陕西科技大学材料学院无机合成课件161718微重力法超重力仿生

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1、无机合成与制备化学主讲：曹丽云主讲：曹丽云2007.11 陕科大陕科大 若把地球表面的平均重力加速度记为若把地球表面的平均重力加速度记为g0，则，则g0 =980cms2。 在太空中的物体，由于与地球作用距离的增加，在太空中的物体，由于与地球作用距离的增加，重力加速度将减少。重力加速度将减少。 若重力减少到零，则物体处于零重力若重力减少到零，则物体处于零重力失重状失重状态态。 微重力环境是重力受到大大削弱的特殊环境。微重力环境是重力受到大大削弱的特殊环境。严格说来，微重力的准确定义应为严格说来，微重力的准确定义应为g g0 ，这里，这里g 和和g0 分别为微重力环境和地球表面的重力加速度。分别

2、为微重力环境和地球表面的重力加速度。 所谓微重力是指重力减少到地球表面重力百万所谓微重力是指重力减少到地球表面重力百万分之一时的重力场。分之一时的重力场。第十六章第十六章 微重力合成微重力合成第一节第一节 微重力及其特点微重力及其特点 严格说来，在数值上，微重力的精确定义应为严格说来，在数值上，微重力的精确定义应为g 106 g0 。 目前目前“微重力微重力”概念已概念已延拓延拓，通常把，通常把g 102 g0 的重力环境均称为微重力环境。的重力环境均称为微重力环境。 考虑到未来的星际飞行，对于微重力的概念作考虑到未来的星际飞行，对于微重力的概念作些延拓是有意义的。因为月球上的重力场为些延拓是

3、有意义的。因为月球上的重力场为0.16 g0，火星上的重力场为，火星上的重力场为0.3 g0 ，微重力概念延拓以，微重力概念延拓以后，就可以把星际飞行重力环境中的科学实验称为后，就可以把星际飞行重力环境中的科学实验称为微重力科学实验微重力科学实验。 微重力的概念延拓以后，对于星际飞行环境中微重力的概念延拓以后，对于星际飞行环境中的科学实验，就不区分的科学实验，就不区分“弱重力弱重力”、“减重力减重力”和和“微重力微重力”，而统称为，而统称为微重力科学实验微重力科学实验。 微重力环境的研究，通过初期研究，取得微重力环境的研究，通过初期研究，取得了以下认识：了以下认识： 在微重力环境中，浮力引起的

4、对流消失在微重力环境中，浮力引起的对流消失或大大减弱，使过程控制和分析大大简化，或大大减弱，使过程控制和分析大大简化，使一些在热对流中不易研究的次要流动的使一些在热对流中不易研究的次要流动的研究工作活跃起来。研究工作活跃起来。 在微重力环境下，沉淀或斯托克斯沉降的消在微重力环境下，沉淀或斯托克斯沉降的消失，可使多组分的液体有限或无限地保持悬浮，失，可使多组分的液体有限或无限地保持悬浮，例如具有液相可混性通道系统或具有弥散的第例如具有液相可混性通道系统或具有弥散的第二相系统的凝固。需进行研究观察的过程二相系统的凝固。需进行研究观察的过程(如晶如晶体成核和生长、接近临界点的系统体成核和生长、接近临

5、界点的系统)，以及为检，以及为检验理论而进行的实验验理论而进行的实验(如发泡、凝聚、分散漂移如发泡、凝聚、分散漂移诸现象诸现象)的稳定性研究。的稳定性研究。在微重力环境下静压力消失，可使液体外形在微重力环境下静压力消失，可使液体外形受控于表面张力，这将使液体桥或熔融悬浮区受控于表面张力，这将使液体桥或熔融悬浮区扩展到瑞利极限。扩展到瑞利极限。 在晶体生长过程中，由于表面张力太小，不在晶体生长过程中，由于表面张力太小，不能支持一个合理尺寸的区域的材料，悬浮区扩能支持一个合理尺寸的区域的材料，悬浮区扩展将有明显意义。展将有明显意义。 悬浮区扩展也扩大了热量输入面积，使生长悬浮区扩展也扩大了热量输入

6、面积，使生长界面附近的温度场易于控制，有可能得到较平界面附近的温度场易于控制，有可能得到较平直的等温线，出现较少的径向偏析和陡峭的轴直的等温线，出现较少的径向偏析和陡峭的轴向梯度，从而有利于防止界面破裂，增加稳定向梯度，从而有利于防止界面破裂，增加稳定性，提高生长速度或掺杂浓度。性，提高生长速度或掺杂浓度。在微重力环境中，可进行无容器加工，用静电在微重力环境中，可进行无容器加工，用静电力、电磁力、声辐射压力就可克服飞行器剩余加力、电磁力、声辐射压力就可克服飞行器剩余加速度，使液滴或熔融体维持在一定位置，不用器速度，使液滴或熔融体维持在一定位置，不用器壁帮助，这对测量晶体材料的热物理性质和加工壁

