{环境管理}三材料合成与制备中的主要环境参量.pdfVIP

{环境管理}三材料合成与制备中的主 要环境参量 第三章材料合成与制备中的主要环境参量 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。 本篇针对一些主要环境参数及其调控作简要介绍。 3.1 温度 温度表征物体的冷热程度。根据热力学，对于理想气体 (1) 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。因此，温度也是分 子平均动能的度量。 从熔体制备晶体或玻璃的过程中，温度是最为关键的可调控参量。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。F.A.Lindemann 提出了晶体熔化的判据：当 原子热振动的均方根位移与原子间距之比值超过一定限度后，晶体即产生熔化，即 值因晶体结构和材料类型而有差异。对于体心立方金属 Li 、Na 、K 等 0.11 ；对于 面心立方金属Cu 、Ag 、Au 、A1 等 0.07 。在固相到液相的相变过程中，原子体积(也 可以说密度)有一跳跃式的变化，基本上不存在过热状态，但在降温时，当液体冷却到 熔点 T 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 m 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。 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。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。结晶与形成玻璃 态，均取决于温度和降温速率。 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 T 间存在一定的关系。例如对于金属为0.3~0.5T ；硅酸盐类的泰曼温度 m m 则分别为 0.8~0.9T 。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 m 常数、扩散系数与温度间均存在着阿伦纽斯形式的关系： (2)  1  1 其中 K 为常数 G 为活化能 R 为气体常数（R=8.314JK mol ）。 0 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。因此，必须对温度及温度的调控有充分的认识。 3.1.1 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。 此外，化学实验的许多基本操作都要用到加热。 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。为了避免直接加热可能带来的问题 实验室中常常根据具体情况应用不同的间接加热方式。 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，经常选用下 列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) 。 (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