第3章 材料合成与制备的环境参量

材料合成与制备 课件

材料合成与制备赵雷 李亚伟 无机非金属材料系

2012-3-29/23:11:19

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第三章 材料合成与制备的环境参量材料合成与制备是在一定环境中进行的。 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， 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。 的影响。 认识这些影响， 认识这些影响，并且人为地调控各种环境参 是材料合成与制备的重要环节， 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。 料合成与制备科学的主要研究对象之一。2012-3-29/23:11:20 2

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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。 的度量。

其中： 为温度， 为玻尔兹曼常数， 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。 为理想气体分子的平均动能。

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材料合成与制备中温度是关键的可调控参量 材料合成与制备中温度是关键的可调控参量 温度 熔体制备晶体或玻璃( ) 例：熔体制备晶体或玻璃(1)晶体熔化过程中，从有序的晶格出发， 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， 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。 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， 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， 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， 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。 无序性，而且原子并不定局域于某个特定的位置上。2012-3-29/23:11:20 4

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熔体制备晶体或玻璃( ) 例：熔体制备晶体或玻璃(2)在固相到液相的相变过程中： 在固相到液相的相变过程中： 当液体冷却到熔点Tm 并不会立即凝固或结晶， 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。 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， 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， 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， 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。 成核是不可能实现的。只有当温度下降至熔点以下， 只有

当温度下降至熔点以下，即存在一定的过冷度 成核的几率才大于零。 成核的几率才大于零。 时，

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熔体制备晶体或玻璃( ) 例：熔体制备晶体或玻璃(3)晶核形成后， 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， 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， 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。 决于温度的高低。 如果从液相冷却下来的速率足够快的话， 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。 就将避免结晶而形成玻璃态。结晶与形成玻璃态，均取决于温度和降温速率。 结晶与形成玻璃态，均取决于温度和降温速率。

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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。 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。 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。 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 反应速率常数、 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： 伦纽斯形式的关系：其中， 为常数， 其中，K0 为常数，△G 为活 化能， 为气体常数. 化能，R 为气体常数.

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材料合成与制备中温度是关键的可调控参量 材料合成与制备中温度是关键的可调控参量 温度

温度对于材料中的相变、 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。 上都产生强烈的影响。

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3.1.1 化学合成中常用的加热方法当化合物发生反应时， 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 l0° 反应速度就要增加一倍。 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。 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。 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。 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。 烈的温度变化和加热不均匀会造成玻璃仪器的

损坏。同 由于局部过热，还可能引起有机化合物的部分分解。 时，由于局部过热，还可能引起有机化合物的部分分解。

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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。 最简便的是通过石棉网进行加热。但这种加热 仍很不均匀， 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。 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， 在化学实验室中，为了保证加热均匀，经常选 热浴来进行间接加热 来进行间接加热( 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) 高于容器中的液面)。

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化学合成中常用的加热方法(1)水浴： (1)水浴： 水浴 当需要的加热温度在80 80° 以下时， 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： 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。 浴底部),小心加热以保持所需的温度。 但是若要长时间加热， 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， 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100 100° 动添水装置的水浴。若需要加热到100°C 可以用沸水浴或水蒸汽浴。 时，可以用沸水浴或水蒸汽浴。2012-3-29/23:11:20 11

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化学合成中常用的加热方法(2)油浴 (2)油浴：在100-250°C 范围内加热，可以用油浴。 100-250° 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。 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， 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。 定 …… 此处隐藏：3160字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……