7、帮助，这对测量晶体材料的热物理性质和加工超纯材料是有益的。超纯材料是有益的。 由于没有杂散晶核，故能使熔融材料在凝固前由于没有杂散晶核，故能使熔融材料在凝固前过冷，而过冷对固体最终微结构有重大影响，有过冷，而过冷对固体最终微结构有重大影响，有可能获得亚稳相和未进入平衡态凝固的固体样品，可能获得亚稳相和未进入平衡态凝固的固体样品，也有可能在通常不能形成玻璃的系统中获得非晶也有可能在通常不能形成玻璃的系统中获得非晶相，还可能以无容器技术消除杂散晶核来检验各相，还可能以无容器技术消除杂散晶核来检验各种单晶核理论。种单晶核理论。 在微重力环境下，熔融液体悬浮在气体中，凝在微重力环境下，熔融液体悬浮在气

8、体中，凝固后可形成极圆的球或泡，悬浮在空间形成液滴固后可形成极圆的球或泡，悬浮在空间形成液滴的力学过程。的力学过程。第二节第二节 微重力条件下的材料实验系统微重力条件下的材料实验系统 一、地面模拟系统一、地面模拟系统 (1)落塔落塔 落塔的特点如下。落塔的特点如下。 参数可调，初始状态可预置干扰；参数可调，初始状态可预置干扰； 船体大，可进行多种设备的综合性实验；船体大，可进行多种设备的综合性实验； 可多次重复实验，便于验证结果，补充修可多次重复实验，便于验证结果，补充修改实验方法、程序和设备；改实验方法、程序和设备； 实验观测可多途径实施；实验观测可多途径实施； 塔是永久性设备，舱体备有多种

9、，可并行塔是永久性设备，舱体备有多种，可并行进行准备和实验；进行准备和实验； 每次使用费用不大。每次使用费用不大。 (2)落管落管 (3)失重飞机失重飞机 (4)高空气球高空气球 (5)探空火箭探空火箭 (6)轨道飞行轨道飞行 二、轨道实验系统二、轨道实验系统 轨道实验系统：包括返地式卫星、航天轨道实验系统：包括返地式卫星、航天飞机、载人飞船、太空实验室和空间站等。飞机、载人飞船、太空实验室和空间站等。其维持时间从几天到数月，甚至几年。因其维持时间从几天到数月，甚至几年。因此轨道实验系统是材料空间加工的根本场此轨道实验系统是材料空间加工的根本场所，而地面模拟系统则是空间制备的准备所，而地面模拟

10、系统则是空间制备的准备系统。系统。 第三节第三节 微重力研究历史微重力研究历史 1969年，前苏联航空员年，前苏联航空员BKYacob在联盟在联盟6号飞船上利用乌克兰科学院巴顿电焊研究号飞船上利用乌克兰科学院巴顿电焊研究所研制的所研制的“火神火神”电子束装置在太空中成功电子束装置在太空中成功地完成了人类第一次空间焊接和合金熔化及地完成了人类第一次空间焊接和合金熔化及凝固结晶实验，从此揭开了空间材料与加工凝固结晶实验，从此揭开了空间材料与加工的序幕。的序幕。 1972年，美国的年，美国的Apllo飞船与前苏联的联飞船与前苏联的联盟号飞船对接，并在其中利用美国的盟号飞船对接，并在其中利用美国的“通

11、用通用号号”太空炉展开了晶体生长、合金定向凝固、太空炉展开了晶体生长、合金定向凝固、固固液界面反应等多方面的实验，空间材料液界面反应等多方面的实验，空间材料加工研究从此全面展开。加工研究从此全面展开。两个阶段：两个阶段： 19691979年为空间材料与加工的第一阶段。年为空间材料与加工的第一阶段。在这一阶段人们普遍认为空间环境属于在这一阶段人们普遍认为空间环境属于“失重失重”状态。重力引起的多种干扰都已消除，一切与流状态。重力引起的多种干扰都已消除，一切与流体相关的物理过程皆由纯扩散来控制。体相关的物理过程皆由纯扩散来控制。因此，人因此，人们把材料科学中至今在地面难以解决的许多问题们把材料科学

12、中至今在地面难以解决的许多问题(诸如晶体中因浮力对流而产生的生长条纹、化诸如晶体中因浮力对流而产生的生长条纹、化学配比的偏离，相对密度偏析中由于相对密度差学配比的偏离，相对密度偏析中由于相对密度差引起的液相分离等引起的液相分离等)都寄希望于空间。然而，某都寄希望于空间。然而，某些实验结果与预期设想并不相符。些实验结果与预期设想并不相符。 其中，差异最大的是偏晶合金空间凝固中的其中，差异最大的是偏晶合金空间凝固中的现象，即认为现象，即认为“失重失重”状态下的偏晶合金因没有状态下的偏晶合金因没有相对密度差而不再出现两相分离相对密度差而不再出现两相分离(期望能得到均期望能得到均匀混合二元复合材料匀混

13、合二元复合材料)。然而，实际上得到的是。然而，实际上得到的是并非单一均匀混合物的多种多样的二相分离形式。并非单一均匀混合物的多种多样的二相分离形式。这些与预期不相符合的实验结果推动人们对空间这些与预期不相符合的实验结果推动人们对空间物理状态进行深入的探索。物理状态进行深入的探索。 20世纪世纪80年代初，年代初，空间材料与加工进入了空间材料与加工进入了第二第二阶段阶段微重力科学阶段，微重力科学阶段，随着研究工作的深入随着研究工作的深入和不同实验结果的发现、人们不再把空间的重力和不同实验结果的发现、人们不再把空间的重力状态看成是理想的失重状态、而是以微重力一词状态看成是理想的失重状态、而是以微重

