演示文稿自蔓延高溫合成技術(shù)課程講義

（優(yōu)選）自蔓延高溫合成技術(shù)課程講義當(dāng)前1頁，總共97頁。主要內(nèi)容

一、燃燒合成材料制備技術(shù)二、燃燒合成過程研究三、燃燒合成密實(shí)化技術(shù)四、燃燒合成熔鑄技術(shù)五、場輔助燃燒合成技術(shù)六、粉末材料的燃燒合成七、燃燒合成離心鑄造技術(shù)當(dāng)前2頁，總共97頁。一、燃燒合成材料制備技術(shù)燃燒合成

也稱為自蔓延高溫合成（Self-PropagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS），是利用化學(xué)反應(yīng)放出的熱量來完成材料合成與加工的一種先進(jìn)的材料制備技術(shù)。

其主要特點(diǎn)是：材料合成過程快

工藝設(shè)備簡單，投資少

合成過程溫度高，冷卻速度快，

溫度梯度大

能耗少，原材料來源廣泛

主要缺點(diǎn)是：工藝過程難以控制當(dāng)前3頁，總共97頁。過程快溫度高能耗少點(diǎn)火源產(chǎn)物反應(yīng)區(qū)預(yù)熱區(qū)原料當(dāng)前4頁，總共97頁。典型的燃燒合成系統(tǒng)包括：

氣—固反應(yīng)：

Ti＋Al→TiAlSi＋C→SiC

B2O3＋TiO2＋Al→TiB2＋Al2O3

固—?dú)夥磻?yīng)：

3Si＋2N2→Si3N4Ti＋N→TiN

B2O3＋Mg＋N2→BN＋MgO

氣—?dú)夥磻?yīng)：

TiCl3＋BCl3＋H2→TiB2＋HCl

液態(tài)反應(yīng)：高分子材料的合成反應(yīng)當(dāng)前5頁，總共97頁。與燃燒合成技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和內(nèi)容

兩大基礎(chǔ)理論：燃燒化學(xué)理論材料化學(xué)與技術(shù)

當(dāng)前6頁，總共97頁。燃燒合成過程中的燃燒模式和特征當(dāng)前7頁，總共97頁。燃

燒

合

成

研

究

層

次

和

手

段當(dāng)前8頁，總共97頁。當(dāng)前9頁，總共97頁。燃燒合成過程的主要控制手段當(dāng)前10頁，總共97頁。燃燒合成材料制備工藝的實(shí)現(xiàn)和控制混合料的制備SHS合成燃燒產(chǎn)品加工質(zhì)量控制過程控制質(zhì)量控制干燥、計(jì)量混合、成型氣氛、壓力離心、點(diǎn)火研磨、拋光切割等原料：金屬、非金屬、氧化物及各種氣體硼化物、氮化物等無機(jī)材料、多相多組分材料及制品當(dāng)前11頁，總共97頁。最有效的控制手段：

1、外加熱

輔助燃燒合成獲得熔融的合成產(chǎn)品，強(qiáng)化低放熱反應(yīng)的合成

TiNi、NiAl、Ni3Al等

2、

摻加稀釋劑提高合成轉(zhuǎn)化率，控制材料結(jié)構(gòu)，改善材料可加工性

AlN、Si3N4、TiN等

3、

摻加功能添加劑制備復(fù)合材料，提高合成產(chǎn)品質(zhì)量等各種復(fù)合材料粉末

4、合成與同步壓制結(jié)構(gòu)調(diào)整，結(jié)構(gòu)致密化等金屬陶瓷制品，疊層材料、FGM材料

5、離心SHS制備技術(shù)相分離，結(jié)構(gòu)控制如金屬—陶瓷復(fù)合鋼管當(dāng)前12頁，總共97頁。目前已發(fā)展的主要的燃燒合成制備技術(shù)1、化學(xué)合成材料技術(shù)多孔塊體及粉末材料

