自蔓延高溫合成

自蔓延高溫合成技術(shù)在現(xiàn)今是一種很有吸引力的材料制備技術(shù)，它在陶瓷材料、復(fù)合材料、梯度功能材料及材料表面改性等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用。它的應(yīng)用主要包括有：

1、在離心力的作用下合成陶瓷內(nèi)襯復(fù)合金屬管；

2、制備泡沫陶瓷材料的方法，制備出導(dǎo)電的(A12O。 TIBZ)和(A1203 2Cr)體系泡沫陶瓷材料。

3、利用激光輔助自蔓延高溫合成技術(shù)在金屬表面形成純陶瓷涂層等；一言概之，自蔓延高溫合成對制備新型陶瓷材料有極大的幫助。?

??自蔓延高溫合成(Self-propating?High一teeratureSynthesis，sHs)方法的概念是由前蘇聯(lián)科學(xué)家A.G.Mazhanov在1967年首先提出來的，SHS的本質(zhì)是一種高放熱無機(jī)化學(xué)反應(yīng)，其基本反應(yīng)過程是:向體系提供必要能量(點(diǎn)火)，誘發(fā)體系局部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，此后，這一化學(xué)反應(yīng)過程在自身放出的高熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，最后將燃燒(反應(yīng))波蔓延到整個(gè)體系，從而制備出所需的陶瓷材料。一般將反應(yīng)的原料混合物壓成塊狀，在塊體的一端點(diǎn)火引燃反應(yīng)，結(jié)果形成一個(gè)以一定速度(Vp)蔓延的燃燒波，隨著燃燒波的推進(jìn)，原料混合物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。與傳統(tǒng)工藝方法相比較，它的優(yōu)點(diǎn)主要特點(diǎn)是：

(1)生產(chǎn)工藝簡單，過程時(shí)間短，反應(yīng)迅速，不同體系燃燒波擴(kuò)展速度不同，大致范圍在0.1~15cm/sec，一般在幾秒至幾十秒的時(shí)間內(nèi)即可完成，生產(chǎn)效率高；

(2)合成過程在自身反應(yīng)放出熱量的支持下進(jìn)行，反應(yīng)后合成過程在自身反應(yīng)放出熱量的支持下進(jìn)行，無需再補(bǔ)充能量，節(jié)約能源；

(3)燃燒合成過程的高溫(有的應(yīng)溫度高達(dá)5000K)使雜質(zhì)得以揮發(fā)，純化產(chǎn)品，合成物污染少，純度高；

(4)由于反應(yīng)迅速，合成過程中溫度梯度大，產(chǎn)品中極可能出現(xiàn)缺陷集中和非平衡相，使得產(chǎn)物活性增高。因此，它在無機(jī)合成中得到了廣泛的應(yīng)用。

總而言之，由于自蔓燃高溫合成能夠利用自身產(chǎn)生的熱量自發(fā)地進(jìn)行反應(yīng)，極大地減輕人工操作的難度，使得新材料的制備變得越加簡單，具有良好的發(fā)展前景和極大的利用價(jià)值 。?2100433B

含氮鉻鐵簡介

自蔓延高溫合成技術(shù)（self–propagation high–temperature synthesis，簡稱SHS）也被稱作燃燒合成（Combustion Synthesis）是結(jié)合自身反應(yīng)放熱制備材料的方法，于本世紀(jì)60年代末興起。它的基本要素是：1、利用化學(xué)反應(yīng)自身放出的熱量來維持反應(yīng)的進(jìn)行，部分（或完全）不需要外來熱量；2、自蔓延反應(yīng)經(jīng)過誘發(fā)開始反應(yīng)后，會(huì)形成一種自上向下的燃燒波，能夠自我維持反應(yīng)的進(jìn)行，得到所需結(jié)構(gòu)成分的產(chǎn)品；3、通過改變釋放的熱量和調(diào)節(jié)傳輸速度，可以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程的溫度、反應(yīng)快慢、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和成分的控制。

