合成技术32高温技术
自蔓延高温合成技术与应用
自蔓延高温合成技术与应用1 SHS原理及特点自蔓延高温合成(Self-propagation High Temperature Synthesis),简称SHS. 它是基于放热化学反应的基本原理,利用外部能量诱发局部化学反应(点燃),形成化学反应前沿(燃烧波),此后, 化学反应在自身放热的支持下继续进行, 表现为燃烧波蔓延至整个体系, 最后合成所需的材料（粉体或固结体）[ 1 ]。
其过程如图1所示。
图1 SHS反应过程示意图SHS 技术同其它常规工艺方法相比, 具有设备、工艺简单; 节省时间, 能源利用充分; 产量高; 产物纯度高, 反应转化率接近100%; 在燃烧过程中, 材料经历了很大的温度变化,非常高的加热和冷却速率, 使生成物中缺陷和非平衡相比较集中, 因此某些产物比传统方法制造的产物更具有活性; 复合相分布均匀、相界面清洁和结合好、可以制备具有超性能的材料[2] , 集材料的合成与烧结于一体等优点。
2 SHS 的发展概况19世纪，人们发现一些气、固相或固、固相材料在发生化学反应时具有强烈的放热现象, 所放出的热量能使反应自我维持并蔓延直至形成最终产物。
l895年,德国冶金学家Goldchmidt通过实验研究了铝热反应还原碱金属和碱土金属氧化物,详细报道了固一固相燃烧反应的自蔓延特性。
1967年，前苏联科学院Merzhanov[3]等人发现了可称之为“固体火焰”的Ti—B混合物自蔓延燃烧现象，并将这种依靠混合体化学反应的自身放热来合成新材料的技术首次命名为自蔓延高温合成,即SHS。
随后，前苏联科学家们经过系统而深入的研究，将SHS技术与冶金、机械等加工技术相结合，开发出了多种SHS工艺来制备和加工新型材料，发展了一系列无机材料粉末合成与成型、致密化工艺相结合的技术。
如1972年，SHS法用于了TiC、Ti(CN)、MoTi2、AlN 、六方BN等粉末的生产。
俄罗斯的科学家用燃烧合成方法制取了500多种材料，常见燃烧合成的材料如表1所示[ 4 ]。
自蔓延高温合成技术的发展与应用
3 自蔓延高温合成技术理论
（1）SHS过程热力学 燃烧体系进行热力学分析是 SHS研究过程 的基础。绝热燃烧温度是描述SHS反应特征的 最重要的热力学参量。它不仅可以作为判断反 应能否自我维持的定性判据，并且还可以对燃 烧反应产物的状态进行预测并且可为反应体系 的成分设计提供依据。 Merzhanov 等人提出 以下经验判据。
1 概述
自 蔓 延 高 温 合 成 (Self-Propagating High Temper-ature Synthesis,SHS), 也 称 燃 烧 合 成 (Combustion Syn-thesis,CS), 它 是一种利用化学反应自身放热使反应持续进 行,最终合成所需材料或制品的新技术。任何 化学物质的燃烧只要其结果是形成了有实际 用途的凝聚态的产品或材料,都可被称为SHS 过程 . 在 SHS 过程中 , 参与反应的物质可处于 固态、液态或气态,但最终产物一般是固态。
2 国内外研究现状
目，支持SHS研究开发。1994年，在武汉召 开了第一届全国燃烧合成学术会议。我国的 SHS产业化成果也得到了国外同行的高度评 价。我国研制的陶瓷复合钢管年产近万吨。 近年，我国在SHS领域加强了与国外的合作 与交流，发表的SHS方面的文章数目仅次于 俄、美,与日本相近，我国台湾学者在SHS粉 末和不规则燃烧方面也取得了引人注目的科 研成果。
2 国内外研究现状
国外研究情况 1967年,苏联科学院化学物理研究所宏观动 力 学 研 究 室 的 Borovinskaya, Skior 和 Merhanov 等人在研究钛和硼的混合粉坯块的 燃烧时，发现“固体火焰”，后又发现许多金 属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈的 放热反应；1972年,该所建立了年产10～12 t难 熔化合物粉末的 SHS中试装置； 1973 年，苏联 开始将SHS产物投入实际应用，并召开了全苏
基于自蔓延高温合成技术制备TiB2／Al2O3复相陶瓷
化 铝陶瓷 ； 氧化铝 中添加碳 化物 、 化物 、 氧 氮化 物或 硼 化物 的组 合 陶瓷 以及在 氧 化铝 中 同时添 加化 合 物 与 黏结 金属 的组合 陶瓷等口 。在氧 化铝 中添 加 Ｔ Ｂ 作 ］ ｉ２ 为黏结剂 制成 的陶瓷材料 ， 其组 织 中具有 细晶 粒 的氧
维普资讯
基于 自蔓延 高温合 成技 术制备 Ｔ Ｂ ／ ２ ｉ２Ａｌ Ｏ３复相 陶瓷
谢 艳 春 ， 洪 芝 ， 鸿君 崔 黑
（ 东 科 技 大 学 材 料 科 学 与工 程 学 院 ， 山 山东 青 岛 ２ ６ １ ） ６ ５ ０
