材料合成与制备的环境参量.ppt

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1、材料合成与制备材料合成与制备赵雷赵雷 李亚伟李亚伟无机非金属材料系无机非金属材料系11/1/2021/03:31:50/08:25:162第三章第三章 材料合成与制备的环境参量材料合成与制备的环境参量p材料合成与制备是在一定环境中进行的。环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。p认识这些影响，并且人为地调控各种环境参认识这些影响，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，也是材数，是材料合成与制备的重要环节，也是材

2、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。/03:31:5033.1 3.1 温度温度p温度表征物体的冷热程温度表征物体的冷热程度。度。p温度也是分子平均动能温度也是分子平均动能的度量。的度量。其中：其中：T T 为温度，为温度，k k 为玻尔兹曼常数，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。/03:31:504材料合成与制备中材料合成与制备中温度温度是关键的可调控参量是关键的可调控参量p 晶体熔化过程中，从有序的晶格出发，原子的晶体熔化过程中，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，而且导挪动不仅使晶格坐位上的

3、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。p 高温下的晶体，虽然存在不规则的热运动，但高温下的晶体，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。例：例：熔体制备晶体或玻璃熔体制备晶体或玻璃（1）/03:31:505例：例：熔体制备晶体或玻璃熔体制备晶体或玻璃（2）p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

4、液体冷却到熔点当液体冷却到熔点Tm Tm 时，并不会立即凝固或结晶，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，即在局部新的晶相形成，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，表面能将占很大形成小块晶核。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，即存在一定的过冷度只有当温度下降至熔点以下，即存在一定的过冷度 时，时，成核的几率才大于零。

5、成核的几率才大于零。/03:31:506例：例：熔体制备晶体或玻璃熔体制备晶体或玻璃（3）p晶核形成后，晶核的长大就主要依靠原子的扩散过晶核形成后，晶核的长大就主要依靠原子的扩散过程。程。p因此，结晶的速率既和成核的几率有关，又和长大因此，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。p如果从液相冷却下来的速率足够快的话，过冷液相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，

6、均取决于温度和降温速率。/03:31:507例：例：固相反应固相反应p固相反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统的低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。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不同物质的泰曼温度与其熔点Tm Tm 间存在一定的关系。间存在一定的关系。p无论是反应控制的固相反应还是扩散控制的固相反应，无论是反应控制的固相反应还是扩散控制的固相反应，反应速率常数、扩散系数与温度间均存在着阿伦纽反应速率常数、扩散系

7、数与温度间均存在着阿伦纽斯形式的关系：斯形式的关系：其中，其中，K K0 0 为常数，为常数，G G 为活为活化能，化能，R R 为气体常数为气体常数./03:31:508材料合成与制备中材料合成与制备中温度温度是关键的可调控参量是关键的可调控参量 温度对于材料中的相变、烧结等材料合成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。/03:31:5093.1.1 3.1.1 化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p当化合物发生反应时，一般情况下升高温度则反应速度当化合物发生反应

8、时，一般情况下升高温度则反应速度加快。大体上温度每升高加快。大体上温度每升高l0Cl0C，反应速度就要增加一倍。，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。p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。p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。时，由于局部过热，还可

9、能引起有机化合物的部分分解。/03:31:5010化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p最简便的是通过石棉网进行加热。但这种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，故在减压蒸馏或回流低沸点易燃仍很不均匀，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。p在化学实验室中，为了保证加热均匀，经常选在化学实验室中，为了保证加热均匀，经常选用用热浴热浴来进行间接加热来进行间接加热(热浴的液面高度皆应略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)。/03:31:5011化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p(1)(1)水浴水浴：当

10、需要的加热温度在当需要的加热温度在80C 80C 以下时，可将以下时，可将容器浸入水浴中容器浸入水浴中(注意：勿使容器触及水浴注意：勿使容器触及水浴底部底部)，小心加热以保持所需的温度。，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，可采用附加自动气化外逸，在这种情况下，可采用附加自动添水装置的水浴。若需要加热到添水装置的水浴。若需要加热到100C 100C 时，时，可以用沸水浴或水蒸汽浴。可以用沸水浴或水蒸汽浴。/03:31:5012化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p(2)(2)油浴油浴：在在100-

11、250C 100-250C 范围内加热，可以用油浴。范围内加热，可以用油浴。E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。C在植物油中加入在植物油中加入1 1的对苯二酚，便可增加它们在受热时的稳定的对苯二酚，便可增加它们在受热时的稳定性。性。C透明石蜡油可加热到透明石蜡油可加热到220220C C，温度过高并不分解，但易燃烧。温度过高并不分解，但易燃烧。C甘油和邻苯二甲酸二正丁酯适用于加热甘油和邻苯二甲酸二正丁酯适用于加热140-150140-150C C，温度过高温度过高则易分解。则易分解。C硅油和真空泵油在硅油和真空泵油在250250C C 附近仍较

