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).docx

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1、自集中高温合成技术的原理及应用摘要：自集中高温合成技术在材料的合成与制备中应用格外广范，本文主要介绍自集中高温合成技术的进展背景和原理，并概述该技术在材料合成与制备中的应用和进展前景。关键词：自集中高温合成；原理；应用、进展前景The principle and application of self-propagating high-temperature synthesis technologyAbstract:It is widely used of self-propagating high-temperature synthesis technology in the synthes

2、is and perparation of materials, this article mainly introduces the background of development and principle of self-propagating high-temperature synthesis technology, and then summarize the application and the prospect in developing in materials synthesis which is used this technology.Key words: sel

3、f-propagating high-temperature synthesis; principle; application; prospect in developing1. 前言自集中高温合成技术1Self-propagating High-temperature Synthesis，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工艺，又称为燃烧合成。Merzhanov 觉察化学反响：Ti + 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 的混合物反响生成 TiB2

4、化合物， 从而合成硬质陶瓷 TiB2 粉末这种材料。于是将这种快速燃烧模式称为“固体火焰”，称这种依靠反响自身放热来合成材料的技术为自集中高温合成技术。依据该技术创始人 Merzhanov 的说法，该技术就是利用任何具有化学反响特性的燃烧过程来合成具有有用目的、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响，反响放出的热量使得邻近物料的温度骤升，从而引起的化学反响，并且反响以燃烧波的形式集中至整个反响物，当燃烧波向前推动的时候，反响物逐步反响而变成了产物。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洁，节约能源。利用外冲垮能源点火

5、后，仅靠反响放出的热量即可使燃烧波持续下去，因此制造本钱低，只有传统方法费用的 30%45%（2） 合成产物污染少，产品纯度高。反响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，由于升温存冷却速率很快，温度梯度高，易于存在高浓度缺陷和非平衡构造，反响后可获得常规技术难以获得的高活性的亚稳态产物及简洁相，结合传统的熔铸、挤压等技术还可以得到外形简洁的近无加工余量的零部件。（3） 反响快。自集中高温合成是一个极短的过程，从反响被引发到燃烧完毕，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较的。另外， 由于反响时间短，所以燃烧合成时对气氛要求不高。2. SHS 技术的原理2.

6、1 SHS 的化学反响原理通常，燃烧反响可解释为某种元素与氧高速反响，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有用价值的分散物的放热反响称为燃烧。SHS 技术中选用的能够相互作用的物质可以是各种聚拢状态，但燃烧产物在冷却之后都是固态物质，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。其反响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、非金属单质在确定条件下直接反响生成难熔金属间化合物和金属陶瓷，如 TiB2、TiC、BN 等；后者是承受镁、铝等活泼金属把金属或非金属元素从其他氧化物中复原出来，然后通过复原

7、出的元素之间的相互反响来合成所需的化合物。例如：6Mg + Cr O + B O= 2CrB + 6MgO + Q 1232312 Al + 4Fe O23+ B O23= 2FeB + 2Fe3Al + 5 Al O23+ Q 2在上述反响中 CrB、FeB 和 Fe3Al 皆为所需要的金属间化合物，而 MgO 和 Al2O3则为反响副产物，由于其密度不同，可依靠重力实现相分别。2.2 SHS 的燃烧传播原理SHS 反响体系要通过确定的方式点燃，到达体系着火温度后，才能开头猛烈燃烧合成反响。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

8、预热到达着火温度时，整个反响体系开头被引燃，依靠反响区的猛烈反响放出的大量热量致使靠近反响区的未反响区预热，当预热区到达火温度时又开头反响，从而使燃烧波推移前进，燃波的集中过程可以看作是逐层瞬间点火过程4。3. SHS 技术的应用3.1SHS 涂层技术的应用SHS 涂层技术有五种工艺5：一是熔铸沉积涂层：在确定气体压力下，利用燃烧合成反响在金属工件外表形成高温熔体同金属基体反响后，生成有冶金结合过渡区的防护涂层，过渡区的厚度一般为 0.5mm 以上，其中SHS 硬化涂层技术已在耐磨件中得到应用；二是气相传输燃烧合成涂层：通过气相传输反响，可以在金属外表形成 10m250m 厚的金属陶瓷涂层；三

