自蔓延高温合成技术课程讲义

1、燃烧合成材料新技术及其应用combustion synthesis and its application,主要内容,一、燃烧合成材料制备技术 二、燃烧合成过程研究 三、燃烧合成密实化技术 四、燃烧合成熔铸技术 五、场辅助燃烧合成技术 六、粉末材料的燃烧合成 七、燃烧合成离心铸造技术,过程快 温度高 能耗少,点火源,产物,反应区,预热区,原料,典型的燃烧合成系统包括： 气固反应： tialtial sicsic b2o3tio2altib2al2o3 固气反应： 3si2n2si3n4 tintin b2o3mgn2bnmgo 气气反应： ticl3bcl3h2tib2hcl 液态反应：高分子

2、材料的合成反应,与燃烧合成技术相关的基础理论和内容,两大基础理论： 燃烧化学理论 材料化学与技术,燃烧合成过程的主要控制手段,燃烧合成材料制备工艺的实现和控制,混合料的制备,shs合成,燃烧产品加工,质量控制,过程控制,质量控制,干燥、计量 混合、成型,气氛、压力 离心、点火,研磨、抛光 切割等,原料：金属、非金属、氧化物及各种气体,硼化物、氮化物等无机材料、多相多组分材料及制品,最有效的控制手段：,1、 外加热 辅助燃烧合成 获得熔融的合成产品，强化低放热反应的合成 tini、nial、ni3al等 2、 掺加稀释剂 提高合成转化率，控制材料结构，改善材料可加工性 aln、si3n4、tin

3、等 3 、 掺加功能添加剂 制备复合材料，提高合成产品质量等 各种复合材料粉末 4、 合成与同步压制 结构调整，结构致密化等 金属陶瓷制品，叠层材料、fgm材料 5 、离心shs制备技术 相分离，结构控制 如金属陶瓷复合钢管,目前已发展的主要的燃烧合成制备技术,1、化学合成材料技术 多孔块体及粉末材料 燃烧合成+破碎球磨等后处理工艺 si3n4，aln ticsic，tib2al2o3，tical2o3， 2、shs烧结技术 多孔材料和低密度材料 燃烧合成+气压烧结 bn，陶瓷过滤器，tic 3、加压shs技术 高密度材料 燃烧合成+机械压力 各种纯陶瓷及复合材料,4、shs冶金技术 铸造材料

4、，表面改性处理 燃烧合成+外加热辅助 离心复合陶瓷内衬钢管 5、燃烧合成焊接技术 高熔点材料的焊接 异质材料焊接 6、气相传质燃烧合成技术 表面涂层及膜制备技术,二、燃烧合成材料基础理论研究,主要研究内容： 建立材料合成工艺条件（原料性状、合成气氛、初始条件等）对shs过程参数的影响，发现影响合成参数的关键工艺条件 建立材料合成工艺条件与材料结构性能关系，确定影响材料结构的关键因素 研究材料结构形成机理,1、燃烧合成过程特征研究,研究目标与方法手段：,燃烧合成初始条件： 原材料性状（材料粒度、纯度等） 初始温度 合成气氛（惰性、反应性）,合成过程特征： 点燃过程 （点燃温度、时间等） 燃烧过程

5、 （燃烧温度、燃烧速度等） 燃烧模式 （稳态、非稳态）,主要研究方法：,热力学理论计算 合成反应发生的可能性 反应过程动力学分析 揭示合成反应动力学机制 实验研究 发展高精度、高速度数据采集与分析技术 温度采集：多通道热电偶、红外温度计 图像采集：高速摄影机和计算机处理,热力学理论计算 合成反应可能性的判断 采用吉布斯自由能的计算方法来计算合成系统中 可能的化学反应的自由能，以此来判断合成反应 发生的可能性 合成过程最高温度的计算 对于一个化学反应abab来说， 化学反应焓变表示为：,根据化学反应过程中的具体条件，又可以分为以下几种情况：,反应过程动力学分析 揭示合成反应动力学机制,通过燃烧速

6、度的研究获得燃烧化学反应表观活化能 通过结构转变研究获得材料结构形成机理 cfq方法和同步辐射方法 实验研究 发展高精度、高速度数据采集与分析技术 温度采集：多通道热电偶、红外温度计 图像采集：高速摄影机和计算机处理,燃烧合成基础研究装置图,全可控的自动点火功能 过程温度、图像监测 多点温度同步监测 合成气氛和压力调节,基本假设： 点火截面温度分布均匀 截面上材料物性参数不随温度变化 热损失忽略不计,1-1、无气点火过程研究,对于x处的反应层，根据fourier基本热方程，在一维方向上有：,cp反应产物的恒压比热， 是反应产物的密度， k热传导系数； t温度，t时间；,求解后，可得：,边界条件