12、稳定。附近仍较稳定。p应当指出，用油浴加热时，油浴中应放温度计，以便及时调节灯焰，应当指出，用油浴加热时，油浴中应放温度计，以便及时调节灯焰，防止温度过高。防止温度过高。p此外，蜡或石蜡也可用作油浴的浴液，可以加热到此外，蜡或石蜡也可用作油浴的浴液，可以加热到220220C C。它的优它的优点是在室温时是固体，便于贮藏，但是加热完毕后，在它们冷凝成点是在室温时是固体，便于贮藏，但是加热完毕后，在它们冷凝成固体前，应先取出浸于其中的容器。固体前，应先取出浸于其中的容器。/03:31:5013化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p(3)(3)砂浴砂浴：加热温度必须达到数百度以上时往往使

13、用砂浴。加热温度必须达到数百度以上时往往使用砂浴。将清洁而又干燥的细砂平铺在铁盘上，盛有液体将清洁而又干燥的细砂平铺在铁盘上，盛有液体的容器埋入砂中，在铁盘下加热，液体就间接受热。的容器埋入砂中，在铁盘下加热，液体就间接受热。由于砂对热的传导能力较差而散热却快，所以容器由于砂对热的传导能力较差而散热却快，所以容器底部与砂浴接触处的砂层要薄些，使易受热；容器底部与砂浴接触处的砂层要薄些，使易受热；容器周围与砂接触的部分，可用较厚的砂层，使其不易周围与砂接触的部分，可用较厚的砂层，使其不易散热。散热。但砂浴由于散热太快，温度上升较慢，且不易控制但砂浴由于散热太快，温度上升较慢，且不易控制而使用不广

14、。而使用不广。/03:31:5014化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p(4)(4)空气浴空气浴：沸点在沸点在80C 80C 以上的液体原则上均可采用空气浴加热。以上的液体原则上均可采用空气浴加热。最简便的空气浴可用下法制作：最简便的空气浴可用下法制作：取空的铁罐一只，罐口边缘剪光后，在罐的底层打取空的铁罐一只，罐口边缘剪光后，在罐的底层打数行小孔，另将圆形石棉片数行小孔，另将圆形石棉片(直径略小于罐的直径，厚直径略小于罐的直径，厚约约23mm)23mm)放入罐中，使其盖在小孔上，罐的四周用石棉放入罐中，使其盖在小孔上，罐的四周用石棉布包裹。另取直径略大于罐口的石棉板布包裹。另取

15、直径略大于罐口的石棉板(厚约厚约24mm)24mm)一一块，在其中挖一个洞块，在其中挖一个洞(洞的直径接近于蒸馏瓶或其他容洞的直径接近于蒸馏瓶或其他容器颈部的直径器颈部的直径)，然后对切为二，加热时用以盖住罐口。，然后对切为二，加热时用以盖住罐口。使用时将此空气浴放置在铁三脚架上，用灯焰加热即可。使用时将此空气浴放置在铁三脚架上，用灯焰加热即可。注意蒸馏瓶或其他容器在罐中切勿触及罐底。注意蒸馏瓶或其他容器在罐中切勿触及罐底。/03:31:5015化学合成中常用的加热方法化学合成中常用的加热方法p当物质在高温加热时，也可以使用当物质在高温加热时，也可以使用熔融的盐熔融的盐.G如等重量的硝酸钠和硝

16、酸钾混合物在如等重量的硝酸钠和硝酸钾混合物在218C 218C 熔化，在熔化，在700C 700C 以下是稳定的。以下是稳定的。G含有含有4040亚硝酸钠、亚硝酸钠、7%7%硝酸钠和硝酸钠和53%53%硝酸钾的硝酸钾的混合物在混合物在142C 142C 熔化，使用范熔化，使用范150-500C150-500C。p必须注意若熔融的盐触及皮肤，会引起严重的必须注意若熔融的盐触及皮肤，会引起严重的烧伤。所以在使用时，应当倍加小心，并尽可烧伤。所以在使用时，应当倍加小心，并尽可能防止溢出或飞溅。能防止溢出或飞溅。/03:31:50163.1.2 3.1.2 高温的获得与测量方法高温的获得与测量方法p一

