应物A的浓度，随时间之增加，从初浓度很快地减少而逐渐趋向于零。产物C的浓度从零逐渐增加，最后应趋向于，而产物B的浓度则开始一段时间内是增加的，然后又逐渐减少。在一定的时刻，B的浓度达到最大值

各种参数对化学反应速度的影响温度对化学反应速度的影响压力对反应速度的影响在等温等压下,反应物浓度对反应速度的影响温度对化学反应速度的影响范特荷夫反应速度和温度的近似关系阿累尼乌斯定律压力对反应速度的影响一级反应中压力对化学反应速度的影响

二级反应中压力对化学反应速度的影响三级反应中压力对化学反应速度的影响在等温等压下,反应物浓度对反应速度的影响在温度和压力不变的情况下,化学反应速度w仅随反应物的相对浓度A1而变化反应速度理论在一定的温度下,气体分子总是处于运动之中,且随着温度升高,其运动速度亦愈大,分子运动过程中,不断地相互碰撞，假如化学反应就是在这样简单的相碰后,都会反应而形成产物的话,那么化学反应将进行的非常迅速实际上,由实验测得的反应速度是有限的有效碰撞理论过渡状态理论（不讲）参加反应的不是所有的分子,而只是其中活化分子,而所谓活化分子即其所具有的能量比系统平均能量大E1(或E2)的分子,而E1(或E2)称为活化能。活化能在一定的温度范围内是与温度无关的常数,而与反应物的物理化学性质和各种类型的反应有关。随着反应的种类,反应物的化学结构,以及环境之不同而改变。第三章材料合成与制备的条件材料合成与制备是在一定环境中进行的。环境参量，如温度、压强、气氛、重力等，对于材料合成与制备有着巨大的甚至是决定性的影响。认识这些影响，并且人为地调控各种环境参数，是材料合成与制备的重要环节，也是材料合成与制备科学的主要研究对象之一。2023/2/6/04:13:3375/31溶剂的选择与提纯气体与真空物质分离与纯化高低温的获得与测量76/31

溶剂分类质子溶剂、非质子溶剂（惰性溶剂）、熔盐、77/3178/3179/3180/31溶剂的选择对反应物能充分溶解形成均相溶液反应物不与溶剂作用副反应最少易于产物的分离81/31溶剂的提纯

溶剂中杂质的产生生产制备过程；制备带来的副产物；自身的性质而混入的杂质或者外界因素的影响，吸收或分解生成的物质，如氯仿受光的作用产生光气、氯化氢；稳定剂的添加如乙醇、酚类等。82/31

脱水干燥干燥剂分馏共沸蒸馏蒸发及蒸馏如乙二醇除水干燥气体（加热回流时通干燥的空气或氮气，气体带走溶剂中的水分，从冷凝器末端的干燥管中放出。此法适用于乙二醇、甘油等难挥发溶剂的干燥。）其它特殊情况（烃类冷冻，水结冰除去）83/312.1.4溶剂对反应的影响（1）溶剂介电常数：介电常数愈大，离子间引力愈弱，所以介电常数比较大的溶剂常不利于离子间的化合反应。（2）溶剂极性：如果生成物的极性比反应物大，则在极性溶剂中反应速率比较大；相反，如果反应物的极性比生成物的极性大，则在极性溶剂的反应速率比较小。（3）溶剂化：物质在溶剂中都有一定程度的溶剂化作用，生成溶剂化物。如果反应物溶剂化后能形成比较稳定的溶剂化物，则会增加活化能，降低反应速率。如果溶剂化后，能形成一种不稳定的中间化合物，则可使活化能降低，增大反应速率。84/31对皮肤的毒害(1)造成皮肤表而脂肪层脱除，使皮肤易受细菌感染；(2)由于皮肤表面角阮(一种硬蛋白质)的脱除容易引起急性和慢性皮肤炎；(3)溶剂通过皮肤吸收到体内引起中毒作用；(4)与一般皮肤病有关的变态反应。溶剂安全使用与处理85/31危害分类

(1)根据溶剂对生理作用产生的毒性分类①损害神经的溶剂如伯醇类(甲醇除外)、醚类、醛类、酮类、部分酯类、苄醇类等。②肺中毒的镕剂如羧酸甲酯类、甲酸酯类等。③血液中毒的溶剂如苯及其衍生物、乙二醇类等。④肝脏及新陈代谢中毒的溶剂如卤代烃类等。⑤肾脏中毒的溶剂如四氯乙烷及乙二醇类等。86/31(2)根据溶剂对健康的损害分类

第1类无害溶剂。①基本上无毒害，长时间使用对健康没有什么影响，如戊烷、石油醚、轻质汽油、己烷、庚烷、200号溶剂汽油、乙醇、氯乙烷、乙酸、乙酸乙酯等。②稍有毒性，但挥发性低，在普通条件下使用基本上无危险，如乙二醇、丁二醇、邻苯二甲酸二丁酯等。

第2类在一定程度上是有害或稍有毒害的溶剂，但在短时间最大容许浓度下没有重大的危害，如甲苯、二甲苯、环己烷、异丙苯、环庚烷、乙酸丙酯、戊醇、乙酸戊酯、丁醇、三氯乙烯、四氯乙烯、环氧乙烷、氢化芳烃、石脑油、四氢化萘、硝基乙烷等。第3类有害溶剂，除在极低浓度下无危害外，即使是短时间接触也是有害的，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)根据在工厂使用条件下的危险程度分类

