现代无机合成

4. 节能。
4. 能耗较大。
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应用范围
❖ 金属表面热处理； ❖ 感应焊接； ❖ 铸造熔炼；
❖ 锻造 / 轧制毛坯加热； ❖ 金属材料空中悬浮熔炼； ❖ 复合材料加热。
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1.3 电弧炉
❖ 简介：一般用于金属冶炼、磨具磨料工业。目前也用于大块非晶材料的 制备。其优点是熔化固体炉料的能力强，具有大吨位生产的能力。缺点 是耗电量大，不利于电网容量小的国家和地区推广。
短时烧结 短时均匀烧结
烧结非晶材料 烧结纳米材料
低温烧结
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反应机理
❖ 颗粒间放电说：颗粒间放电激发等离子体，可以解释导电性 材料的反应，无法解释非导电性材料的反应；
❖ 放电－热传导说：导电性材料中存在放电效应与热效应，非 导电性材料的反应源于模具的热传导，无法解释与其他方法 的区别；
❖ 诱导电磁波说：导体、非导体在反应过程中都出现诱导电磁 波，未能给出诱导电磁波的产生机制。
加热 放电 光激励
直流放电 射频放电 微波放电
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SPS装置
❖ 轴向压力装置； ❖ 水冷冲头电极； ❖ 真空腔体； ❖ 气氛控制系统（真空，氩气）； ❖ 直流脉冲电源及冷却水； ❖ 监测控制系统。
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SPS内部装置示意图
1 电极；2 冲头；3 模腔；4 样品粉末
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脉冲放电的作用效果
脉冲电压
现象
❖ 工作原理：利用电极间的电弧放电进行加热。
❖ 电极材料：石墨。
❖ 分类：
交流电弧炉 直流电弧炉
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电弧炉图示
1-倾炉液压缸 2-倾炉摇架 3-炉门 4-熔池 5-炉盖 6-电极 7-电极夹紧器 8-炉体 9-电弧 10-出钢槽
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电极损耗 电网干扰 熔池温度 炉体结构 炉体容量 消耗电能
直流 VS 交流
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简易感应炉
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工业用感应炉
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感应炉 VS 电阻炉
❖ ——感应炉：
❖ ——电阻炉：
1. 最高使用温度2500℃；
1. 最高使用温度1800 – 2000℃；
2. 炉膛寿命长，基本不需要维护； 2. 需要经常更换发热体和电接头 部分；
3. 发热体与外界不接触，炉膛结 构密实，保温性能好；
3. 发热体与外界有接触，炉膛保 温性能相对较差；
最高温度 / ℃
1850 1950 2000 2400 2500 2500 3000
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电阻炉实物图片
7
1.2 感应炉
❖ 简介：也称高频感应加热设备，主要用于金属、导电材料的 热处理、粉末热压烧结和真空熔炼等。
❖ 特点：升温速度快，操作方便、清洁，并且可准确控制实现 局部加热。
❖ 工作原理：以交流线圈为加热部件，将被加热的导体置于线 圈内。在线圈上通以交流电，在被加热的导体内产生感应电 流——涡流。由于交流电方向变化导致涡流方向变化，电能 转化为热能，实现被加热导体的迅速升温。
开
产生放电等离子
蒸发、熔化、纯化
产生放电冲击压力
局部应力和喷发
产生焦耳热
局部高温
电场作用
高速等离子迁移
脉冲电流和电压
关
热扩散
热由高温点转移
效果 表面活化 高速扩散 高速材料转移 有效加热 塑性变形提高
高密度能量供应 放电点的弥散运动
晶内快速冷却
晶内快速冷却
技术优势 低温、短时烧结
烧结难熔材料 （不需催化剂） 连接不相容材料
现代无机合成
向军辉 中国科学院大学·材料学院
学园二205室 xiangjh@ucas.ac.cn
第一章 高温合成
1. 各种高温设备； 2. 高温测量方法； 3. 高温合成反应的种类。
2
获得高温的方法及其温度
获得高温的方法
高温电阻炉 聚焦炉
闪光放电 等离子体电弧
激光 原子核裂变及聚变
高温粒子
温度 / K
❖ 工作原理：利用发热体加热。 ❖ 电阻材料：石墨，金属，氧化物，等等。
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各种电阻材料及其最高工作温度
发热体
镍铬丝 硅碳棒
铂丝 铂铑合金
钼丝 硅钼棒
钨丝
最高温度 / ℃
1060 1400 1400 1540 1650 1700 1700
发热体
ThO2 / CeO2 ThO2 / La2O3
钽丝 ZrO2 碳管 石墨棒 钨管
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SPS技术的应用
❖ 纳米材料；
❖ 磁性材料；
❖ 梯度功能材料；
❖ 大块非晶合金材料；
❖ 先进陶瓷材料；
❖ 其他材料。
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纳米材料的制备
❖ 纳米材料制备存在的问题：利用传统的方法，如热压、热等静压烧结等等，难 以在保证晶粒尺寸为纳米级别的同时达到完全致密化。
❖ SPS技术：在有效阻止晶粒长大的同时达到完全致密化。
直流电弧炉 小 小 均匀 简单 大 少
交流电弧炉 大 大
较不均匀 复杂 小 多
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1.4 放电等离子烧结炉（SPS）
❖ 简介：ห้องสมุดไป่ตู้电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS），又称等离 子活化烧结（Plasma Activated Sintering，PAS）或等离子辅助烧结 （Plasma Assisted Sintering，PAS）。是九十年代兴起的一种高温 制备新技术。
1,273 – 3,273 4,000 – 6,000
> 4,273 20,000 105 – 106 106 – 109 1010 – 1014
3
1 高温反应设备
❖ 电阻炉 ❖ 感应炉 ❖ 电弧炉 ❖ 放电等离子烧结炉（ Spark Plasma Sintering ）
4
1.1 电阻炉
❖ 简介：最常见的加热设备。具有结构简单，使用方便，温度 精确可控等优点。
次烧成；利用CVD、PVD等方法，成本昂贵，难以实现工业 化生产。 ❖ SPS技术：能够以较低的成本实现一次烧成。
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梯度功能材料的SPS烧结
❖ 以超细SiC的烧结为例：
相对密度 / ％ 显微韦氏硬度 / GPa.mm-2
断裂韧性 / MPa.m1/2
热压烧结 92 – 93 23.0 – 29.0 3.2 – 4.2
SPS烧结 99 28.6 4.7
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梯度功能材料的制备
❖ 梯度功能材料的特点：组份存在梯度变化。 ❖ 难点：由于不同组份的烧结温度不同，利用传统方法难以一
1930——1965——1988——1990
❖ 特点：快速、低温、节能、环保，等等。
❖ 工作原理：利用脉冲大电流直接施加于石墨模具和样品，产生体加热， 实现样品的快速升温。同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应，净化颗 粒表面，实现快速烧结。
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等离子体的获得方式
物质状态
固态
液态
气态 获得方式
等离子态