17、般称获得高温的设备为一般称获得高温的设备为高温炉高温炉。p高温炉就用途不同可分为高温炉就用途不同可分为工业炉工业炉和和实验用炉实验用炉。p高温炉的炉体是由各种耐火材料砌成，能源可高温炉的炉体是由各种耐火材料砌成，能源可采用固体、气体、液体、电。采用固体、气体、液体、电。p现工业生产上多用火焰窑炉。现工业生产上多用火焰窑炉。p电炉与火焰炉电炉与火焰炉相比有许多优点，如清洁环保、相比有许多优点，如清洁环保、热效率高，炉温调控精确、便于实验工艺控制热效率高，炉温调控精确、便于实验工艺控制等。等。/03:31:5017电炉电炉p(1)(1)电阻炉：电阻炉：当电流流过导体时，因为导体存在电阻，于当电流流

18、过导体时，因为导体存在电阻，于是产生焦耳热，就成为电阻炉的热源。是产生焦耳热，就成为电阻炉的热源。一般供发热用的导体的电阻值是比较稳定的，一般供发热用的导体的电阻值是比较稳定的，如果在稳定电源作用下，并且具备稳定的散热如果在稳定电源作用下，并且具备稳定的散热条件，则电阻炉的温度是容易控制的。电阻炉条件，则电阻炉的温度是容易控制的。电阻炉设备简单、易于制作、温度性能好，故在实验设备简单、易于制作、温度性能好，故在实验室中用得最多。室中用得最多。实验使用的高温炉基本上都是电炉实验使用的高温炉基本上都是电炉/03:31:5018电炉电炉p(2)感应炉感应炉：E在线圈中放一导体，当线圈中通以交流电时，

19、在导体中在线圈中放一导体，当线圈中通以交流电时，在导体中便被感应出电流，借助于导体的电阻而发热。便被感应出电流，借助于导体的电阻而发热。E若试料为绝缘体时，则必须通过发热体若试料为绝缘体时，则必须通过发热体(导体导体)间接加热。间接加热。E感应加热时无电极接触，便于被加热体系密封与气氛控感应加热时无电极接触，便于被加热体系密封与气氛控制，故实验室中也有较多使用。制，故实验室中也有较多使用。E感应炉按其工作电源频率的不同有中频与高频之分，前感应炉按其工作电源频率的不同有中频与高频之分，前者多用于工业熔炼，实验室多用高频炉，其电源频率为者多用于工业熔炼，实验室多用高频炉，其电源频率为10100kH

20、z10100kHz。E供高频炉加热用的感应圈是中空铜管制成，管内通水冷供高频炉加热用的感应圈是中空铜管制成，管内通水冷却。却。/03:31:5019电炉电炉p(3)(3)电弧炉和等离子炉：电弧炉和等离子炉：E电弧炉电弧炉是利用电弧弧光为热源加热物体的，它是利用电弧弧光为热源加热物体的，它广泛用于工业熔炼炉。在实验室中，为了熔化广泛用于工业熔炼炉。在实验室中，为了熔化高熔点金属，常使用小型电弧炉。高熔点金属，常使用小型电弧炉。E等离子炉等离子炉是利用气体分子在电弧区高温是利用气体分子在电弧区高温(5000K)(5000K)作用下，离解为阳离子和自由电子而达到极高作用下，离解为阳离子和自由电子而达

21、到极高的温度的温度(10000K)(10000K)。/03:31:5020电炉电炉p(4)(4)电子束炉：电子束炉：E电子束在强电场作用下射向阳极，由于电子束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。冲击的巨大能量，使阳极产生很高的温度。E多用来在真空中熔化难熔材料。多用来在真空中熔化难熔材料。E在直流高压下，电子冲击会产生在直流高压下，电子冲击会产生X X 光辐射，对光辐射，对人体有害，故一般不希望采用过高的电子加速人体有害，故一般不希望采用过高的电子加速电压。常用的加速电压为数千伏，电流为数百电压。常用的加速电压为数千伏，电流为数百毫安。可通过改变灯丝电

22、流而调整功率输出，毫安。可通过改变灯丝电流而调整功率输出，故电子束炉比电弧炉的温度容易控制，但它仅故电子束炉比电弧炉的温度容易控制，但它仅适于局部加热和在真空条件下使用。适于局部加热和在真空条件下使用。/03:31:5021电炉电炉p(5)(5)利用热辐射的加热设备：利用热辐射的加热设备：E一般的高温炉，发热体与试料间的热传导是通一般的高温炉，发热体与试料间的热传导是通过辐射和对流达到的。过辐射和对流达到的。E辐射加热方式的特点是使发热体与试料远离，辐射加热方式的特点是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。便于在加热过程中对试料进行各种操作。E由于热辐射的速度很快，又无通常炉