第l类弱毒性溶剂，如200号溶剂汽油、四氢化萘、松节油、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、溶纤剂、环己烷、甲基环己醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、增塑剂、糠醛、糠醇等。

第2类中毒性溶剂，如甲苯、环己烷、甲醇、二氯甲烷、1，2—二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等。第3类强毒性溶剂，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溶剂的回收与废弃回收方法冷凝法压缩法吸收法，常用吸收液（无机吸收液：水、弱酸性水溶液、海水、亚硫酸钠水溶液、硫酸等。有机吸收液：乙醇、丁醇、戊醇、动植物油、矿物油、煤焦油(200~350℃)、甲酚等。）吸附法，采用吸附剂蒸馏法89/31废溶剂处理(1)烃类废溶剂：焚烧处理。(2)由碳、氢、氧组成的化合物：大部分可采用焚烧法，醚类注意其中的爆炸性的过氧化物。(3)由碳、氢、氮组成的化合物：多次焚烧法(4)由碳、氢、氧、氮组成的化合物：多次少量焚烧(5)含硫化合物：焚烧处理，燃烧生成的二氧化硫必须用碱性溶液吸收。(6)卤化物：多次燃烧，生成的卤化氢用碱液中和90/31(7)其他①直接排放在大气中的：液氮、液氧、液态二氧化碳等。②液氨：气化后用水吸收成稀水溶液，再由稀盐酸、稀硫酸等中和后加大量水稀释排放。③液态二氧化硫；气化后用碱液吸收，加次氯酸钙放置，将氧化的溶液中和，再与过量水一起由下水道排放。④无机酸：中和后，与大量水一起由下水道排放。硼酸酯、磷酸酯多次焚烧，碱液中和残留物，与大量水排入下水道。91/312.2气体的净化及气氛控制2.2.1净化方法吸收，固体吸收剂吸附，多孔固体吸附剂化学催化，借助催化剂吸除杂质冷凝，除去易冷凝杂质92/31物质的分离与纯化技术分离过程机械分离：过滤、沉降、离心、静电除尘等传质分离：用于均相混合物，伴随质量传递。有平衡分离过程和速率分离过程。93/31平衡分离过程借助媒介（热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物分相。解吸、共沸蒸馏、萃取、蒸发（旋转蒸发仪，见下页）、结晶、升华、浸取、吸附、离子交换、泡沫分离、区域熔炼。新技术：多级分步结晶、变压吸附、超临界萃取、膜萃取94/31速率分离过程在推动力（温差、浓度差等）作用下（多数配合使用选择性的膜）利用各组分扩散速率差异。膜分离技术【微滤、超滤、反渗透、抽滤（见下页）渗析与电渗析】，有固体膜、液体膜、气态膜。新技术：气体分离、渗透蒸发、乳液膜、支撑液膜、蒸汽渗透、渗透蒸馏、气态膜95/31提纯技术实验室安全通风良好，玻璃仪器使用（特别注意减压和高温操作），药品按易燃和高毒性处理；防护设备，注意防火仪器清洗玻璃：热洗涤剂和蒸馏水、丙酮，或浓硫酸与浓硝酸混酸；120℃烘干

容量器皿：不能加热，洗后丙酮淋干聚四氟乙烯设备：丙酮、正己烷浸泡，或混酸96/3197/31（1）蒸馏：

常压蒸馏98/31真空蒸馏99/31（2）重结晶（3）升华100/31（4）色谱技术（5）萃取3.1温度温度表征物体的冷热程度。温度也是分子平均动能的度量。2023/2/6/04:13:33其中：T为温度，k为玻尔兹曼常数，为理想气体分子的平均动能。材料合成与制备中温度是关键的可调控参量

晶体熔化过程中，从有序的晶格出发，原子的挪动不仅使晶格坐位上的原子发生重新排列，而且导致了晶格的彻底瓦解。高温下的晶体，虽然存在不规则的热运动，但原子仍停留在晶格的坐位附近。转变为液态，晶格已经不复存在，原子的位置分布是无规的，体现了位置无序性，而且原子并不定局域于某个特定的位置上。2023/2/6/04:13:33例：熔体制备晶体或玻璃（1）例：熔体制备晶体或玻璃（2）在固相到液相的相变过程中：

当液体冷却到熔点Tm时，并不会立即凝固或结晶，而是先以过冷液体的形式存在于熔点之下。

新的晶相形成，首先要经过成核阶段，即在局部形成小块晶核。由于晶核尺寸很小，表面能将占很大的比例，因而将形成能量的壁垒。因此，在熔点之上，成核是不可能实现的。2023/2/6/04:13:33只有当温度下降至熔点以下，即存在一定的过冷度时，成核的几率才大于零。例：熔体制备晶体或玻璃（3）晶核形成后，晶核的长大就主要依靠原子的扩散过程。因此，结晶的速率既和成核的几率有关，又和长大的速率有关。前者取决于过冷度的大小，后者则取决于温度的高低。如果从液相冷却下来的速率足够快的话，过冷液相就将避免结晶而形成玻璃态。2023/2/6/04:13:33结晶与形成玻璃态，均取决于温度和降温速率。例：固相反应固相反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统的低共熔点。这一温度与反应物内部开始明显扩散作用的温度是相一致的，常称为泰曼温度或烧结温度。不同物质的泰曼温度与其熔点Tm间存在一定的关系。无论是反应控制的固相反应还是扩散控制的固相反应，反应速率常数、扩散系数与温度间均存在着阿伦纽斯形式的关系：2023/2/6/04:13:33其中，K0

