無機材料微波固相合成方法與原理

前言

固體化學(xué)是一門研究固體的結(jié)構(gòu)、性能、固相化學(xué)反應(yīng)等的學(xué)科，固相化學(xué)反應(yīng)過程及其理論是以不均勻體系的反應(yīng)為基礎(chǔ)的，固相化學(xué)合成方法及其相關(guān)的理論基礎(chǔ)多年來在不斷的發(fā)展和完善。固體無機材料的微波合成是近年來發(fā)展起來的一種材料合成新方法，是利用介質(zhì)與微波場相互作用以及相關(guān)熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)在微波場中合成固體材料的方法。常規(guī)加熱是指將發(fā)熱體產(chǎn)生的熱能通過對流、傳導(dǎo)、輻射等方式傳遞到被加熱物體上，被加熱體由表及里傳熱使物體達(dá)到某一溫度的加熱方式；微波加熱是加熱介質(zhì)通過與微波場發(fā)生相互作用，將微波能轉(zhuǎn)化為熱能的加熱方式，其特點是可以進(jìn)行整體加熱，被加熱體吸收微波能自身整體加熱升溫至一定溫度，是與常規(guī)加熱完全不同的一種加熱方式。微波加熱作為一種加熱技術(shù)，在過去60年間主要應(yīng)用于食品加工、橡膠和塑料等行業(yè)的熱處理。隨著科學(xué)研究的不斷深入和實踐探索的持續(xù)開展，微波加熱技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴大，現(xiàn)已推廣應(yīng)用到半導(dǎo)體的制備、金屬鑄造行業(yè)、瀝青回收以及醫(yī)藥等方面。近年來其作為材料合成與加工的新方法，在無機材料（包括陶瓷、玻璃一陶瓷、復(fù)合物、礦物）和有機材料（包括聚合物、橡膠、食品）等合成與加工中進(jìn)行應(yīng)用。在過去10～15年中，應(yīng)用微波能加熱燒結(jié)陶瓷已成為世界范圍內(nèi)一個重要的研究領(lǐng)域，許多實驗充分說明利用微波能制備陶瓷材料是有效和可行的。材料的微波合成技術(shù)是微波加熱方法在材料科學(xué)中的另一新的、重要的應(yīng)用，實驗表明微波場中材料的加熱機制、材料的合成機理等都與傳統(tǒng)加熱的固相化學(xué)合成有本質(zhì)的區(qū)別。微波合成方法的基本路線是將混合原料置于微波場中，通過吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能，升溫產(chǎn)生離子擴散、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在微波場下完成合成反應(yīng)生成所需要的產(chǎn)物——無機材料。1989年，Ba曲urst等用微波合成制備了混合金屬氧化物后，人們才逐漸將微波介電加熱應(yīng)用于固態(tài)氧化物和硫化物合成制備無機材料，近幾年來，人們已逐步開展了無機材料的微波合成研究，內(nèi)容包括微波合成設(shè)備、合成的工藝方法、加熱的機制、合成機理、合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)等多方面。本書的作者在多年的工作基礎(chǔ)上，結(jié)合微波加熱合成近年的發(fā)展趨勢，對無機材料的微波固相合成涉及的多方面內(nèi)容予以系統(tǒng)的介紹。本書的內(nèi)容包括：第一章概述微波場中無機材料固相化學(xué)合成的特點、應(yīng)用以及目前存在的主要問題；第二章介紹微波加熱的基本原理和微波合成加熱機制；第三章介紹微波加熱技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備；第四章探討微波場對固相化學(xué)合成的影響；第五章從熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)等方面剖析微波化學(xué)固相合成的機制；第六章介紹無機材料的微波合成過程、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特點及性能等。