23、体的热惰由于热辐射的速度很快，又无通常炉体的热惰性，故辐射炉有利于试料的迅速加热和冷却。性，故辐射炉有利于试料的迅速加热和冷却。/03:31:5022无机材料合成中应用的高温炉特点无机材料合成中应用的高温炉特点d能达到足够高的温度，有合适的温度分布；能达到足够高的温度，有合适的温度分布；d炉温易于测量与控制；炉温易于测量与控制；d炉体结构简单灵活，便于制作；炉体结构简单灵活，便于制作；d炉膛易于密封与气氛调整。炉膛易于密封与气氛调整。各种高温炉及其能达到的温度各种高温炉及其能达到的温度/03:31:5023电阻炉的发热元件电热体电阻炉的发热元件电热体p(1)Ni-Cr(1)Ni-Cr 和和Fe

24、-Cr-A1 Fe-Cr-A1 合金电热体：合金电热体：J在在100010001300C 1300C 高温范围内，在空气中使用最多的发高温范围内，在空气中使用最多的发热元件。热元件。J它们具有抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温它们具有抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小等特点。度系数小等特点。JNi-Cr Ni-Cr 和和Fe-Cr-Al Fe-Cr-Al 合金有较好的抗氧化性，在高温下由合金有较好的抗氧化性，在高温下由于空气的氧化能生成于空气的氧化能生成CrO CrO 或或NiCrONiCrO4 4 致密的氧化膜，能阻致密的氧化膜，能阻止空气对合金的进一步氧化。止空气对合金

25、的进一步氧化。J为了不使保护膜破坏，此种发热体为了不使保护膜破坏，此种发热体不能在还原气氛中不能在还原气氛中使使用，还应尽量避免与碳、硫酸盐、水玻璃、石棉以及有用，还应尽量避免与碳、硫酸盐、水玻璃、石棉以及有色金属及其氧化物接触。色金属及其氧化物接触。J发热体不应急剧地升降温，因它会使致密的氧化膜产生发热体不应急剧地升降温，因它会使致密的氧化膜产生裂纹以致脱落，起不到应有的保护作用。裂纹以致脱落，起不到应有的保护作用。/03:31:5024电热体电热体(1)(1)$Ni-Cr 合金合金常用牌号有常用牌号有Cr20Ni80 和和Cr15Ni60。经高经高温使用后，只要没有过烧，仍然比较柔软。温使

26、用后，只要没有过烧，仍然比较柔软。Ni-Cr 合金具有较好的抗氮气能力，常用于含氮气氛的电合金具有较好的抗氮气能力，常用于含氮气氛的电阻炉。阻炉。$Fe-Cr-Al 合金合金丝经高温使用后，因晶粒长大而变脆。丝经高温使用后，因晶粒长大而变脆。温度越高、时间越长，脆化越严重。因此，高温用温度越高、时间越长，脆化越严重。因此，高温用过的过的Fe-Cr-A1 丝，不要拉伸和弯折，修理时要仔丝，不要拉伸和弯折，修理时要仔细，需要弯折时，可用喷灯加热至暗红色后再进行细，需要弯折时，可用喷灯加热至暗红色后再进行操作。操作。$实验室用的实验室用的Ni-Cr 或或Fe-Cr-A1 mm 的丝状。电热丝的丝状。

27、电热丝一般绕在耐火炉管外侧，有的绕在特制炉膛的沟槽一般绕在耐火炉管外侧，有的绕在特制炉膛的沟槽中。中。/03:31:5025电热体电热体(2)(2)p(2)Pt 和和Pt-Rh 电热体：电热体：J铂的化学性能与电性能都很稳定，且易于加工，使铂的化学性能与电性能都很稳定，且易于加工，使用温度高，在某些特殊场合下被用作电热体。用温度高，在某些特殊场合下被用作电热体。J铂的熔点为铂的熔点为1769C，高于，高于1500C时软化。铂在低于时软化。铂在低于熔点温度的高温下，与氧可形成中间的铂氧化物相，熔点温度的高温下，与氧可形成中间的铂氧化物相，使铂丝细化损失。因此，一般建议在空气中铂的最使铂丝细化损失