摘 要 ： 用 自蔓延燃 烧合 成 法在 室 温下的 空 气 中制备 出 了 Ｔ Ｂ ／ ３复相 陶瓷 ， 采 ｉ ＡｌＯ 通过 Ｘ射 线衍 射
Ａｌ （ 粉 纯度 ９ ， 度 ２ ０目） Ｂ Ｏ。粉 （ 度 ６ 粒 ０ ， 纯 ９ ， 度 ２ ０目） Ｔ Ｏ （ 度 ９ ， 度 ２ ０目） ９ 粒 ０ ， ｉ 纯 ９ 粒 ０ ， Ｔｉ 纯度 ９ ５粒 度 ２ ０目） Ｆ Ｂ（ ６／， ９ ０ ， ｅ粉 （ 度 ９ ， 纯 ９， 粒 ９ ５
相陶瓷， 综合 了 多相 复合 、 ＨＳ技 术 ， Ｓ 原位 合成 技 术 、 等静 压技 术 、 属 增韧 等技 术 ， Ｔｉｚ Ａ１ 热 金 使 Ｂ／ Ｏｓ复相
陶瓷既 具有 高强度 ， 又拥 有适度 的韧性 。
关 键 词 ： ＨＳ 复 相 陶 瓷 ； Ｂ ／ ； 密 度 ； 性 Ｓ ； Ｔｉ Ａｌ Ｏ３ 致 韧
化 铝以及连续 的 ＴＢ 黏 结 相 ， 而保 持 了 硼化 物 的 ｉ２ 因 “ 维连 续 性 ” 具 有 极 好 的 耐 冲 击 性 和 耐 磨 性ｌ 。 三 ， ２ ］
自蔓延高温合成技术资料
自蔓延高温合成技术10粉（1）张凯 1003011020 摘要：自蔓延高温合成技术是20 世纪后期诞生的一门新兴的前沿科学,在粉体合成及陶瓷的制备等方面充分显示其优越性. 文章对自蔓延高温合成技术的概念、自蔓延高温合成的燃烧理论作了简要介绍，并整理总结自蔓延高温合成(SHS) 技术的发展和国内外研究概况,包括制备工艺、应用领域等，同时分析了自蔓延高温合成技术的最新研究动向。
关键词：自蔓延高温合成；燃烧合成；SHS技术；SHS理论；应用1 引言自蔓延高温合成(Self - Propagating High Temperature Synthesis,简称SHS)，也称燃烧合成(Combustion Synthesis ,CS) 是利用反应之间的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术,当反应物一旦被引燃,便会自动向未反应区传播,直至反应完全。
任何化学物质的燃烧只要其结果是形成了有实际用途的凝聚态的产品或材料,都可被称为SHS 过程. 在SHS 过程中,参与反应的物质可处于固态、液态或气态,但最终产物一般是固态.SHS 技术制备的产品纯度高、能耗低、工艺简单,用SHS 技术可以制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料. 其特点为: ①是一种速的合成过程; ②具有节能效果; ③可提高材料的纯度;④产物易形成多孔组织; ⑤燃烧产物的组织具较大的离散性. 因此,探索各种SHS 体系的燃烧合成规律, 获得均匀组织也是保障SHS 产业化的关键.2国内外研究概况人们很早就发现了化学反应中的放热现象, 在上个世纪就已发了气-相和固-相的燃烧合成现象。
1892 年,Mo issen 叙述了氧化物和氮化物的燃烧合成。
1895 年, Go ldchm idt 用铝粉还原碱金属和碱土金属氧化物, 发现固2固相燃烧反应, 并描述了放热反应从试料一端迅速蔓延到另一端的自蔓延现象。
本世纪铝热反应已经得到工业应用。
但是, 将燃烧合成和冶金、机械等技术结合起来, 发展成为具有普遍意义的制备材料新技术并用于工业生产, 还应归功于原苏联科学家的努力。
自蔓延高温合成技术(课程讲义)
典型的例子是铝热反应，如:
3Cr2O3 + 6Al + 4C = 2Cr3C2 + 3Al2O3 T= 6500K
MoO3 + 2Al + B = MoB + Al2O3
T= 4000K
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe
T＞3000K
以液相密实化技术为基础发展了离心复合管制备技术
3-2.加压密实化技术
非稳态燃烧 有关的理论研究:
振荡燃烧 螺旋燃烧 混沌燃烧
低放热体系、 气--固反应体系、 复杂反应体系 合成条件变化造成的非稳态燃烧
平衡态理论: 热平衡理论 渗透燃烧理论
非平衡理论: 通过非平衡热力学理论研究和模拟 燃烧波结构的变化规律
燃烧模式的研究 方法: 燃烧合成过程的数学
模拟和实验验证
燃烧合成 →远离平衡的不可逆过程
•
温度采集: 多通道热电偶、红外温度计
•
图像采集: 高速摄影机和计算机处理
燃烧合成基础研究装置图
•全可控的自动点火功能 •过程温度、图像监测 •多点温度同步监测 •合成气氛和压力调节
1-1.无气点火过程研究
基本假设: 点火截面温度分布均匀 截面上材料物性参数不随温度变化 热损失忽略不计