14、力一词取代了取代了“失重失重”，研究工作也由原来的很快实现，研究工作也由原来的很快实现空间商业化的偏重工艺的空间实验转向以探索科空间商业化的偏重工艺的空间实验转向以探索科学规律的空间研究上来，普遍采用学规律的空间研究上来，普遍采用“空间空间”、“基地基地”相结合的方式来发展微重力科学，更加肯相结合的方式来发展微重力科学，更加肯定了地基实验对于最终空间实验的重要作用。定了地基实验对于最终空间实验的重要作用。 尤其是尤其是1986年美国年美国挑战者挑战者”号航天飞机失事，号航天飞机失事，不仅使有关空间微重力科学实验出现了最低潮，不仅使有关空间微重力科学实验出现了最低潮，而且把研究工作引向了发展飞行

15、实验设备、地面而且把研究工作引向了发展飞行实验设备、地面实验设备以及地基实验上。实验设备以及地基实验上。 我国的微重力晶体生长研究始于我国的微重力晶体生长研究始于20世纪世纪80年代年代中期，中国科学院半导体研究所和航天部中期，中国科学院半导体研究所和航天部501所所合作，于合作，于1987年首先应用我国返回式卫星在空间年首先应用我国返回式卫星在空间进行了进行了GaAs单晶体的生长实验。随后中国科学院单晶体的生长实验。随后中国科学院物理研究所又建立了物理研究所又建立了20m落管，开展了微重力环落管，开展了微重力环境下的金属合金凝固实验。境下的金属合金凝固实验。 “七五七五”期间，中国科学院组织

16、了期间，中国科学院组织了“重中之重重中之重”项目项目微重力科学基础研究，开展了空间晶体微重力科学基础研究，开展了空间晶体生长方法和机制、金属合金无容器制备过程以及生长方法和机制、金属合金无容器制备过程以及相分离和粗化机制研究，还建立了用于模拟空间相分离和粗化机制研究，还建立了用于模拟空间晶体生长过程的激光全息原位实时观察台。晶体生长过程的激光全息原位实时观察台。 1987年以来，我国发射了六次科学实验卫星，年以来，我国发射了六次科学实验卫星，中国科学院和航天部所属研究所，在空间开展中国科学院和航天部所属研究所，在空间开展了半导体晶体了半导体晶体GaAs、HgCdTe和非线性光学晶和非线性光学晶

17、体体LiIO3的生长研究，还进行了多种金属的生长研究，还进行了多种金属合金和复合材料的凝固实验，取得了可喜的成合金和复合材料的凝固实验，取得了可喜的成果。果。 其后，在大量坚实的地基工作的基础上。微其后，在大量坚实的地基工作的基础上。微重力科学发展到了一个较为辉煌的时期。重力科学发展到了一个较为辉煌的时期。 第四节第四节 微重力技术应用微重力技术应用 一、微重力环境下玻璃的熔化技术一、微重力环境下玻璃的熔化技术 微重力环境下，玻璃熔体悬浮于空间，不与容微重力环境下，玻璃熔体悬浮于空间，不与容器壁接触，人们称之为无容器熔融。由于不用容器壁接触，人们称之为无容器熔融。由于不用容器熔融，就不会有因容

18、器而带入杂质的问题，只器熔融，就不会有因容器而带入杂质的问题，只要玻璃原料足够纯，就能熔制出要玻璃原料足够纯，就能熔制出高纯度高纯度玻璃。玻璃。 另外，既然是悬浮于空间，也就不会发生异相另外，既然是悬浮于空间，也就不会发生异相成核，降低了析晶倾向。再就是不必考虑容器的成核，降低了析晶倾向。再就是不必考虑容器的耐高温问题，熔化温度不受限制，只要加热源能耐高温问题，熔化温度不受限制，只要加热源能够满足要求，就能熔化出够满足要求，就能熔化出高熔点高熔点玻璃。玻璃。 在微重力环境下，可以说不存在热对流在微重力环境下，可以说不存在热对流(重重力对流力对流)，熔体中质点的移动或流动仅靠扩散，熔体中质点的移

19、动或流动仅靠扩散和表面张力差。利用这一特征可熔制出和表面张力差。利用这一特征可熔制出透光率透光率分布或折射串分布均匀分布或折射串分布均匀的光学功能玻璃。的光学功能玻璃。 脱离了地心引力后，由于相对密度差造成的脱离了地心引力后，由于相对密度差造成的相对密度大的质点下沉，相对密度小的质点上相对密度大的质点下沉，相对密度小的质点上浮的沉浮现象不复存在。因此，能将不同相对浮的沉浮现象不复存在。因此，能将不同相对密度的组分均匀混合而不会发生分层，再结合密度的组分均匀混合而不会发生分层，再结合相分离技术，可以熔制出相分离技术，可以熔制出性能独特的复合材料性能独特的复合材料。 在没有静压力的状态下，不会存在