28、。因此，一般建议在空气中铂的最高使用温度为高使用温度为1500C，长时间安全使用温度低于，长时间安全使用温度低于1400C，不能在，不能在 PO2 0.1MPa 下使用。下使用。/03:31:5026电热体电热体(2)(2)在高温下，铂与所有的金属和非金属在高温下，铂与所有的金属和非金属(P P、S S 等等)都能形都能形成合金或化合物，应避免接触。成合金或化合物，应避免接触。当有能被还原的化合物与还原性气氛共同存在时，对铂当有能被还原的化合物与还原性气氛共同存在时，对铂也是有害的。也是有害的。例例:SiOSiO2 与还原气氛共存时，在高温下形成气相与还原气氛共存时，在高温下形成气相SiOSi

29、O2。所以，即使所以，即使SiOSiO2与与Pt Pt 无直接接触，也有可能生成无直接接触，也有可能生成Pt-Pt-Si Si 化合物而使化合物而使Pt Pt 遭到破坏。遭到破坏。通常绕在炉管外侧的通常绕在炉管外侧的Pt Pt 丝要用丝要用A1A12O O3 粉覆盖。要求粉覆盖。要求AlAl2O O3 粉不含粉不含Si Si 和和Fe Fe 的氧化物杂质。的氧化物杂质。Pt Pt 丝长时间在高温下丝长时间在高温下使用，会因晶粒长大而脆断，使用，会因晶粒长大而脆断，此外，此外，Pt Pt 在高温下切忌与含在高温下切忌与含H H 或或C C 的气氛接触，否则的气氛接触，否则会使其中毒而导致使用寿命

30、大为缩短。会使其中毒而导致使用寿命大为缩短。/03:31:5027电热体电热体(2)(2)pPt-Rh Pt-Rh 合金与合金与Pt Pt 比较，具有更高的熔点与更高的使用比较，具有更高的熔点与更高的使用温度。随着温度。随着Rh Rh 含量增加，合金最高使用温度也增高。含量增加，合金最高使用温度也增高。但与此同时，合金的加工性能急剧恶化。但与此同时，合金的加工性能急剧恶化。/03:31:5028电热体电热体(2)(2)pPt 和和Pt-Rh 合金的电阻率随温度的变化较合金的电阻率随温度的变化较Ni-Cr、较、较Fe-Cr-A1 合金更为显著合金更为显著.pPt-Rh 合金的使用条件与合金的使用

31、条件与Pt 基本一致，但在基本一致，但在高温下，晶粒长大较高温下，晶粒长大较Pt 迟缓。迟缓。pPt-Rh 合金在高温下长时间使用，丝径会因合金在高温下长时间使用，丝径会因Rh 的挥发而变细，挥发金属附着于炉体较的挥发而变细，挥发金属附着于炉体较冷部位。冷部位。pPt、Rh 均为贵金属，使用后应回收。均为贵金属，使用后应回收。/03:31:5029电热体电热体(3)(3)p(3)Mo、W、Ta 电热体：电热体：F为了获得更高的温度，在真空或适当气氛下为了获得更高的温度，在真空或适当气氛下,往往采用往往采用高熔点金属高熔点金属(Mo(Mo、W W、Ta Ta 等等)为电热体。为电热体。F钨钨是金

32、属中熔点最高的，用于电光源做发光灯丝材料。是金属中熔点最高的，用于电光源做发光灯丝材料。F钨的冷加工性能不太好，但还可制成细丝和薄片。钨的冷加工性能不太好，但还可制成细丝和薄片。F钨在常温下很稳定，但在空气中加热便氧化成钨在常温下很稳定，但在空气中加热便氧化成WOWO3 3，它，它能与碱性氧化物生成钨酸盐，钨能同卤族元素直接化合。能与碱性氧化物生成钨酸盐，钨能同卤族元素直接化合。钨和碳、硅、硼在高温下共热，可生成相应的化合物。钨和碳、硅、硼在高温下共热，可生成相应的化合物。F在空气或氧化剂存在时，钨溶解于熔碱中生成钨酸盐，在空气或氧化剂存在时，钨溶解于熔碱中生成钨酸盐，并为热的碱性水溶液腐蚀。

33、钨与酸起轻微作用，但在氧并为热的碱性水溶液腐蚀。钨与酸起轻微作用，但在氧氟酸和硝酸混合物中加热溶解很快氟酸和硝酸混合物中加热溶解很快.为了获得为了获得2000C 2000C 以上的高温，常采用以上的高温，常采用钨丝钨丝或或钨棒钨棒为电热元件，使用气氛应为真空或经脱氧为电热元件，使用气氛应为真空或经脱氧的氢气与惰性气体。的氢气与惰性气体。/03:31:5030电热体电热体(3)(3)F钼钼的密度小，价格便宜，加工性能好，广泛用作获得的密度小，价格便宜，加工性能好，广泛用作获得1600-17001600-1700C C 高温的电热元件。高温的电热元件。F钼有较高的蒸气压，在高温下长时间使用，会因基

