第8章 自蔓延高温合成

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1、自蔓延高温合成第8章8.1自蔓延高温合成技术一、自蔓延高温合成技术发展历史1967年，原苏联科学院化学物理研究所Borovinskaya、Skiro和Merzhanov等人在研究Ti、B混合物的燃烧问题时，发现了燃烧反应的自蔓延现象，并将这种初始反应物都是固体的燃烧过程称为“固体火焰”。20世纪80年代，SHS技术引起各国科学界的关注，SHS的研究也由前苏联扩展到世界范围。自1991年起，每两年召开一次国际SHS会议。1992年国际SHS学报（Inter.J.SHS）在美国创刊。这些广泛的国际交流和合作促进

2、了SHS的进一步发展。目前，从事研究的国家己有30多个。2目前SHS研究中仍存在着最大的问题合成过程难以控制SHS科学工作者的首要任务外部环境（使用如微波、超声波、电磁场等）工艺参数人为控制8.1自蔓延高温合成技术二、SHS技术的研究方向38.2自蔓延合成方法原理一、自蔓延合成方法的概念自蔓延高温合成是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。自蔓延高温合成：48.2自蔓延合成方法原

3、理一、自蔓延合成方法的概念节省时间，能源利用充分；设备、工艺简单；产品纯度高，反应转化率接近100%；不仅能生产粉末，如果同时施加压力还可以得到高密度的燃烧产品；产量高（因为反应速度快）；扩大生产规模简单，而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品；能够生产新产品，例如立方氮化钽；生成物中缺陷和非平衡相比较集中，产物更具有活性，更容易烧结；可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物以及亚稳定相等。SHS技术优点：51、燃烧波的特征8.2自蔓延合成方法原理二、自蔓延合成方法的原理燃烧波从右向左蔓延，δ区间为反

4、应物转化起始至完成区间。燃烧波前沿的区域是热影响区，当该区内温度从T0上升到着火温度，热释放速率和转化率开始由0逐渐上升，这样就进入燃烧区，在这一区域内实现由反应物结构转化为产物结构，当转化率达到1时，反应即进入产物区。68.2自蔓延合成方法原理在初始燃烧区，反应物结构向产物结构转变尚未完全进行，结构处于中间状态；在一次化学和结构转变区内最终实现结构的转变。72、SHS燃烧波方程8.2自蔓延合成方法原理二、自蔓延合成方法的原理由Arrhenius动力学知识可以推导出燃烧波传导速度表达式式中：f(n)为反应动

5、力学级数(n)的函数，Tc为燃烧温度，R为气体常数，K0为常数，E0为过程的激活能。通过激活能就可以推断某种机制在燃烧过程中起的作用。83、SHS相图8.2自蔓延合成方法原理二、自蔓延合成方法的原理SHS相图可以为实际生产工艺的制定提供理论指导。94、SHS燃烧动力学8.2自蔓延合成方法原理二、自蔓延合成方法的原理燃烧波中出现的液相，在SHS过程中扮演着决定性的因索，液相不仅可通过反应物的熔化产生，而且还可通过共晶接触熔化产生。在SHS燃烧波阵面内，当低熔点组分熔化时，熔化的液相在毛细作用下，铺张到高熔点组

6、分上，如果铺张的时间大于反应的时间，SHS反应受毛细作用下铺张速率控制；当铺张时间小于反应时间，SHS反应受组分在生成层中扩散速度控制。104、SHS燃烧动力学8.2自蔓延合成方法原理二、自蔓延合成方法的原理对小颗粒金属系统，以扩散控制模式为主；而大颗粒金属体系则受毛细作用下液相的铺张速率控制。体积分数过高的易熔组分会产生过多的液相，起到热阱的作用，降低燃烧温度；反之，则降低燃烧速率。对弱放热反应体系，为了能维持反应并获得满意产品，可以采用给反应物预热的方法来实现，但这种方法会造成设备和工艺的复杂化。另外一

7、种方法是通过在反应物中添加一些高放热的化学激活剂来提高燃烧温度，改善燃烧条件。115、合成转化率8.2自蔓延合成方法原理二、自蔓延合成方法的原理固-固反应：预加热温度和颗粒大小是影响合成产品的主要因素。预加热可以提高合成温度并使合成转化率提高；颗粒大小对合成转化率的影响主要表现在颗粒增大到一定程度后，转化率明显下降。固-气反应：初始料胚的空隙率和气体分压是影响合成的关键因素。随着气体分压的增大，合成转化率反而下降，这是因为合成温度太高引起钛粉熔化，阻碍了合成反应进一步进行。降低合成温度并保证生料胚中适当的空

8、隙率是得到高转化率的条件。121、SHS制粉8.3自蔓延合成工艺一、自蔓延合成生产工艺种类常规SHS技术：是用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术。适用于具有较高放热量的材料体系。特点是设备简单、能耗低、工艺过程快、反应温度高。热爆SHS技术：是将反应混合物压坯整体同时快速加热，使合成反应在整个坯体内同时发生的技术。适用于各种金属间化合物、含有较多金属相的金属陶