第三章-低溫合成技術.ppt

1、1、低溫的定義？低溫的范圍？ 2、低溫現(xiàn)象？生活中低溫的應用？ 3、材料在低溫下會發(fā)生什么變化？ 4、為什么要獲得低溫？低溫的應用？ 5、如何獲得低溫？ 6、如何測量低溫？ 7、如何控制低溫？ 8、低溫在材料科學與工程中的應用？,技術問題,目的問題,常識問題,材料問題,1、低溫的定義？ 1） 低溫物理學：150, 123K以下的溫度。 2） 低溫是： 低于液氮溫度（77K）； 低于液氦溫度（4.2K）（超低溫） 3） 制冷技術： 120K以上，普冷； 1200.3K，深冷（又稱低溫）； 0.3K以下，極低溫。,2、生活中低溫的應用？低溫現(xiàn)象？ 食品冷凍冷藏、舒適性空氣調(diào)節(jié)、醫(yī)療衛(wèi)生 、工業(yè)。

2、隨著溫度的不斷降低，物質(zhì)發(fā)生著巨大的變化，出現(xiàn)了許多神奇的現(xiàn)象： 錫塊變成了錫粉； 空氣在-190時會變成淺藍色液體； 橡膠變得像玻璃一樣脆； 雞蛋摔在地上會像皮球一樣跳起來； “玻璃金魚” 復活。,3、材料在低溫下會發(fā)生什么變化？ 1）機械性能：低溫脆化 2）熱學性質(zhì)：固體比熱容在某些溫度下會突變 3）電學性質(zhì)：金屬的導電性明顯提高，而半導體的導電性則大大降低低溫超導（高溫超導） 4）磁學性質(zhì)：在足夠低的溫度下，原則上所有順磁物質(zhì)均可表現(xiàn)出鐵磁性或反鐵磁性；非金屬材料在低溫下也能表現(xiàn)出磁性，但在溫度超過一定限度時就會失去磁性。目前，臨界溫度最高的非金屬磁體在-230左右。,4、為什么要獲得低

3、溫？ （1）大量氣態(tài)、易揮發(fā)或對水、氧、熱等敏感的無機化合物的合成及相關反應只能在低溫條件下進行。 （2）利用低溫下材料的特性、低溫現(xiàn)象。 1）低溫脆化制藥、 液氮低溫加工橡膠品 2）低溫超導磁懸浮列車 3）生物冷凍“冷刀”、“生物冷凍” （3）氣體的液化和分離：通過降溫產(chǎn)生物態(tài)變化，可以使氣體液化、混合氣體分離。 （4）超低溫條件能促進化學反應的進行。,第一節(jié) 低溫的獲得,一、低溫的獲得途徑： 1、相變制冷 2、熱電制冷 3、氣體絕熱膨脹 4、絕熱去磁,相變制冷,相變過程中，由于物質(zhì)分子的重新排列和分子熱運動速度的改變，會吸收或放出熱量潛熱。,二、低溫源,1）水冷浴自來水冷卻 室溫12，流動

4、的水； 12 0，加入冰塊 冰鹽體系（最常用）(固體熔化制冷) 適用溫度：0 -25,1、低溫冷浴,冰酸體系,干冰(固體升華制冷) 原理：干冰的升華溫度為-78.3，干冰的導熱性不好 液態(tài)空氣（-193186）(液體氣化制冷) 低沸點液體,2）非水冷浴,第二節(jié) 低溫的控制,主要方法： 1、使用恒溫冷浴: 原理：利用調(diào)節(jié)制冷劑的量來恒定溫度。 冷浴的溫度會隨環(huán)境溫度變化！ 方法：要不斷取走部分溶液，加入新的冰和(酸或鹽)！ 2、使用低溫恒溫器 （1）減壓降溫恒溫器 原理：改變液體上方蒸汽的壓強改變溫度。 （2）連續(xù)流恒溫器 原理：利用調(diào)節(jié)制冷劑的流量來控制溫度。,液體氣化制冷控制溫度：,制冷過程