为常数，△G为活化能，R为气体常数.材料合成与制备中温度是关键的可调控参量

温度对于材料中的相变、烧结等材料合成与制备中的关键过程无论在热力学还是动力学上都产生强烈的影响。2023/2/6/04:13:333.1.1化学合成中常用的加热方法当化合物发生反应时，一般情况下升高温度则反应速度加快。大体上温度每升高l0°C，反应速度就要增加一倍。因此，为了增加反应速度，往往需要在加热下进行反应。化学实验室中常用的热源有煤气灯、酒精灯和电炉等。必须注意，玻璃仪器一般不能用火焰直接加热。因为剧烈的温度变化和加热不均匀会造成玻璃仪器的损坏。同时，由于局部过热，还可能引起有机化合物的部分分解。2023/2/6/04:13:33化学合成中常用的加热方法最简便的是通过石棉网进行加热。但这种加热仍很不均匀，故在减压蒸馏或回流低沸点易燃物等操作中就不能应用。在化学实验室中，为了保证加热均匀，经常选用热浴来进行间接加热(热浴的液面高度皆应略高于容器中的液面)。2023/2/6/04:13:33化学合成中常用的加热方法(1)水浴：当需要的加热温度在80°C以下时，可将容器浸入水浴中(注意：勿使容器触及水浴底部)，小心加热以保持所需的温度。但是若要长时间加热，水浴中的水总难免气化外逸，在这种情况下，可采用附加自动添水装置的水浴。若需要加热到100°C时，可以用沸水浴或水蒸汽浴。2023/2/6/04:13:33化学合成中常用的加热方法(2)油浴：在100-250°C范围内加热，可以用油浴。油浴所能达到的最高温度取决于所用油的种类。在植物油中加入1％的对苯二酚，便可增加它们在受热时的稳定性。透明石蜡油可加热到220°C，温度过高并不分解，但易燃烧。甘油和邻苯二甲酸二正丁酯适用于加热140-150°C，温度过高则易分解。硅油和真空泵油在250°C附近仍较稳定。应当指出，用油浴加热时，油浴中应放温度计，以便及时调节灯焰，防止温度过高。此外，蜡或石蜡也可用作油浴的浴液，可以加热到220°C。它的优点是在室温时是固体，便于贮藏，但是加热完毕后，在它们冷凝成固体前，应先取出浸于其中的容器。2023/2/6/04:13:33化学合成中常用的加热方法(3)砂浴：加热温度必须达到数百度以上时往往使用砂浴。将清洁而又干燥的细砂平铺在铁盘上，盛有液体的容器埋入砂中，在铁盘下加热，液体就间接受热。由于砂对热的传导能力较差而散热却快，所以容器底部与砂浴接触处的砂层要薄些，使易受热；容器周围与砂接触的部分，可用较厚的砂层，使其不易散热。

但砂浴由于散热太快，温度上升较慢，且不易控制而使用不广。2023/2/6/04:13:33化学合成中常用的加热方法(4)空气浴：沸点在80°C以上的液体原则上均可采用空气浴加热。最简便的空气浴可用下法制作：取空的铁罐一只，罐口边缘剪光后，在罐的底层打数行小孔，另将圆形石棉片(直径略小于罐的直径，厚约2~3mm)放入罐中，使其盖在小孔上，罐的四周用石棉布包裹。另取直径略大于罐口的石棉板(厚约2~4mm)一块，在其中挖一个洞(洞的直径接近于蒸馏瓶或其他容器颈部的直径)，然后对切为二，加热时用以盖住罐口。使用时将此空气浴放置在铁三脚架上，用灯焰加热即可。注意蒸馏瓶或其他容器在罐中切勿触及罐底。2023/2/6/04:13:33化学合成中常用的加热方法当物质在高温加热时，也可以使用熔融的盐.如等重量的硝酸钠和硝酸钾混合物在218°C熔化，在700°C以下是稳定的。含有40％亚硝酸钠、7%硝酸钠和53%硝酸钾的混合物在142°C熔化，使用范150-500°C。必须注意若熔融的盐触及皮肤，会引起严重的烧伤。所以在使用时，应当倍加小心，并尽可能防止溢出或飞溅。2023/2/6/04:13:333.1.2高温的获得与测量方法一般称获得高温的设备为高温炉。高温炉就用途不同可分为工业炉和实验用炉。高温炉的炉体是由各种耐火材料砌成，能源可采用固体、气体、液体、电。现工业生产上多用火焰窑炉。电炉与火焰炉相比有许多优点，如清洁环保、热效率高，炉温调控精确、便于实验工艺控制等。2023/2/6/04:13:33电炉(1)电阻炉：

