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1、第三章 低温合成技术第1页，共28页，编辑于2022年，星期二v1 1、低温的定义？低温的范围？、低温的定义？低温的范围？v2 2、低温现象？生活中低温的应用？、低温现象？生活中低温的应用？v3 3、材料在低温下会发生什么变化？、材料在低温下会发生什么变化？v4 4、为什么要获得低温？低温的应用？、为什么要获得低温？低温的应用？v5 5、如何获得低温？、如何获得低温？v6 6、如何测量低温？、如何测量低温？v7 7、如何控制低温？、如何控制低温？v8 8、低温在材料科学与工程中的应用？、低温在材料科学与工程中的应用？技术问题技术问题目的问题目的问题常识问题常识问题材料问题材料问题第2页，共28
2、页，编辑于2022年，星期二v1、低温的定义？、低温的定义？1）低温物理学：低温物理学：150,123K以下的温度。以下的温度。2）低温是：低温是：低于液氮温度（低于液氮温度（77K）；）；低于液氦温度（低于液氦温度（4.2K）（超低温）（超低温）v 3）制冷技术：制冷技术：120K以上，普冷；以上，普冷；1200.3K，深冷（又称低温）；，深冷（又称低温）；0.3K以下，极低温。以下，极低温。第3页，共28页，编辑于2022年，星期二2、生活中低温的应用？低温现象？、生活中低温的应用？低温现象？v食品冷冻冷藏、舒适性空气调节、医疗卫生食品冷冻冷藏、舒适性空气调节、医疗卫生、工业工业。v随着温
3、度的不断降低，物质发生着巨大的变化，出现了许多随着温度的不断降低，物质发生着巨大的变化，出现了许多神奇的现象：神奇的现象：v 锡块变成了锡粉；锡块变成了锡粉；v 空气在空气在-190时会变成浅蓝色液体；时会变成浅蓝色液体；v 橡胶变得像玻璃一样脆；橡胶变得像玻璃一样脆；v 鸡蛋摔在地上会像皮球一样跳起来；鸡蛋摔在地上会像皮球一样跳起来；v “玻璃金鱼玻璃金鱼”复活。复活。第4页，共28页，编辑于2022年，星期二3 3、材料在低温下会发生什么变化？、材料在低温下会发生什么变化？1 1）机械性能机械性能：低温脆化：低温脆化2 2）热学性质热学性质：固体比热容在某些温度下会突变：固体比热容在某些温
4、度下会突变3 3）电学性质电学性质：金属的导电性明显提高，而半导体的导电性则大大降低：金属的导电性明显提高，而半导体的导电性则大大降低低温超导（高温超导）低温超导（高温超导）4 4）磁学性质磁学性质：在足够低的温度下，原则上所有顺磁物质均可表现：在足够低的温度下，原则上所有顺磁物质均可表现出铁磁性或反铁磁性；非金属材料在低温下也能表现出磁性，出铁磁性或反铁磁性；非金属材料在低温下也能表现出磁性，但在温度超过一定限度时就会失去磁性。目前，临界温度最高但在温度超过一定限度时就会失去磁性。目前，临界温度最高的非金属磁体在的非金属磁体在-230-230左右。左右。第5页，共28页，编辑于2022年，星
5、期二v4、为什么要获得低温？、为什么要获得低温？（1）大量气态、易挥发或对水、氧、热等敏感的无机化合物的合）大量气态、易挥发或对水、氧、热等敏感的无机化合物的合成及相关反应只能在低温条件下进行。成及相关反应只能在低温条件下进行。（2）利用低温下材料的特性、低温现象。）利用低温下材料的特性、低温现象。1）低温脆化）低温脆化制药、制药、液氮低温加工橡胶品液氮低温加工橡胶品 2）低温超导）低温超导磁悬浮列车磁悬浮列车 3）生物冷冻）生物冷冻“冷刀冷刀”、“生物冷冻生物冷冻”（3）气体的液化和分离：通过降温产生物态变化，可以使气体液化、气体的液化和分离：通过降温产生物态变化，可以使气体液化、混合气体分
6、离。混合气体分离。（4）超低温条件能促进化学反应的进行。）超低温条件能促进化学反应的进行。第6页，共28页，编辑于2022年，星期二第7页，共28页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 低温的获得低温的获得v一、低温的获得途径：一、低温的获得途径：1、相变制冷、相变制冷 2、热电制冷、热电制冷 3、气体绝热膨胀、气体绝热膨胀 4、绝热去磁、绝热去磁第8页，共28页，编辑于2022年，星期二第9页，共28页，编辑于2022年，星期二相变制冷相变制冷v相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量的改变，会吸收或放出热