对于x处的反应层，根据Fourier基本热方程，在一维方向上有:
SHS合成
燃烧产 品加工
气氛、压力 离心、点火
研磨、抛光 切割等
硼化物、氮化物等无机材料、 多相多组分材料及制品
最有效的控制手段:
1、 外加热 辅助燃烧合成 获得熔融的合成产品，强化低放热反应的合成 TiNi、NiAl、Ni3Al等
2、 掺加稀释剂 提高合成转化率，控制材料结构，改善材料可加工性 AlN、Si3N4.TiN等
自蔓延高温合成技术
自蔓延高温合成(self–propagation high–temperature synthesis，简称SHS)，又称为燃烧合成(combustion synthesis)技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。
基本信息•中文名称：自蔓延高温合成•外文名称：self–propagation high–temperature synthesis•特点：反应温度通常都在2100~3500K•简史：黑色炸药是最早应用特点燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延相当快，一般为0.1~20.0cm/s，最高可达25.0cm/s，燃烧波的温度或反应温度通常都在2100~3500K以上，最高可达5000K。
SHS以自蔓延方式实现粉末间的反应，与制备材料的传统工艺比较，工序减少，流程缩短，工艺简单，一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量。
由于燃烧波通过试样时产生的高温，可将易挥发杂质排除，使产品纯度高。
同时燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，有可能形成复杂相，易于从一些原料直接转变为另一种产品。
并且可能实现过程的机械化和自动化。
另外还可能用一种较便宜的原料生产另一种高附加值的产品，成本低，经济效益好。
自蔓延高温合成法发展简史早在2000多年前，中国人就发明了黑色炸药(KNO3+S+C)，这是自蔓延高温合成(SHS)方法的最早应用，但不是材料制备。
所谓自蔓延高温合成材料制备是指利用原料本身的热能来制备材料。
1900年法国化学家Fonzes–Diacon发现金属与硫、磷等元素之间的自蔓延反应，从而制备了磷化物等各种化合物。
在1908年Goldschmidt首次提出"铝热法"来描述金属氧化物与铝反应生产氧化铝和金属或合金的放热反应。
1953年，一个英国人写了一篇论文《强放热化学反应自蔓延的过程》，首次提出了自蔓延的概念。
材料合成与制备技术
一物理性质已制成了各种测温仪表。 随着科学技术的发展，又应用了一些新的测温原理， 如射流测温、涡流测温、激光测温以及利用卫星测温等。
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2.3.2.2 温标的种类
40
参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
卤素检漏仪法（补充）
当金属铂被加热至800℃以上时，在其表面上吸附或入射 的气体分子会被剥夺电子，而以正离子的形态飞离表面， 于是铂表面就有正离子发射。
正离子流的大小除了决定于加热温度外，还与气体种类有 很大关系，特别是遇到含有卤族元素的气体后，正离子流 急剧增大，这就是所谓的“卤素效应”。
42
参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
43
参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
（2）真空检漏法
它是利用示漏气体漏入抽空的被检容器中检测漏孔的方法。 包括放置法、离子泵检漏法、真空计法、氦质谱检漏仪抽
空法、火花检漏器、放电管法、卤素检漏仪内探头法等。
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离子泵检漏法（补充）
气泡法（补充）
在被检件内充入一定压力的示漏气体后放到液体中，气体 通过漏孔进入周围的液体形成气泡，气泡形成的地方就是 漏孔所在的位置，根据气泡形成的速率、气泡大小以及所 用的气体和液体的物理性质，可以大致估算出漏孔的漏率。
39
参考书：王晓冬，真空技术，冶金工业出版社，2006
氨气检漏法（补充）
检漏大致分成以下两大类方法： （1）压力检漏法 （2）真空检漏法
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（1）压力检漏法