20、因自重而在没有静压力的状态下，不会存在因自重而造成的液体形变，这时玻璃的自然成形主要受造成的液体形变，这时玻璃的自然成形主要受表面张力或界面张力的支配，因而能够制出非表面张力或界面张力的支配，因而能够制出非常常圆滑的玻璃圆球圆滑的玻璃圆球。 如果采用声波或非接触性外力控制成形，则如果采用声波或非接触性外力控制成形，则可熔制出具有可熔制出具有特殊形状的玻璃特殊形状的玻璃。 在微重力环境下，玻璃样品悬浮于空间，在微重力环境下，玻璃样品悬浮于空间，不与容器壁接触，由于其飘忽不定，不便进不与容器壁接触，由于其飘忽不定，不便进行加热熔化。为了控制其位置，使其在不与行加热熔化。为了控制其位置，使其在不与

21、任何物体接触的情况下，停留在某一固定位任何物体接触的情况下，停留在某一固定位置上，必须采用特制的专用熔化装置。目前置上，必须采用特制的专用熔化装置。目前使用的熔化装置主要使用的熔化装置主要有三种有三种。声悬浮熔化炉。声悬浮熔化炉。即利用麦克风等发出的声波即利用麦克风等发出的声波控制样品位置，声波的波型为驻波，样品悬浮控制样品位置，声波的波型为驻波，样品悬浮在波谷，传播声波的媒体为惰性气体。炉内加在波谷，传播声波的媒体为惰性气体。炉内加热方式为均热炉、聚焦炉热方式为均热炉、聚焦炉(卤灯加热卤灯加热)、激光等。、激光等。电磁悬浮熔化炉。电磁悬浮熔化炉。即利用电磁场效应控制样即利用电磁场效应控制样品

22、位置。将样品放人金属丝制线圈中，给线圈品位置。将样品放人金属丝制线圈中，给线圈通电，产生磁场，利用磁场力将悬浮样品定位。通电，产生磁场，利用磁场力将悬浮样品定位。炉内加热方式为激光照射。炉内加热方式为激光照射。静电悬浮熔化炉。静电悬浮熔化炉。即利用静电斥力控制样品即利用静电斥力控制样品位置。样品放在电极之间的静电场内，利用静位置。样品放在电极之间的静电场内，利用静电斥力的作用将悬浮着的样品定位。炉内加热电斥力的作用将悬浮着的样品定位。炉内加热方式为激光照射。方式为激光照射。尖端科技领域使用的玻璃材料如：尖端科技领域使用的玻璃材料如： 超低损失的光学纤维，在三维具有折射率、透超低损失的光学纤维，

23、在三维具有折射率、透光率分布的光学功能玻璃，在紫外、红外非可见光率分布的光学功能玻璃，在紫外、红外非可见光区透光性优良的高纯度玻璃，熔化温度高、耐光区透光性优良的高纯度玻璃，熔化温度高、耐热性好的高熔点玻璃。热性好的高熔点玻璃。 在微重力环境下，对玻璃熔体进行蒸发、冷却，在微重力环境下，对玻璃熔体进行蒸发、冷却，可以制出具有特殊光性能的玻璃微粒或医用玻璃可以制出具有特殊光性能的玻璃微粒或医用玻璃微粒。微粒。 比如，将具有放射性的元素掺入玻璃成分，做比如，将具有放射性的元素掺入玻璃成分，做成直径只有成直径只有20 m左右的玻璃微粒，利用其放射左右的玻璃微粒，利用其放射性，将其注人人体内肿瘤组织附

24、近的血管中，令性，将其注人人体内肿瘤组织附近的血管中，令其随血液接近癌变组织，可对癌症进行放射性治其随血液接近癌变组织，可对癌症进行放射性治疗。疗。 这种疗法的优点在于针对性强，避免其他正这种疗法的优点在于针对性强，避免其他正常部位受放射线照射，没有副作用。选用的放射常部位受放射线照射，没有副作用。选用的放射性元素半衰期短，几天后即可无放射性，不需住性元素半衰期短，几天后即可无放射性，不需住院治疗，玻璃微粒成分对人体无害等。院治疗，玻璃微粒成分对人体无害等。二、高温氧化物晶体的生长二、高温氧化物晶体的生长 科学实验选用科学实验选用KNbO3高温熔体晶体生长和高高温熔体晶体生长和高温溶液中温溶液

25、中KNbO3晶体生长等两种方法，在同晶体生长等两种方法，在同样生长工艺条件下，对比地面和空间的实验样生长工艺条件下，对比地面和空间的实验结果，得到以下几个结论。结果，得到以下几个结论。 实验证实，在空间和地面两种状态下，实验证实，在空间和地面两种状态下，溶液内同一位置的偏差不大于溶液内同一位置的偏差不大于8，因此，可，因此，可采用相同的温控程序进行两种状态下的晶体采用相同的温控程序进行两种状态下的晶体生长。生长。 首次观察到高温熔质的均匀扩散现象和首次观察到高温熔质的均匀扩散现象和表面张力对流现象。表面张力对流现象。 首次观察到空间均匀分配的胞状结构的首次观察到空间均匀分配的胞状结构的形成和发

26、展。形成和发展。三、砷化镓单晶的等效微重力生长三、砷化镓单晶的等效微重力生长 第十七章第十七章 超重力合成方法超重力合成方法 第一节第一节 超重力合成技术及其原理超重力合成技术及其原理 离心力场离心力场 (超重力场超重力场)被用于相间分离被用于相间分离 理论分析表明，在微重力条件下，由于理论分析表明，在微重力条件下，由于g0，两相接触过程的动力因子即浮力因子两相接触过程的动力因子即浮力因子(g) 00，两相不会因为密度差而产生相间流动。而分子间两相不会因为密度差而产生相间流动。而分子间力，如表面张力，将会起主导作用，液体团聚，力，如表面张力，将会起主导作用，液体团聚，不得伸展，相间传递失去两相