7、量潜热潜热。固固 体体液液 体体气气 体体吸收潜热吸收潜热放出潜热放出潜热吸收潜热吸收潜热放出潜热放出潜热吸收潜热吸收潜热放出潜热放出潜热固体升华制冷固体升华制冷液体气化制冷液体气化制冷液体气化制冷液体气化制冷固体熔化制冷固体熔化制冷第10页，共28页，编辑于2022年，星期二第11页，共28页，编辑于2022年，星期二二、低温源二、低温源 1 1）水冷浴）水冷浴自来水冷却自来水冷却 室温室温1212，流动的水；，流动的水；12 12 0 0，加入冰块，加入冰块v冰冰盐体系盐体系（最常用）（最常用）(固体熔化制冷固体熔化制冷)适用温度：适用温度：0 0 -25-25盐的种类盐的种类NaClNa
8、ClNHNH4 4ClClKClKClZnClZnCl2 2NaNONaNO3 3NHNH4 4NONO3 3盐的克数盐的克数/100g/100g冰冰333325253030515159594545冰点冰点/-21.2-21.2-15.8-15.8-11.1-11.1-62-62-18.53-18.53-17.3-17.31、低温冷浴、低温冷浴第12页，共28页，编辑于2022年，星期二冰冰酸体系酸体系一份浓硝酸一份浓硝酸+一份冰一份冰低温低温-37.5-37.5 一份浓盐酸一份浓盐酸+两份冰两份冰低温低温-56-56 一份浓盐酸一份浓盐酸+三份冰三份冰低温低温-43-43 第13页，共28页
9、，编辑于2022年，星期二干冰干冰(固体升华制冷固体升华制冷)原理：干冰的升华温度为原理：干冰的升华温度为-78.3-78.3，干冰的导热性不好，干冰的导热性不好液态空气（液态空气（-193-193186186）(液体气化制冷液体气化制冷)低沸点液体低沸点液体 溶剂溶剂冷浴温度冷浴温度/溶剂溶剂冷浴温度冷浴温度/四氯化碳四氯化碳-23-23乙醇乙醇-72-72氯乙烷氯乙烷-60-60丙酮丙酮-78-78液体液体液液NHNH3 3SOSO2 2液液O O2 2液液N N2 2沸点沸点/-33.4-33.4-10.0-10.0-183.0-183.0-196.0-196.0 2 2）非水冷浴）非水
10、冷浴第14页，共28页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 低温的控制低温的控制v主要方法：主要方法：v1 1、使用恒温冷浴、使用恒温冷浴:原理：利用调节制冷剂的量来恒定温度。原理：利用调节制冷剂的量来恒定温度。冷浴的温度会随环境温度变化！冷浴的温度会随环境温度变化！方法：要不断取走部分溶液，加入新的冰和方法：要不断取走部分溶液，加入新的冰和(酸或盐酸或盐)！v2 2、使用低温恒温器、使用低温恒温器（1 1）减压降温恒温器）减压降温恒温器原理：改变液体上方蒸汽的压强改变温度。原理：改变液体上方蒸汽的压强改变温度。（2 2）连续流恒温器）连续流恒温器原理：利用调节制冷剂的流量来控制温度。原理：
11、利用调节制冷剂的流量来控制温度。第15页，共28页，编辑于2022年，星期二液体气化制冷控制温度液体气化制冷控制温度：蒸汽蒸汽液体液体制冷装置恒温制冷装置恒温加压液化加压液化低压汽化低压汽化抽走抽走加入加入降温吸附降温吸附加热解吸加热解吸制冷过程回收过程第16页，共28页，编辑于2022年，星期二 最简单的一种液体浴低温最简单的一种液体浴低温恒温器如图所示，它可以用于恒温器如图所示，它可以用于保持保持-70-70 以下的温度。它的以下的温度。它的制冷是通过一根铜棒来进行的，制冷是通过一根铜棒来进行的，铜棒作为冷源，它的一端同液铜棒作为冷源，它的一端同液氮接触，氮接触，可借铜棒浸入液氮的可借铜棒