当电流流过导体时，因为导体存在电阻，于是产生焦耳热，就成为电阻炉的热源。一般供发热用的导体的电阻值是比较稳定的，如果在稳定电源作用下，并且具备稳定的散热条件，则电阻炉的温度是容易控制的。电阻炉设备简单、易于制作、温度性能好，故在实验室中用得最多。2023/2/6/04:13:33实验使用的高温炉基本上都是电炉电炉(2)感应炉：在线圈中放一导体，当线圈中通以交流电时，在导体中便被感应出电流，借助于导体的电阻而发热。若试料为绝缘体时，则必须通过发热体(导体)间接加热。感应加热时无电极接触，便于被加热体系密封与气氛控制，故实验室中也有较多使用。感应炉按其工作电源频率的不同有中频与高频之分，前者多用于工业熔炼，实验室多用高频炉，其电源频率为10—100kHz。供高频炉加热用的感应圈是中空铜管制成，管内通水冷却。2023/2/6/04:13:33电炉(3)电弧炉和等离子炉：电弧炉是利用电弧弧光为热源加热物体的，它广泛用于工业熔炼炉。在实验室中，为了熔化高熔点金属，常使用小型电弧炉。等离子炉是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(10000K)。2023/2/6/04:13:33电炉(4)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。在直流高压下，电子冲击会产生X光辐射，对人体有害，故一般不希望采用过高的电子加速电压。常用的加速电压为数千伏，电流为数百毫安。可通过改变灯丝电流而调整功率输出，故电子束炉比电弧炉的温度容易控制，但它仅适于局部加热和在真空条件下使用。2023/2/6/04:13:33电炉(5)利用热辐射的加热设备：一般的高温炉，发热体与试料间的热传导是通过辐射和对流达到的。辐射加热方式的特点是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。由于热辐射的速度很快，又无通常炉体的热惰性，故辐射炉有利于试料的迅速加热和冷却。2023/2/6/04:13:33材料合成中应用的高温炉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，便于制作；炉膛易于密封与气氛调整。2023/2/6/04:13:33各种高温炉及其能达到的温度电阻炉的发热元件－－电热体(1)Ni-Cr和Fe-Cr-A1合金电热体：在1000－1300°C高温范围内，在空气中使用最多的发热元件。它们具有抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小等特点。Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金有较好的抗氧化性，在高温下由于空气的氧化能生成CrO或NiCrO4

致密的氧化膜，能阻止空气对合金的进一步氧化。为了不使保护膜破坏，此种发热体不能在还原气氛中使用，还应尽量避免与碳、硫酸盐、水玻璃、石棉以及有色金属及其氧化物接触。发热体不应急剧地升降温，因它会使致密的氧化膜产生裂纹以致脱落，起不到应有的保护作用。2023/2/6/04:13:33电热体(1)Ni-Cr合金常用牌号有Cr20Ni80和Cr15Ni60。经高温使用后，只要没有过烧，仍然比较柔软。Ni-Cr合金具有较好的抗氮气能力，常用于含氮气氛的电阻炉。Fe-Cr-Al合金丝经高温使用后，因晶粒长大而变脆。温度越高、时间越长，脆化越严重。因此，高温用过的Fe-Cr-A1丝，不要拉伸和弯折，修理时要仔细，需要弯折时，可用喷灯加热至暗红色后再进行操作。实验室用的Ni-Cr或Fe-Cr-A1发热体，大部分制成直径为0.5~3.0mm的丝状。电热丝一般绕在耐火炉管外侧，有的绕在特制炉膛的沟槽中。2023/2/6/04:13:33电热体(2)(2)Pt和Pt-Rh电热体：铂的化学性能与电性能都很稳定，且易于加工，使用温度高，在某些特殊场合下被用作电热体。铂的熔点为1769°C，高于1500°C时软化。铂在低于熔点温度的高温下，与氧可形成中间的铂氧化物相，使铂丝细化损失。因此，一般建议在空气中铂的最高使用温度为1500°C，长时间安全使用温度低于1400°C，不能在PO2

≥0.1MPa下使用。2023/2/6/04:13:33电热体(2)在高温下，铂与所有的金属和非金属(P、S等)都能形成合金或化合物，应避免接触。当有能被还原的化合物与还原性气氛共同存在时，对铂也是有害的。例:SiO2

与还原气氛共存时，在高温下形成气相SiO2。所以，即使SiO2与Pt无直接接触，也有可能生成Pt-Si化合物而使Pt遭到破坏。通常绕在炉管外侧的Pt丝要用A12O3

粉覆盖。要求Al2O3

粉不含Si和Fe的氧化物杂质。Pt丝长时间在高温下使用，会因晶粒长大而脆断，此外，Pt在高温下切忌与含H或C的气氛接触，否则会使其中毒而导致使用寿命大为缩短。2023/2/6/04:13:33电热体(2)Pt-Rh合金与Pt比较，具有更高的熔点与更高的使用温度。随着Rh含量增加，合金最高使用温度也增高。但与此同时，合金的加工性能急剧恶化。2023/2/6/04:13:33电热体(2)Pt和Pt-Rh合金的电阻率随温度的变化较Ni-Cr、较Fe-Cr-A1合金更为显著.Pt-Rh合金的使用条件与Pt基本一致，但在高温下，晶粒长大较Pt迟缓。Pt-Rh合金在高温下长时间使用，丝径会因Rh的挥发而变细，挥发金属附着于炉体较冷部位。Pt、Rh均为贵金属，使用后应回收。2023/2/6/04:13:33电热体(3)(3)Mo、W、Ta电热体：为了获得更高的温度，在真空或适当气氛下,往往采用高熔点金属(Mo、W、Ta等)为电热体。钨是金属中熔点最高的，用于电光源做发光灯丝材料。钨的冷加工性能不太好，但还可制成细丝和薄片。钨在常温下很稳定，但在空气中加热便氧化成WO3，它能与碱性氧化物生成钨酸盐，钨能同卤族元素直接化合。钨和碳、硅、硼在高温下共热，可生成相应的化合物。在空气或氧化剂存在时，钨溶解于熔碱中生成钨酸盐，并为热的碱性水溶液腐蚀。钨与酸起轻微作用，但在氧氟酸和硝酸混合物中加热溶解很快.2023/2/6/04:13:33为了获得2000°C以上的高温，常采用钨丝或钨棒为电热元件，使用气氛应为真空或经脱氧的氢气与惰性气体。电热体(3)钼的密度小，价格便宜，加工性能好，广泛用作获得1600-1700°C高温的电热元件。钼有较高的蒸气压，在高温下长时间使用，会因基体挥发而缩短电热元件的寿命。钼在高温下极易氧化生成MoO3