27、充分接触的前提条不得伸展，相间传递失去两相充分接触的前提条件，从而导致相间质量传递效果很差，分离无法件，从而导致相间质量传递效果很差，分离无法进行。进行。 反之，反之， “g”越大，越大， (g) 越大，流体相对滑越大，流体相对滑动速度也越大。巨大的剪切应力克服了表面张力，动速度也越大。巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展出巨大的相际接触界面，从而极大可使液体伸展出巨大的相际接触界面，从而极大地地强化传质过程强化传质过程。 这一结论导致了这一结论导致了“Higee”(high“g”)的诞生。的诞生。 由于由于(g)的大幅度提高，不仅是质量传递，的大幅度提高，不仅是质量传递，而且动量、热量

28、传递也与传递相关。特别是传递而且动量、热量传递也与传递相关。特别是传递控制的化学反应过程也都会得到强化。不仅使整控制的化学反应过程也都会得到强化。不仅使整个过程加快，而且气体的线速度也由于液泛限的个过程加快，而且气体的线速度也由于液泛限的升高得到了提高。升高得到了提高。 20世纪世纪70年代末至年代末至80年代初，英国帝国化学工年代初，英国帝国化学工业公司业公司(ICI)连续提出被称之为连续提出被称之为“Higee”的多项专的多项专利。利用旋转填料床中产十的利。利用旋转填料床中产十的强大离心力强大离心力超重超重力，使气、液的流速及填料的比表面积大大提高而力，使气、液的流速及填料的比表面积大大提

29、高而不液泛。不液泛。 液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触，极大地强化了传质过程。传质单元高中逆向接触，极大地强化了传质过程。传质单元高度降低了度降低了12个数量级，并且显示出许多传统设个数量级，并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。从而使巨大的塔器变为高备所完全不具备的优点。从而使巨大的塔器变为高度不度不到到2m的超重机的超重机。 因此，超重力技术被认为是强化传递和多因此，超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为相反应过程的

30、一项突破性技术，被誉为“化化学工业的晶体管学工业的晶体管”和和“跨世纪的技术跨世纪的技术”。虽虽然超重力技术的然超重力技术的实质是离心力场的作用实质是离心力场的作用，但，但该技术与以往的传统复相分离或密度差分离该技术与以往的传统复相分离或密度差分离有质的区别，它的有质的区别，它的核心在于对传递过程的极核心在于对传递过程的极大强化大强化。 过程强化过程强化是一个具有是一个具有高度革新内涵的概高度革新内涵的概念念，它的，它的目的是把整个工厂的物理尺度缩小，目的是把整个工厂的物理尺度缩小，以达到在投资、能耗、环境、安全等全方位以达到在投资、能耗、环境、安全等全方位的效益的效益。 超重力技术正是属于能

31、达到这种全方位效超重力技术正是属于能达到这种全方位效益，而且适用性又广的一种过程强化技术。益，而且适用性又广的一种过程强化技术。 超重力工程技术的应用基于上述超重力技超重力工程技术的应用基于上述超重力技术具有的特点和性能，它特别术具有的特点和性能，它特别适用于下列特适用于下列特殊过程殊过程。 热敏性物料的处理热敏性物料的处理(利用停留时间短利用停留时间短)； 昂贵物料或有毒物料的处理昂贵物料或有毒物料的处理(机内残留量机内残留量少少)；选择性吸收分离选择性吸收分离(利用停留时间短和被分利用停留时间短和被分离物质吸收动力学的差异进行分离离物质吸收动力学的差异进行分离)；高质量纳米材料的生产高质量

32、纳米材料的生产(利用快速而均匀利用快速而均匀的微观混合特性的微观混合特性)；聚合物脱除单体聚合物脱除单体(利用转子内高剪切应力，利用转子内高剪切应力，能处理高黏性物体和停留时间短的特点能处理高黏性物体和停留时间短的特点)。第二节第二节 超重力装置超重力装置一、一、 超重机超重机 超重机的特点如下。超重机的特点如下。极大地强化了传递过程极大地强化了传递过程(传质单元高度仅传质单元高度仅l一一3cm)。极大地缩小了设备尺寸与质量极大地缩小了设备尺寸与质量(不仅降低不仅降低了投资，也增加了对环境的改善了投资，也增加了对环境的改善)。物料在设备内的停留时间极短物料在设备内的停留时间极短(10一一100

33、ms)。气体通过设备的压降与传统设备相近。气体通过设备的压降与传统设备相近。易于操作，易于开停车。由启动到进入易于操作，易于开停车。由启动到进入定态运转时间极短。定态运转时间极短。 运转维护与检修方便的程度可与离心机运转维护与检修方便的程度可与离心机或离心风机相比。或离心风机相比。 可垂直、水平或任意方向安装，不怕振可垂直、水平或任意方向安装，不怕振动与颠簸，可安装于运动物体如舰船、飞动与颠簸，可安装于运动物体如舰船、飞行器、及海上平台。行器、及海上平台。 快速而均匀的微观混合快速而均匀的微观混合二、旋转填料床二、旋转填料床 超重力技术超重力技术一般使用一个转子一般使用一个转子，通过电机带动，

