不銹鋼高壓釜在“先進材料制備技術”課程設計中的應用

王良彪 后明蘭 黃子迅 謝勇杰 楊廷海 劉維橋 鄆濤濤 戴佳麗

關鍵詞：材料合成；不銹鋼高壓釜；化學反應；課程設計

材料是人類歷史和社會發展的標志，其研發和應用水平是一個國家科技水平和綜合國力的重要體現。20世紀70年代，人們將材料、信息和能源譽為當代文明的三大支柱；20世紀80年代，人們又將新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志，并列入我國“863”高技術研究發展計劃。新材料技術是當代高新技術的重要組成部分，同時也是高新技術發展的基礎。眾所周知，新材料的研究和應用離不開其制備及合成技術，因此，材料的制備與合成技術對其性能研究和實際應用具有至關重要的作用。江蘇理工學院“先進材料制備技術”課程就是根據功能材料專業特點開設的實踐教學課程。該課程對培養學生結合實際生產生活提出問題、分析問題、解決問題和初步形成科學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、操作流程、反應原理及合成材料，闡明不銹鋼高壓釜在“先進材料制備技術”課程設計中的重要意義。

1 不銹鋼高壓釜的特點及合成原理

1.1 特點

不銹鋼高壓釜是實現材料合成的基本設備，整個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體系，而且可以使材料的形成與結晶同步完成。不銹鋼高壓釜在材料合成中有以下優點：一是不銹鋼高壓釜有較廣泛的應用范圍，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密閉的體系，可以有效防止材料在高溫下發生氧化和分解；三是在材料制備方面操作簡單。

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，再對不銹鋼高壓釜進行加熱，發生化學反應，制備目標材料。不銹鋼高壓釜內的化學反應包括水熱合成、溶劑熱合成、固相反應、熔鹽反應等。

1.3 合成新材料

1.3.1 不銹鋼高壓釜內的水熱合成

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，當反應溫度為500 ℃時，不銹鋼高壓釜內的水處于超臨界狀態，超臨界水能在持久性聚四氟乙烯廢物的降解中發揮關鍵作用。反應過程可以將廢棄的聚四氟乙烯轉化為價值更高的碳材料，不僅可以減少廢棄聚四氟乙烯對環境的危害，還可以實現廢棄物的資源化利用，反應方程式如下：

1.3.2 不銹鋼高壓釜內的溶劑熱合成

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機溶劑介質來控制反應速度和顆粒大小。在反應溫度下，高壓釜中的苯提供的壓力可能較高。高壓釜內的高壓有助于降低反應溫度，促進納米NbN晶體的形成。X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）譜圖如圖2[3]所示，反應方程式如下：

如果以上水熱合成和溶劑熱反應溫度比較高（超過300 ℃），則不適合在聚四氟乙烯反應釜內進行，可以利用不銹鋼高壓釜替代聚四氟乙烯水熱反應釜進行反應，制備無機非金屬材料。此外，不銹鋼高壓釜內也可以進行固相合成反應和熔鹽反應。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]，反應方程式如下：

利用不銹鋼高壓釜制備碳化物、氮化物等無機非金屬材料具有非常獨特的優勢，如反應操作簡單、設備要求低，且反應是在一個密封的體系中進行，無需惰性氣體保護。

2 不銹鋼高壓釜在“先進材料制備技術”課程設計中的重要意義

從教師的角度來看，教學與科研結合是提高教學質量和教學水平的必然趨勢。一方面，課堂教學中的理論知識是科學研究的支柱。教師在向學生傳授知識的同時，對學科進行系統的理論學習，在開展相關學科研究時，他們的想法將更加清晰和有目的。另一方面，教師從事科學研究工作有助于自身了解相關專業的前沿知識動態，豐富知識結構，拓寬教學思路，加深對專業學科相關內容的理解，進而不斷更新教學內容，使學生獲得更新、更全面的科學知識。積極開展科研的教師自然會感染學生，增強學生的創新意識和實踐能力，培養他們提出問題、分析問題和解決問題的能力。

從學生的角度來看，教師在課堂上向學生介紹不銹鋼高壓釜的特點，并將其融入課程相關內容教學設計，不僅可以讓學生了解不銹鋼高壓釜的特點和原理以及材料制備的各種方法，而且可以充分開發學生的想象力，激發學生的學習興趣。教學與研究相結合是培養學生創新意識和實踐能力的有效途徑。傳統的課堂教學顯得過于枯燥，尤其是體現師范院校特色的教育理論課應更加注重理論與實踐的結合，真正培養具有創新意識和實踐能力的高素質人才。在本科教育階段，傳統的課堂教學已經逐漸被高校淘汰。將科研內容恰當地引入課堂教學是教學過程中的一個重要環節。在課堂上，學生可以從教學與科研相結合的教學模式中了解當前學科的發展趨勢，學習最新的知識內容，與時俱進，激發學習興趣，調動科研積極性。同時，該模式可以指導大學生利用充足的課余時間從事科研，提高其創新能力。教學與科研相結合的教學模式是高校培養高素質人才的必然趨勢，不僅可以提高教師的教學水平和學術研究水平，還可以培養學生的創新精神和實踐能力。

3 結語

通過設計合理的化學反應，使用不銹鋼高壓釜可以實現材料的可控制備，這也是江蘇理工學院功能材料專業開展“先進材料制備技術”課程設計的原因。教學實踐證明，不銹鋼高壓釜初步實現了功能材料專業本科生對新材料合成方法的深刻認識以及與理論課程的有效結合，培養了學生的創新能力。以科研成果為例，豐富了教學內容，激發了學生的學習興趣，培養了學生的創新能力和動手能力，同時提高了教學質量，也為科學研究提供了更好的理論基礎，實現了科學研究與教學相互促進。