自蔓延高温合成技术

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1、自蔓延高温合成技术也称燃烧合成，是一种利用化学反应（燃烧）本身放热制备材料的新技术，其特点为：　　　（1）利用化学反应自身放热，完全（或部分）不需要外热源；　　　（2）通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需要成分和结构的产物；　　　（3）通过改变热的释放和传输速度来控制反应过程的速度、温度、转化率和产物的　　　　　　成分及结构。　　图4-15是自蔓延高温合成技术的原理示意图。把原料按一定比例混合成型，然后通过点火引燃，使其局部发生燃烧反应，并得到所需要的反应产物。同时，燃烧反应放出的热量足以使其它部分原料逐步燃烧，使整个坯料

2、完全发生反应，获得具有所需要的一定成分和结构的材料。　　　图4-15　是自蔓延高温合成技术的原理示意图　　自蔓延高温合成技术具有节能、工艺设备较简单、产品纯度高，可制备非平衡材料、多种类型复合材料等优点，是一种制备陶瓷和金属间化合物的新方法，从1967年在原苏联首次发现以来，受到了人们的广泛重视。但这种方法也有一定的局限性，限制了它的发展，如反应温度高、制造的粉末粒度较粗、反应复杂、瞬时高温和生产过程不易控制等。　　　　　　　　　　　　表4-9列出了自蔓延高温合成的一些参数。反应温度2000～4000℃燃烧波速度0.1～15

3、cm/sec燃烧区域宽度0.1～5.0mm加热速度102～106℃/sec点火能量10～100cal/cm·sec点火时间0.05～4.0sec自蔓延高温合成技术　　　表4-10列出了自蔓延高温合成的一些材料。　　图4-15　是自蔓延高温合成技术的原理示意图　　自蔓延高温合成技术通常可应用在制粉、烧结、加压致密化、熔铸、焊接和涂层等几个方面，并可与其它传统的工艺相结合，生产出产品来，一些产品已经取得了工业应用，如TiC磨料、大型硬质合金轧辊、陶瓷内衬钢管、TiNi形状记忆合金，耐火材料、和铁氧体等等。　　自蔓延离心铸造陶瓷内

4、衬复合钢管技术，就是把铝粉和氧化铁粉混匀后装入钢管内，然后通过离心机带动钢管旋转，达到一定速度后，用火焰点燃钢管内的物料，使铝和氧化铁发生放热反应，得到铁和氧化铝。依靠反应本身放出的热量，这个化学反应过程可以自我维持并迅速在钢管内蔓延，燃烧温度可达2180摄氏度，使反应产物铁和氧化铝瞬时熔化，并在离心力的作用下分层分布。密度较小的氧化铝分布在钢管内壁，形成陶瓷层，可以得到比钢本身更良好的耐磨和耐蚀性能；而密度较大的铁处于钢管和氧化铝陶瓷层之间，起到过渡层的作用。目前已经制出了长5.5米、直径0.33米的复合钢管，用于铝液和高

5、温腐蚀性气体的输运。　　自蔓延合成TiNi形状记忆合金型材的新工艺如图4-16所示。把原料粉末混合后，通过冷等静压成型，再点火自蔓延燃烧形成具有一定成分的TiNi合金。然后可以通过热等静压、热加工、冷加工等工艺过程获得管材、线材和板材等。　　　图4-16自蔓延合成TiNi合金的新工艺　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　上一页　下一页自蔓延高温合成（self–propagationhigh–temperaturesynthesis，简称SHS），又称为燃烧合成（combustionsyn

6、thesis）技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用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。燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延相当快，一般为0.1～20.0cm／s，最高可达25.0cm／s，燃烧波的温度或反应温度通常都在2100～3500K以上，最高可达5000K。SHS以自蔓延方式实现粉末间的反应，与制备材料的传统工艺比较，工序减少，流程缩短，工艺简单，一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量。由于燃烧波通过试样时产生

7、的高温，可将易挥发杂质排除，使产品纯度高。同时燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，有可能形成复杂相，易于从一些原料直接转变为另一种产品。并且可能实现过程的机械化和自动化。另外还可能用一种较便宜的原料生产另一种高附加值的产品，成本低，经早在2000多年前，中国人就发明了黑色炸药（KNO3＋S＋C），这是自蔓延高温合成（SHS）方法的最早应用，但不是材料制备。所谓自蔓延高温合成材料制备是指利用原料本身的热能来制备材料。　　1900年法国化学家Fonzes–Diacon发现金属与硫、磷等元素之间的自蔓延反应，从而制备了磷化物

8、等各种化合物。　　在1908年Goldschmidt首次提出“铝热法”来描述金属氧化物与铝反应生产氧化铝和金属或合金的放热反应。　　1953年，一个英国人写了一篇论文《强放热化学反应自蔓延的过程》，首次提出了自蔓延的概念。　　1967年，前苏联科学院物理化学研究所Borovinskaya、