34、体挥钼有较高的蒸气压，在高温下长时间使用，会因基体挥发而缩短电热元件的寿命。发而缩短电热元件的寿命。F钼在高温下极易氧化生成钼在高温下极易氧化生成MoOMoO3 3 而挥发而挥发.气氛中的氧应尽气氛中的氧应尽量去除。对钼丝炉一般采用经除氧后的量去除。对钼丝炉一般采用经除氧后的H H2 2 或或H H2 2+N+N2 2 为保为保护气氛，后者因比较安全。护气氛，后者因比较安全。F实验室中的钼丝炉，是将钼丝直接绕在刚玉实验室中的钼丝炉，是将钼丝直接绕在刚玉(A1A12 2O O3 3)炉管炉管上的，刚玉管高于上的，刚玉管高于19001900C C 会软化，故钼丝炉所能达到会软化，故钼丝炉所能达到的

35、最高温度受炉管限制。的最高温度受炉管限制。J 钽钽不能在氢气中使用，因为它能吸收氢而使性能变坏。不能在氢气中使用，因为它能吸收氢而使性能变坏。钽比钼熔点高，比钨加工性能好，在真空或惰性气氛中稳定。钽比钼熔点高，比钨加工性能好，在真空或惰性气氛中稳定。/03:31:5031电热体电热体(4)(4)p(4)碳化硅碳化硅(SiC)电热体：电热体：F由由SiC SiC 粉加黏结剂成形后烧结而成。质量优良的碳化硅粉加黏结剂成形后烧结而成。质量优良的碳化硅电热体在空气中可使用到电热体在空气中可使用到1600C1600C，一般使用到，一般使用到1450C 1450C 左右，它是一种比较理想的高温电热材料。左

36、右，它是一种比较理想的高温电热材料。F碳化硅电热体通常制成棒状和管状，故也叫碳化硅电热体通常制成棒状和管状，故也叫硅碳棒硅碳棒和和硅硅碳管碳管。F硅碳棒有不同规格，它可以灵活地布置在炉膛内需要的硅碳棒有不同规格，它可以灵活地布置在炉膛内需要的位置上，它的两个接线端露于炉外。位置上，它的两个接线端露于炉外。F使用硅碳棒的缺点使用硅碳棒的缺点:炉内温度场不够均匀，并且各支硅炉内温度场不够均匀，并且各支硅碳棒电阻匹配困难。碳棒电阻匹配困难。/03:31:5032电热体电热体(4)(4)p硅碳管硅碳管是直接把是直接把SiC SiC 制成管状发热体，故温度场比较均制成管状发热体，故温度场比较均匀。匀。p

37、目前国产硅碳管最大直径为目前国产硅碳管最大直径为100mm100mm。硅碳管有无螺纹、。硅碳管有无螺纹、单螺纹和双螺纹之分。单螺纹和双螺纹之分。p为了减少为了减少SiCSiC电热体接线电阻，在接线端喷镀一层金属电热体接线电阻，在接线端喷镀一层金属铝，电极卡头用镍或不锈钢片制成。铝，电极卡头用镍或不锈钢片制成。p在安装在安装SiC SiC 电热体时，切忌使发热部位与其他物体相接电热体时，切忌使发热部位与其他物体相接触，以免高温下互相作用。触，以免高温下互相作用。pSiC SiC 电热体有良好的耐急冷急热性能。在电热体有良好的耐急冷急热性能。在800C 800C 左右，左右，SiC SiC 电热体

38、电阻率出现最低点，说明电热体电阻率出现最低点，说明SiC SiC 在低温区呈半在低温区呈半导体特性，而在高温区呈金属特性。导体特性，而在高温区呈金属特性。/03:31:5033电热体电热体(4)(4)pSiC SiC 电热体在使用过程中，电热体在使用过程中，电阻率缓慢增大的现象叫电阻率缓慢增大的现象叫“老化老化”。这种现象在高温时尤为严重。这种现象在高温时尤为严重。pSiC SiC 的老化是电热体氧化的结果，在空气中使用温度过的老化是电热体氧化的结果，在空气中使用温度过高，或空气中水汽含量很多时，都可使高，或空气中水汽含量很多时，都可使SiC SiC 老化加速。老化加速。p在在CO CO 气氛