9、是离心燃烧合成涂层：将被 涂物如钢管内装满能进展燃烧合成反响的粉体，利用离心力使其旋转的同时，点燃粉体进展燃烧合成反响，从而在物体外表涂上一层物质，是一种已有用化的涂层技术；四是喷射沉积涂层：利用传统热源熔化并引燃高放热体系喷涂原料的 SHS 反响，将合成放出的熔滴经雾化喷射到基材外表而形成涂层的技术； 六是自反响涂层：指被涂覆工件所含全部或局部化学成份作为原始反响物之一， 与预涂于工件外表的另一反响物发生 SHS 反响而在工件外表形成涂层的技术。3.2SHS 制粉技术的应用SHS 制粉工艺可分为两类：一是化合法：气体合成化合物或复合化合物粉末的制备；二是复原法：由氧化物或矿物原料、复原剂和元

10、素粉末，经复原化合过程制备粉末。承受无气燃烧合成或渗透燃烧合成制成产物，然后将产物粉碎，研磨和筛分而获得各种碳化物、硼化物、氮化物、硫化物、硅化物、氢化物、金属间化合物等粉末。由于 SHS 过程温度高、时间短， SHS 粉料比传统方法的粉料烧结活性更高。高质量的 SHS 粉末可以用于陶瓷及金属陶瓷制品的烧结、保护涂层、研磨膏以及刀具制造中所用的原材料。赵九蓬6等人承受自集中高温合成方法制备 Ni-Zn 软磁铁氧体粉体，并用XRD、TEM、VSM 等对粉体的微观结构，相组成和磁性能进展表征，结果说明，在 1000下燃烧可以制得抱负的 Ni-Zn 软磁铁氧体粉体，用 SHS 方法可以取代传统铁氧体

11、工艺中的预烧环节，并有望进展工业推广。3.3. SHS 技术在粉末冶金材料中的应用为了提高铁基材料的强度，使其适应一些对强度要求较高的场合的应用，学者们进展了两方面的争论：一是在铁粉中参与一些合金元素，如 Cr、Mn、Mo 等来强化铁基粉末冶金材料；另一方法是在铁粉或合金粉末中参与陶瓷颗粒增加相，以进一步增加铁基材料。目前，第一种方法效果比较明显，但还未能完全满足要求。后一种方法是在第一种方法的根底上进展的，但目前效果不太抱负，主要是由于陶瓷相和金属相之间性质的差异，导致陶瓷相的分散性以及混合粉末的成型性较差，从而影响增加效果。另外，参与陶瓷相后，对烧结温度要求较高， 一般要在较高的温度下进展

12、烧结才能得到较好的效果。这样难以在生产实践中推广应用。因此，如何解决陶瓷相参与后的分散性与成型性及烧结温度的问题，并能较大地改善机械性能，是有待于进一步争论的内容。邹正光7等人承受自集中高温合成技术合在了 TiC/Fe(Mo)复合粉末为增加相增加铁基粉末冶金材料，并探讨了复合增加粉末中金属相的种类、含量对增加相构造及烧结复合材料性能的影响，结果说明，Fe、Mo 参与量为 10%20%质量分数时的TiC/Fe(Mo)粉末具有较好的增加效果。3.4. SHS 技术在陶瓷领域的应用SHS 技术在陶瓷领域的应用格外广范，例如承受 SHS 技术合成 YBa2Cu3O7-x 这种超导体材料时，将 Cu、B

13、aO2 和 Y2O3 混合好，压成 30%40%理论密度的样品，放入一个大气压的氧气氛下，用钨丝点燃，燃烧波通过样品后反响完毕， 将此样品在氧气中于 930烧结 8h 后就得到了反响很完全的 YBa2Cu3O7-x，它的零电阻为 89.5K8。再如，SHS 技术在制备陶瓷内衬复合钢管的应用中，利用 Al2O3陶瓷具有高硬度和高强度的优点制备出的复合陶瓷材料具有良好的耐磨性和耐 腐蚀性，对于以内圆为工作面的部件来说，用传统方法很难做到很大的长度尺寸， 而利用 SHS 离心法却可以制作几米长的复合陶瓷内衬钢管，而且由于后期的工艺性能较好，还可以制得各种角度的管道弯头。SHS 技术在陶瓷领域的应用不