它是借助于检测被检容器中的示漏气体或液体从容器中 漏出的情况来检测漏孔的方法，
包括气泡法、氨检法、听音法、超声检漏法、卤素检漏 法、卤素检漏仪法、卤素喷灯法、气敏半导体检漏法、 氦质谱检漏仪加压法等。
自蔓延高温合成技术
4 燃烧波蔓延 作为一类特殊的化学反应,SHS 反应区前沿,即燃烧波会随着反应的进行 而不断推移。因此需要建立能反映这一特征的动力学参数。燃烧波速率 则是这一动力学参数,它描述了燃烧波前的移动速率。 在一定的假设条件下,如忽视对流、辐射散热等,以及对燃烧波结构作一定 的约束之后,可以求出燃烧波速率的解析式。不同的约束条件会得到略有 差别的解。 稳态燃烧-大多数的SHS 过程,燃烧前沿都存在一个光滑的表面(平面或很 小的曲面) ,这一表面以恒定的速率一层一层传播,称之为稳态燃烧。
13
经过材料科学工作者几十年的努力,自蔓延高温合成 技术已成功应用于难熔化合物的制备,包括粉体的制 备及复合材料的制备等,而采用SHS 法制备的陶瓷内 衬钢管以其良好的耐磨、耐蚀、耐高温性能和优异 的抗机械冲击、抗热冲击性能,产品重量轻、不怕磕 碰、价格低等优点在许多工程中也得到了广泛应用, 使用寿命是现行管材的几倍至几十倍。尽管自蔓延 高温合成技术在材料的改性方面已得到了广泛的应 用,在性能价格比方面有优越性,但是科学工作者不满 于现状仍在继续完善SHS 工艺,比如将SHS 工艺与加 压相结合,可获得更致密与基体结合更牢固的陶瓷涂 层材料,以满足于防腐、耐磨、隔热等不同使用环境 的要求。
6. 1 利用SHS 工艺制备难熔化合物 低成本与高性能是许多先进材料研究与应用领域普遍存在的问题,利用化学反应释放 的高热量低温制备高熔点先进材料的燃烧合成熔化技术可合成许多难熔化合物粉体 或复合材料。难熔化合物指碳化物、氮化物、硅化物和硼化物,既包括金属也包括非 金属的碳、氮、硅、硼化合物。
下表是利用SHS 工艺制备的部分难熔化合物材料。
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6.2 SHS 制备陶瓷内衬钢管 (1) 基本原理 很多高放热SHS 体系的燃烧温度超过燃烧产物的熔点,燃烧后 的产物是熔体。这种SHS 体系与常规的冶金方法相结合,产生 了SHS 技术,利用SHS 法得到熔体, 用常规冶金法处理熔体。 SHS 冶金包括SHS 铸造和SHS - 离心技术。铝热反应由于其 高放热而被广泛用于SHS冶金。其化学反应式为:
高温合成技术在新材料研究中的应用
高温合成技术在新材料研究中的应用引言高温合成技术是新材料研究领域中一种重要的制备方法，它能够制备出具有优异性能的材料，被广泛应用于电子、能源、环境和医药等领域。
本文将介绍高温合成技术及其在新材料研究中的应用。
第一章高温合成技术的基本概念及分类高温合成技术是指在高温条件下进行材料制备的一种方法，通常温度在1000℃以上。
它具有原子扩散速率快、晶界扩散迅速、化学反应活性高、物理性质可调等特点。
高温合成技术可以分为几类：固相反应、气相沉积、液相制备和等离子体制备。
其中，固相反应是最常见的一种高温合成技术，主要有热处理、热压和烧结等方法。
第二章高温合成技术在新材料研究中的应用2.1 电子材料电子材料具有高导电率、高热导率、高化学稳定性等特点，能够被广泛应用于电子设备和电子元件中。
高温合成技术能够制备出高纯度、精细晶粒、高性能的电子材料，例如氧化锌、氧化铝、碳化硅、氮化硅等材料。
2.2 能源材料能源材料是指用于能量转换和存储的材料，如太阳能电池、燃料电池、锂离子电池等。
高温合成技术能够制备出具有优异性能的能源材料，例如锂离子电池正极材料、燃料电池电解质材料、太阳能电池吸收层材料等。
2.3 环境材料环境材料是指用于环境保护和治理的材料，其性能要求包括高吸附性能、高反应活性、良好的稳定性等。
高温合成技术能够制备出高效的环境材料，例如吸附剂、催化剂等。
2.4 医药材料医药材料是指用于治疗和预防疾病的材料，例如人工骨、人工关节、药物载体等。
高温合成技术能够制备出具有良好生物相容性和生物活性的医药材料，例如针状氢氧化钙、生物玻璃等。
结尾综上所述，高温合成技术是新材料研究领域中一种重要的制备方法，它能够制备出具有优异性能的材料，被广泛应用于电子、能源、环境和医药等领域。
未来，高温合成技术将会继续得到广泛的应用和发展。
高温高压合成技术在材料制备中的应用
高温高压合成技术在材料制备中的应用高温高压合成技术是一种基于物质在高温高压条件下经历相变反应的方法，广泛应用于材料科学和工程中。
它具有独特的优势，能够实现材料的高密度、高纯度和高度晶化等特性，因此在材料制备领域有着重要的应用价值。
材料制备是材料科学和工程的基础，通过高温高压合成技术可以实现一系列材料的制备和改性。