34、通过电机带动转子高速旋转产生离心力，也就是超重力，转子转子高速旋转产生离心力，也就是超重力，转子内加入填料，这种设备通常被叫做内加入填料，这种设备通常被叫做旋转填料床旋转填料床。旋转填料床与传统的塔设备有较大的区别：旋转填料床与传统的塔设备有较大的区别：一是液相流动由重力场条件变成了超重力场条件，一是液相流动由重力场条件变成了超重力场条件，流体力学特性和气液之间的传质传热规律有所不流体力学特性和气液之间的传质传热规律有所不同；同；二是设备由传统的静止装置转化为旋转运动装置。二是设备由传统的静止装置转化为旋转运动装置。 在旋转填料床内，不同相间物料作强制性在旋转填料床内，不同相间物料作强制性的接

35、触运动，液相被分散成薄膜或细小雾滴，的接触运动，液相被分散成薄膜或细小雾滴，极大地提高了相界面积极大地提高了相界面积；剧烈搅动速度、浓；剧烈搅动速度、浓度、温度边界层，度、温度边界层，强化了传递过程强化了传递过程。 旋转填料床正是利用高速旋转的转子产生旋转填料床正是利用高速旋转的转子产生的强大的离心力的强大的离心力(超重力超重力)来强化传递过程。来强化传递过程。 超重力工程技术曾经在国际上被称为超重力工程技术曾经在国际上被称为high gravity engineering and technology，在，在国内称为国内称为超重力工程技术超重力工程技术， “超超”是指超过是指超过常规重力加速

36、度，但现在人们认识其基本本常规重力加速度，但现在人们认识其基本本质后，更多人把它称为质后，更多人把它称为旋转填料床技术或离旋转填料床技术或离心力场强化技术。心力场强化技术。下面介绍两种类型的旋转填料床。下面介绍两种类型的旋转填料床。1.逆流型旋转填料床逆流型旋转填料床 其特征：其特征：是是强制气流强制气流由填料床的外圆周边进入由填料床的外圆周边进入旋转着的填料床，自外向内作强制性的流动，旋转着的填料床，自外向内作强制性的流动，最后由中间流出。最后由中间流出。 而而液体液体由位于中央的一个静止分布器射出，由位于中央的一个静止分布器射出，喷入旋转体，在离心力作用下自内向外通过填喷入旋转体，在离心力

37、作用下自内向外通过填料流出，使气液之间发生高效的逆流接触，在料流出，使气液之间发生高效的逆流接触，在环形旋转器的高速转动下，利用强大的离心力，环形旋转器的高速转动下，利用强大的离心力，使气液膜变薄，传质阻力减小，增强了设备传使气液膜变薄，传质阻力减小，增强了设备传质速率和处理能力。质速率和处理能力。 据文献报道，与一般情况下的蒸馏塔或吸收据文献报道，与一般情况下的蒸馏塔或吸收塔相比，在相同操作条件下，逆流型旋转填料塔相比，在相同操作条件下，逆流型旋转填料床的传质单元高度降低了床的传质单元高度降低了12个数量级，可将个数量级，可将塔的高度缩为原来的塔的高度缩为原来的110，塔的直径减为原来，塔的

38、直径减为原来的的15，并且显示出许多传统设备所完全不具，并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。备的优点。 英、美等国于英、美等国于20世纪世纪80年代开始在工业中试年代开始在工业中试用超重力场气液传质反应器，在用超重力场气液传质反应器，在1000倍于重力倍于重力场的离心力场作用下，液膜流速可提高场的离心力场作用下，液膜流速可提高10倍以倍以上，体积传质系数可增加一个数量级。上，体积传质系数可增加一个数量级。2.错流型旋转填料床错流型旋转填料床 逆流型旋转填料床的内外环流体通道逆流型旋转填料床的内外环流体通道横截面积相比悬殊，气速变化过大，气横截面积相比悬殊，气速变化过大，气体形体阻力高；气

39、体由旋转床的外环沿体形体阻力高；气体由旋转床的外环沿径向流向内环，需克服离心阻力，这两径向流向内环，需克服离心阻力，这两个因素造成气相流阻过大，不适于大流个因素造成气相流阻过大，不适于大流量的气液传热传质。量的气液传热传质。 为在大流量的气液传热传质过程中引为在大流量的气液传热传质过程中引入离心力场强化传热传质，人们开始研入离心力场强化传热传质，人们开始研究采用错流型旋转填料床。究采用错流型旋转填料床。 错流型旋转填料床结构如图错流型旋转填料床结构如图182所示。所示。错流型旋转填料床中的气体流道横截面均匀，错流型旋转填料床中的气体流道横截面均匀，气速恒定，且气体沿旋转床轴向流动，无需气速恒定

40、，且气体沿旋转床轴向流动，无需克服离心阻力，故气相阻力小，适合大流量克服离心阻力，故气相阻力小，适合大流量的气液两相传热传质。的气液两相传热传质。 逆流型旋转填料床和错流型旋转填料床逆流型旋转填料床和错流型旋转填料床都是利用超重力场来强化气液两相间的传热都是利用超重力场来强化气液两相间的传热传质，与常规重力条件下的传热传质相比，传质，与常规重力条件下的传热传质相比，其强化倍数达一个数量级以上。其强化倍数达一个数量级以上。第三节第三节 超重力反应沉淀法合成纳米材料及其应用超重力反应沉淀法合成纳米材料及其应用 一、一、 纳米碳酸钙纳米碳酸钙 纳米碳酸钙：填料、白色颜料纳米碳酸钙：填料、白色颜料广泛

