采用自蔓延高温合成法进行陶瓷内衬复合管制备

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1、采用自蔓延高温合成法进行陶瓷内衬复合管制备1.自蔓延高温合成技术自蔓延高温合成技术(Self-propagatinghigh-temperaturesynthesistechnology，简称SHS)[1]又称燃烧合成技术。是一种依靠化学反应过自身放热来制备材料的新技术，即外加能源(电热或激光等)触发点火剂燃烧，进而引发反应物料(气相-固相，固相-固相，液相-固相等)自发高速反应、放出热量，反应由局部以燃烧波的形式自动蔓延至整个体系，最后获得新的合成材料。反应物可以是元素粉末相互直接混合或元素粉末与气

2、体，也可用金属氧化物和还原剂及非金属粉末的混合物反应生成热能维持反应持续进行。反应产物必须是稳定的化合物。现在人们已经使用该法制备处数百种化合物，像各种金属的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、氧化物、氢化物等。SHS技术也已经发展成了SHS制粉技术、SHS致密化技术、SHS熔铸技术、SHS焊接技术、SHS涂层技术等。图1-1自蔓延高温合成过程示意图1.1自蔓延高温合成技术的基本原理氧化物Fe2O3和铝粉发生如下化学反应：Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3+828.42KJ这是一个最简单、最典型的铝热

3、反应，并且是一个强放热反应，其反应的绝对温度为3735K．其方法是首先将原料混合，然后利用外热源在原料粉体局部点火，燃烧反应从点火处自发蔓延开。在反应开始部分的背后存在着高温合成区(1500℃—4000℃)，由高温合成区不断提供热量来诱发下一步反应，直至原料粉体合成反应完为止，这就是SHS技术的基本原理。SHS是一高放热的化学体系经外部能量诱发的局部化学反应(点燃)，形成其前沿(燃烧波)使化学反应持续蔓延直至整个反应体系，最后达到所需材料合成目的的技术。SHS本质上是一个剧烈的物理化学反应过程，SHS

4、燃烧反应绝热温度(Tad)是在假设体系没有质量和能量损失条件下(绝热反应)，化学反应放出的热量使体系能达到的最高温度。SHS过程中，反应体系在一个很狭窄燃烧区快速升温进行材料合成反应，整个过程近似于绝热反应。设SHS反应为：(1)根据能量平衡可以得：(2)其中为反应(1)在298K时的标准焓变，Cp为反应物及产物热容、相变等相关的函数。解此积分方程即可求得SHS燃烧反应的绝热温度。绝热燃烧温度是描述SHS反应特征最主要的热力学参量。可以作为判断燃烧反应是否自我维持的定性判据，还可以对燃烧反应产物的状态

5、进行预测，并可为反应体系的成份设计提供依据。Tad一般在(1800~6000K)。影响Tad的因素主要有化学配比和环境温度。SHS动力学参量是描述SHS过程特性的重要参量，它旨在研究燃烧波附近高温化学转变的速度等规律：①反应速率是描述化学反应过程的一个普遍适用参量(由于绝大多数SHS反应体系并非是在原子或分子水平的均匀混合，因而应用一般的物理化学反应理论会遇到困难)。②质量传递和能量传递成为反应过程的主要因素，能量释放速率与质量燃烧速率不同于燃烧波速(它们的值与观察者所选取的参照系统无关)，具有鲜明的

6、物理意义。研究表明在SHS体系内合成反应是分步完成的，即使燃烧波已移动，但合成反应还在继续。③原料的初始状态和外部条件对SHS反应也有重要影响。由于SHS过程的高温和高速反应特性，使之对其动力学的研究十分困难，加上SHS反应的特殊性和复杂性，目前研究仍处在进一步深化探讨中。燃烧模式的研究是燃烧理论研究的一个重要组成部分。SHS过程的燃烧模式有稳态燃烧、振荡燃烧和螺旋燃烧。目前研究的“热爆”燃烧理论，它对一些微弱的放热体系如许多金属间化合物及制备致密SHS制品有着重大意义。燃烧化学的任务是研究燃烧波中化

7、学反应机制，包括所形成的中间反应物和最终产物。研究燃烧产物化学成份及相组成与燃烧条件之间的关系，可实现合成条件的优化。迄今为止所合成的数百种化合物(据报道在500种以上)大都采用直接化合、预还原-化合等原理而获得，合成的产物有单相及复合相。产物的物相涉及固、液、气相，其反应过程有一步完成的，但更多是分步进行。1.1自蔓延高温合成技术的特点自蔓延高温合成的基本要素有：(1)利用化学反应自身放热，完全或部分不需要外部热源；(2)通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成分和结构的产物；(3)通过改变热的释放

8、和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构。SHS技术制备的产品纯度高、能耗低、工艺简单，用SHS技术可以制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料。其特点为：合成过程十分快速，节能效果非常显著，合成材料的纯度很高，产物易形成多孔组织，燃烧产物的组织具有较大的离散性。因此，探索各种SHS体系的燃烧合成规律，获得均匀组织也是保障SHS产业化的关键[3]。1.1自蔓延高温合成技术的发展历程及研究现状2000多年前中国人发明的火药(KN03、S、