1、自蔓延高溫合成技術的原理及應用摘要： 自蔓延高溫合成技術在材料的合成與制備中應用非常廣范，本文主要介紹自蔓延高溫合成技術的發展背景和原理，并概述該技術在材料合成與制備中的應用和發展前景。關鍵詞：自蔓延高溫合成；原理；應用、發展前景The principle and application of self-propagatinghigh-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 developing前言自蔓延高溫合成技術1( Self-propagating High-temperature Synthesis，簡稱SHS)是前蘇聯科學家A. G. Merzhanov于1967年道次提出的一種材料合成新工藝，又稱為燃燒合成。Merzhanov發現化學反應：Ti 2BTiB2 280kJ/mol具有點火后不需要外界能量就可持續燃燒并從一端向另一端傳播，使Ti 與 B 的混合物反應生成TiB2化合物，從而合成硬質陶瓷T

4、iB2粉末這種新材料。于是將這種快速燃燒模式稱為“固體火焰”，稱這種依靠反應自身放熱來合成材料的技術為自蔓延高溫合成技術。按照該技術創始人Merzhanov的說法， 該技術就是利用任何具有化學反應特性的燃燒過程來合成具有實用目的、有價值的致密產品。SHS技術是在高真空或介質氣氛中點燃原料引發化學反應，反應放出的熱量使得鄰近物料的溫度驟升，從而引起新的化學反應，并且反應以燃燒波的形式蔓延至整個反應物，當燃燒波向前推進的時候，反應物逐步反應而變成了產物。同其他常規工藝方法相比，SHS具有以下優點2：1） SHS技術制備工藝相對簡單，節約能源。利用外沖毀能源點火后，僅靠反應放出的熱量即可使燃燒波持續

5、下去，因此制造成本低，只有傳統方法費用的 30% 45%2）合成產物污染少，產品純度高。反應過程的高溫可以蒸發掉低沸點的雜質，所以得到的產物純度比較高，由于升溫和冷卻速率很快，溫度梯度高，易于存在高濃度缺陷和非平衡結構，反應后可獲得常規技術難以獲得的高活性的亞穩態產物及復雜相，結合傳統的熔鑄、擠壓等技術還可以得到形狀復雜的近無加工余量的零部件。3）反應快。自蔓延高溫合成是一個極短的過程，從反應被引發到燃燒結束，整個過程只需幾秒鐘到幾分鐘，所以這是傳統燒結方法無法比擬的。另外，因為反應時間短，所以燃燒合成時對氣氛要求不高。2.SHS技術的原理2.1SHS的化學反應原理通常，燃燒反應可解釋為某種元

6、素與氧高速反應，從而釋放出大量熱能3。在 SHS 中，把認為具有任何化學特征并能生成具有實用價值的凝聚物的放熱反應稱為燃燒。SHS技術中選用的能夠相互作用的物質可以是各種聚集狀態，但燃燒產物在冷卻之后都是固態物質，如碳化物、硼化物、氮化物等難熔化合物，這些化合物鍵能高，形成時可釋放出大量熱量，而且穩定性高。其反應形式主要有直接合成法和鋁熱、鎂熱合成法。前者是利用金屬、非金屬單質在一定條件下直接反應生成難熔金屬間化合物和金屬陶瓷，如TiB 2、 TiC、 BN 等；后者是采用鎂、 鋁等活潑金屬把金屬或非金屬元素從其他氧化物中還原出來，然后通過還原出的元素之間的相互反應來合成所需的化合物。例如：6

7、Mg Cr2O3 B2O3 2CrB 6MgO Q（ 1）12Al 4Fe2O3 B2O3 2FeB 2Fe3 Al 5Al2O3 Q（ 2）在上述反應中CrB、 FeB和 Fe3Al 皆為所需要的金屬間化合物，而 MgO 和 Al 2O3則為反應副產物，由于其密度不同，可依靠重力實現相分離。2.2SHS的燃燒傳播原理SHS反應體系要通過一定的方式點燃，達到體系著火溫度后，才能開始強烈燃燒合成反應。目前常用的點火方式有電弧點燃法、電爐加熱點燃法、光點燃法、高頻加熱點燃法、微波加熱點燃法。當粉末混合物預熱達到著火溫度時，整個反應體系開始被引燃，依靠反應區的劇烈反應放出的大量熱量致使靠近反應區的未