首先，高温高压合成技术可以用于制备高温材料。
例如，在超高温下使用高温高压合成技术可以制备出适用于航空航天等领域的新型陶瓷材料，这些材料具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性，能够满足极端环境下的工程需求。
其次，高温高压合成技术可以用于制备高压下稳定的材料。
在地壳深处的高压环境下，普通材料会发生结构相变，而高温高压合成技术可以模拟这种高压环境，制备出高压下稳定的材料。
这些材料具有独特的电子结构和物理性质，具有广泛的应用前景，例如高压下稳定的超导材料可以应用于能源传输和储存。
此外，高温高压合成技术还可以用于制备纳米材料。
由于高温高压环境下原子间距离减小，反应速率加快，可以有效地控制晶体的尺寸和形态，制备出纳米级材料。
纳米材料具有较大的比表面积、较短的扩散路径和独特的量子效应，表现出与宏观材料截然不同的性能，例如纳米材料的高强度、高韧性和强化效应，在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
此外，高温高压合成技术还可以用于材料的改性。
例如，通过高温高压合成技术可以实现金属材料的变质处理，改变材料的晶粒结构和晶界特性，提高材料的韧性和强度。
同时，通过控制高温高压合成条件还可以实现材料的气相渗透、离子注入和表面改性等处理，改善材料的性能和功能。
总而言之，高温高压合成技术在材料制备中具有广泛的应用前景。
它不仅可以用于制备高温材料和高压稳定材料，还可以实现纳米材料的制备和材料的改性处理。
随着材料科学和工程的不断发展，高温高压合成技术必将在材料制备领域发挥越来越重要的作用，为人们提供更高性能的材料，推动科学技术的进步。
高温合成技术在新型材料制造中的应用研究
高温合成技术在新型材料制造中的应用研究随着科技的不断进步与人们需求的不断提高，新型材料的研究和应用越来越受到关注。
高温合成技术是一种重要的新型材料合成方法，其在新型材料制造中发挥着重要的作用。
本文将从高温合成技术的概念，发展历程，以及在新型材料制造中的应用等方面进行探究。
高温合成技术是指将两种或多种原材料在高温下进行反应，形成一种新的化合物或合金的技术。
它通常使用的反应温度在1200℃以上，而有些高温合成反应的温度甚至在2000℃以上。
高温合成还可以提供一些其他方法所无法实现的合成途径，例如可以在室温下合成固态的氧化物、硫化物和硝酸盐等复杂化合物。
高温合成技术并非一种新兴的技术，早在1950年代，美国的航空航天产业就开始在实践中运用高温合成技术，尤其是用于开发新型超合金材料。
1980年代，日本的高温合成技术得到了飞速的发展，成为该国重要的产业之一。
目前，世界上最大的高温合成产业集群之一就位于日本，这里有许多企业致力于新型材料的研发与生产。
高温合成技术应用于新型材料制造中许多领域。
例如，高温合成可以制备出自发光物质，该类物质的应用在化妆品、药品等领域非常广泛。
另外，高温合成技术还可以用于生产纳米颗粒，通过调整反应条件，可以控制纳米颗粒的大小和形状。
纳米颗粒可以应用于涂料、制药、电池，以及光电材料等领域。
除此之外，高温合成技术还可以制备高温陶瓷、高温超导体、火箭发动机材料等一系列的创新新型材料。
在高温合成技术的发展中，我们面临着很多技术难题。
例如，高温下的反应过程，会导致原材料中的颗粒不均匀和反应条件不一致的问题，这些问题都会对材料的质量产生负面影响。
此外，如果要实现大规模的高温合成生产，还需要解决高温合成反应器的设计和制造问题，确保设备的稳定和安全运行等。
总的来说，高温合成技术是一种十分重要的新型材料制备方法，可以应用于很多领域，从而满足人们多样的需求。
尽管它面临着很多技术难题，但我们对该技术的研究和实践并不会停止，相信在科技的不断进步下，高温合成技术会成为新型材料制造中不可替代的重要技术之一。
化学合成的新方法和新技术
化学合成的新方法和新技术化学合成是化学的基础，也是许多化学领域的核心技术之一。
在化学领域，合成新材料、新药物、新催化剂等等都需要先进行化学合成。
因此，化学合成的新方法和新技术也是化学领域的热点之一。
本文就从一些创新性的化学合成方法入手，探讨一下当今化学合成技术的一些新趋势。
一、超声波辅助合成传统的化学合成方法往往需要高温高压的条件下进行，不仅会产生大量的能源消耗，而且会对化学反应物的分子结构造成破坏，从而影响反应的效率和选择性。
另一方面，化学反应涉及到离子传输、质量传输等等，也有很大的局限性。
超声波合成技术就是为了解决这些问题而提出的。
超声波合成技术是一种对传统化学合成方法的补充和改进。