7、为：,又：在界面处的热流为,取x=0 有：,当x处的吸热与放热达到平衡时，此时x 处样品不用外部的热量 仍可继续燃烧下去，即达到着火点。 而外部热源往往可表示为：,则可以得到点火持续时间为：,点火源温度对点火过程的影响,样品截面尺寸对点火时间的影响,原料密度对点火时间的影响,点火时间与预热温度之间的关系,稀释剂添加对点火时间和合成温度、速度的影响,1-2、燃烧合成过程研究,影响燃烧合成过程的主要因素： 燃烧合成过程 化学反应过程的物理化学转变机制 凡是影响反应过程物理化学变化机制的因素均会 影响燃烧合成过程特点: 这些因素主要包括： 原材料形状 压坯密度 环境压力和反应性气体分压 环境温度 稀

8、释剂浓度等,（1）原料性状对燃烧合成过程的影响,tib2 陶瓷系统,tib2al系统,tib2al系统,（2）添加剂含量对燃烧合成过程的影响,tib2al系统,（3）金属陶瓷复合材料中，金属相的作用 金属相在金属陶瓷复合材料的燃烧合成过程 中的主要作用： 作为稀释剂，调节反应合成过程 作为反应残余物，调节和控制材料成分和结构 3tio23b2o3(10+x)al3tib25al2o3xal ti2bxcutib2xcu,tib2al系统,1-3、燃烧过程中燃烧波结构的演化规律,燃烧波结构 稳态燃烧 （高放热反应体系） 非稳态燃烧 振荡燃烧 螺旋燃烧 混沌燃烧 有关的理论研究： 平衡态理论：热平

9、衡理论 渗透燃烧理论 非平衡理论：通过非平衡热力学理论研究和模拟 燃烧波结构的变化规律,低放热体系、 气-固反应体系、 复杂反应体系 合成条件变化造成的非稳态燃烧,燃烧模式的研究 方法： 燃烧合成过程的数学模拟和实验验证,研究思想 目标：,根据能量守恒 、化学反应动力学及相关的热动力学基本原理 建立数学模型,数学模型计算机化 并 求 解,模拟结果的 实验验证,数学分析结果 及 评价,揭示控制过程的本质规律,燃烧波结构和温度分布随初始条件变化规律的模拟,wave structure,combustion temperature,初始条件对燃烧波结构影响的实验验证,ticfe composites

10、 system,tib2al2o3 composites system,2、燃烧合成条件对合成材料结构的影响,影响燃烧合成材料结构的主要因素： 原始混合料的成分 原材料的预处理 合成气氛压力 反应性气体分压 液相的影响 稀释剂掺加,21、添加剂对合成材料结构的影响,tib2 陶瓷系统,22、复合材料中金属相对合成材料结构的影响,tib2al系统,3、燃烧合成过程中材料结构形成规律的研究,研究手段： 时间解析xray 研究分析 燃烧波前沿淬熄法（cfq）,中间相成份分析 中间相结构分析 最终产物的结构与组成,tib2fe系统,tib2ni系统,tib2al系统,燃烧合成过程中材料结构形成机理,燃

11、烧合成过程中，化学反应过程规律的研究 手段：差热分析结合x-ray衍射分析方法 目的：获得不同温度下反应体系物理和化学 变化本质 tio2 + b2o3 +5mg = tib2 +5mgo,tg-dta cure of tio2 - b2o3 -mg system,3tio2 + mg - ti3o5 + mgo 2ti3o5 + 7mg - 3ti2o + 7mgo ti2o + mg - 2ti + mgo b2o3 + 3mg - 2b + 3mgo b2o3 + 4mg - mgb2 + 3mgo ti + 2b - tib2 ti + mgb2 - tib2 + mg . b2o3

12、+ 3mgo- 3b2o3mgo,三、燃烧合成材料致密化技术,目标：采用燃烧合成技术一步获得高密度材料,实现手段： 液相密实化技术 利用合成过程中极高的反应温度形成大量液相， 实现材料致密 加压致密化技术 在燃烧合成过程中或刚刚结束时，立即施加高压， 实现材料致密化,3-1、液相密实化技术,当合成体系中存在高放热反应时，可形成极高的合成温度，产生大量的液相，排出气体后可获得致密材料 典型的例子是铝热反应，如： 3cr2o3 + 6al + 4c = 2cr3c2 + 3al2o3 t= 6500k moo3 + 2al + b = mob + al2o3 t= 4000k fe2o3 + 2a