8、反應區預熱，當預熱區達到火溫度時又開始反應，從而使燃燒波推移前進，燃波的蔓延過程可以看作是逐層瞬間點火過程4。3.SHS技術的應用SHS涂層技術的應用SHS涂層技術有五種工藝5：一是熔鑄沉積涂層：在一定氣體壓力下，利用燃燒合成反應在金屬工件表面形成高溫熔體同金屬基體反應后，生成有冶金結合過渡區的防護涂層，過渡區的厚度一般為0.5mm 以上，其中SHS硬化涂層技術已在耐磨件中得到應用；二是氣相傳輸燃燒合成涂層：通過氣相傳輸反應，可以在金屬表面形成10m 250m 厚的金屬陶瓷涂層；三是離心燃燒合成涂層：將被 涂物（如鋼管）內裝滿能進行燃燒合成反應的粉體，利用離心力使其旋轉的同時， 點燃粉體進行燃

9、燒合成反應，從而在物體表面涂上一層物質，是一種已實用化的涂層技術；四是噴射沉積涂層：利用傳統熱源熔化并引燃高放熱體系噴涂原料的SHS反應，將合成放出的熔滴經霧化噴射到基材表面而形成涂層的技術；六是自反應涂層：指被涂覆工件所含全部或部分化學成份作為原始反應物之一，與預涂于工件表面的另一反應物發生SHS反應而在工件表面形成涂層的技術。SHS制粉技術的應用SHS制粉工藝可分為兩類：一是化合法：氣體合成化合物或復合化合物粉末的制備；二是還原法：由氧化物或礦物原料、還原劑和元素粉末，經還原化合過程制備粉末。采用無氣燃燒合成或滲透燃燒合成制成產物，然后將產物粉碎，研磨和篩分而獲得各種碳化物、硼化物、氮化物

10、、硫化物、硅化物、氫化物、金屬間化合物等粉末。由于SHS 過程溫度高、時間短，SHS 粉料比傳統方法的粉料燒結活性更高。高質量的SHS 粉末可以用于陶瓷及金屬陶瓷制品的燒結、保護涂層、研磨膏以及刀具制造中所用的原材料。趙九蓬6等人采用自蔓延高溫合成方法制備Ni-Zn 軟磁鐵氧體粉體，并用XRD、 TEM、 VSM 等對粉體的微觀結構， 相組成和磁性能進行表征，結果表明，在 1000下燃燒可以制得理想的Ni-Zn軟磁鐵氧體粉體，用SHS 方法可以取代傳統鐵氧體工藝中的預燒環節，并有望進行工業推廣。SHS技術在粉末冶金材料中的應用 TOC o 1-5 h z 為了提高鐵基材料的強度，使其適應一些對

11、強度要求較高的場合的應用，學者們進行了兩方面的研究：一是在鐵粉中加入一些合金元素，如Cr、 Mn、 Mo等來強化鐵基粉末冶金材料；另一方法是在鐵粉或合金粉末中加入陶瓷顆粒增強相，以進一步增強鐵基材料。目前，第一種方法效果比較明顯，但還未能完全滿足要求。 后一種方法是在第一種方法的基礎上進行的，但目前效果不太理想，主要是由于陶瓷相和金屬相之間性質的差異，導致陶瓷相的分散性以及混合粉末的成型性較差，從而影響增強效果。另外，加入陶瓷相后，對燒結溫度要求較高，一般要在較高的溫度下進行燒結才能得到較好的效果。這樣難以在生產實踐中推廣應用。 因此， 如何解決陶瓷相加入后的分散性與成型性及燒結溫度的問題，并

12、能較大地改善機械性能，是有待于進一步研究的內容。鄒正光7等人采用自蔓延高溫合成技術合在了TiC/Fe(Mo)復合粉末為增強相增強鐵基粉末冶金材料，并探討了復合增強粉末中金屬相的種類、含量對增強相結構及燒結復合材料性能的影響，結果表明，Fe、 Mo 加入量為10% 20%(質量分數)時的TiC/Fe(Mo)粉末具有較好的增強效果。SHS技術在陶瓷領域的應用SHS技術在陶瓷領域的應用非常廣范，例如采用SHS技術合成YBa2Cu3O7-x這種超導體材料時，將Cu、 BaO2 和 Y2O3混合好，壓成30% 40%理論密度的樣品，放入一個大氣壓的氧氣氛下，用鎢絲點燃，燃燒波通過樣品后反應結束，將此樣品

