7-高温合成课件.ppt
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- 高温 合成 课件
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1、第七章第七章 高温合成和低温合成高温合成和低温合成7.1 各种高温设备;各种高温设备;7.2 高温测量方法;高温测量方法;7.3 高温合成反应的种类;高温合成反应的种类;7.4 低温合成低温合成获得高温的方法及其温度获得高温的方法及其温度获得高温的方法获得高温的方法温度温度 / K高温电阻炉高温电阻炉1,273 3,273聚焦炉聚焦炉4,000 6,000闪光放电闪光放电 4,273等离子体电弧等离子体电弧20,000激光激光105 106原子核裂变及聚变原子核裂变及聚变106 109高温粒子高温粒子1010 10147.1 高温反应设备高温反应设备v电阻炉电阻炉v感应炉感应炉v电弧炉电弧炉v
2、放电等离子烧结炉(放电等离子烧结炉( Spark Plasma Sintering )1 电阻炉电阻炉v简介: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。等优点。v工作原理:工作原理:电阻炉以电为热源,通过电热元件将电能转化为热能,在电阻炉以电为热源,通过电热元件将电能转化为热能,在炉内进行加热。炉内进行加热。v电阻材料:电阻材料:石墨,金属,氧化物,等等。石墨,金属,氧化物,等等。各种电阻材料及其最高工作温度各种电阻材料及其最高工作温度发热体发热体最高温度最高温度 / 镍铬丝1060硅碳棒1400铂丝1400铂铑合
3、金1540钼丝1650硅钼棒1700钨丝1700发热体发热体最高温度最高温度 / ThO2 / CeO21850ThO2 / La2O31950钽丝2000ZrO22400碳管2500石墨棒2500钨管3000电阻炉图片2 感应炉感应炉v简介: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、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。具有升温速度快,操作方便、清洁等优点,粉末热压烧结和真空熔炼等。具有升温速度快,操作方便、清洁等优点,并且可准确控制实现局部加热。并且可准确控制实现局部加热。v工作原理:工作原理:以交流线圈为加热部件,将被加热的导体
4、置于线圈内。在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。迅速升温。简易感应炉工业用感应炉感应炉感应炉 VS 电阻炉电阻炉v感应炉:感应炉:1.最高使用温度最高使用温度2500;2.炉膛寿命长,基本不需要维护;炉膛寿命长,基本不需要维护;3.发热体与外界不接触,炉膛结发热体与外界不接触,炉膛结构密实,保温性能好;构密实,保温性能好;4.节能。
5、节能。v电阻炉:电阻炉:1.最高使用温度最高使用温度1800 2000;2.需要经常更换发热体和电接头需要经常更换发热体和电接头部分;部分;3.发热体与外界有接触,炉膛保发热体与外界有接触,炉膛保温性能相对较差;温性能相对较差;4.能耗较大。能耗较大。应用范围应用范围v金属表面热处理;金属表面热处理;v感应焊接;感应焊接;v铸造熔炼;铸造熔炼;v锻造锻造/轧制毛坯加热;轧制毛坯加热;v金属材料空中悬浮熔炼;金属材料空中悬浮熔炼;v复合材料加热。复合材料加热。3 电弧炉电弧炉v简介: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
6、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。点是耗电量大,不利于电网容量小的国家和地区推广。v工作原理:工作原理:利用电极间的电弧放电进行加热。利用电极间的电弧放电进行加热。v电极材料:电极材料:石墨。石墨。v分类:分类:交流电弧炉交流电弧炉直流电弧炉直流电弧炉直流直流 VS 交流交流直流电弧炉直流电弧炉交流电弧炉交流电弧炉电极损耗电极损耗小小大大电网干扰电网干扰小小大大熔池温度熔池温度均匀均匀较不均匀较不均匀炉体结构炉体结构简单简单复杂复杂炉体容量炉体容量大大小小消
7、耗电能消耗电能少少多多电弧炉图示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 4 放电等离子烧结炉(放电等离子烧结炉(SPS)v简介:简介:放电等离子烧结(放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS),又称等),又称等离子活化烧结(离子活化烧结(Plasma Activated Sintering,PAS)或等离子辅助烧)或等离子辅助烧结(结(Plasma Assisted Sintering,PAS)。是九十年代兴起的一种高)。是九十年代兴起的一种高温制备新技术,具有快速、低温、节能、环保等特
8、点。温制备新技术,具有快速、低温、节能、环保等特点。v工作原理: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,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。粒表面,实现快速烧结。等离子体的获得方式等离子体的获得方式物质状态物质状态固固 态态液液 态态气气 态态等离子态等离子态加加 热热放放 电电光激励光激励直流放电直流放电射频放电射频放电微波放电微波放电获得方式获得方式SPS装置v轴向压力装置;轴向压力装置;v水冷冲头电极;水冷
