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《陜西科技大學(xué)材料學(xué)院《無機(jī)合成》課件5無機(jī)合成-高壓合成.ppt》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、無機(jī)合成與制備化學(xué)主講：曹麗云2007.11陜科大第五章無機(jī)材料的高壓合成與制備一、引言高溫高壓作為一種典型的極端物理條件→能夠有效地改變物質(zhì)的原子間距和原子殼層狀→作為一種特殊的研究手段，應(yīng)用于物理、化學(xué)及材料合成方面。因為高壓作為一種典型的極端物理條件能夠有效地改變物質(zhì)的原子間距和原子殼層狀態(tài)，因而經(jīng)常被用作一種原子間距調(diào)制，信息探針和其它特殊的應(yīng)用手段，幾手滲透到絕大多數(shù)的前沿課題的研究中。利用高壓手段不僅可以幫助人們從更深的層次去了解常壓條件下的物理現(xiàn)象和性質(zhì)，而且可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)條件下難以產(chǎn)生而只在高壓環(huán)境才能出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新規(guī)律、新物質(zhì)、新性能、新材料。1.高壓合成：就是利用
2、外加的高壓力，使物質(zhì)產(chǎn)生多型相轉(zhuǎn)變或發(fā)生不同物質(zhì)間的化合，而得到新相、新化合物或新材料。高壓卸掉以后→大多數(shù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為產(chǎn)生可逆的變化，失去高壓狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)→高壓＋高溫BridgmanPw1946年，獲得諾貝爾獎。開創(chuàng)了高壓下物質(zhì)的相變和物理性質(zhì)的研究領(lǐng)域。1955年，BundyFP等人首次利用高壓手段人工地合成出只有地球內(nèi)部條件下才能形成的、具有重大應(yīng)用價值的金剛石以后，新物質(zhì)的高壓合成工作才發(fā)展成研究熱潮。WentorfJrRH借助高壓方法又合成出自然界中未曾發(fā)現(xiàn)的、與碳具有等電子結(jié)構(gòu)的、硬度僅決于金剛石的立方氮化硼。高壓合成，從此引起了人們的格外重視。2.需要高壓手段進(jìn)
3、行合成的有以下幾種情況：①在大氣壓(0.1MPa)條件下不能生長出滿意的晶體；②要求有特殊的晶型結(jié)構(gòu)；③晶體生長需要有高的蒸氣壓；④生長或合成的物質(zhì)在大氣壓下或在熔點(diǎn)以下會發(fā)生分解；⑤在常壓條件下不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而只有在高壓條件下才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；⑥要求有某些高壓條件下才能出現(xiàn)的高價態(tài)(或低價態(tài))以及其它的特殊的電子態(tài)；⑦要求某些高壓條件下才能出現(xiàn)的特殊性能等情況。3.高壓固態(tài)反應(yīng)合成范圍：從1～10MPa的低壓力合成到幾十個GPa(1GPa≈1萬大氣壓)的高壓力合成。二、高壓高溫的產(chǎn)生和測量（一）高壓的產(chǎn)生1．靜高壓利用外界機(jī)械加載方式，通過緩慢逐漸施加負(fù)荷擠壓所研究的物體或試樣，
4、當(dāng)其體積縮小時，就在物體或試樣內(nèi)部產(chǎn)生高壓強(qiáng)。由于外界施加載荷的速度緩慢(通常不會伴隨著物體的升溫)，所產(chǎn)生的高壓力稱為靜態(tài)高壓。常見的靜高壓產(chǎn)生裝置有兩類：（1）是利用油壓機(jī)作為動力，推動高壓裝置中的高壓構(gòu)件，擠壓試樣，產(chǎn)生高壓。最常見的有六面頂(高壓構(gòu)件由六個頂錘組成)高壓裝置和年輪式兩面頂(高壓構(gòu)件由一對頂錘和一個壓缸組成)高壓裝置。（10－1～幾百cm3）（2）是利用天然金剛石作頂錘(壓砧)，制成的微型金剛石對頂砧（10－3mm3）高壓裝置(diamondanvilcell，簡稱DAC)，這種裝置可以產(chǎn)生幾十GPa到三百多GPa的高壓，還可以與同步輻射光源、X射線衍射、Ram
5、an散射等測試設(shè)備聯(lián)用，開展高壓條件下的物質(zhì)相變、高壓合成的原位測試。進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)使用的工業(yè)裝置，壓腔—‘般比較大，壓強(qiáng)可以達(dá)到8GPa。2．動高壓利用爆炸(核爆炸，火藥爆炸等)、強(qiáng)放電等產(chǎn)生的沖擊波，在μs～ps的瞬間以很高的速度作用到物體上，可使物體內(nèi)部壓力達(dá)到幾十GPa以上，甚至上千GP，同時伴隨著驟然升溫。這種高壓力，就稱為動態(tài)高壓。（二）高溫的產(chǎn)生1．直接加熱①利用大電流直接通過試樣，可以在試樣中產(chǎn)生高達(dá)二千多開(K)的高溫。②利用激光直接加熱試樣，可產(chǎn)生(2～5)x103K的高溫。③沖擊波的作用，可在產(chǎn)生高壓的同時產(chǎn)生高溫。2．間接加熱通常可在高壓腔內(nèi)，試樣室外放置一個加
6、熱管(如石墨管，耐高溫金屬管，如Pt、Ta、Mo管等)，使外加的大電流通過加熱管，產(chǎn)生焦耳熱，使試樣升溫。一般可達(dá)2x103K。這種加熱法，稱為內(nèi)加熱法。還可以采用在高壓腔外部進(jìn)行加熱的外加熱法。3.根據(jù)情況需要，有時還可內(nèi)、外加熱法兼用。三、高壓高溫合成方法1.從高壓高溫合成產(chǎn)物的狀態(tài)變化看，合成產(chǎn)物有兩類。①是某種物質(zhì)經(jīng)過高壓高溫作用后，其產(chǎn)物的組成(成分)保持不變，但發(fā)生了晶體結(jié)構(gòu)的多型相轉(zhuǎn)變，形成新相物質(zhì)。②是某種物質(zhì)體系，經(jīng)過高壓高溫作用后，發(fā)生了元素間或不同物質(zhì)間的化合，形成新化合物、新物質(zhì)。2.根據(jù)高壓高溫的不同產(chǎn)生方式和使用的設(shè)備高壓高溫合成劃分成許多合成方法。（一）
7、動態(tài)高壓合成法原理：利用爆炸等方法產(chǎn)生的沖擊波，在物質(zhì)中引起瞬間的高壓高溫來合成新材料的動態(tài)高壓合成法，也稱為沖擊波合成法或爆炸合成法。至今，利用這種方法，已合成出人造金剛石和閃鋅礦型氮化硼(c—BN)以及纖鋅礦型氮化硼(w—BN)微粉，還有一些其它的新相、新化合物。（二）靜高壓高溫合成法1）超高壓激光加熱合成法100GPa以上，(2-5)x103K以上，合成溫度和壓力范圍很寬。2）靜高壓高溫(大腔體)合成法A、靜高壓高溫直接轉(zhuǎn)變合成法：在合成中，除了所需