而挥发.气氛中的氧应尽量去除。对钼丝炉一般采用经除氧后的H2

或H2+N2

为保护气氛，后者因比较安全。实验室中的钼丝炉，是将钼丝直接绕在刚玉(A12O3)炉管上的，刚玉管高于1900°C会软化，故钼丝炉所能达到的最高温度受炉管限制。2023/2/6/04:13:33

钽不能在氢气中使用，因为它能吸收氢而使性能变坏。钽比钼熔点高，比钨加工性能好，在真空或惰性气氛中稳定。电热体(4)(4)碳化硅(SiC)电热体：由SiC粉加黏结剂成形后烧结而成。质量优良的碳化硅电热体在空气中可使用到1600°C，一般使用到1450°C左右，它是一种比较理想的高温电热材料。碳化硅电热体通常制成棒状和管状，故也叫硅碳棒和硅碳管。硅碳棒有不同规格，它可以灵活地布置在炉膛内需要的位置上，它的两个接线端露于炉外。使用硅碳棒的缺点:炉内温度场不够均匀，并且各支硅碳棒电阻匹配困难。2023/2/6/04:13:33电热体(4)硅碳管是直接把SiC制成管状发热体，故温度场比较均匀。目前国产硅碳管最大直径为100mm。硅碳管有无螺纹、单螺纹和双螺纹之分。为了减少SiC电热体接线电阻，在接线端喷镀一层金属铝，电极卡头用镍或不锈钢片制成。在安装SiC电热体时，切忌使发热部位与其他物体相接触，以免高温下互相作用。SiC电热体有良好的耐急冷急热性能。在800°C左右，SiC电热体电阻率出现最低点，说明SiC在低温区呈半导体特性，而在高温区呈金属特性。2023/2/6/04:13:33电热体(4)SiC电热体在使用过程中，电阻率缓慢增大的现象叫“老化”。这种现象在高温时尤为严重。SiC的老化是电热体氧化的结果，在空气中使用温度过高，或空气中水汽含量很多时，都可使SiC老化加速。在CO气氛中，SiC发热体能使用到1800°C。SiC发热体不能在真空下与氢气氛中使用。老化后的SiC发热体仍可勉强使用，但应提升工作电压并注意安全。一般认为，SiC发热体有效寿命结束在其常温下电阻值为初始值两倍的时候。2023/2/6/04:13:33电热体(5)(5)碳质电热体：石墨或碳质电热体具有良好的耐急冷急热性，至少在2500°C以前，其机械强度随温度升高而增大。它的电阻率随温度变化不大，加工性能良好，使用温度极高。故常用作获得高温的电热材料.将石墨加工成筒形发热体的高温炉称为碳管炉。因为碳质材料的电阻率很小(10-3W·cm)，所以常在筒形发热体上作螺旋或横向切口以增大发热体的电阻值。使用碳质发热体时仍需用大电流变压器供电。2023/2/6/04:13:33电热体(5)以碳质发热体为热源的高温炉，最高使用温度可达3600°C，常用温度为1800°C~2000°C。碳在常温下十分稳定，当加热到高温时，碳的化学活性迅速增加，此时它容易和氧化合，为了防止碳质电热体高温氧化而烧毁，应在真空、还原性气氛或中性气氛中使用。2023/2/6/04:13:33电热体(6)(6)二硅化钼(MoSi2)电热体:在高温下使用具有良好的抗氧化性，因为在高温下，发热体表面生成MoO3