41、应用于广泛应用于橡胶、塑料、造纸、涂料、油墨、医药等许多橡胶、塑料、造纸、涂料、油墨、医药等许多行业。行业。 近几年来，随着碳酸钙的超细化、结构复杂近几年来，随着碳酸钙的超细化、结构复杂化及表面改性技术的发展，极大地提高了它的化及表面改性技术的发展，极大地提高了它的应用价值。应用价值。 对对不同形态不同形态超细碳酸钙制备技术的研究，已超细碳酸钙制备技术的研究，已成为许多先进国家开发的热点。成为许多先进国家开发的热点。 北京化工大学超重力工程研究中心采用超北京化工大学超重力工程研究中心采用超重力技术成功地合成出乎均粒度为重力技术成功地合成出乎均粒度为1530nm的碳酸钙粉体。根据市场需求，迅速进

42、行了的碳酸钙粉体。根据市场需求，迅速进行了工程放大技术的研究，掌握了超重力法合成工程放大技术的研究，掌握了超重力法合成关键技术的放大规律，在国际上率先开发建关键技术的放大规律，在国际上率先开发建成第一条成第一条3000ta超重力法制备纳米碳酸钙超重力法制备纳米碳酸钙粉体的工业生产线。粉体的工业生产线。 现已在广东广平化工有限公司、内蒙古蒙现已在广东广平化工有限公司、内蒙古蒙西高新技术材料公司建立厂西高新技术材料公司建立厂3000ta的工业的工业生产装置，并与新加坡纳米材料科技公司等生产装置，并与新加坡纳米材料科技公司等进行了国际科技合作。进行了国际科技合作。二、纳米氢氧化铝二、纳米氢氧化铝 随

43、着高分子材料在工业、民用乃至各个领域的随着高分子材料在工业、民用乃至各个领域的应用不断增加。应用不断增加。 积极发展和推广应用积极发展和推广应用阻燃材料阻燃材料引起了全社会的引起了全社会的关住。近年来在美国、欧洲、日本等发达国家阻关住。近年来在美国、欧洲、日本等发达国家阻燃剂保持燃剂保持35以上以上较高的年增长率。较高的年增长率。 另一方面由于阻燃剂正向另一方面由于阻燃剂正向高效、低毒、低烟高效、低毒、低烟方方向发展，因此向发展，因此有机卤系有机卤系(溴系及氯系溴系及氯系)阻燃剂阻燃剂的用的用量将逐年递减，而量将逐年递减，而无机系阻燃剂无机系阻燃剂(氢氧化镁、氢氢氧化镁、氢氧化铝、氧化锑等氧化

44、铝、氧化锑等)将有大的发展，预计年增长将有大的发展，预计年增长率为率为6。 无卤阻燃体系。特别是无卤、低烟、低毒阻燃无卤阻燃体系。特别是无卤、低烟、低毒阻燃剂将受到用户的青睐。因此，大力开展性能优异剂将受到用户的青睐。因此，大力开展性能优异的无卤阻燃剂的研究是非常必要的。为了更好的的无卤阻燃剂的研究是非常必要的。为了更好的发挥阻燃效果及添加量增加时减少对材料力学性发挥阻燃效果及添加量增加时减少对材料力学性能的影响，其超细化、纳米化是必然趋势。能的影响，其超细化、纳米化是必然趋势。 北京化工大学超重力工程研究中心开发的北京化工大学超重力工程研究中心开发的新型高效铝系阻燃剂一氢氧化铝纳米纤维新型高

45、效铝系阻燃剂一氢氧化铝纳米纤维(改性改性ATH)，可广泛应用于普通，可广泛应用于普通ATH所能使所能使用的电工、电线、电缆、日用品、建筑材料、用的电工、电线、电缆、日用品、建筑材料、运输等塑料和橡胶制品中以及普通运输等塑料和橡胶制品中以及普通ATH不能不能使用的工程塑料使用的工程塑料(航空材料、军用舰船等航空材料、军用舰船等)中。中。三、纳米碳酸钡三、纳米碳酸钡 纳米碳酸钡材料可用于制造彩色显像管和纳米碳酸钡材料可用于制造彩色显像管和计算机显示器。碳酸钡有较强的计算机显示器。碳酸钡有较强的x射线屏蔽射线屏蔽能力，在彩色显像管和计算机显示器玻璃能力，在彩色显像管和计算机显示器玻璃中加入纳米碳酸钡

46、材料，可有效吸收中加入纳米碳酸钡材料，可有效吸收x射线，射线，对人体有保护作用。对人体有保护作用。 纳米碳酸钡粉体可制作磁性材料，它制成纳米碳酸钡粉体可制作磁性材料，它制成的铁氧化体具有高矫顽场强及磁学性能优异的铁氧化体具有高矫顽场强及磁学性能优异的特点。结构陶瓷的特点。结构陶瓷(如用作室内装饰用的瓷如用作室内装饰用的瓷砖等砖等)的生产中加入碳酸钡纳米材料，可改的生产中加入碳酸钡纳米材料，可改进砖的强度，增加耐磨性和耐化学腐蚀性；进砖的强度，增加耐磨性和耐化学腐蚀性；还可减少生产过程中的气泡和气孔，扩大烧还可减少生产过程中的气泡和气孔，扩大烧结范围，增加热膨胀系数。采用碳酸钡粉末结范围，增加热