14、仅这些，它在碳化钛氧化铝复合陶瓷以及碳化钨陶瓷的制备中也有较广范的应用。3.5. HS 技术在焊接方面的应用SHS 焊接是指利用 SHS 反响放热及其产物来焊接的技术。SHS 焊接可用来焊接同种和异型的难熔金属、耐热材料、耐蚀氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷、金属间化合物。其工艺方法是依据母材或接头的性能配制粉末焊料，可承受梯度材料(FGM)焊料，在原料中参与起增加作用的添加剂或降低燃烧温度的惰性添加剂， 把握高温对母材、增加相的热损伤然后加热引发 SHS，同时施加确定的压力， 进展焊接9。例如SHS 技术用于同类材料的焊接时，由于焊接快速，放热均匀， 因此可避开母材发生再结晶，保持其性能稳定。SHS

15、 技术用于异类材料的焊接时， 通过合成梯度功能材料来实现金属与陶瓷的焊接，也缓解由于母材之间热膨胀系数不匹配产生的剩余热奕力。4. SHS 技术的进展前景SHS 技术以其高效、节能、经济和所得材料性能良好等特性而受到重视，但由于这一过程的简洁性，很多成果还是初步的，除承受 SHS 熔铸涂层技术制备陶瓷内衬复合管已产业化外，其它外表涂层技术仍处于试验争论阶段，未能满足日益进展的实际需要，阻碍了 SHS 在工业生产中的应用。因此，今后的进展方向主要是扩大 SHS 在各行业的应用，并着重加强 SHS 技术在涂层体系、SHS 理论争论、SHS 技术制备材料的实际应用问题和 SHS 涂层技术产业化争论等

16、方面的科研和投入10。其中，SHS 技术的理论争论的内容主要有 SHS 燃烧动力学的深入争论、远离平衡条件下燃烧合成产物构造的形成机制争论、非均匀介质中放热、快速化学动力学特征及其机理争论等。在 SHS 动向的争论中，主要争论内容有磁场对 SHS 技术的影响、电场及电磁场对SHS 技术的影响以及重力的影响等11。5. 完毕语SHS 是一门兴的前沿科学，受到国际科技界的广泛重视，SHS 技术有高效节能省时等优点，而且合成材料的应用也日益广泛。随着 SHS 应用范围的不断扩大，要求在 SHS 理论争论和技术工艺方面都要有深人的争论，同时将它们同生产工艺相结合进展争论。但要使 SHS 技术真正发挥作

17、用，还需要争论人员连续努力工作，准时跟踪世界先进水平，促进我国自集中涂层技术的进展，真正做到科研、产业一体化。参考文献：1. 朱继平，闫勇，李家茂，罗派峰，冒琴，王庆平 .无机材料合成与制备M.合肥工业大学出版社，2023:77-782. 玉龙.先进复合材料制造技术手册M.机械工业出版社，2023，568584 3.符寒光.自集中高温合成技术应用展望J.石油矿场机械，2023，321：144.袁润章，伏正义，王为民.自集中高温合成材料工艺J.武汉工业大学学报， 1991，132，245.焦元红，张前.SHS 技术及应用争论综述J.黄石理工学院学报，2023，224： 72756.赵九蓬，李垚，

18、赫晓东. Ni-Zn 铁氧体粉体的自集中高温合成技术J.工艺与设备，2023，195：2902927.邹正光，付正义，袁润章.自集中高温合成技术在粉末冶金材料中的应用 J.材料科学与工程，2023，18：2862898.任世理，任遥.自集中高温合成法在陶瓷领域的应用进展J.陶瓷，2023，11： 29329.辛文彤，赵忠民，叶明惠等.自集中高温合成技术的进展与应用J.铸造技术， 2023，246：51952210.赵红，杨建桥，张幸红.自集中高温合成涂层技术现状及展望J.材料导报， 2023，206：22923211.梁丽萍，刘玉存，王建华.自集中高温合成的进展前景J.应用化工，2023， 359：716718