9、冲头电极;v真空腔体;真空腔体;v气氛控制系统(真空,氩气);气氛控制系统(真空,氩气);v直流脉冲电源及冷却水;直流脉冲电源及冷却水;v监测控制系统。监测控制系统。SPS内部装置示意图1-电极 2-冲头 3-模腔 4-样品粉末反应机理反应机理v颗粒间放电说颗粒间放电说: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;v放电放电热传导说热传导说: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;v诱导电磁波说诱导电磁波说: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。SPS技术的应用技术的应用
10、v纳米材料;纳米材料;v梯度功能材料;梯度功能材料;v先进陶瓷材料;先进陶瓷材料;v磁性材料;磁性材料;v大块非晶合金材料;大块非晶合金材料;v其他材料。其他材料。纳米材料的制备纳米材料的制备v纳米材料制备存在的问题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。vSPS技术技术:在有效阻止晶粒长大的同时达到完全致密化。v以超细以超细SiC的烧结为例的烧结为例:热压烧结SPS烧结相对密度 / 92 9399显微韦氏硬度 / GPa.mm-223.0 29.028.6断裂韧性 / MPa.m1/23.2 4.24.7梯度功能材料
11、的制备梯度功能材料的制备v梯度功能材料梯度功能材料(Functionally Graded Material,简称FGM)是以计算机辅助设计为基础,采用先进的材料制备技术,使材料的组成,结构沿厚度方向呈梯度变化。从而使材料的性能也呈梯度变化的一种新型材料。v难点难点:由于不同组份的烧结温度不同,利用传统方法难以一次烧成;利用CVD、PVD等方法,成本昂贵,难以实现工业化生产。vSPS技术技术:以较低的成本实现一次烧成。梯度功能材料的SPS烧结PSZ / Ti梯度材料非晶合金材料的制备非晶合金材料的制备v非晶合金材料的制备关键非晶合金材料的制备关键:针对合金成分,选择适当的条件,保证合金具有极低
12、的非晶形成临界冷却速度,提高形成非晶的能力。vSPS技术技术:利用脉冲过程中晶内快速冷却的特点制备非晶合金材料。SPS技术制备其他材料v先进陶瓷材料先进陶瓷材料:追求晶粒细化和显微结构高致密化;v磁性材料磁性材料:追求晶粒细化;v热电材料热电材料:追求成分梯度化;v铁电材料铁电材料:追求晶粒细化和显微结构高致密化。SPS技术的优势v加热均匀,升温速度快;加热均匀,升温速度快;v烧结温度低;烧结温度低;v烧结时间短;烧结时间短;v生产效率高;生产效率高;v产物显微组织细小均匀,产物显微组织细小均匀,能保持原材料的自然状态;能保持原材料的自然状态;v可以得到高致密度的材料;可以得到高致密度的材料;
13、v操作简单,自动化程度高。操作简单,自动化程度高。发展趋势vSPS是一种低温、短时的快速烧结法,可用于制备金属、陶瓷、纳米材是一种低温、短时的快速烧结法,可用于制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料等等,将在无机化合物的合成与新材料的研究与生产中发料、非晶材料等等,将在无机化合物的合成与新材料的研究与生产中发挥重要作用;挥重要作用;vSPS的基础理论还有待进一步研究完善,反应设备向多功能、高脉冲容的基础理论还有待进一步研究完善,反应设备向多功能、高脉冲容量发展,适应形状复杂、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产要求;量发展,适应形状复杂、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产要求;v开发强度更高、重
14、复使用率更好的模具材料,提高模具的承载能力并降开发强度更高、重复使用率更好的模具材料,提高模具的承载能力并降低模具费用;低模具费用;v针对不同材料体系,寻找确定反应规律,更好的控制产品质量。针对不同材料体系,寻找确定反应规律,更好的控制产品质量。7.2 温度测试设备温度测试设备液体膨胀式固体膨胀式膨胀式温度计液体型气体型蒸汽型压力式温度计铂电阻铜电阻特殊电阻半导体热敏电阻热电阻温度计铂铑铂镍铬镍硅(镍铝)镍铬康铜特殊热电偶热 电 偶接触式辐射高温计比色高温计光学高温计(亮度高温计)非接触式测温仪表1 温标的建立与发展v在高温测量方面,古代人们在烧窑和冶炼时通过观察火焰和被加热物体的颜色判断温度
15、,利用陶土制在高温测量方面,古代人们在烧窑和冶炼时通过观察火焰和被加热物体的颜色判断温度,利用陶土制作的熔锥在高温下的弯曲程度判定温度;作的熔锥在高温下的弯曲程度判定温度;v1714年,德国物理学家华伦海特(年,德国物理学家华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit ),华氏水银温度计(冰点),华氏水银温度计(冰点32度,沸点度,沸点212度,间隔度,间隔180度);度);v1742 1745年,瑞典的摄耳修斯(年,瑞典的摄耳修斯(Celsius)、林奈,摄氏水银温度计(冰点)、林奈,摄氏水银温度计(冰点0度,沸点度,沸点100度,间隔度,间隔100度);度);v1802年,
16、气体温度计;年,气体温度计;v1821年,德国的塞贝克(年,德国的塞贝克(Seebeck)发现热电效应,英国的戴维尔发现电阻随温度变化的规律,随后)发现热电效应,英国的戴维尔发现电阻随温度变化的规律,随后出现热电偶温度计和热电阻温度计出现热电偶温度计和热电阻温度计v20世纪初,出现辐射温度计和光学高温计;世纪初,出现辐射温度计和光学高温计;v各种现代测温仪,如热像仪,激光测温仪等等。各种现代测温仪,如热像仪,激光测温仪等等。2 热电偶v工作原理工作原理:由两种不同的均质导体形成回路,用于直接测量的一端称为测量端,接线的一端称为参比端。当两端存在温差时,就会在回路中产生热电流(Seebeck效应
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