一文厘清材料合成热处理术语
2019-07-11 10:15:07   来源:

空气或氧气中”的属性。

2. Annealing(退火)

该词是指“加热到高温后并维持一段时间,再缓慢冷却”的过程。冶金应用中退火常用来消除金属内部残留应力,以增加金属的延展性和韧性,所以退火的对象一般与金属有关。但 annealing 的定义中并未严格规定退火必须针对金属,所以只要符合加热-保温-自然降温的过程原则上都可称为 annealing。此外,定义也没有限定退火的气氛,即不一定要在惰性气氛中。

若无特殊说明,annealing 指 thermal annealing(热退火)。但在高分子领域中,退火并不局限于加热。如用易挥发溶剂(如氯仿)熏蒸嵌段共聚物(block copolymer)使其发生相分离和自组装的过程就被称为 solvent vapor annealing(溶剂蒸汽退火)[2]。该退火方法一般在室温或略高于溶剂沸点温度下进行。笔者认为这个过程亦称退火的原因是溶剂熏蒸与加热退火达到的效果非常类似。因此,高分子相关文献中往往要写明退火的种类,如 thermal annealing 或者solvent vapor annealing(有时简写为solvent annealing)。

3. Pyrolysis(热解)

IUPAC对该词的定义是“Thermolysis, usually associated with exposure to a high temperature”(通常在高温下进行的热解)[1]。在该主定义下还有两条附注:

· 附注1:The term generally refers to reaction in an inert environment. 与calcination在氧气氛围下反应不同,pyrolysis过程不能有能与被加热物质反应的气氛存在。

· 附注2:Pyrolysis is the commonly used term for a high–temperature treatment that converts a ceramic precursor to ceramic. 本条指出了 pyrolysis 的对象常常是陶瓷材料的前驱体。

实际应用 pyrolysis 这个词时会遵守附注1,但使用范围已超出了附注2 所涉及的陶瓷材料范畴。

从 pyrolysis 的构词出发还可以将该词与 annealing 进行区分。Pyrolysis 为希腊语词汇:pyro 代表火,lysis 代表分离。所以 pyrolysis 的本质是一种利用火焰分离物质的方法,即通过加热 “一变多”的过程。这也是中文“热解”中“解”字所强调的。而 annealing 则更适合描述“多合一”的灼烧过程。

灼烧有机物生成碳及各种气态物质的过程当然可称 pyrolysis,但还可以根据加热温度进一步使用更准确的名字:

3.1 Charring(烧焦)

该词指在较低温度下生成含有碳及各种有机物(carbonaceous)混合物的过程。所形成的物质不一定是黑色,也可以是棕色、咖啡色等。烹饪技术中有一种加热糖使其融化形成棕黑色粘稠物质的方法,叫炒焦糖色或炒糖色(可乐的棕黑色就叫焦糖色)。这里的“焦糖”实际就是糖烧焦后的产物。需要特别指出的是,charring 往往不遵守 pyrolysis 附注1 的限定,即其发生过程可在空气或氧气中。

3.Carbonization(碳化)

当加热温度较高时,加热后所得产物的几乎是黑色的碳(carbon),此程就是碳化。特别地,煤在惰性气氛下高温加热后所得的碳渣被称为 coke。

从定义可以看出,碳化的对象在惰性气氛下加热后应能分解成碳。某些有机物,如聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃 PMMA),因自身氧含量高,在氮气中加热到其分解温度以上后几乎不生成碳,该过程便不能称为 carbonization。

Charring 和 carbonization 的温度界限没有明确划分,这是因为不同碳前驱体的成碳温度不一。依笔者经验,生物质的碳化温度一般要在 600 °C 以上 [3]。

4. Carburization(渗碳)

渗碳是指在碳源存在下通过加强热向被处理对象渗入碳原子的过程。制钢时向铁中引入碳的过程就是渗碳。“碳源”可以是碳,也可以是能够在高温下生成碳的物质。因为渗碳过程属固相扩散,其扩散速率远比气相和液相扩散慢得多,所以需在高温下(如 1500 °C 以上)进行 [4]。

渗碳和碳化要严格区分,特别是二者英文极为相似。渗碳过程是主动向被处理物中引入碳原子,而碳化则是除掉被处理物中的其他成分而保留碳。简而言之,渗碳中的碳是从外界引入的,而碳化中的碳是被加热物质自身含有的。