自蔓延高温合成工艺制备复合材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用.doc

自蔓延高温合成工艺制备复合材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用 江涛陈阳成铭万海荣王园园杨美丽西安石油大学材料科学与工程学院 资助项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目，项目编号(xx10705031)。 摘要：本文主要讲述自蔓延高温合成工艺的原理和工程应用，并详细地讲述自蔓延高温合成工艺在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用。本文作者认为自蔓延高温合成方法制备复合材料成本较低，适用面比较广泛，而且所选择的材料范围比较大，所以自蔓延高温合成工艺可以应用于材料科学与工程专业的实验教学中，通过实践教学可以使学生学习材料制备和合成的新技术。本文作者认为应该在材料科学与工程专业的教学实践中增加自蔓延高温合成技术的实验课程。 关键词：自蔓延高温合成复合材料材料科学与工程专业实验教学研究应用 一、前言 在材料科学与工程专业的本科教学工作中，学生在大三和大四就开始学习材料科学与工程专业的基础课程和专业课程。其中在材料科学与工程专业课程教学中，在讲述材料的制备工艺方法中讲述过自蔓延高温合成工艺。自蔓延高温合成技术是制备金属基复合材料，金属陶瓷复合材料，以及金属间化合物/陶瓷基复合材料的主要方法。常规自蔓延高温合成技术是用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术，通过原料粉末之间的高温化学反应形成所需产物的一种材料制备方法。自蔓延高温合成技术由于具有可以达到净近尺寸成形的优势，所以能够广泛应用于工程领域中。在材料科学与工程专业的本科课程教学中，在材料加工工程和材料合成与制备方法中都讲述过自蔓延高温合成技术。此外还可以将自蔓延高温合成技术作为一项实验教学内容安排学生进行实验，使学生认识和了解自蔓延高温合成工艺过程。所以自蔓延高温合成技术在材料科学与工程专业的教学实践中得到广泛的应用。本文首先讲述自蔓延高温合成技术的概述与应用，并讲述自蔓延高温合成技术在材料科学与工程专业教学实践中的研究和讨论。并对自蔓延高温合成技术的未来发展趋势进行分析和预测。 二、自蔓延高温合成工艺的原理和工程应用 自蔓延高温合成技术，又称为燃烧合成技术，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。而自蔓延高温合成技术可以原位合成基体和增强相，避免了常规方法中的界面污染。目前应用自蔓延高温合成工艺已成功制备了多种金属基复合材料。采用自蔓延高温合成工艺制备了金属基复合材料。利用自蔓延高温合成可以制备粉末材料。常规自蔓延高温合成技术是用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术。这一技术适用于具有较高放热量的材料体系。其特点是设备简单，能耗低，工艺过程快，反应温度高。热爆自蔓延高温合成技术是将反应混合物压坯整体同时快速加热，使合成反应在整个坯体内同时发生的技术。采用这一技术已制备出的材料主要有各种金属间化合物，含有较多金属相的金属陶瓷复合材料以及具有低放热量的复合材料。自蔓延高温合成工艺结合压力烧结工艺可以制备块体材料。自蔓延高温合成烧结法或称自蔓延高温合成自烧结法，即直接完成所需形状和尺寸的材料或物件的合成与烧结，是将粉末或压坯在真空或一定气氛中直接点燃，不加外载，凭自身反应放热进行烧结和致密化。该工艺简单，易于操作，但反应过程中不可避免会有气体溢出，难以完全致密化。即使有液相存在，孔隙率也会较高。自蔓延高温合成烧结可采用以下方式进行：在空气中燃烧合成；将经过预先热处理的混合粉末放在真空反应器内进行合成；在充有反应气体的高压反应容器内进行合成。常规自蔓延高温合成技术是用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术。这一技术适用于具有较高放热量的材料体系。热爆自蔓延高温合成技术是将反应混合物压坯整体同时快速加热，使合成反应在整个坯体内同时发生的技术。自蔓延高温合成法是指利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种工艺，当反应物一旦被点燃，便会自动向未反应区传播，直至反应完全。自蔓延高温合成工艺不仅应用于单相材料的合成，而且在制备金属基复合材料方面取得很好的效果，但是由于反应过程中过高的反应热使材料具有较大的气孔率和较大的收缩，所以通常采用反应后的二次烧结，自蔓延过程的热压烧结以及热辊等手段获得致密的复合材料。自蔓延高温合成技术是用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术。自蔓延高温合成工艺适用面比较广泛，所选择的材料范围也比较宽，所以自蔓延高温合成工艺广泛应用到材料的合成与制备，复合材料的制备，所以能够广泛应用在工程领域中。 