而挥发，于是形成一层很致密的SiO2

保护膜,阻止了MoSi2

进一步氧化。MoSi2发热体在空气中可安全使用到1700°C，但在氮和惰性气体中，最高使用温度将要下降，它也不能在氢气或真空中使用。MoSi2

电热体不宜在低温下(500—700°C)的空气中使用，此时Mo被大量氧化而又不能形成SiO2

保护膜。故一般认为，MoSi2不宜在低于1000°C下长时间使用。2023/2/6/04:13:33电热体(6)MoSi2

在空气中长时间使用，其电阻率保持不变，无所谓产生“老化”现象，这是MoSi2

所特有的优点，为其他电热体所不及。为了使SiO2

保护膜不被破坏，应防止电热体与可能生成硅酸盐的材料相接触。电热体表面温度不宜过高，以免SiO2

膜熔融下流。MoSi2

发热体通常做成棒状或U形两种，大多在垂直状态下使用。因为MoSi2

发热体在高于1350°C时会变软，有延展性，若水平使用，必须用耐火材料支持发热体，但最高使用温度不超过1500°C。MoSi2

在常温下很脆，安装使用时应特别小心，以免折断，并要留有一定的伸缩余地。2023/2/6/04:13:33电热体(7)(7)氧化物电热体：ZrO2、ThO2

等氧化物可以作为电热体在空气中使用到1800°C上。ZrO2、ThO2

具有负的电阻温度系数，属半导体类型材料。它们在常温下具有很大的电阻值，以致无法直接通电加热。实际上，在氧化物发热体通电之前，先采用其他电热体如Pt-Rh、MoSi2、SiC等)把它加热到1000°C以上，使其电阻大为下降，此时才能对氧化物通电加热升温。因此，使用氧化物电热体的高温炉需要配置两套供电系统。2023/2/6/04:13:33电热体(7)铬酸镧是以LaCrO3

为主成分的可在氧化性气氛中使用的高温电炉发热体，是利用LaCrO3

的电子导电性的氧化物发热体。其特点是：热效率高，单位面积发热量大；发热体表面温度可长时间保持在1900°C，炉内有效温度可达1850°C；在大气、氧化性气氛中可以稳定使用；使用方法简单，电极安全可靠；较容易得到较宽的均热带，易于实现高精度的温度控制。通常LaCrO3

发热体是棒状的，适于制作管式炉。两端的电极部和中间的发热部结合成一体，电极部涂以银浆，用银丝做电极引线。2023/2/6/04:13:33电热体2023/2/6/04:13:33各种发热体的最高工作温度温度测量方法温度测量方法通常分为接触式与非接触式两种。接触式测温就是测温元件要与被测物体有良好的热接触，使两者处于相同温度，由测温元件感知被测物体温度的方法。非接触式，测温元件不与被测物体接触，而是利用物体的热辐射或电磁性质来测定物体的温度。2023/2/6/04:13:33温度测量方法2023/2/6/04:13:333.1.3低温获得及测量通常获得低温的途径有相变制冷、热电制冷、等焓与等熵绝热膨胀等.2023/2/6/04:13:33常见的低温源（1）(1)冰盐共熔体系：将冰块和盐尽量弄细并充分混合(通常用冰磨将其磨细)可以达到比较低的温度。例如，下面一些冰盐混合物可达到不同的温度：3份冰+1份NaCl(-2l°C)；3份冰+3份CaCl2(-40°C)；2份冰+1份浓HNO3(-56°C)。2023/2/6/04:13:33常见的低温源（2）(2)干冰浴：经常用的一种低温浴，它的升华温度－78．3°C，用时常加一些惰性溶剂，如丙酮、醇、氯仿等，以使它的导热更好一些。(3)液氮：N2

液化的温度是-195.8°C，它是在合成反应与物化性能试验中经常用的一种低温浴，当用于冷浴时，使用温度最低可达-205°C(减压过冷液氮浴)。2023/2/6/04:13:33常见的低温源（3）(4)相变制冷浴：这种低温浴可以恒定温度。如CS2可达-111.6°C，这个温度是标准气压下二硫化碳的固液平衡点。2023/2/6/04:13:33低温的温度测量（1）(1)低温热电偶

是用来测量低温的常用传感器，其结构原则没有太大改变。热电偶的测温范围为2－300K。2023/2/6/04:13:33低温热电偶与高温热电偶除了在选材方面不相同外，在使用时还应考虑选择丝径更细的线材，以满足低温下漏热少的要求。另外热电偶接点的焊接方法也不相同，这里要求焊接点能承受低温而不易脱离。低温的温度测量（2）(2)电阻温度计：是利用感温元件的电阻与温度之间存在一定的关系而制成的。制作电阻温度计时，应选用电阻比较大、性能稳定、物理及金属复制性能好的材料，最好选用电阻与温度间具有线性关系的材料。常用的有铂电阻温度计、锗电阻温度计、碳电阻温度计、铑铁电阻温度计等。2023/2/6/04:13:33低温的温度测量（3）(3)红外辐射温度计：辐射式温度计是依据物体辐射的能量来测量其温度的传感器。它属于非接触式，具有测温范围宽、反应迅速、热惰性小等优点。这种传感器适用于腐蚀性场合、运动状态物体的温度测量。由于它的感温部分不与测温介质直接接触。因此，其测温精度不如热电偶温度计高，测量误差较大，由于低温时辐射能量大大减小，而且是发射波长较长的红外线。因此，在低温场合用来测量的机会相对比较少。随着辐射检测元件的进展，美国正努力将检测元件安装在极低温的全辐射温度计上，将温度延伸到低温范围并可望进行温度的绝对测定。2023/2/6/04:13:33低温的温度测量（4）(4)新型低温温度传感器：俄罗斯利用声速在气体中与温度的关系，研制了电声气体温度计，在2－273K温度范围内测定热力学温度的误差约为0．01°C，并可得到0.00l－0.0005K的复现性，研制的石英晶体音叉温度传感器，测量范围4.2K－+250°C，分辨力0.0001K，精度0.02－0.2K；英国的低温气体温度计在2－20K温度范围内可达0.0005K的精度；澳大利亚定容气体温度计在2－16K温度范围内准确度达±0.003K。2023/2/6/04:13:33低温的控制（1）低温控制有两种，一是恒温冷浴，二是低温恒温器。2023/2/6/04:13:33恒温冷浴冰水浴泥浴(相变制冷浴)

