材料合成與制備第3章材料合成與制備的環(huán)境參量

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1、第三章材料合成與制備中的環(huán)境參量材料合成為制備是在一定環(huán)境小進(jìn)行的。壞境參量，如溫度、壓強(qiáng)、氣氛、重力等，對丁-材料合成與制備有著巨大的甚至是決定性的影響。認(rèn)識(shí)這些影響,并H人為地調(diào)控各種環(huán)境參數(shù)，是材料合成與制備的重要環(huán)節(jié)，也是材料合成與制備科學(xué)的主要研究對象之一。木篇針對一些主要環(huán)境參數(shù)及其調(diào)控作簡要介紹。3.1溫度溫度表征物體的冷熱程度。根據(jù)熱力學(xué)，對于理想氣體T=lk(1)其中：T為溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，mv2/2為理想氣體分子的平均動(dòng)能。因此，溫度也是分子平均動(dòng)能的度量。從熔體制備晶體或玻璃的過程中，溫度是最為關(guān)鍵的可調(diào)控參量。晶體熔化過程中，從有序的晶格出發(fā)，原子

2、的挪動(dòng)不僅使晶格朋位上的原子發(fā)主重新排列，而且導(dǎo)致了晶格的徹底瓦解。高溫下的晶體，雖然存在不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),但原子仍停超在晶格的朋位附近。轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，晶格已經(jīng)不復(fù)存在，原子的位置分布是無規(guī)的，體現(xiàn)了位置無序性，而H?原子并不定局域于某個(gè)特定的位置上。F?A.Lindemann提出了晶體熔化的判據(jù)：當(dāng)原子熱振動(dòng)的均方根位移與原子間距之比值超過一定限度§后，晶體即產(chǎn)生熔化，H

3、Ja§值因晶體結(jié)構(gòu)和材料類型而有差異。對于體心立方金屬Li、Na、K等，0.11；對于而心立方金屬Cu、Ag、Au、Al等，，張0.07。在固相到液相的相變過程中，原子體積（也可以說密度）有一跳躍式的變化，基木

4、上不存在過熱狀態(tài)，但在降溫時(shí)，當(dāng)液體冷卻到熔點(diǎn)T,n時(shí)，并不會(huì)立即凝固或結(jié)晶，而是先以過冷液體的形式存在于熔點(diǎn)Z下。新的晶相形成，首先要經(jīng)過成核階段，即在局部形成小塊晶核。由于晶核尺寸很小，表面能將占很人的比例，因而將形成能塑的壁壘。兇此，在熔點(diǎn)之上，成核是不可能實(shí)現(xiàn)的。只有當(dāng)溫度下降至熔點(diǎn)以下，即存在一定的過冷度AT=Tm-T時(shí)，成核的幾率才大于零。晶核形成后,晶核的長大就主要依靠原子的擴(kuò)散過程。因此，結(jié)晶的速率既和成核的兒率有關(guān)，又和長大的速率有關(guān)。前者取決于過冷度的大小，后者則取決于溫度的高低。如果從液相冷卻下來的速率足夠快的話，過冷液相就將避免結(jié)晶而形成玻璃態(tài)。結(jié)晶與形

5、成玻璃態(tài)，均取決于溫度和降溫速率。固相反應(yīng)開始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點(diǎn)或系統(tǒng)的低共熔點(diǎn)。這一溫度與反應(yīng)物內(nèi)部開始明顯擴(kuò)散作川的溫度是相一?致的，常稱為泰曼溫度或燒結(jié)溫度。不同物質(zhì)的泰曼溫度與其熔點(diǎn)Tm間存在一定的關(guān)系。例如對于金屬為0.3~0.5Tm；硅酸鹽類的泰曼溫度則分別為0.8?0.90。無論是反應(yīng)控制的固相反應(yīng)還是擴(kuò)散控制的固相反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)與溫度間均存在著阿倫紐斯形式的關(guān)系：?=心旳［—等

6、（2）其中，Ko為常數(shù)，/G為活化能，R為氣體常數(shù)（心&314J?KJmo「）。溫度對于材料中的相變、燒結(jié)等材料合成與制備中的關(guān)鍵過程無論在熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)上都產(chǎn)牛強(qiáng)

7、烈的影響。因此，必須對溫度及溫度的調(diào)控有充分的認(rèn)識(shí)。3.1.1化學(xué)合成中常用的加熱方法當(dāng)化合物發(fā)生反應(yīng)時(shí)，-?般情況下升髙溫度則反應(yīng)速度加快。大體上溫度每升高10。。反應(yīng)速度就要增加一倍。因此，為了增加反應(yīng)速度，往往需要在加熱下進(jìn)行反應(yīng)。此外，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的許多基本操作都要用到加熱?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室屮常川的熱源有煤氣燈、酒耕燈和電爐等。必須注意，玻璃儀器一般不能川火焰直接加熱。因?yàn)閯×业臏囟茸兓图訜岵痪鶆驎?huì)造成玻璃儀器的損壞。同時(shí)，由于局部過熱，還可能引起有機(jī)化合物的部分分解。為了避免直接加熱可能帶來的問題，實(shí)驗(yàn)室中常常根據(jù)具體情況應(yīng)用不同的間接加熱方式。最簡便的是通過石棉網(wǎng)進(jìn)行加熱。

8、但這種加熱仍很不均勻，故在減壓蒸謂或回流低沸點(diǎn)易燃物等操作中就不能應(yīng)用。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，為了保證加熱均勻，經(jīng)常選川下列熱浴來進(jìn)行間接加熱（熱浴的液面髙度皆應(yīng)略高于容器中的液帀I）O（1）水浴：當(dāng)需要的加熱溫度在80°C以卜?時(shí)，可將容器浸入水浴屮（注意:勿使容器觸及水浴底部），小心加熱以保持所需的溫度。但是若要長時(shí)間加熱，水浴小的水總難免氣化外逸，在這種情況下，可采用附加自動(dòng)添水裝置的水浴。若需要加熱到100°C時(shí)，可以用沸水浴或水蒸汽浴。（2）油浴：在100~250°C范圍內(nèi)加熱，可以用油浴。油浴所能達(dá)到的最高溫度取決于所川油的種類。若在植物油中加入1%的對苯二酚，便可增加它

9、們在受熱時(shí)的穩(wěn)定性。透明石蠟油可加熱到220。。溫度過高并不分解，但易燃燒。甘油和鄰苯二甲酸二止丁酯適用于加熱到140?15CTC,溫度過高則易分解。硅油和真空泵油在250°C附近仍較穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)指出，用油浴加熱時(shí)，油浴中應(yīng)放溫度計(jì)，以便及時(shí)調(diào)節(jié)燈焰，防止溫度過高。此外，蠟或石蠟也可川作汕浴的浴液，可以加熱到220°C。它的優(yōu)點(diǎn)是在室溫時(shí)是固體，便于貯藏，但是加熱完畢后，在它們冷凝成固體前，應(yīng)先収出浸于其中的容器。（3）砂?。杭訜釡囟缺仨氝_(dá)到數(shù)百度以上吋往往使用砂浴。將清潔而乂干燥的細(xì)砂平鋪在