三、自蔓延高温合成工艺在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用 自蔓延高温合成工艺主要用于制备金属基复合材料，金属陶瓷材料，金属间化合物材料，金属间化合物/陶瓷复合材料，梯度功能材料，功能材料等。在材料科学与工程专业的教学课程中，其中材料加工工程和材料制备与合成方法讲述过自蔓延高温合成工艺。自蔓延高温合成工艺同粉末冶金技术和液相烧结技术一样都是材料的制备工艺技术。自蔓延高温合成工艺同样也是热加工工艺，自蔓延高温合成工艺涉及到反应物高温化学反应制备产物的过程。在材料科学与工程专业课程的课堂教学中，在有些专业课程中自蔓延高温合成工艺只是作为了解，对于自蔓延高温合成工艺的具体内容和制备工艺步骤的研究和应用了解很少。所以就需要在材料科学与工程专业的实践教学课程中增加一些关于自蔓延高温合成工艺的实验课程。通过自蔓延高温合成工艺的实践教学活动可以使学生认识和了解自蔓延高温合成工艺制备复合材料的原理，制备工艺过程以及对经过自蔓延高温合成工艺后得到的复合材料制品的物相组成，显微结构和性能进行研究，使学生通过对材料的制备与研究过程可以加深学生对材料科学与工程专业课程学习的认识和了解。对于本科学生的教学实践课程，可以在本科学生的本科专业课程设计和本科毕业设计过程中安排自蔓延高温合成工艺制备金属基复合材料和金属陶瓷复合材料的教学内容。例如采用自蔓延高温合成工艺可以制备金属陶瓷复合材料，先将金属粉末和陶瓷粉末通过压力成型工艺制成坯体，并通过自蔓延高温合成工艺制备多孔预制件，并通过压力成型工艺制备金属陶瓷复合材料。采用自蔓延高温合成工艺可以制备金属间化合物/陶瓷基复合材料，通常先将金属粉末和陶瓷粉末在一定的压力下压成具有一定形状和致密度的预制件，通过自蔓延高温合成工艺形成金属间化合物/陶瓷基复合材料。有时也可以将自蔓延高温合成工艺和热压烧结工艺相结合制备致密的复合材料试样。通过实验教学过程使学生认识和了解到自蔓延高温合成工艺制备金属陶瓷复合材料的制备工艺过程，提高学生对课程学习的认识和了解。使学生通过实验教学了解了自蔓延高温合成工艺的制备工艺原理，使用方法和制备过程，以及对得到产物的物相组成和显微结构进行分析和测试。 自蔓延高温合成工艺涉及到反应物在高温下发生化学反应生成反应产物的过程，自蔓延高温合成技术操作过程比较简单，对设备要求较低，制备工艺过程成本较低，可以进行现场操作。自蔓延高温合成工艺所选择的材料范围比较广泛，适用面也比较广泛，制备和合成的材料种类也比较多，因此自蔓延高温合成工艺可以作为本科学生的课程教学内容和实验教学内容，可作为材料科学与工程专业课程的辅助教学实验，也可以作为本科专业课程设计和本科毕业设计教学内容。使学生通过实践教学来加深对材料科学与工程专业课程的认识和掌握。使学生认识到金属基复合材料的制备过程以及金属陶瓷复合材料的制备过程等，并使得学生对自蔓延高温合成工艺得到的烧结制品进行分析和测试，使学生对材料的分析和检测水平有较大的提高。对于拓展学生的知识面有很大的帮助。为本科学生以后的本科专业课程设计和本科毕业设计打下坚实的实验基础。 四、自蔓延高温合成技术在材料科学中的发展趋势与应用 自蔓延高温合成技术由于制备工艺简单，成本较低，对设备要求较低，自蔓延高温合成工艺所选择的材料范围比较广泛，制备和合成的材料种类也比较多，所以被广泛的应用到金属基复合材料，金属陶瓷复合材料，金属间化合物/陶瓷基复合材料，梯度功能材料，功能材料等的合成与制备中。利用自蔓延高温合成技术可以开发新型的金属基复合材料和金属陶瓷复合材料以及金属间化合物/陶瓷基复合材料。采用自蔓延高温合成技术可以开发出很多种类型的金属基复合材料和金属陶瓷复合材料。所研究和开发的材料种类也逐渐增多，应用范围也越来越广泛。自蔓延高温合成技术在材料科学与工程专业教学与实践中也得到广泛的推广和应用，已经成为材料科学与工程专业实践教学课程进行的实验内容。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的教学实践中增加自蔓延高温合成技术制备复合材料的实验课程。 五、结论 本文主要讲述自蔓延高温合成工艺的原理和工程应用，并详细的讲述自蔓延高温合成工艺在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用。本文作者认为自蔓延高温合成方法制备复合材料成本较低，适用面比较广泛，而且所选择的材料范围比较大，所以自蔓延高温合成工艺可以应用于材料科学与工程专业的实验教学中，使学生学习材料制备和合成的新技术。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的教学实践中增加自蔓延高温合成技术制备复合材料的实验课程。 参考文献 1李志强,曲伟.Ti-Al-TiO2体系燃烧合成及其过程研究J.无机材料学报,xx,17(2):293-298 2李志强,韩杰才,赫晓东.Al-Ti-TiO2体系自蔓延高温合成及机理J.材料工程,xx(12):32-35 3王为民,梅炳初.热压自蔓延高温合成制备TiB2/NiAl金属间化合物基复合材料J.复合材料学报,1996(1):30-34 4王为民,傅正义,袁润章.NiAl/TiB2复合材料的自蔓延燃烧合成J.金属学报,1994,30(10):B474-480 5郭志猛,杨薇薇,曹慧钦.粉末冶金技术在新能源材料中的应用J.粉末冶金工业