泥浴(相变制冷浴)的制备都是在通风橱里慢慢地加液氮到杜瓦瓶里，杜瓦瓶内预先放上装有调制泥浴的某种液体的容器并搅拌，当泥浴液相成一种稠的牛奶状时，就表明已成了液—固平衡物了。注意不要加过量的液氮。干冰浴低温的控制（2）低温恒温器通常是指实验杜瓦容器和容器内部装置的总称，它利用低温流体或其他方法，使试样处在恒定的或按所需方式变化的低温温度下，并能对试样进行某种化学反应或某种物理量的测量。低温恒温器大体可以分成两大类：（1）是所需温度范围可用浸泡试样或使实验装置在低温液体中的方法来实现。改变液体上方蒸气的压强即可以改变温度，如减压降温恒温器。（2）是所需温度包括液体正常沸点以上的温度范围，例如，4.2－77K，77－300K等，一般称做中间温度。2023/2/6/04:13:33低温的控制（3）两种办法获得中间温度：（1）是使试样或装置与液池完全绝热或部分绝热，然后用电加热来升高温度；（2）是用冷气流、制冷机或其他制冷方法(例如，活性炭吸附等)控制供冷速率，以得到所需的温度。2023/2/6/04:13:33低温的控制（3）它制冷是通过一根铜棒来进行的，铜棒作为冷源，它的一端同液氮接触，可借铜棒浸入液氮的深度来调节温度，目的是使冷浴温度比我们所要求的温度低5°C左右。另外有一个控制加热器的开关，经冷热调节可使温度保持恒定(±0.1°C)。由于大量气态、发性或对水、氧、热等敏感的无机化合物(包括金属有机化合物与配合物、簇合物等)的合成、分离与提纯以及相关的反应往往在低温条件下进行。2023/2/6/04:13:33液体浴低温恒温器3.2高压的获得高压作为一种特殊的研究手段，在物理、化学及材料合成方面具有特殊的重要性。高压作为一种典型的极端物理条件能够有效地改变物质的原子间距和原子壳层状态，因而经常被用作一种原子间距调制、信息探针和其它特殊的应用手段，几乎渗透到绝大多数的前沿课题的研究中。利用高压手段不仅可以帮助人们从更深的层次去了解常压条件下的物理现象和性质，而且可以发现常规条件下难以产生而只在高压环境才能出现的新现象、新规律、新物质、新性能、新材料。2023/2/6/04:13:33高压合成高压合成，就是利用外加的高压力，使物质产生多型相转变或发生不同物质间的化合，而得到新相、新化合物或新材料。施加在物质上的高压卸掉以后，大多数物质的结构和行为产生可逆的变化，失去高压状态的结构和性质。通常的高压合成都采用高压和高温两种条件交加的高压高温合成法，目的是寻求经卸压降温以后的高压高温合成产物能够在常压常温下保持其高压高温状态的特殊结构和性能的新材料。2023/2/6/04:13:33高压合成通常，需要高压手段进行合成的有以下几种情况：①在大气压(0．1MPa)条件下不能生长出满意的晶体；②要求有特殊的晶型结构；③晶体生长需要有高的蒸气压；④生长或合成的物质在大气压下或在熔点以下会发生分解；⑤在常压条件下不能发生，而只有在高压条件下才能发生化学反应；⑥要求有某些高压条件下才能出现的高价态(或低价态)以及其它的特殊的电子态；⑦要求某些高压条件下才能出现的特殊性能等情况。2023/2/6/04:13:33高压合成目前通常所采用的高压固态反应合成范围一般从1—10MPa的低压力合成到几十个GPa(1GPa＝1万大气压)的高压力合成。通常所指的高压合成为1GPa以上的合成。2023/2/6/04:13:333．2．1高压的产生和测量利用外界机械加载方式，通过缓慢逐渐施加负荷挤压所研究的物体或试样，当其体积缩小时，就在物体或试样内部产生高压强。由于外界施加载荷的速度缓慢(通常不会伴随着物体的升温)，所产生的高压力称为静态高压。2023/2/6/04:13:33静态高压常见的静高压产生装置：2023/2/6/04:13:33①利用油压机作为动力，推动高压装置中的高压构件，挤压试样，产生高压。这类高压装置，最常见的有六面顶(高压构件由六个顶锤组成)高压装置和年轮式两面顶(高压构件由一对顶锤和一个压缸组成)高压装置。静态高压②利用天然金刚石作顶锤(压砧)，制成的微型金刚石对顶砧高压装置(diamondanvilcell，简称DAC)。这种装置可以产生几十GPa到三百多GPa的高压，还可以与同步辐射光源、X射线衍射、Raman散射等测试设备联用，开展高压条件下的物质相变、高压合成的原位测试。通常，以产物合成为研究目的的高压装置都采用具有大腔体(10－1cm3，甚至数百cm3)的大型高压装置(如两面顶和六面顶压机等)。其中还有一种压腔较小(但比金刚石对顶砧大很多)的装置，压强可达30GPa，它也可以和同步辐射及其它测试装置联用，进行些原位测试。进行工业生产使用的工业装置，压腔一般比较大，压强可以达到8GPa。2023/2/6/04:13:33动态高压利用爆炸(核爆炸，火药爆炸等)、强放电等产生的冲击波，在ms～ps的瞬间以很高的速度作用到物体上，可使物体内部压力达到几十GPa以上，甚至上千GPa，同时伴随着骤然升温。这种高压力，就称为动态高压。它也可用来开展新材料的合成研究，但因受条件的限制，动高压材料合成的研究工作，开展得还不多。2023/2/6/04:13:33动高压合成技术当炸药爆炸时所产生冲击波，是一种以超音速在物体中传播的波，冲击波的中心处于强烈的压缩状态。这种压缩状态称之为“冲击压缩”。当炸药爆炸时伴有化学反应的冲击波，则称之为“爆轰波”，“冲击压缩”是冲击波到达的瞬间产生的，不会使热传导出去，因此它是一种绝热现象。当固体粉末受到冲击波冲击压缩时，伴随粉末粒子间的移动摩擦，以及粉末间气体压缩产生的超高温，使粉末表面得到加热，并在其内部瞬间产生局部的高温分布，此现象在多孔质物体中亦会发生。通常把这种“冲击压缩”产生的瞬态高温高压用于人工合成超硬材料，或用于固化粉状物的技术，均称为动高压合成技术。2023/2/6/04:13:33定标测压法高压合成要测量的物理量首先是作用在试样单位面积上的压力，也就是压强。在高压研究的文献中，一般都习惯地把压强称为压力，它不等于外加的负载。在实验室和工业生产中，经常采用物质相变点定标测压法。利用国际公认的某些物质的相变压力作为定标点，把一些定标点和与之对应的外加负荷联系起来，给出压力定标曲线，就可以对高压腔内试样所受到的压力进行定标。现在通用的是利用纯金属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)等相变时电阻发生跃变的压力值作为定标点。2023/2/6/04:13:333.2.2高压合成方法从高压高温合成产物的状态变化看，合成产物有两类。（1）某种物质经过高压高温作用后其产物的组成(成分)保持不变，但发生了晶体结构的多型相转变，形成新相物质。（2）某种物质体系，经过高压高温作用后，发生了元素间或不同物质间的化合，形成新化合物、新物质。人们可以利用多种高压高温合成方法来获得新相物质、新化合物和新材料。2023/2/6/04:13:33动高压合成技术动态高压合成技术可分成两大类：第一类为爆轰产物法，它是在瞬时的高温高压下伴随化学反应，生成物料不同的另一种物质。第二类为冲击波瞬态高压高温法，它是利用冲击压力产生新的结晶结构。2023/2/6/04:13:33动态高压合成技术动态高压合成技术的爆炸冲击方法：为进行有效的冲击压缩，获得人工合成超硬材料所必要的高温高压和平面性良好的冲击波，可采用炸药透镜来满足这一要求。2023/2/6/04:13:33炸药透镜是如图所示的一个锥状高爆速炸药锥形罩，内侧装有低爆速炸药。锥顶端装有电雷管，起爆以后的爆轰波阵面呈平面状。动态高压合成技术使用炸药透镜进行动高压合成的典型处理装置如图所示。铜质密封盒内以50％密度装上冲击压缩物(粉末)，主爆药为TNT／硝酸钡，对粉末的最大压力为11GPa。另一种方法是把冲击压缩物装入圆筒状的密封容器内，容器周围装上炸药并使之爆炸冲击，大部分固化金属、固化陶瓷都采用这种方法。2023/2/6/04:13:33静高压高温合成法1．超高压激光加热合成法利用微型金刚石对顶砧高压装置，配合激光直接加热方法，压力可达100GPa以上，温度可达(2～5)×103K以上。合成温度和压力范围很宽，加上DAC可同时与多种测试装置联用，进行原位测试，对新物质合成的研究和探索，有重要的作用，值得重视。2023/2/6/04:13:33静高压高温合成法2．静高压高温(大腔体)合成法

