高温低温合成课件

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51）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1060ThO285%CeO215%1850硅碳棒1400ThO295%La2O35%1950铂丝1400钽丝2000真空Pt-Rh1540ZrO22400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105～106原子核的分离和聚变106～109高温粒子1010～1014§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1273～3270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“T90”代表新温标的热力学温度，单位为K用“t90”代表摄氏度温度，单位为℃两者之间的关系：t90＝T90－273.15§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。111）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：

0.65~5.0K，3He和4He蒸汽压温度计

3.0~24.5561K，3He和4He定容气体温度计

13.8033k~961.78K，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：0.65~5.2）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132）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143）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（λ=0.66μm）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－150°C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－264°C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－150°C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①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②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①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①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。②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③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①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①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5×10－8K，这是迄今人类所获得的最低温度。②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。当温度低于这个最小值，沿着溶解曲线对3He液体与固体混合物进行绝热压缩时，可以产生制冷效应。阿努弗拉耶夫（Anufriyev）在1965年首先用实验作了证实。目前这种方法达到0.001K附近的温度范围。③3He-4He稀释制冷。1951年伦敦（H.London）提出了3He在4He中稀释可以制冷的新理论，1965年达斯（Das）等首先制成3He-4He稀释制冷机。目前已达到的最低温度虽然没有达到磁制冷的水平，但是由于稀释制冷机具有连续制冷的能力，因此发展速度很快，应用范围也大大超过磁制冷。24§1.2低温合成技术3）超低温温区的主要制冷手段①磁制冷。1）低温热电偶2）电阻温度计3）红外辐射温度计4）新型低温温度传感器§1.2低温合成技术3、低温测量低温温度的测量有其特殊的方法，所选用的温度计与测量常温时的有所不同，且不同低温温区也有相对应的测温温度计。低温温度计的测温原理：根据物质的物理参量与温度之间存在的一定关系，通过测定这些物质的某些物理参量就可用得到预知温度。251）低温热电偶§1.2低温合成技术低温温度的测量有其特殊的§1.2低温合成技术3、低温测量1）低温热电偶是用来测量低温的常用传感器，测温范围为2～200K材料品种：铜、铁、镍铬、金、钨、铂、钼等金属的合金材料要求：丝径细，减少低温露热焊接点能承受低温而不易脱落名称测温范围铜-康铜(60Cu+40Ni)75～300K镍铬-康铜20～300K镍铬(9:10)-金铁[金+0.03%或0.07%(原子)铁]2～300K镍铬-铜铁[铜+0.02%或0.5%(原子)铁]2～300K各种热电偶的测温范围26§1.2低温合成技术1）低温热电偶名§1.2低温合成技术3、低温测量2）电阻温度计利用感温元件的电阻与温度之间存在一定关系而制成。材料要求：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品种：铂、锗、碳、铑铁电阻温度计3）红外辐射温度计依据物体辐射能量来测量其温度的传感器。优点：非接触式，测温范围宽、反应迅速，适于腐蚀性场合、运动状态物体测温缺点：感温部分不与测温介质直接接触，测温精度不高，误差大27§1.2低温合成技术2）电阻温度计3）红外辐射温度计27§1.2低温合成技术3、低温测量4）新型低温温度传感器的测量成果电声气体温度计：利用声速在气体中与温度的关系在2～273K内的误差约为0.01℃石英晶体音叉温度传感器：测温范围4.2～+250℃

精度0.02～0.2K低温气体温度计：在2～20K内精度可达0.0005K定容气体温度计：在2～16K内精度可达±0.003K俄罗斯英国澳大利亚28§1.2低温合成技术4）新型低温温度传感器的测量成果俄罗斯§1.2低温合成技术3、低温测量温度传感器的发展趋势：向高精度方向发展向高可靠性、长寿命方向发展向集成化方向发展向小型化、微型化发展向智能化方向发展从传统材料向新材料发展从模拟化向数字化发展向民用方向发展29§1.2低温合成技