12、浸入液氮的深度来调节温度，深度来调节温度，目的是使冷目的是使冷浴温度比我们所要求的温度浴温度比我们所要求的温度低低 5 5 左右另外有一个控左右另外有一个控制加热器的开关，经冷热调制加热器的开关，经冷热调节可使温度保持在恒定温度节可使温度保持在恒定温度.(.(正负正负 0.1)0.1)第17页，共28页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 低温的测量低温的测量v常用测量温度计常用测量温度计v1、蒸汽压温度计、蒸汽压温度计（-200600）：）：液体的蒸汽压随温度变化，通过测量蒸汽压知道其温度。液体的蒸汽压随温度变化，通过测量蒸汽压知道其温度。v2、低温热电偶、低温热电偶（-2002000）：
13、与高温热电偶不同处：与高温热电偶不同处：1）丝径更细，满足低温下漏热少；）丝径更细，满足低温下漏热少；2）焊接点要能承受低温，不脱离。）焊接点要能承受低温，不脱离。第18页，共28页，编辑于2022年，星期二v3 3、低温电阻温度计、低温电阻温度计（-258900）制作电阻温度计时，应选用电阻比较大、性能稳定、物理及制作电阻温度计时，应选用电阻比较大、性能稳定、物理及金属复制性能好的材料，最好选用电阻与温度间具有线性关系金属复制性能好的材料，最好选用电阻与温度间具有线性关系的材料。常用的有铂电阻温度计、锗电阻温度计、碳电阻温度的材料。常用的有铂电阻温度计、锗电阻温度计、碳电阻温度计、铑铁电阻温
14、度计等。计、铑铁电阻温度计等。v4 4、红外辐射温度计、红外辐射温度计（503200）非接触式，适用浴腐蚀性环境、运动物体的温度测量。非接触式，适用浴腐蚀性环境、运动物体的温度测量。但精确度低，因为低温辐射能量低，而且发射的常常是波长但精确度低，因为低温辐射能量低，而且发射的常常是波长较长的红外线。较长的红外线。第19页，共28页，编辑于2022年，星期二第四节第四节 低温的应用实例低温的应用实例 1 1、低温下气体的分离低温下气体的分离 2 2、低温化学中的低温合成：低温化学中的低温合成：v1 1）低温下稀有气体化合物的合成低温下稀有气体化合物的合成v2 2）低温下挥发性化合物的合成低温下挥
15、发性化合物的合成v3 3）低温下的放电合成低温下的放电合成v4 4）低温水解合成低温水解合成v5 5）低温下光化学合成低温下光化学合成 3 3、超细材料合成超细材料合成 4 4、非晶态合成非晶态合成第20页，共28页，编辑于2022年，星期二1、低温分级分离应用实例：、低温分级分离应用实例：这一混合物如何分离呢？这一混合物如何分离呢？第21页，共28页，编辑于2022年，星期二第22页，共28页，编辑于2022年，星期二 合合成成反反应应的的基基本本装装置置第23页，共28页，编辑于2022年，星期二v例：甲硅烷例：甲硅烷(SiH4)的合成的合成 制备制备SiH4最古的方法是用稀盐酸处理硅化镁
16、，如以最古的方法是用稀盐酸处理硅化镁，如以Si02为起始原为起始原料，则反应式为料，则反应式为:Si02+MgMg2Si Mg2Si+HCl SiH4（一（一196）注意：用此方法合成的注意：用此方法合成的SiH4，常含有乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷，常含有乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷以及其它高纯硅烷，为得到纯以及其它高纯硅烷，为得到纯SiH4分须进行分离。分须进行分离。SiH4用一用一196(戊烷作冷媒戊烷作冷媒)的捕集器收取。的捕集器收取。（1）半导体材料气体化合物的合成）半导体材料气体化合物的合成2、材料低温合成实例、材料低温合成实例第24页，共28页，编辑于2022年，星期二（2）低温合成超微粒子
