高温高压合成

• Bridgman 开创了高压下物质的相变和物理性质的 研究领域，1946年获得诺贝尔奖；以后引起了人 们对高压合成新物质、新材料的关注。
• 1955年，Bundy 等人首次利用高压手段人工地合 成出只有地球内部条件下才能形成的、具有重大 应用价值的金刚石。
• Wentorf借助高压方法又合成出自然界中未曾发现 的、与碳具有等电子结构的、硬度仅次于金刚石 的立方氮化硼。
现在通用的是利用纯金属Bi (I～II) (2.5 GPa)、Tl (I～II) (3.67 GPa)、Cs (II～III) (4.2 GPa)、Ba (I～II) (5.3 GPa)、 Bi (III～IV) (7.4 GFa)等相变时电阻发生跃变的压力值作 为定标点。有时也试用一维有机金属络合物Pt(DMG)2 (6.9 GPa)和聚苯胺有机高分子PAn—H (3.5 GPa)材料的 电阻—压力极小值作为定标，效果也不错。
及其它的特殊电子态 • 要求某些高压条件下才能出现的特殊性能 • 材料制备中有提高致密度的要求。
• 高压的产生：
• 静高压：利用外界机械加载 方式，通过缓慢逐渐施加负
荷挤压所研究的物质或试样，
当其体积缩小时，在物质或
试样内部产生高压强；由于
外界施加载荷的速度较慢，
通常不会伴随着物质的升温， 所产生的高压力。
高压高温合成方法
高压高温合成产物的状态变化分为两类：
• 某种物质经过高压高温作用后其产物的组成即 成份保持不变，但发生了晶体结构的多型相转 变，形成新相物质；
• 某种物质体系，经过高压高温作用后，发生了 元素间或不同物之间的化合，形成新化合物、 新物质。
动高压： 利用爆炸(核爆炸．火药爆炸等)、强放电等产生的冲击 被，在s～ps的瞬间以很高的速度作用到物体上，可使 物体内部压力达到几十GPa以上，甚至几千GPa，同时伴 随着骤然升温。这种高压力，就称为动态高压。它也可用 来开展新材料的合成研究，但因受条件的限制。动高压材 料合成的研究工作，开展得还不多。
• 就是利用外加的高压力，使物质产生多型相转变或发生 不同物质问的化合，而得到新相、新化合物或新材料。 由于施加在物质上的高压卸掉以后，大多数物质的结构 和行为产生可逆的变化，失去高压状态的结构和性质。
• 通常的高压合成都采用高压和高温两种条件交加的高压 高温合成法，目的是寻求经卸压降温以后的高压高温合 成产物能够在常压常温下保持其高压高温状态的特殊结 构和性能的新材料。
• 是利用油压机作为动力，推 动高压装置中的高压构件， 挤压试样，产生高压。最常 见的有六面顶(高压构件由六 个顶锤组成)高压装置和年轮 式两面顶(高压构件由一对顶 锤和一个压缸组成)高压装置。
是利用天然金刚石作顶锤(压砧)，制成的微型金刚石 对顶砧高压装置。这种装置可以产生几十GPa到三 百多GPa的高压，还可以与同步辐射光源、X射线衍 射、Raman散射等测试设备联用开展高压条件下的 物质相变、高压合成的原位测试。但是若以合成材 料作为研究目的，微型金刚石对顶砧的腔体太小(约 10 mm)，难于取出试样来进行产物的各种表征及作 其它性能的测试。
• 新物质的高压合成和材料的制备工作才发展成研 究热潮。
高温高压的合成方法
• 在大气压条件下(0.1 MPa)不能生长出满意的晶体 • 要求有特殊的晶型结构 • 晶体生长需要高的蒸汽压 • 生长或合成的物质在大气压下或在熔点以下发生分解 • 在常压条件下不能发生的化学反应而只有在高压条件
下才能发生化学反应 • 要求有某些高压条件下才能出现的高价态或低价态以
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高压和高温的测量 高压的测量： 高压合成要测量的物理量首先是作用在试样单位面积上的 压力，也就是压强。在高压研究的文献中，一般都习惯地] 把压强称为压力，它不等于外加的载。在实验室和工业生 产中，经常采用物质相变点定标测压法。利用国际公认的 某些物质的相变压力作为定标点，把一些定标点和与之对 应的外加负荷联系起来，给出压力定标曲线，就可以对高 压腔内试样所受到的压力进行定标。
对于微型金刚石对顶砧高压装置，常采用红宝石的荧光R 线随压力红移的效应进行定标测压，也有利用NaCI的晶 格常数随压力变化来定标的。
高温的测量: 在静高压装置高压腔内试样温度的测量中，最常用方法， 是热电偶直接量热法。因为是在高压作用下的热电偶高温 测量，技术上有较大的难度，如果积累一定的经验，可以 获得较高的测试成功率和精确度。 常用的热电偶有Pt30 ％Rh—Pt6 ％Rh，Pt—PtlO ％Rh， 以及镍铬—镍铝热电偶。 其中双铂铭热电偶的热和化学稳定性很好，对周围有很强 的抗污染能力，其热电动势对压力的修正值很小，可适用 于2000 K范围的高压下的高温测量。
通常，以产物合成为研究目的的高压装置都采用具有 大腔体(10-1 cm3，甚至数百cm3)的大型高压装置(如两 面顶和六面顶压机等)。其中还有一种压腔较小(仅比 金刚石对顶砧大很多)的装置，压强可达30 GPa，它 也可以和同步辐射及其它测试装置联用，进行一些原 位测试。进行工业生产使用的工业装置，压腔一般比 较大，压强可以达到8 GPa。
高压合成
• 高温高压的合成方法 • 无机化合物的高压合成 • 无机材料的高压制备 • 无机高压在合成中的作用
• 范围从1-10 Mpa的低压力到几十个Gpa的高压力合成。
• 典型的物理极端条件能够有效改变物质的原子间距和原 子壳层状态，用作原子间距调制，信息探针和其它特殊 的应用手段。
• 利用高压手段不仅可以帮助人们从更深的层次去了解常 压条件下的物理现象和性质，而且可以发现常规条件下 难以产生而只在高压环境才能出现的新现象、新规律、 新物质、新性能、新材料。
高温的产生： 直接加热：大电流直接通过试样，可以在试样中产生高达 2000多K的高温；利用激光直接加热，可产生2000-5000 K高温，冲击波可在产生高压的同时产生高温。
间接加热：高压腔内试样室外放置加热管，外加大电流通 过加热管，使式样升温，可到2000K。
炸药
炸药透镜
电雷管
铝质环 密封圈 铁插销 粉末材料