內(nèi)容概要

　　微波場中固體無機材料的合成與常規(guī)合成方法在合成的加熱方式、合成過程、反應(yīng)機理等方面都存在很大的區(qū)別，本書作者結(jié)合多年微波合成與加工研究工作以及該領(lǐng)域的最新研究結(jié)果，從材料在微波場中加熱的物理基礎(chǔ)、微波加熱方法與技術(shù)、微波場中固相化學(xué)合成體系與微波場的相互作用、化學(xué)合成的機理、微波合成無機固相材料的結(jié)構(gòu)與性能等方面對微波合成新方法進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，同時提供豐富的參考文獻(xiàn)。本書可供從事材料科學(xué)與工程、材料化學(xué)、材料物理、微波加熱應(yīng)用等領(lǐng)域的科技人員參考，也可供高等院校有關(guān)專業(yè)的師生閱讀。

書籍目錄

前言
第一章 緒論
1．1微波與微波加熱
1．1．1微波
1．1．2微波加熱
1．2微波場中固體材料的加熱合成
參考文獻(xiàn)
第二章 微波合成化學(xué)的物理基礎(chǔ)
2．1材料的介質(zhì)特性
2．1．1電偶極矩
2．1．2介質(zhì)中的電磁場作用
2．1．3介質(zhì)電極化的微觀機制
2．2介質(zhì)的介電常數(shù)及其影響因素
2．2．1復(fù)介電常數(shù)及其物理意義
2．2．2介電常數(shù)與溫度、頻率的關(guān)系
2．2．3介電常數(shù)與濕度的關(guān)系
2．3介質(zhì)的微波加熱機制
2．3．1微波在介質(zhì)傳播中的物理量
2．3．2微波在介質(zhì)中的耗散功率
2．3．3介質(zhì)的溫度升高
2．4微波加熱中的熱效應(yīng)與熱失控
2．4．1微波加熱的熱失控現(xiàn)象分析
2．4．2熱失控的理論模型
2．4．3熱失控的控制
參考文獻(xiàn)
第三章 微波加熱技術(shù)
3．1微波源與微波加熱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
3．2微波的傳輸
3．3單模諧振腔加熱器
3．3．1波導(dǎo)中傳播的TE01波加熱材料
3．3．2單模腔體的評價
3．3．3耦合孔
3．3．4單模腔體的加熱效率
3．3．5單模加熱腔體的尺寸與樣品加熱溫度
3．4微波干涉模式合成加熱
3．4．1理論描述
3．4．2實驗分析與模擬
3．5多模腔微波加熱器
3．5．1多模腔加熱器的理論基礎(chǔ)
3．5．2多模加熱腔體微波場分布及其加熱的均勻性
3．5．3包含介質(zhì)的多模諧振腔Q值
3．5．4多模諧振腔中的場強與功率密度
3．5．5微波多模腔的應(yīng)用技術(shù)
3．6行波腔加熱器
3．6．1行波加熱器的種類
3．6．2行波加熱器的加熱均勻性
3．6．3行波加熱器中電場的控制
參考文獻(xiàn)
第四章 無機固相化學(xué)反應(yīng)機制
4．1 固相反應(yīng)
4．1．1固一固反應(yīng)的特征
4．1．2固相反應(yīng)的影響因素
4．1．3固一固反應(yīng)的相圖和種類
4．2固一固反應(yīng)擴散原理
4．2．1固相擴散的基本原理
4．2．2空位機理的自擴散系數(shù)
4．2．3擴散系數(shù)
4．2．4晶界擴散和表面擴散
4．2．5氧化物體系中離子的自擴散系數(shù)
4．2．6擴散系數(shù)的測定方法
4．3固一固反應(yīng)的推動力
4．3．1固一固擴散與反應(yīng)的推動力
4．3．2空位機理的擴散
4．3．3固一固反應(yīng)的實驗研究方法
4．4固相反應(yīng)動力學(xué)的研究方法
4．4．1固相反應(yīng)中的表面晶核形成
4．4．2反應(yīng)界面的進(jìn)程
4．4．3固一固反應(yīng)的產(chǎn)物層和氣體的擴散