它利用高频率的超声波振动来加速化学反应，与传统的暴力加热反应不同，超声波合成技术具有低温低能耗、高选择性和反应速度快等优点。
同时，与传统合成技术相比，超声波合成技术在不需要高温高压的情况下也能实现一些化学反应，使得化学反应更加安全环保。
二、化学计算随着计算机技术的不断发展，化学计算逐渐成为了一种新型的化学合成技术。
与传统的化学合成技术不同，化学计算实现了从计算机角度出发来开发新材料、新药物、新催化剂等等。
化学计算的体系包括量子化学计算和分子模拟。
量子化学计算是利用计算机中的量子化学计算方式来模拟分子间的相互作用、分子结构等等，为化学反应提供了一个基础模型。
分子模拟则是通过分子动力学模拟和Monte Carlo模拟来模拟分子的运动和变化。
借助于化学计算的优点，化学合成技术将会迎来更为广阔的发展空间。
三、介孔催化介孔材料是一种特殊的多孔材料，它拥有特定的孔结构和孔径大小。
通过设计合适的孔结构和孔径尺寸，介孔材料可以作为高效催化剂来为化学合成提供一些新思路。
介孔催化技术利用具有介孔结构的催化剂进行各种化学反应，包括加氢、氧化、环合成、分子印迹等等。
具有介孔结构的催化剂不仅具有较大的表面积和孔隙率，同时也可以通过催化剂表面功能团的定向修饰来增强反应的选择性和效率。
高温高压合成法
高温高压合成法高温高压合成法，也被称为高温高压合成技术，是一种在高温高压条件下制备材料的方法。
这种合成法广泛应用于化学、材料、能源等领域，并且具有重要的科学研究和工业应用价值。
本文将从原理、应用、优势以及挑战等方面，对高温高压合成法进行探讨。
高温高压合成法是利用高温高压条件下产生的热力学和动力学效应，使原料分子或离子之间产生化学反应，从而合成目标材料的一种方法。
通过加大温度和压力，可以改变原料分子的反应活性和扩散性，促进分子间碰撞，提高反应速率和选择性。
同时，高温高压条件下，原料分子的晶体结构和晶格参数也会发生改变，从而导致合成出具有特殊结构和性能的材料。
高温高压合成法在许多领域都具有广泛的应用。
在化学领域，它常用于制备高纯度、高活性的化学物质和催化剂。
在材料领域，高温高压合成法可以用来制备高强度、高硬度以及高性能的材料，例如金刚石和立方氮化硼等。
在能源领域，高温高压合成法可以用来制备高效能的天然气转化催化剂和煤炭液化催化剂。
高温高压合成法相比于传统合成方法具有许多优势。
首先，高温高压合成法可以在较短的时间内合成出高质量的材料，提高了生产效率。
其次，高温高压条件下，反应体系的溶液浓度和物质迁移速率增加，从而提高了产品的收率和产率。
另外，由于高温高压下的反应条件具有较大的自由度，可以实现对反应过程的精确控制，从而合成出具有优异性能的材料。
然而，高温高压合成法也存在一些挑战和问题。
首先，高压容器的选材和封装技术要求较高，以确保反应条件的稳定和安全。
其次，高温高压合成法需要耗费大量的能源，同时还会产生高温高压下可能产生的环境污染。
此外，由于高温高压合成法在实际应用中的条件和参数复杂多变，需要针对不同体系和反应目标进行优化设计和调控，增加了研究和应用的难度。
总之，高温高压合成法作为一种重要的制备材料的方法，在化学、材料、能源等领域具有广泛应用和科学研究价值。
通过提高反应条件和控制反应参数，可以合成出具有特殊结构和性能的材料，有助于推动科学技术的发展和解决实际问题。
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p H 2O p H 2O p H 2
K 100% 1 K
第3章
合成化学
▲ H2还原法在科研实验室中常用，在工业 上除特殊情况外，用于制备金属的并不多。 原因是，凡可被H2还原的金属均可用水 溶液电解法获得，且生产成本较低。因此， 工业上用H2还原法生产那些用水溶液电解法 生产有困难的金属，如W、Mo、Ge、Re及 Pt系金属。
第3章
合成化学
▲ 用H2还原金属的高价化合物时，在 过程中会存在一系列低价态氧化物的混 合物。那么通过适当控制还原条件，如 温度T、H2流速、还原时间等，可以得 到某一阶段的低价化合物。
第3章
合成化学
例如：用H2还原Nb2O5时，在不同温度下
可得到各种价态的氧化物：
℃ Nb2O5 + H2 860 2NbO2 + H2O
第3章
2
合成化学
2
要使反应不断进行，必须保持体系中 pH O pH <K。 为此，所用的H2要提纯(除O2、N2等), 还应干燥除水， 并以一定流速通过反应器，使生成的水蒸汽被携带出
体系外。
因此，在H2还原法中，H2的利用率不可能达到 100%。用纯H2还原氧化物时，H2的最高利用率可用 下式#43;45%NaNO2 55%KNO3+45%NaNO3
300
300 550 600 >600
熔点30~60℃