39、中，气氛中，SiCSiC发热体能使用到发热体能使用到1800C1800C。pSiC SiC 发热体不能在真空下与氢气氛中使用。发热体不能在真空下与氢气氛中使用。p老化后的老化后的SiC SiC 发热体仍可勉强使用，但应提升工作电压发热体仍可勉强使用，但应提升工作电压并注意安全。并注意安全。p一般认为，一般认为，SiC SiC 发热体有效寿命结束在其常温下电阻值发热体有效寿命结束在其常温下电阻值为初始值两倍的时候。为初始值两倍的时候。/03:31:5034电热体电热体(5)(5)p(5)碳质电热体：碳质电热体：F石墨或碳质石墨或碳质电热体具有良好的耐急冷急热性，至少在电热体具有良好的耐急冷急热性

40、，至少在2500C 2500C 以前，其机械强度随温度升高而增大。以前，其机械强度随温度升高而增大。F它的电阻率随温度变化不大，加工性能良好，使用温度它的电阻率随温度变化不大，加工性能良好，使用温度极高。故常用作获得高温的电热材料极高。故常用作获得高温的电热材料.F将石墨加工成筒形发热体的高温炉称为碳管炉。将石墨加工成筒形发热体的高温炉称为碳管炉。F因为碳质材料的电阻率很小因为碳质材料的电阻率很小(10(10-3-3 Wcm)Wcm)，所以常在筒，所以常在筒形发热体上作螺旋或横向切口以增大发热体的电阻值。形发热体上作螺旋或横向切口以增大发热体的电阻值。使用碳质发热体时仍需用大电流变压器供电。使

41、用碳质发热体时仍需用大电流变压器供电。/03:31:5035电热体电热体(5)(5)p以碳质发热体为热源的高温炉，最高使用温以碳质发热体为热源的高温炉，最高使用温度可达度可达3600C，常用温度为，常用温度为1800C 2000C。p碳在常温下十分稳定，当加热到高温时，碳碳在常温下十分稳定，当加热到高温时，碳的化学活性迅速增加，此时它容易和氧化合，的化学活性迅速增加，此时它容易和氧化合，为了防止碳质电热体高温氧化而烧毁，应在为了防止碳质电热体高温氧化而烧毁，应在真空、还原性气氛或中性气氛中使用。真空、还原性气氛或中性气氛中使用。/03:31:5036电热体电热体(6)(6)p(6)二硅化钼二硅

42、化钼(MoSi2 2)电热体电热体:F在高温下使用具有良好的抗氧化性，因为在高温下，发在高温下使用具有良好的抗氧化性，因为在高温下，发热体表面生成热体表面生成MoOMoO3 3 而挥发，于是形成一层很致密的而挥发，于是形成一层很致密的SiOSiO2 2 保护膜保护膜,阻止了阻止了MoSiMoSi2 2 进一步氧化。进一步氧化。FMoSi2 MoSi2 发热体在空气中可安全使用到发热体在空气中可安全使用到1700C1700C，但在氮，但在氮和惰性气体中，最高使用温度将要下降，它也不能在氢和惰性气体中，最高使用温度将要下降，它也不能在氢气或真空中使用。气或真空中使用。FMoSiMoSi2 2 电热

43、体不宜在低温下电热体不宜在低温下(500700C)(500700C)的空气中使的空气中使用，此时用，此时Mo Mo 被大量氧化而又不能形成被大量氧化而又不能形成SiOSiO2 2 保护膜。故保护膜。故一般认为，一般认为，MoSi2 MoSi2 不宜在低于不宜在低于1000C 1000C 下长时间使用。下长时间使用。/03:31:5037电热体电热体(6)(6)pMoSiMoSi2 2 在空气中长时间使用，其电阻率保持不变，无所在空气中长时间使用，其电阻率保持不变，无所谓产生谓产生“老化老化”现象，这是现象，这是MoSiMoSi2 2 所特有的优点，为其所特有的优点，为其他电热体所不及。他电热体

44、所不及。p为了使为了使SiOSiO2 2 保护膜不被破坏，应防止电热体与可能生保护膜不被破坏，应防止电热体与可能生成硅酸盐的材料相接触。电热体表面温度不宜过高，以成硅酸盐的材料相接触。电热体表面温度不宜过高，以免免SiOSiO2 2 膜熔融下流。膜熔融下流。pMoSiMoSi2 2 发热体通常做成棒状或发热体通常做成棒状或U U 形两种，大多在垂直状形两种，大多在垂直状态下使用。态下使用。因为因为MoSiMoSi2 2 发热体在高于发热体在高于1350C 1350C 时会变软，时会变软，有延展性，若水平使用，必须用耐火材料支持发热体，有延展性，若水平使用，必须用耐火材料支持发热体，但最高使用温