实验室和工业生产中常用的静高压高温合成，是利用具有较大尺寸的高压腔体和试样的两面顶和六面顶高压设备来进行的。按照合成路线和合成组装的不同，这类方法还可细分成许多种。2023/2/6/04:13:33静高压高温合成法①静高压高温直接转变合成法：在合成中，除了所需的合成起始材料外，不加其它催化剂，而让起始材料在高压高温作用下直接转变(或化合)成新物质。②静高压高温催化剂合成法：在起始材料中加入催化剂，由于催化剂的作用，可以大大降低合成的压力、温度和缩短合成时间。③非晶晶化合成法：以非晶材料为起始材料，在高压高温作用下，使之晶化成结晶良好的新材料。与此相反，也可将结晶良好的起始材料，经高压高温作用，压致转变成为非晶材料。2023/2/6/04:13:33静高压高温合成法④前驱物高压转变合成法：对一些不易转变或不适于转变成所需的合成物质，可以通过其它方法，将起始材料预先制成前驱物，然后进行高压高温合成。⑤将起始材料进行预处理，如常压高温处理，其它的极端条件处理，包括高压条件，然后再进行高压高温合成的混合型合成法。⑥高压熔态淬火方法：将起始材料施加高压，然后加高温，直至全部熔化，保温保压，最后在固定压力下，实行淬火，迅速冻结高压高温状态的结构。这种方法，可以获得准晶、非晶、纳米晶，特别是可以截获各种中间亚稳相，是研究和获取中间亚稳相的行之有效的方法。2023/2/6/04:13:33高压合成实例1、金刚石的合成1962年，人们将具有六角晶体结构的质地柔软的层状石墨作起始材