自蔓延合成最主要特點(diǎn)就是充分結(jié)合元素間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高熱量，在短時(shí)間內(nèi)合成高熔點(diǎn)、高性能的材料。自蔓延合成技術(shù)是集材料合成與燒結(jié)于一體的工藝。自蔓延高溫合成反應(yīng)過程里面會(huì)出現(xiàn)燃燒結(jié)構(gòu)形成過程。結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)是連接燃燒過程與結(jié)構(gòu)形成過程的紐帶。自蔓延高溫燃燒過程分為四個(gè)階段：1、燃燒反應(yīng)區(qū)迅速擴(kuò)充階段；2、穩(wěn)態(tài)燃燒階段；3、降速合成階段；4、燃燒波通過后的后燃燒階段。

含氮鉻鐵優(yōu)點(diǎn)

自蔓延高溫合成技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自蔓延高溫合成技術(shù)不僅工藝設(shè)備簡單，而且節(jié)約生產(chǎn)成本，其成本不到傳統(tǒng)工藝費(fèi)用的一半，消耗的能量少，生產(chǎn)效率高，對環(huán)境的影響小。利用此項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)過程中高溫，可以蒸發(fā)掉反應(yīng)過程中低沸點(diǎn)的雜質(zhì)，得到純度較高的產(chǎn)物。

（2）由于反應(yīng)放熱升溫和冷卻過程中存在極高的溫度梯度，這會(huì)使材料出現(xiàn)高濃度的缺陷和非平衡結(jié)構(gòu)，反應(yīng)完成后能得到普通的工藝不易制備的具有高活性的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物及復(fù)雜相。由于自蔓延的技術(shù)特點(diǎn)，能使合成材料擁有一些特殊性能，如燒結(jié)力，催化性能等。

（3）一些自蔓延反應(yīng)體系能產(chǎn)生高放熱，溫度可達(dá)3000～4000 ℃，這是常規(guī)加熱技術(shù)達(dá)不到的高溫，有利于耐高溫材料的合成。與常規(guī)的工藝熔鑄、擠壓等技術(shù)一起應(yīng)用，可以生產(chǎn)無需深加工、形狀復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)。

（4）可以通過改變一定程度的放熱和傳輸速度來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程中溫度、轉(zhuǎn)化率、速度和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及成分控制。

（5）由于自蔓延燃燒合成自身是一個(gè)只需要幾秒或幾分鐘極短暫的過程。反應(yīng)被引燃到反應(yīng)結(jié)束整個(gè)反應(yīng)過程時(shí)間短，因此氣氛環(huán)境對合成反應(yīng)的影響不大。常規(guī)燃燒工藝不能與其相比擬。

含氮鉻鐵分類及應(yīng)用

自蔓延高溫合成技術(shù)大致分為SHS制粉技術(shù)、SHS燒結(jié)技術(shù)、SHS致密化技術(shù)、SHS熔鑄技術(shù)、SHS焊接技術(shù)和SHS涂層技術(shù)這六種類型。

（1）SHS制粉技術(shù)

將反應(yīng)物料在一定的氣氛環(huán)境中點(diǎn)燃，反應(yīng)完成后再把反應(yīng)產(chǎn)物粉碎、研磨，便能得到不同規(guī)格研磨性能非常好的高質(zhì)量粉末。如制備TiC粉末。通過SHS技術(shù)制備的粉末是燒結(jié)陶瓷及金屬陶瓷制品的原材料。還可以生產(chǎn)研磨膏、防護(hù)涂層和刀具材料等。

（2）SHS燒結(jié)技術(shù)

通過固相反應(yīng)燒結(jié)可以生產(chǎn)一定規(guī)格、形狀與高質(zhì)量的產(chǎn)品。SHS燒結(jié)還能用于生產(chǎn)高熔點(diǎn)難熔化合物產(chǎn)品。燒結(jié)可在真空、特殊氣氛或空氣中進(jìn)行，溫度變化對其強(qiáng)度受的影響不大。SHS燒結(jié)產(chǎn)品在生產(chǎn)耐火材料、過濾器和催化劑載體等行業(yè)都有應(yīng)用。

（3）SHS致密化技術(shù)

SHS致密化技術(shù)是將傳統(tǒng)致密化技術(shù)與SHS技術(shù)相結(jié)合來生產(chǎn)致密產(chǎn)品的工藝。SHS致密化技術(shù)包括SHS—?jiǎng)討B(tài)加壓、SHS—等靜壓、SHS—準(zhǔn)等靜壓和熱爆—加壓等。SHS致密化技術(shù)已經(jīng)是生產(chǎn)鎢硬質(zhì)合金的常規(guī)技術(shù)。

