不銹鋼高壓釜在“先進(jìn)材料制備技術(shù)”課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王良彪 后明蘭 黃子迅 謝勇杰 楊廷海 劉維橋 鄆濤濤 戴佳麗

關(guān)鍵詞：材料合成；不銹鋼高壓釜；化學(xué)反應(yīng)；課程設(shè)計(jì)

材料是人類歷史和社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志，其研發(fā)和應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，人們將材料、信息和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱；20世紀(jì)80年代，人們又將新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，并列入我國(guó)“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃。新材料技術(shù)是當(dāng)代高新技術(shù)的重要組成部分，同時(shí)也是高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。眾所周知，新材料的研究和應(yīng)用離不開(kāi)其制備及合成技術(shù)，因此，材料的制備與合成技術(shù)對(duì)其性能研究和實(shí)際應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。江蘇理工學(xué)院“先進(jìn)材料制備技術(shù)”課程就是根據(jù)功能材料專業(yè)特點(diǎn)開(kāi)設(shè)的實(shí)踐教學(xué)課程。該課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)生活提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和初步形成科學(xué)研究的綜合能力起到重要作用[1]。本研究主要介紹不銹鋼高壓釜的特點(diǎn)、操作流程、反應(yīng)原理及合成材料，闡明不銹鋼高壓釜在“先進(jìn)材料制備技術(shù)”課程設(shè)計(jì)中的重要意義。

1 不銹鋼高壓釜的特點(diǎn)及合成原理

1.1 特點(diǎn)

不銹鋼高壓釜是實(shí)現(xiàn)材料合成的基本設(shè)備，整個(gè)不銹鋼高壓釜是由不銹鋼加工得到，不僅可以提供密閉的反應(yīng)體系，而且可以使材料的形成與結(jié)晶同步完成。不銹鋼高壓釜在材料合成中有以下優(yōu)點(diǎn)：一是不銹鋼高壓釜有較廣泛的應(yīng)用范圍，從室溫到1 000 ℃以下，可以承受較大的壓力；二是不銹鋼高壓釜是一個(gè)密閉的體系，可以有效防止材料在高溫下發(fā)生氧化和分解；三是在材料制備方面操作簡(jiǎn)單。

1.2 原理

用不銹鋼高壓釜制備材料的原理是：以不銹鋼高壓釜為反應(yīng)容器，將原料添加到不銹鋼高壓釜中，密閉不銹鋼高壓釜，再對(duì)不銹鋼高壓釜進(jìn)行加熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制備目標(biāo)材料。不銹鋼高壓釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)包括水熱合成、溶劑熱合成、固相反應(yīng)、熔鹽反應(yīng)等。

1.3 合成新材料

1.3.1 不銹鋼高壓釜內(nèi)的水熱合成

以氫氧化鈣為脫氟劑，在不銹鋼高壓釜中加水和聚四氟乙烯，在550 ℃下制得非晶狀碳納米球，掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）圖像[2]如圖1所示，當(dāng)反應(yīng)溫度為500 ℃時(shí)，不銹鋼高壓釜內(nèi)的水處于超臨界狀態(tài)，超臨界水能在持久性聚四氟乙烯廢物的降解中發(fā)揮關(guān)鍵作用。反應(yīng)過(guò)程可以將廢棄的聚四氟乙烯轉(zhuǎn)化為價(jià)值更高的碳材料，不僅可以減少?gòu)U棄聚四氟乙烯對(duì)環(huán)境的危害，還可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，反應(yīng)方程式如下：

1.3.2 不銹鋼高壓釜內(nèi)的溶劑熱合成

將苯作為溶劑，利用五氯化鈮和疊氮化鈉作為原料，在不銹鋼高壓釜中380 ℃下制得氮化鈮納米晶。在此路線中，高壓釜中的苯可以作為無(wú)機(jī)溶劑介質(zhì)來(lái)控制反應(yīng)速度和顆粒大小。在反應(yīng)溫度下，高壓釜中的苯提供的壓力可能較高。高壓釜內(nèi)的高壓有助于降低反應(yīng)溫度，促進(jìn)納米NbN晶體的形成。X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）譜圖如圖2[3]所示，反應(yīng)方程式如下：