47、膨胀系数。采用碳酸钡粉末作釉料，可提高釉的焙结和耐磨能力，使釉作釉料，可提高釉的焙结和耐磨能力，使釉料色泽牢固，光亮稳定。料色泽牢固，光亮稳定。 由碳酸钡纳米材料制成的啕瓷电容，具有由碳酸钡纳米材料制成的啕瓷电容，具有较大的介电常数和温度特性，可使其具有小较大的介电常数和温度特性，可使其具有小型、轻质、大容量和高频率等特点。型、轻质、大容量和高频率等特点。 在玻璃生产中加入纳米碳酸钡粉体，可改在玻璃生产中加入纳米碳酸钡粉体，可改变许多光学性能，使玻璃折射率更高，硬度变许多光学性能，使玻璃折射率更高，硬度更大，改善了玻璃耐磨划性。更大，改善了玻璃耐磨划性。 普通碳酸钡的比表面为普通碳酸钡的比表面

48、为56m2g，目前，目前北京化工大学超重力工程研究中心合成的碳北京化工大学超重力工程研究中心合成的碳酸钡比表面积酸钡比表面积20m 2g。四、纳米碳酸锂四、纳米碳酸锂 锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自放电小、安全性能好、充放电循环寿命长以及放电小、安全性能好、充放电循环寿命长以及无公害等一系列优点，作为最新一代可充电电无公害等一系列优点，作为最新一代可充电电池，在许多便携式电器及军用方面有着广阔的池，在许多便携式电器及军用方面有着广阔的使用前景，因而引起世界各国的广泛重视。而使用前景，因而引起世界各国的广泛重视。而正极材料的选择及制备就是其中一个十分

49、重要正极材料的选择及制备就是其中一个十分重要的方面。的方面。 随着电子工业的迅速发展，日用电器变得更随着电子工业的迅速发展，日用电器变得更加小型化，这就要求化学电源具有高的能量密加小型化，这就要求化学电源具有高的能量密度，且要求电极材料小型化。度，且要求电极材料小型化。 插入型化合物正极材料的制备几乎都是插入型化合物正极材料的制备几乎都是以金属氧化物与碳酸锂按等摩尔比，以去以金属氧化物与碳酸锂按等摩尔比，以去离子水为介质进行反应，由于原料粒径较离子水为介质进行反应，由于原料粒径较大，因此必须经长时间充分球磨后再进行大，因此必须经长时间充分球磨后再进行高温焙烧制得。而经这样的工艺所获得的高温焙烧

50、制得。而经这样的工艺所获得的LiNiO2和和LiCoO2 粒度。几乎都约在粒度。几乎都约在5m左右。而要获得粒径较小左右。而要获得粒径较小H粒度分布均匀粒度分布均匀的正极材料，必须将原料的粒度减小，则的正极材料，必须将原料的粒度减小，则不用球磨而可以直接烧结得到微型化的电不用球磨而可以直接烧结得到微型化的电极材料。极材料。 北京化工大学超重力工程研究中心利用北京化工大学超重力工程研究中心利用超重力技术，采用气液法制备出纳米碳酸超重力技术，采用气液法制备出纳米碳酸锂粉体，产品平均粒度约锂粉体，产品平均粒度约80nm，形貌为，形貌为薄片状，其粒度分布徊窄。整个反应过程薄片状，其粒度分布徊窄。整个反

51、应过程在室温下进行，操作简单，易于工业化。在室温下进行，操作简单，易于工业化。 五、纳米碳酸锶五、纳米碳酸锶 碳酸锶主要用于彩色显像管碳酸锶主要用于彩色显像管(吸收阴极射吸收阴极射线管产生的线管产生的x射线。射线。改进玻璃的折射指数及熔融玻璃的流动性改进玻璃的折射指数及熔融玻璃的流动性)、磁性材料磁性材料(铁酸锶磁石比起铁酸钡磁石具有铁酸锶磁石比起铁酸钡磁石具有高矫顽场强、磁学性能优越的特点，特别适高矫顽场强、磁学性能优越的特点，特别适于音响设备小型化于音响设备小型化)及高档陶瓷及高档陶瓷(在陶瓷中加在陶瓷中加入碳酸锶作配料，可以减少皮下气孔扩大烧入碳酸锶作配料，可以减少皮下气孔扩大烧结范围，增加热膨胀系数结范围，增加热膨胀系数)。 北京化工大学超重力工程研究中心采用液北京化工大学超重力工程研究中心采用液液相法制备了碳酸锶纳米粉体，得到了液相法制备了碳酸锶纳米粉体，得到了平均粒径为平均粒径为30nm且粒度分布窄的产品。整且粒度分布窄的产品。整个反应过程在室温下进行，操作简单，易于个反应过程在室温下进行，操作简单，易于工业化。工业化。第十八章第十八章 无机材料的仿生合成无机材料的仿生合成第一节第一节 仿生合成技术简介及理论基础仿生合成技术简介及理论基础 一、仿生合成技术筒介一、仿生合成技术筒介