17、）低温合成超微粒子v 金属超微粒子的合成，通常采用金属蒸气法，即把反应体系金属超微粒子的合成，通常采用金属蒸气法，即把反应体系(真真空罩空罩)抽成真空，根据金属活泼性的不同选择通入几至几百抽成真空，根据金属活泼性的不同选择通入几至几百torr的的N2、He、Ne、Ar等不活泼性气体。用电阻、高频、电弧等离子等不活泼性气体。用电阻、高频、电弧等离子体、激光、溅射、电子束等体、激光、溅射、电子束等加热金属，使之熔融气化，金属原子或加热金属，使之熔融气化，金属原子或加热金属，使之熔融气化，金属原子或加热金属，使之熔融气化，金属原子或原子团在低温的不活泼性气体中骤冷成烟状，烟粒子附着在器壁上，原子团在
18、低温的不活泼性气体中骤冷成烟状，烟粒子附着在器壁上，原子团在低温的不活泼性气体中骤冷成烟状，烟粒子附着在器壁上，原子团在低温的不活泼性气体中骤冷成烟状，烟粒子附着在器壁上，渐渐落到基板上，即可得金属超微粒子。渐渐落到基板上，即可得金属超微粒子。渐渐落到基板上，即可得金属超微粒子。渐渐落到基板上，即可得金属超微粒子。用此方法现已合成用此方法现已合成Ni、Pt、W等金属超微粒子。等金属超微粒子。用同样的方法，如果在真空系统通入用同样的方法，如果在真空系统通入N2、NH3、CH2、O2等等气体即可合成金属的氧化物、氮化物、碳化物等超微粒子。气体即可合成金属的氧化物、氮化物、碳化物等超微粒子。第25页
19、，共28页，编辑于2022年，星期二（3）低温下非晶质材料的合成）低温下非晶质材料的合成v非晶质材料是在非平衡状态合成的，通常采用气相淬火法、液非晶质材料是在非平衡状态合成的，通常采用气相淬火法、液相高速淬火法和离子注入法或轰击法。相高速淬火法和离子注入法或轰击法。v气相淬火法气相淬火法系指系指真空蒸镀法和溅射法，元素呈原子状态真空蒸镀法和溅射法，元素呈原子状态真空蒸镀法和溅射法，元素呈原子状态真空蒸镀法和溅射法，元素呈原子状态(气相气相气相气相)迅迅迅迅速地凝固在底板上。速地凝固在底板上。速地凝固在底板上。速地凝固在底板上。因为原子撞击在底板上失去能量，流动性大为因为原子撞击在底板上失去能量
20、，流动性大为降低，不能建立起周期点阵，因此可以形成非晶态。对某些材料降低，不能建立起周期点阵，因此可以形成非晶态。对某些材料(如如Ni一一Si)可在室温底板上获得非晶态。但对于某些材料，特别是低熔可在室温底板上获得非晶态。但对于某些材料，特别是低熔点的金属点的金属(如如Bi、Ge)则需要则需要液氮温度的底板液氮温度的底板液氮温度的底板液氮温度的底板。还有些元素即使在。还有些元素即使在这样的低温下也不形成非晶态或是形成了也极不稳定。那么，这样的低温下也不形成非晶态或是形成了也极不稳定。那么，则需加入则需加入“非晶化稳定剂非晶化稳定剂”。如。如Sn、In、Te等需掺入等需掺入10%20%的第二组分
21、才能稳定非晶结构。的第二组分才能稳定非晶结构。第26页，共28页，编辑于2022年，星期二v液相高速淬火法液相高速淬火法是制备非晶态金属是制备非晶态金属(合金合金)材料的主要方法。材料的主要方法。其基其基其基其基本原理与玻璃的转变过程类似，仅是冷却速度不同而已。本原理与玻璃的转变过程类似，仅是冷却速度不同而已。本原理与玻璃的转变过程类似，仅是冷却速度不同而已。本原理与玻璃的转变过程类似，仅是冷却速度不同而已。玻璃熔玻璃熔体的粘度大，冷却速度通常为体的粘度大，冷却速度通常为10/S。液态金属粘度小，流动。液态金属粘度小，流动性很大，性很大，形成非晶态的冷却速度必须为形成非晶态的冷却速度必须为10
22、4108 /S。这样高这样高的冷却速度，在技术上难度是很大的。经努力，现在冷却的冷却速度，在技术上难度是很大的。经努力，现在冷却速度已达速度已达106107 /S。用双辊急冷法和单辊滚筒离心急冷。用双辊急冷法和单辊滚筒离心急冷法制成了非晶态金属带法制成了非晶态金属带(箔箔)材，用水纺丝法制成了线材，材，用水纺丝法制成了线材，用空化法制成了粉末。用空化法制成了粉末。第27页，共28页，编辑于2022年，星期二作业：作业：1 1、低温的获得途径有那些？、低温的获得途径有那些？2 2、低温热电偶的注意事项？、低温热电偶的注意事项？3 3、举一个低温在材料合成中应用的实例？、举一个低温在材料合成中应用的实例？第28页，共28页，编辑于2022年，星期二