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自蔓延高温合成软磁铁氧体粉的研究进展 摘 要　　简要介绍了自蔓延高温合成技术和热力学判据,评论了此合成技术的新进展和存在的问题,综述了利用此方法制备MnZn、NiZn 和MgZn 铁氧体材料的制备工艺及其应用研究现状,重点分析讨论了软磁铁氧体的原料配方、合成工艺和磁特性。研究表明,通过控制工艺参数和添加剂的合理使用,SHS 法制备铁氧体粉体具有更好的烧结活性和纯度,适合于大规模的工业生产。 关键词　 自蔓延　铁氧体　绝热温度 1 引言 软磁铁氧体工业生产属劳动密集型产业,能耗大,环境污染严重,发达国家逐渐放弃部分中、低档产品的生产。由于中国劳动力相对低廉,加上国内消费电子产品快速发展的刺激,近年来我国软磁铁氧体发展速度很快。我国生产的软磁铁氧体多为价格低廉的中、低档产品,但由于目前的生产方法能耗大,环境污染严重,导致产品的利润空间小。因此,应开发新技术新工艺来发展规模化大生产,降低能耗,减少环境污染,提高生产效率,降低成本。 20 世纪90 年代,俄罗斯科学家开始研究以自蔓延高温合成制备铁氧体。此法最大特点是用Fe 粉替代固相法原料中的部分Fe2O3 ,以Fe 粉为燃料,高压氧气为氧化剂,并利用氧化还原反应释放出的大量化学能来合成材料。一经点燃,燃烧反应即可自我维持,一般不再需要补充能量。整个工艺过程极为简单,能耗低,生产率高,且产品纯度较高。同时,由于燃烧过程中的温度梯度及高的冷却速率,易于获得亚稳相和高缺陷的颗粒粉料,使产物具有较高的烧结活性。自蔓延高温合成法制备铁氧体具有以下优点: (1) 小型、高效自蔓延高温合成反应器取代了大型回转窑,大大减小占地面积; (2) 取代了传统固相法工艺中耗能耗时预烧环节,节约了能源,提高了效率,降低了成本; (3) 用SHS 法制备的铁氧体磁粉纯度高、烧结活性较好。 2 　自蔓延高温合成技术 自蔓延高温合成( Self2propagating high2temperaturesynthesis , 简称SHS) 法也称为燃烧合成(Combustion syn2thesis , 简称CS) 法,它借助于反应剂在一定条件下发生热化学反应,产生高热,燃烧波自动蔓延下去形成新的化合物。其特点是反应迅速、耗能少、设备相对简单、产品质量高、适用范围广,可以合成数百种陶瓷和金属间化合物。 2. 1 　燃烧过程的热力学判据 SHS 反应自身维持的原因在于大量反应热的释放,若假设为孤立体系,从热平衡条件可以计算反应产物所能达到的最高温度,即绝热温度Tad 。Merzhanov 根据实验,提出自蔓延燃烧波自发维持的热力学判据,即Tad ≥1800K。绝热温度的高低还决定于生成物的相组成和反应机理,因此,在SHS 研究中,计算体系的绝热温度是十分重要的。对于初始温度为T0 的体系,反应前后的绝热条件可表示为: 　 式中: Ri 、Pj 为反应物与反应产物; ni 、nj 为反应物与反应产物的摩尔系数。为反应物在温度T 时的标准生成焓; 为产物在温度T 时的标准生成焓。 2. 2 　SHS 技术的新进展 近年来, SHS 技术不断取得新的进展,这主要体现在SHS 技术的基础研究、不同材料的合成以及新领域和新方法的研究方面。 SHS 过程“诊断学”是采用一整套复杂的检测方法来测定SHS 过程及产物的基本特征。美国Varma 等采用高速数字显微可视记录仪对不同反应体系的狭窄燃烧区进行了测试和研究,证明在非均匀介质中,燃烧波推进的显微结构机制存在独特现象。当在显微长度为1mm、时间为10 - 1 s 的尺度内观察燃烧反应时,其燃烧波面呈现稳态移动;当显微长度为微米级、时间为10 - 4 s 时,燃烧波呈复杂的非稳态移动。法国Curfs 等利用同步加速器装置“在位”研究了在10 - 1 s 内合成反应Al2Ni2Ti2C 的粉末衍射图像, 采用高速CCD 相机把图像记录在1000 ×1000 的X 光敏感探测器上,从而将反应从预加热、反应区前沿、反应后的续热及冷却过程全部用X 光记录下来。SHS 过程“诊断学”主要用于分析非均质系统的燃烧理论问题,研究非均质系统中高放热、快速化学反应的动力学问题,了解高温燃烧波中产物形成的机制。 近年来,在SHS 过程的计算机模拟方面,尤其是在固2固燃烧过程的研究中,取得了巨大的成就。从一维模型、二维模型到三维模型成功地描述了燃烧波的结构特征及其变化规律,分析了燃烧动力学和耗散结构动力学原因 。以往将燃烧波视为连续波并遵循抛物线非线性微分方程,必威体育精装版研究表明,在非均匀介质中的燃烧波为不连续波,热爆方式的燃烧波为双曲线型,在预热区反应波前形成裂纹。在气体渗透式燃烧方面,Aldushin 等用一维模型解释了层状燃烧现象,并发现“超绝热波”和“反波”的存在。 场激发SHS 是利用外加电