熔点137℃ 熔点218℃
Wood 合金
Wood合金成分为：50%Bi, 25%Pb, 12.5%Sn, 12.5%Cd。
第3章
合成化学
3.2.1.2 高温反应容器的选择
第3章
金属还原法制备铀的步骤为：
合成化学
将UF4粉末与经过纯制的Ca的小颗粒混合， 置于密闭式反应器的坩埚中，插好镁条点火，激 烈反应在几分钟内进行完毕，温度上升到1800℃ 左右。反应终止后给反应器加密闭盖，抽真空并 通入氩气，冷却至室温，取出钙渣及金属铀，再 经真空熔融铸成所需形状。
第3章
合成化学
② 过量的还原剂和被还原的产物及被氧化的产物 容易分离提纯，还原剂在被还原产物中的溶解 度要小； ③ 还原剂要廉价易得，易于回收。
第3章
合成化学
1. 气体还原法
(1) H2还原法
用于少数非挥发性金属及低价化合物的制备。
且一般用氧化物为原料。
反应通式：
1/yMxOy(s) + H2(g) == x/yM(s) + H2O(g) p H 2O 反应的平衡常数： K pH2
3.2.2.2 高温固相反应
高温固相反应是一类很重要的高温合成 反应。大批具有特种性能的无机功能材料和 化合物，如为数众多的各类复合氧化物、含 氧酸盐类、二元或多元金属陶瓷化合物(碳、 硼、硅、磷、硫族等化合物)都是通过高温下 (1000~1500 ℃)反应物固相间的直接合成而得 到的。
第3章
合成化学
合成化学
MgF2 CaCl2 1300 780
MgCl2 710
熔点(℃) 2600
● UO2、UO3的Na还原不可能进行，UO2的Al还 原也比 较困难，而UO3的Al还原是可以进行的。 但是Al能与U生成合金，且即使用真空熔融Al也 不能挥发除去，故不能用Al为还原剂。
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● UO2、UO3的Ca还原反应能力最强，Mg次之。 但是Ca、Mg所生成的氧化物熔点很高，对于生 成的U的聚集非常不利，而用Ca、Mg还原卤化物 也是可行的。因为卤化物熔渣的熔点较低，有利 于金属铀的聚集。 ● 由于UCl4吸湿性很强，因此常以UF4为原料， 用Ca或Mg进行还原。若以Na还原，由于反应热 较低，将使熔渣与金属铀分离困难。
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除H2、CO之外，某些气态的碳 氢化合物，如甲烷、天然气等，在工 业上也常用作还原剂。
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2. 金属热还原法
用一种金属作为还原剂，来还原另一种金属氧 化物或卤化物的方法，称为金属热还原法。 ★ 常用还原剂：Ca、Mg、Al、Na、K以及稀土金 属等。 ★ 用金属热还原法可制得的金属：碱、碱土金属， B, Al, Ge, In, Tl, 稀土金属，Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, U, Mn, Fe, Co, Ni等
▴原则：根据反应的性质选择适当的容器 ▴形状：管子、坩埚、舟形 ▴性能要求：热稳定性好(耐热、熔点高、不
分解)、化学稳定性好、导热性
好、价格便宜
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▴材料：硬质玻璃、瓷器、石英、金属、 刚玉、石墨、聚四氟乙烯、 金属氧化物(MgO、ZrO2、BeO)等
第3章
一般：
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▴温度较低时用玻璃、陶瓷；价廉、易得，应用广泛 ▴温度稍高时用石英玻璃、刚玉、石墨、Pt等； >1200℃
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CO与H2还原不同的是：
● CO一般不能用来还原卤化物
● 用CO还原氧化物也像以固体C还 原氧化物那样引起所还原金属的渗碳作用。
第3章
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例如，如果把CO作为WO、WO3、 MoO3、GeO2、GeCl4和TiO2的还原剂就不 合适，因为它们会与CO生成碳化物。
在无机材料工艺中，常用的钨丝炉、钼 丝炉应当在真空、惰性气氛或还原气氛中使 用，但还原气氛不能用CO，只能用H2，就 是出于这个原因。
▴温度更高时可用金属氧化物，如MgO、ZrO2、
TiO2、ThO2、BeO等，可达2000℃
▴对强碱性体系，用镍、铁容器，但温度不能太高