如果以上水熱合成和溶劑熱反應(yīng)溫度比較高（超過(guò)300 ℃），則不適合在聚四氟乙烯反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，可以利用不銹鋼高壓釜替代聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)，制備無(wú)機(jī)非金屬材料。此外，不銹鋼高壓釜內(nèi)也可以進(jìn)行固相合成反應(yīng)和熔鹽反應(yīng)。如果將金屬鎂粉作為還原劑，利用碳酸鋰和二氧化鋯作為原料，在不銹鋼高壓釜中600 ℃下制得碳化鋯[4]，反應(yīng)方程式如下：

利用不銹鋼高壓釜制備碳化物、氮化物等無(wú)機(jī)非金屬材料具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如反應(yīng)操作簡(jiǎn)單、設(shè)備要求低，且反應(yīng)是在一個(gè)密封的體系中進(jìn)行，無(wú)需惰性氣體保護(hù)。

2 不銹鋼高壓釜在“先進(jìn)材料制備技術(shù)”課程設(shè)計(jì)中的重要意義

從教師的角度來(lái)看，教學(xué)與科研結(jié)合是提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的必然趨勢(shì)。一方面，課堂教學(xué)中的理論知識(shí)是科學(xué)研究的支柱。教師在向?qū)W生傳授知識(shí)的同時(shí)，對(duì)學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，在開(kāi)展相關(guān)學(xué)科研究時(shí)，他們的想法將更加清晰和有目的。另一方面，教師從事科學(xué)研究工作有助于自身了解相關(guān)專業(yè)的前沿知識(shí)動(dòng)態(tài)，豐富知識(shí)結(jié)構(gòu)，拓寬教學(xué)思路，加深對(duì)專業(yè)學(xué)科相關(guān)內(nèi)容的理解，進(jìn)而不斷更新教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生獲得更新、更全面的科學(xué)知識(shí)。積極開(kāi)展科研的教師自然會(huì)感染學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，培養(yǎng)他們提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

從學(xué)生的角度來(lái)看，教師在課堂上向?qū)W生介紹不銹鋼高壓釜的特點(diǎn)，并將其融入課程相關(guān)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅可以讓學(xué)生了解不銹鋼高壓釜的特點(diǎn)和原理以及材料制備的各種方法，而且可以充分開(kāi)發(fā)學(xué)生的想象力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)與研究相結(jié)合是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的有效途徑。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)顯得過(guò)于枯燥，尤其是體現(xiàn)師范院校特色的教育理論課應(yīng)更加注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才。在本科教育階段，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已經(jīng)逐漸被高校淘汰。將科研內(nèi)容恰當(dāng)?shù)匾胝n堂教學(xué)是教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在課堂上，學(xué)生可以從教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式中了解當(dāng)前學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)習(xí)最新的知識(shí)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)科研積極性。同時(shí)，該模式可以指導(dǎo)大學(xué)生利用充足的課余時(shí)間從事科研，提高其創(chuàng)新能力。教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式是高校培養(yǎng)高素質(zhì)人才的必然趨勢(shì)，不僅可以提高教師的教學(xué)水平和學(xué)術(shù)研究水平，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的化學(xué)反應(yīng)，使用不銹鋼高壓釜可以實(shí)現(xiàn)材料的可控制備，這也是江蘇理工學(xué)院功能材料專業(yè)開(kāi)展“先進(jìn)材料制備技術(shù)”課程設(shè)計(jì)的原因。教學(xué)實(shí)踐證明，不銹鋼高壓釜初步實(shí)現(xiàn)了功能材料專業(yè)本科生對(duì)新材料合成方法的深刻認(rèn)識(shí)以及與理論課程的有效結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。以科研成果為例，豐富了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，同時(shí)提高了教學(xué)質(zhì)量，也為科學(xué)研究提供了更好的理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)研究與教學(xué)相互促進(jìn)。