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自蔓延高温合成技术 目录 自蔓延高温合成的发展历史 自蔓延高温合成方法原理 自蔓延高温合成工艺 二 自蔓延合成方法的原理 燃烧波的特征 SHS燃烧波方程 SHS相图 SHS燃烧动力学 合成转化率 1．燃烧波的特征 2．SHS燃烧波方程 3．SHS相图 4．SHS燃烧动力学 5．合成转化率 三 自蔓延高温合成工艺 SHS制粉 SHS烧结块体材料 SHS致密化技术 SHS制粉（1）常规SHS技术 SHS制粉（2）热爆SHS技术 2、SHS烧结块体材料 3、SHS致密化技术 * * 答辩人：郭彩云 班级：材化12-2 一 自蔓延高温合成技术发展历史 1967年，原苏联科学院化学物理研究所Borovinskaya、Skiro和Merzhanov等人在研究Ti、B混合物的燃烧问题时，发现了燃烧反应的自蔓延现象，并将这种初始反应物都是固体的燃烧过程称为“固体火焰”。 20世纪80年代，SHS技术引起各国科学界的关注，SHS的研究也由前苏联扩展到世界范围。 自1991年起，每两年召开一次国际SHS会议。 1992年国际SHS学报（Inter.J.SHS）在美国创刊。这些广泛的国际交流和合作促进了SHS的进一步发展。目前，从事研究的国家己有30多个。 自蔓延高温合成SHS是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导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。 自蔓延高温合成： 节省时间，能源利用充分； 设备、工艺简单； 产品纯度高，反应转化率接近100%； 不仅能生产粉末，如果同时施加压力还可以得到高密度的燃烧产品； 产量高（因为反应速度快）； 扩大生产规模简单，而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品； 能够生产新产品，例如立方氮化钽； 生成物中缺陷和非平衡相比较集中，产物更具有活性，更容易烧结； 可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物以及亚稳定相等。 SHS技术优点： SHS过程包含复杂的化学和物理化学转变，要想获得满意的产品就必须明了整个反应机理以及各种因索对SHS过程的影响。 如果将自蔓延的燃烧区描述为燃烧波的话，试样被点燃后，燃烧波以稳态传播时，燃烧波就在试样(或空间)建立起温度、转化率和热释放率分布图。 可以看出，燃烧波前沿的区域是热影响区，当该区内温度从T0上升到着火温度，热释放速率和转化率开始由0逐渐上升，这样就进入燃烧区，在这一区域内实现由反应物结构转化为产物结构，当转化率达到1时，反应即进入产物区。 温度分布曲线进一步描述了燃烧过程的反应特点，如图8.3所示。在初始燃烧区，反应物结构向产物结构转变尚未完全进行，结构处于中间状态。在二次化学和结构转变区内，最终实现结构的转变。 假定反应物结构在燃烧区完全转变成产物结构的理想条件下，如果燃烧反应受动力学控制，则温度、转化率和热释放率转变如图8.4所示，这表明反应不仅限于燃烧波的波阵面处，而且当波阵面通过以后仍有反应进行。 数学模型是理解影响SHS过程基本机理的重要工具，对决定最佳的燃烧条件，控制燃烧过程也有很大帮助。 根据能量守恒定律和把反应介质看作连续均匀、各向同性，温度分布连续、均匀，以及物理K、ρ、Cp为常数，即可得到一维有热源的Fourier热传导方程。 式中：Cp为产物热容，ρ为产物的密度，k为产物的热导率，q为反应热，T为绝对温度，t为时间，x为波传播方向的尺寸， 由Arrhenius动力学知识可以推导出燃烧波传导速度表达式 式中：f(n)为反应动力学级数(n)的函数，Tc为燃烧温度，R为气体常数，K0为常数，E0为过程的激活能。通过激活能就可以推断某种机制在燃烧过程中起的作用。 由于SHS过程是在一个系统中的不同区域存在着热和物质的交换，温度和成分不均匀，显然上而的推导过于理论化，为了解决这一问题，必须进一步研究依赖于SHS反应条件的热力学模式。 根据SHS燃烧波传播的方式 自蔓延 “热爆” 非稳态 稳态 稳态 波的特征 振荡燃烧 螺旋燃烧 表面燃烧 重复燃烧 SHS图可以为实际生产工艺的制定提供理论指导，如生产磨料时，为了获得大尺寸的颗粒，那么工艺制定就应选择在SHS图中热爆与稳定SHS交界处稳态SHS一侧的高温区域；生产烧结用的粉末时，在保证转化率的前提下，为了获得尺寸细小的颗粒，宜选择稳态SHS和非稳态SHS边界的非稳定SHS的低温区域。 通过对反应动力学的研究，可以预测在燃烧期间反应物的分解和聚合，以及最终产物的性能。由于固一固反应时，颗粒之间的有限接触限制了反应物之间的物质交换，所以燃烧波中出现的液相，在SHS过程中扮演着决定性的因索，液相不仅可通过反应物的