（4）SHS熔鑄技術(shù)

SHS熔鑄是利用反應(yīng)高放熱，將難熔化合物熔化成液相，再經(jīng)過鑄造處理，制備成難熔化合物的鑄件。此項(xiàng)技術(shù)廣泛用于鉆頭的制備和陶瓷內(nèi)襯鋼管的離心鑄造等領(lǐng)域。

（5）SHS焊接技術(shù)

在焊件的焊縫處引發(fā)SHS反應(yīng)，利用SHS反應(yīng)放出的熱量產(chǎn)生高，形成液相，直接用反應(yīng)產(chǎn)物焊接焊縫，從而達(dá)到強(qiáng)力連接焊縫的目的。SHS焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行陶瓷間、金屬間和陶瓷與金屬間的焊接等難熔材料的焊接。

（6）SHS涂層技術(shù)

SHS涂層技術(shù)是利用氣體作為傳輸?shù)妮d體，在材料表面（如金屬、陶瓷或石墨等材料表面）形成一層非常薄(厚度在2～150 μm范圍內(nèi))的耐磨抗腐蝕的涂層。每一類反應(yīng)原材料一般采用自己專屬的氣相載體運(yùn)輸。例如：碳的運(yùn)輸載體可選用氫，鹵素氣體運(yùn)輸金屬物料。

1895年，德國Go ldschm idt發(fā)現(xiàn)了鋁熱反應(yīng)的自蔓延特征。鋁熱反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用是始于熱劑焊焊接鋼軌。這就是我國現(xiàn)正在使用的德國施密特公司的鋁熱焊產(chǎn)品的始創(chuàng)者。自20世紀(jì)60年代末，自蔓延高溫合成(SHS)在原蘇聯(lián)形成個(gè)新學(xué)科以來，在各國已進(jìn)行了大量研究并取得了很大發(fā)展

自蔓延高溫合成技術(shù)是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanoy和Borovinskaya在研究火箭固體推進(jìn)劑燃燒問題時(shí)，實(shí)驗(yàn)過渡族金屬和硼碳、氮等的反應(yīng)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)并提出來的，也被稱作燃燒合成（CS）。其特點(diǎn)是利用外部提供必要的能量誘發(fā)放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點(diǎn)燃），形成化學(xué)反映前沿（燃燒波），此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延至整個(gè)反應(yīng)體系，最后合成所需要材料（粉體或者固結(jié)體）。SHS已經(jīng)形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。本章中對鋁熱反應(yīng)的最新研究成果進(jìn)行了簡單介紹SHS最突出的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單，過程時(shí)間短；合成物污染少、純度高；最大限度地利用材料的人工合成中的化學(xué)能節(jié)約能源；能集材料合成和燒結(jié)等多種工藝于一體。

從SHS被發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)80年代初，只有前蘇聯(lián)在不對外公布的狀態(tài)下進(jìn)行研究。前蘇聯(lián)科學(xué)院對SHS技術(shù)研究極為重視，專門從其科學(xué)院物理化學(xué)研究所分離出一個(gè)單位來研究，這就是后來知名的結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)研究所。該研究所對SHS進(jìn)行了全方位的研究，取得了奠基性的成果。進(jìn)入90年代，盡管俄羅斯國家總體科研環(huán)境欠佳，但是他們在SHS領(lǐng)域研究的總體水平仍然居于世界前列。

前蘇聯(lián)對SHS理論的建立和SHS技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展做了大量的工作。在理論上，他們建立并發(fā)展SHS燃燒理論，又將其和材料科學(xué)結(jié)合起來，提出了結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)理論，建立起SHS過程中的燃燒過程和材料結(jié)構(gòu)形成間的關(guān)系；在應(yīng)用方面，他們發(fā)展了一系列無機(jī)材料粉末合成與成型、致密化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。

80年代以后，SHS傳播到美國、日本、中國等國家，開始在世界范圍內(nèi)的發(fā)展。美國科學(xué)家在SHS基礎(chǔ)研究方面的成果最為扎實(shí)，研究力量也最為強(qiáng)大。他們發(fā)展了新的燃燒模型和有機(jī)物的燃燒合成及非常規(guī)SHS技術(shù)。