4．4．4固一固反應(yīng)動力學(xué)模型函數(shù)
4．5微波場誘導(dǎo)離子擴散的模型與模擬
4．5．1固態(tài)離子晶體中的微波激勵模型
4．5．2微波激勵模型的數(shù)值解及其物理意義
參考文獻(xiàn)
第五章 微波合成的化學(xué)過程與機制
5．1微波的化學(xué)非熱效應(yīng)的由來
5．1．1微波非熱效應(yīng)的潘多拉盒子(Pandora’s box)
5．1．2微波化學(xué)合成中的非熱效應(yīng)
5．2微波合成中非熱效應(yīng)的假設(shè)
5．3微波化學(xué)非熱效應(yīng)的理論分析
5．3．1電場的取向效應(yīng)
5．3．2介電損耗的物理因素和動力學(xué)分析
5．3．3介電損耗宏觀與微觀理論
5．3．4弛豫時間
5．3．5轉(zhuǎn)動和振動態(tài)間的轉(zhuǎn)換
5．3．6電場的熱力學(xué)作用
5．4微波合成非熱效應(yīng)的實驗分析
5．4．1微波合成BaTiO3的反應(yīng)過程
5．4．2微波合成SrTiO3的反應(yīng)過程
參考文獻(xiàn)
第六章 無機材料的微波固相合成及其結(jié)構(gòu)與性能
6．1微波場中鈣鈦礦型氧化物的合成與特性
6．1．1 BaTiO3的微波加熱合成及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)
6．1．2微波加熱合成srTiO3及產(chǎn)物的性質(zhì)
6．1．3 微波合成與燒結(jié)Aurivillius化合物Bi4Ti3O3的結(jié)構(gòu)與性能
6．1．4微波合成超導(dǎo)和巨磁阻材料
6．2鋰離子電池電極材料的微波合成與性能
6．3微波場中納米結(jié)構(gòu)的形成與表征
6．4毫米波場中材料的合成與結(jié)構(gòu)
6．4．1尖晶石LiMn2O4正極材料的毫米波合成
6．4．2毫米波場促進(jìn)晶粒生長
6．4．3方錳鐵礦結(jié)構(gòu)在毫米波場中的形成
6．4．4 Ba5LirTizNb10-rO30的毫米波合成及其機理
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：3．3．3耦合孔一個理想的單模腔體由組合了兩個電路面的一個波導(dǎo)所構(gòu)成。從而在無損耗的腔體中，電場是無限的，但是在實際中，即使損耗可以忽略，電場也不可能是無限。一般情況下，腔體的阻抗是不等于波導(dǎo)特性阻抗的，因而在腔體與波導(dǎo)阻抗之間要加入匹配網(wǎng)絡(luò)使得兩者匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)是由一耦合孔來完成的。耦合孔可以具有任何形狀，如矩形、圓形、方形等，當(dāng)有電磁波輸入此孔時，孔的鄰近建立起高次模的場，使總電場滿足邊界條件?？籽b置的作用與短路平面是一樣，只是在其中存在一個縫隙允許微波穿過進(jìn)入腔體，圖3—17是一個典型的單模腔體示意圖，通過選擇合適的膜孔裝置和調(diào)節(jié)短路平面，可以調(diào)節(jié)腔體至諧振狀態(tài)。在諧振狀態(tài)下，腔體的電場遠(yuǎn)大于受激場，從而可以更有效地加熱材料。在不匹配時，在孔處存在主模式的波的反射，而一部分入射功率則通過孔。在加熱腔中孔的尺寸常常借助于經(jīng)驗來選擇，使得微波能量從微波源能最大地傳輸?shù)角恢泄┍惶幚淼牟牧虾纳ⅰ?/pre>




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《無機材料微波固相合成方法與原理》由科學(xué)出版社出版。





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