13、在氧氣中于930燒結8h 后就得到了反應很完全的YBa2Cu3O7-x， 它的零電阻為89.5K8。 再如， SHS技術在制備陶瓷內襯復合鋼管的應用中，利用Al 2O3陶瓷具有高硬度和高強度的優點制備出的復合陶瓷材料具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，對于以內圓為工作面的部件來說，用傳統方法很難做到很大的長度尺寸，而利用SHS 離心法卻可以制作幾米長的復合陶瓷內襯鋼管，而且由于后期的工藝性能較好，還可以制得各種角度的管道彎頭。SHS 技術在陶瓷領域的應用不僅這些，它在碳化鈦氧化鋁復合陶瓷以及碳化鎢陶瓷的制備中也有較廣范的應用。HS 技術在焊接方面的應用SHS焊接是指利用SHS反應放熱及其產物來焊接的技

14、術。SHS焊接可用來焊接同種和異型的難熔金屬、耐熱材料、耐蝕氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷、金屬間化合物。其工藝方法是根據母材或接頭的性能配制粉末焊料，可采用梯度材料(FGM)焊料，在原料中加入起增強作用的添加劑或降低燃燒溫度的惰性添加劑，控制高溫對母材、增強相的熱損傷然后加熱引發SHS，同時施加一定的壓力，進行焊接9。例如 SHS技術用于同類材料的焊接時，由于焊接迅速，放熱均勻，因此可避免母材發生再結晶，保持其性能穩定。SHS技術用于異類材料的焊接時，通過合成梯度功能材料來實現金屬與陶瓷的焊接，也緩解由于母材之間熱膨脹系數不匹配產生的殘余熱奕力。S技術的發展前景SHS技術以其高效、節能、 經濟和所

15、得材料性能良好等特性而受到重視，但由于這一過程的復雜性，許多成果還是初步的，除采用SHS 熔鑄涂層技術制備陶瓷內襯復合管已產業化外，其它表面涂層技術仍處于實驗研究階段，未能滿足日益發展的實際需要，阻礙了SHS 在工業生產中的應用。因此，今后的發展方向主要是擴大SHS在各行業的應用，并著重加強SHS技術在新涂層體系、SHS理論研究、SHS 技術制備材料的實際應用問題和SHS 涂層技術產業化研究等方面的科研和投入10。其中，SHS技術的理論研究的內容主要有SHS燃燒動力學的深入研究、遠離平衡條件下燃燒合成產物結構的形成機制研究、非均勻介質中放熱、快速化學動力學特征及其機理研究等。在SHS 新動向的

16、研究中，主要研究內容有磁場對SHS技術的影響、電場及電磁場對SHS技術的影響以及重力的影響等11。5.結束語SHS 是一門新興的前沿科學，受到國際科技界的廣泛重視，SHS 技術有高效節能省時等優點，而且合成材料的應用也日益廣泛。隨著SHS 應用范圍的不斷擴大，要求在SHS 理論研究和技術工藝方面都要有深人的研究，同時將它們同生產工藝相結合進行研究。但要使SHS 技術真正發揮作用，還需要研究人員繼續努力工作，及時跟蹤世界先進水平，促進我國自蔓延涂層技術的發展，真正做到科研、產業一體化。參考文獻：. 朱繼平，閆勇，李家茂，羅派峰，冒琴，王慶平.無機材料合成與制備M.合肥工業大學出版社，2009:77-78. 玉龍.先進復合材料制造技術手冊M. 機械工業出版社，2003， 568 584.符寒光.自蔓延高溫合成技術應用展望J.石油礦場機械，2003， 32（ 1） ： 1 4. 袁潤章，伏正義，王為民.自蔓延高溫合成材料新工藝J.武漢工業大學學報，1991， 13（ 2） ， 2 4. 焦元紅， 張前 .SHS技術及應用研究綜述J.黃石理工學院學報，2006， 22（ 4） ：75. 趙九蓬， 李垚， 赫曉東 . Ni-Zn 鐵氧體粉體的自蔓延高溫合成技術J.工藝與設備， 2001， 19（ 5） ： 290 292. 鄒正光，付正義，袁潤章.自蔓延高溫合