13、l = al2o3 + 2fe t3000k 以液相密实化技术为基础发展了离心复合管制备技术,3-2、加压密实化技术,基本思想：当燃烧合成刚刚结束时，合成材料处 于高温红热软化状态，对其施加外部 压力，从而实现材料致密化 加压方式： 气压、液压、爆炸压实、锻压 适合于：板片状材料制备 热轧和挤压 适合于：棒状材料制备,气压燃烧合成致密化,加压方式： 环境气压 效 果： 内部气体难以排出， 材料致密度低,等静压燃烧合成致密化,加压方式： 类似hip技术 效 果： 成本高、构件尺寸小,锻压燃烧合成致密化,加压方式：锻压重锤下落的高冲击能 效 果： 存在大量的宏观裂纹和 结构缺陷,机械加压燃烧合成致

14、密化,受弹簧压力的限制，不可制备大尺寸材料,能耗大、燃烧合成的优点不能发挥,机械液压燃烧合成致密化(shs/qp),操作简便、 工艺参数可调性大 完全利用燃烧合成的优点 实用性好,机械液压燃烧合成致密化过程的工艺控制,高压滞后时间td 高压压力ph 高压持续时间tp,材料结构与性能,3-3、燃烧合成机械液压密实化技术的应用,shs/qp材料制备系统,通电加压燃烧合成材料制备系统,金属陶瓷系统的shs/qp制备,75tib225fe tp=10sec p=80mpa,75tic25ni tp=10sec p=80mpa,75tib2+25fe tp=10 p=56mpa,75tic+25ni t

15、p=10 p=56mpa,75tib2+25fe tp=10 td=1,75tic+25ni tp=10 td=1,陶瓷复合材料的shs/qp制备,燃烧合成机械液压密实化过程中材料结构形成机理,四、燃烧合成熔铸技术,基本原理： 利用燃烧合成热爆模式完成材料合成过程， 然后通过辅助加热实现材料熔融铸造,工艺特点： 充分利用燃烧合成技术的优点 实现材料的原位合成，消除界面污染 材料结构和成份易于调节和控制,4-1燃烧合成熔铸技术的工艺控制（1） 加热速率对tic ni3al复合材料合成的影响,tic 颗粒在tic ni3al复合材料中的分布,tic含量和加热速率对tic ni3al复合材料点燃温度

16、和燃烧温度的影响,（2）熔铸时间和温度对熔铸材料密度的影响,加热速率对熔铸工艺的影响,tic含量对熔铸工艺的影响,4-2、燃烧合成熔铸工艺条件对材料结构的影响,tic含量：50wt%,tic含量：75wt%,1.ni3al, 2.tic, 3.ni, 4.tial3, 5.ti, 6.nial, 7 .al4c3,tic含量：25wt%,1.ni3al, 2.tic, 3.ni, 4.tial3, 5.ti, 6.nial, 7 .al4c3,tic含量：75wt%,tic含量：25wt%,tic ni3al复合材料的电子探针分析,ti分布,sem,ni分布,五、场辅助燃烧合成技术,wave

17、direction,wave direction,接触式,非接触式,场辅助燃烧合成工艺的原理图,基本原理 接触式 ： 在合成材料体系中形成内部焦耳热 非接触式：在燃烧合成的燃烧带促进电子和空位的运动， 加快反应动力学过程,主要适用于: 放热材料体系，如：sic、b4c、wc等。 由于动力学原因而造成的shs合成困难（反应速率过低） 如：tac(ta=2902k) aln-sic(ta=2504k)等 多组分复杂体系的shs合成,影响电场辅助shs过程的主要工艺条件：,合成材料导电性对shs过程的影响 电场强度和方向对shs过程的影响 电场对合成产物相组成及结构的影响,5-1、材料的导电性对电场辅助shs过程的影响,材料导电性不同对shs过程影响各异：,低导电性材料,电流集中于燃烧带,高导电性材料,无电流集中，燃烧前沿的速度下降,合成材料导电性对shs过程的影响,低导电性材料体系，电流集中于燃烧带,电场强度 e=10.7,电场强度 e=7.8,高导电性材料 无电流集中，燃烧前沿的速度下降,燃烧前沿的速度下降,5-2、电场强度和方向对shs过程的影响,w-si合成系统中电场强度与点燃温度、产物的熔融状态间的关系,5-3、电场对合成产物相组成及结构的影响,电场强度对tial体系相组成的影