(700~800 ℃)
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3.2.1.3 高温的测量 1. 测温方法
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-200~600℃
-258~900℃
-200~2800℃
800~3200℃ 400~2000℃
第3章
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表3-3 1000K反应的标准自由能变化
反 应 △G 363.66 -183.92 -83.6 188.1 -631.18 反 应 △G -313.5 -530.86 -300.96 100.32 -493.24 -526.68 UO2+4Na=U+2Na2O UO2+2Ca=U+2CaO UO2+2Mg=U+2MgO UO3+6Na=U+3Na2O UO3+3Ca=U+3CaO UF4+4Na=U+4NaF UF4+2Ca=U+2CaF2 UF4+2Mg=U+2MgF2 UF4+4/3Al=U+4/3AlF3 UCl4+4Na=U+4NaCl UCl4+2Ca=U+2CaCl2
图3-14 热电偶闭合回路
第3章
热电势的值与冷、热端温度有关，即：
EAB (t , t0 ) f (t ) f (t0 )
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当使接点t0的温度保持不变，f(t0)=C，则：
E AB (t , t 0 ) f (t ) C (t )
将热电偶的冷端置于冰水中，使它的温度固定于0℃， 当热端受热时，在回路中就会产生一定的温差电势，且温 差电势是热端温度的函数。即随着热端温度的改变，热电 势也随着改变；反之，根据系统不同的热电势，也就可以 推算出热端的相应温度。
也可用于快速测温。
⑤ 能直接与被测温物体相接触，不受环境介质如烟雾、尘埃、 CO2、水蒸汽等影响而引起误差，具有较高的准确度。
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3.2.2 高温合成
高温合成反应类型：
① 高温固相反应 ② 高温氧化、还原反应 ③ 高温熔炼和合金制备 ④ 高温熔盐电解
⑤ 高温下的化学转移反应 ⑥ 高温化学气相沉积 ⑦ 等离子体高温合成 ⑧ 高温下的区域熔融提纯
粉末冶金中利用H2还原WO3制取W粉 时同样有中间价态氧化物生成：
WO3(s) + H2(g) 黄
℃ 550
WO2(s) + H2O(g) 褐
1350℃ ~ W(s) + 2H2O(g) WO2(s) + 2H2(g) 780
黑
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用氢还原法制得的通常是金属粉末，且 其物理、化学性质取决于还原温度。
℃ Nb2O5 + 2H2 1250 Nb2O3 + 2H2O
℃ Nb2O3 + H2 1350 2NbO+ H2O ℃ 2NbO + H2 1350 Nb2O + H2O
1350 ℃ Nb2O + H2 2Nb + H2O
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50~3200℃
图3-12 测温仪表的主要类型
第3章
2. 热电偶高温计
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图3-13 简单的热电偶高温计线路图
第3章
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热电偶测温是基于两种不同的导体接触时
产生的电势差是温度的函数这一原理。
当热电偶冷、热端温 度不同，即t>t0时，则在回 路中产生一定大小的电动 势EAB(Ett0)，这种物理现 象叫热电效应，产生的电 势叫热电势。
★ 一般在低温下制得的金属具有大的表面 积和强的反应能力； ★ 升高温度会使金属的颗粒聚结而减少表 面积，金属颗粒的内部结构变得整齐和更稳 定，结果使金属的化学活泼性降低。
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(2) CO还原法 CO也是常用的气态还原剂。若对非挥发 性金属的氧化物进行还原时，其反应通式为： 1/yMxOy (s) + CO(g) == x/yM(s) + CO2 (g) 在还原过程中，CO的利用率与氢气具有 类似的结论。但是，在低温下（<760℃）CO 的利用率要比氢气高，而在高温下则相反。