5、,回收過程,最簡單的一種液體浴低溫恒溫器如圖所示，它可以用于保持-70 以下的溫度。它的制冷是通過一根銅棒來進行的，銅棒作為冷源，它的一端同液氮接觸，可借銅棒浸入液氮的深度來調(diào)節(jié)溫度，目的是使冷浴溫度比我們所要求的溫度低 5 左右另外有一個控制加熱器的開關，經(jīng)冷熱調(diào)節(jié)可使溫度保持在恒定溫度.(正負 0.1 ),第三節(jié) 低溫的測量,常用測量溫度計 1、蒸汽壓溫度計（-200600）： 液體的蒸汽壓隨溫度變化，通過測量蒸汽壓知道其溫度。 2、低溫熱電偶（-2002000） ： 與高溫熱電偶不同處： 1）絲徑更細，滿足低溫下漏熱少； 2）焊接點要能承受低溫，不脫離。,3、低溫電阻溫度計（-25890

6、0） 制作電阻溫度計時，應選用電阻比較大、性能穩(wěn)定、物理及金屬復制性能好的材料，最好選用電阻與溫度間具有線性關系的材料。常用的有鉑電阻溫度計、鍺電阻溫度計、碳電阻溫度計、銠鐵電阻溫度計等。 4、紅外輻射溫度計（503200） 非接觸式，適用浴腐蝕性環(huán)境、運動物體的溫度測量。但精確度低，因為低溫輻射能量低，而且發(fā)射的常常是波長較長的紅外線。,第四節(jié) 低溫的應用實例,1、 低溫下氣體的分離 2、 低溫化學中的低溫合成： 1） 低溫下稀有氣體化合物的合成 2） 低溫下?lián)]發(fā)性化合物的合成 3） 低溫下的放電合成 4） 低溫水解合成 5） 低溫下光化學合成 3、 超細材料合成 4、 非晶態(tài)合成,1、低溫

7、分級分離應用實例：,這一混合物如何分離呢？, 合成反應的基本裝置,例：甲硅烷(SiH4)的合成 制備SiH4最古的方法是用稀鹽酸處理硅化鎂，如以Si02為起始原料，則反應式為: Si02 +MgMg2Si Mg2Si +HCl SiH4 （一196 ） 注意：用此方法合成的SiH4 ，常含有乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷以及其它高純硅烷，為得到純SiH4分須進行分離。 SiH4用一196 (戊烷作冷媒)的捕集器收取。,（1）半導體材料氣體化合物的合成,2、材料低溫合成實例,（2）低溫合成超微粒子,金屬超微粒子的合成，通常采用金屬蒸氣法，即把反應體系(真空罩)抽成真空，根據(jù)金屬活潑性的不同選擇通入幾至幾

8、百torr的N2、He、Ne、Ar等不活潑性氣體。用電阻、高頻、電弧等離子體、激光、濺射、電子束等加熱金屬，使之熔融氣化，金屬原子或原子團在低溫的不活潑性氣體中驟冷成煙狀，煙粒子附著在器壁上，漸漸落到基板上，即可得金屬超微粒子。用此方法現(xiàn)已合成Ni、Pt、W等金屬超微粒子。 用同樣的方法，如果在真空系統(tǒng)通入N2、NH3、CH2、O2等氣體即可合成金屬的氧化物、氮化物、碳化物等超微粒子。,（3）低溫下非晶質(zhì)材料的合成,非晶質(zhì)材料是在非平衡狀態(tài)合成的，通常采用氣相淬火法、液相高速淬火法和離子注入法或轟擊法。 氣相淬火法系指真空蒸鍍法和濺射法，元素呈原子狀態(tài)(氣相)迅速地凝固在底板上。因為原子撞擊在底板上失去能量，流動性大為降低，不能建立起周期點陣，因此可以形成非晶態(tài)。對某些材料(如Ni一Si)可在室溫底板上獲得非晶態(tài)。但對于某些材料，特別是低熔點的金屬(如Bi、Ge)則需要液氮溫度的底板。還有些元素即使在這樣的低溫下也不形成非晶態(tài)或是形成了也極不穩(wěn)定。那么，則需加入“非晶化穩(wěn)定劑”。如Sn、In、Te等需摻入10%20%的第二組分才能穩(wěn)定非晶結構。,液相高速淬火法是制備非晶態(tài)金屬(合金)材料的主要方法。其基本原理與玻璃的轉變過程類似，僅是冷卻速度不同而已。玻璃熔體的粘度大，冷卻速度通常為10/S。液態(tài)金屬粘度小，流動性很大，形成非晶態(tài)的冷卻速度必須為104108 /S。這樣高的冷