自蔓延高温合成技术的原理及应用(材料工程新工艺新技术)

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1、自蔓延高温合成技术的原理及应用(材料工程新工艺新技术)自蔓延高温合成技术的原理及应用摘要：自蔓延高温合成技术在材料的合成与制备中应用非常广范，本文主要介绍自蔓延高温合成技术的发展背景和原理，并概述该技术在材料合成与制备中的应用和发展前景。关键词：自蔓延高温合成；原理；应用、发展前景Theprincipleandapplicationofself-propagatinghigh-temperaturesynthesistechnologyAbstract:Itiswidelyusedofself-propagating

2、high-temperaturesynthesistechnologyinthesynthesisandperparationofmaterials,thisarticlemainlyintroducesthebackgroundofdevelopmentandprincipleofself-propagatinghigh-temperaturesynthesistechnology,andthensummarizetheapplicationandtheprospectindevelopinginmaterials

3、synthesiswhichisusedthistechnology.Keywords:self-propagatinghigh-temperaturesynthesis;principle;application;prospectindeveloping1.前言自蔓延高温合成技术[1]（Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis，简称SHS）是前苏联科学家A.G.Merzhanov于1967年道次提出的一种材料合成新工艺，又称为燃烧合成。Merzhanov发现化学反应：Ti?

4、2B?TiB2?280kJ/mol具有点火后不需要外界能量就可持续燃烧并从一端向另一端传播，使Ti与B的混合物反应生成TiB2化合物，从而合成硬质陶瓷TiB2粉末这种新材料。于是将这种快速燃烧模式称为“固体火焰”，称这种依靠反应自身放热来合成材料的技术为自蔓延高温合成技术。按照该技术创始人Merzhanov的说法，该技术就是利用任何具有化学反应特性的燃烧过程来合成具有实用目的、有价值的致密产品。SHS技术是在高真空或介质气氛中点燃原料引发化学反应，反应放出的热量使得邻近物料的温度骤升，从而引起新的化学反应，并且反应以

5、燃烧波的形式蔓延至整个反应物，当燃烧波向前推进的时候，反应物逐步反应而变成了产物。同其他常规工艺方法相比，SHS具有以下优点[2]：（1）SHS技术制备工艺相对简单，节约能源。利用外冲毁能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波持续下去，因此制造成本低，只有传统方法费用的30%～45%（2）合成产物污染少，产品纯度高。反应过程的高温可以蒸发掉低沸点的杂质，所以得到的产物纯度比较高，由于升温和冷却速率很快，温度梯度高，易于存在高浓度缺陷和非平衡结构，反应后可获得常规技术难以获得的高活性的亚稳态产物及复杂相，结合传统的熔

6、铸、挤压等技术还可以得到形状复杂的近无加工余量的零部件。（3）反应快。自蔓延高温合成是一个极短的过程，从反应被引发到燃烧结束，整个过程只需几秒钟到几分钟，所以这是传统烧结方法无法比拟的。另外，因为反应时间短，所以燃烧合成时对气氛要求不高。2.SHS技术的原理2.1SHS的化学反应原理通常，燃烧反应可解释为某种元素与氧高速反应，从而释放出大量热能[3]。在SHS中，把认为具有任何化学特征并能生成具有实用价值的凝聚物的放热反应称为燃烧。SHS技术中选用的能够相互作用的物质可以是各种聚集状态，但燃烧产物在冷却之后都是固态物

7、质，如碳化物、硼化物、氮化物等难熔化合物，这些化合物键能高，形成时可释放出大量热量，而且稳定性高。其反应形式主要有直接合成法和铝热、镁热合成法。前者是利用金属、非金属单质在一定条件下直接反应生成难熔金属间化合物和金属陶瓷，如TiB2、TiC、BN等；后者是采用镁、铝等活泼金属把金属或非金属元素从其他氧化物中还原出来，然后通过还原出的元素之间的相互反应来合成所需的化合物。例如：6Mg?Cr2O3?B2O3?2CrB?6MgO?Q（1）12Al?4Fe2O3?B2O3?2FeB?2Fe3Al?5Al2O3?Q（2）在上述

8、反应中CrB、FeB和Fe3Al皆为所需要的金属间化合物，而MgO和Al2O3则为反应副产物，由于其密度不同，可依靠重力实现相分离。2.2SHS的燃烧传播原理SHS反应体系要通过一定的方式点燃，达到体系着火温度后，才能开始强烈燃烧合成反应。目前常用的点火方式有电弧点燃法、电炉加热点燃法、光点燃法、高频加热点燃法、微波加热点燃法。当粉末混合物预热