45、度不超过但最高使用温度不超过1500C1500C。pMoSiMoSi2 2 在常温下很脆，安装使用时应特别小心，以免折在常温下很脆，安装使用时应特别小心，以免折断，并要留有一定的伸缩余地。断，并要留有一定的伸缩余地。/03:31:5038电热体电热体(7)(7)p(7)氧化物电热体：氧化物电热体：FZrOZrO2 2、ThOThO2 2 等氧化物可以作为电热体在空气中使用到等氧化物可以作为电热体在空气中使用到1800C 1800C 上。上。FZrOZrO2 2、ThOThO2 2 具有负的电阻温度系数，属半导体类型材料。具有负的电阻温度系数，属半导体类型材料。它们在常温下具有很大的电阻值，以致

46、无法直接通电加它们在常温下具有很大的电阻值，以致无法直接通电加热。热。F实际上，在氧化物发热体通电之前，先采用其他电热体实际上，在氧化物发热体通电之前，先采用其他电热体如如Pt-RhPt-Rh、MoSiMoSi2 2、SiC SiC 等等)把它加热到把它加热到1000C 1000C 以上，以上，使其电阻大为下降，此时才能对氧化物通电加热升温。使其电阻大为下降，此时才能对氧化物通电加热升温。因此，使用氧化物电热体的高温炉需要配置两套供电系因此，使用氧化物电热体的高温炉需要配置两套供电系统。统。/03:31:5039电热体电热体(7)(7)p铬酸镧是以铬酸镧是以LaCrOLaCrO3 3 为主成分

47、的可在为主成分的可在氧化性气氛中使用氧化性气氛中使用的高温电炉发热体，是利用的高温电炉发热体，是利用LaCrOLaCrO3 3 的电子导电性的氧的电子导电性的氧化物发热体。化物发热体。p其特点是：热效率高，单位面积发热量大；发热体表面其特点是：热效率高，单位面积发热量大；发热体表面温度可长时间保持在温度可长时间保持在1900C1900C，炉内有效温度可达，炉内有效温度可达1850C1850C；在大气、氧化性气氛中可以稳定使用；使用；在大气、氧化性气氛中可以稳定使用；使用方法简单，电极安全可靠；较容易得到较宽的均热带，方法简单，电极安全可靠；较容易得到较宽的均热带，易于实现高精度的温度控制。易于

48、实现高精度的温度控制。p通常通常LaCrOLaCrO3 3 发热体是棒状的，适于制作管式炉。两端发热体是棒状的，适于制作管式炉。两端的电极部和中间的发热部结合成一体，电极部涂以银浆，的电极部和中间的发热部结合成一体，电极部涂以银浆，用银丝做电极引线。用银丝做电极引线。/03:31:5040电热体电热体各种发热体的最高工作温度各种发热体的最高工作温度/03:31:5041温度测量方法温度测量方法p温度测量方法通常分为接触式与非接触式两种。温度测量方法通常分为接触式与非接触式两种。8接触式接触式测温就是测温元件要与被测物体有良好测温就是测温元件要与被测物体有良好的热接触，使两者处于相同温度，由测温

49、元件的热接触，使两者处于相同温度，由测温元件感知被测物体温度的方法。感知被测物体温度的方法。8非接触式非接触式，测温元件不与被测物体接触，而是，测温元件不与被测物体接触，而是利用物体的热辐射或电磁性质来测定物体的温利用物体的热辐射或电磁性质来测定物体的温度。度。/03:31:5042温度测量方法温度测量方法/03:31:50433.1.3 3.1.3 低温获得及测量低温获得及测量p通常获得低温的途径有相变制冷、热电制冷、等焓与等熵绝热膨胀等通常获得低温的途径有相变制冷、热电制冷、等焓与等熵绝热膨胀等./03:31:5044常见的低温源（常见的低温源（1 1）8(1)(1)冰盐共熔体系：冰盐共熔

50、体系：8将冰块和盐尽量弄细并充分混合将冰块和盐尽量弄细并充分混合(通常用冰磨将其磨细通常用冰磨将其磨细)可以达到比较低的温度。可以达到比较低的温度。8例如，下面一些冰盐混合物可达到不同的温度：例如，下面一些冰盐混合物可达到不同的温度：83 3 份冰份冰+1+1 份份NaClNaCl(-2lC)(-2lC)；83 3 份冰份冰+3+3 份份CaClCaCl2 2(-40C)(-40C)；82 2 份冰份冰+1+1 份浓份浓HNOHNO3 3(-56C)(-56C)。/03:31:5045常见的低温源（常见的低温源（2 2）p(2)(2)干冰浴：干冰浴：p经常用的一种低温浴，它的升华温度经常用的一