燃燒合成+破碎球磨等后處理工藝

Si3N4，AlNTiC＋SiC，TiB2＋Al2O3，TiC＋Al2O3，2、SHS燒結(jié)技術(shù)多孔材料和低密度材料

燃燒合成+氣壓燒結(jié)

BN，陶瓷過濾器，TiC3、加壓SHS技術(shù)高密度材料

燃燒合成+機(jī)械壓力各種純陶瓷及復(fù)合材料當(dāng)前13頁，總共97頁。4、SHS冶金技術(shù)鑄造材料，表面改性處理

燃燒合成+外加熱輔助

離心復(fù)合陶瓷內(nèi)襯鋼管5、燃燒合成焊接技術(shù)

高熔點(diǎn)材料的焊接異質(zhì)材料焊接

6、氣相傳質(zhì)燃燒合成技術(shù)表面涂層及膜制備技術(shù)當(dāng)前14頁，總共97頁。二、燃燒合成材料基礎(chǔ)理論研究

主要研究內(nèi)容：

建立材料合成工藝條件（原料性狀、合成氣氛、初始條件等）對SHS過程參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)影響合成參數(shù)的關(guān)鍵工藝條件建立材料合成工藝條件與材料結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，確定影響材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素研究材料結(jié)構(gòu)形成機(jī)理當(dāng)前15頁，總共97頁。1、燃燒合成過程特征研究研究目標(biāo)與方法手段：燃燒合成初始條件：原材料性狀（材料粒度、純度等）初始溫度合成氣氛（惰性、反應(yīng)性）合成過程特征：點(diǎn)燃過程（點(diǎn)燃溫度、時(shí)間等）燃燒過程（燃燒溫度、燃燒速度等）燃燒模式（穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)）當(dāng)前16頁，總共97頁。主要研究方法：熱力學(xué)理論計(jì)算

合成反應(yīng)發(fā)生的可能性反應(yīng)過程動力學(xué)分析

揭示合成反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究

發(fā)展高精度、高速度數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)溫度采集：多通道熱電偶、紅外溫度計(jì)圖像采集：高速攝影機(jī)和計(jì)算機(jī)處理當(dāng)前17頁，總共97頁。熱力學(xué)理論計(jì)算合成反應(yīng)可能性的判斷采用吉布斯自由能的計(jì)算方法來計(jì)算合成系統(tǒng)中可能的化學(xué)反應(yīng)的自由能，以此來判斷合成反應(yīng)發(fā)生的可能性合成過程最高溫度的計(jì)算對于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)A＋B→AB來說，化學(xué)反應(yīng)焓變表示為：當(dāng)前18頁，總共97頁。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過程中的具體條件，

又可以分為以下幾種情況：當(dāng)前19頁，總共97頁。反應(yīng)過程動力學(xué)分析

揭示合成反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制

通過燃燒速度的研究獲得燃燒化學(xué)反應(yīng)表觀活化能

通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變研究獲得材料結(jié)構(gòu)形成機(jī)理

CFQ方法和同步輻射方法實(shí)驗(yàn)研究

發(fā)展高精度、高速度數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)溫度采集：多通道熱電偶、紅外溫度計(jì)圖像采集：高速攝影機(jī)和計(jì)算機(jī)處理當(dāng)前20頁，總共97頁。燃燒合成基礎(chǔ)研究裝置圖

全可控的自動點(diǎn)火功能過程溫度、圖像監(jiān)測多點(diǎn)溫度同步監(jiān)測合成氣氛和壓力調(diào)節(jié)當(dāng)前21頁，總共97頁?；炯僭O(shè)：點(diǎn)火截面溫度分布均勻截面上材料物性參數(shù)不隨溫度變化熱損失忽略不計(jì)1-1、無氣點(diǎn)火過程研究

當(dāng)前22頁，總共97頁。對于x處的反應(yīng)層，根據(jù)Fourier基本熱方程，在一維方向上有：Cp——反應(yīng)產(chǎn)物的恒壓比熱，ρ是反應(yīng)產(chǎn)物的密度，

k——熱傳導(dǎo)系數(shù)；

T——溫度，t——時(shí)間；

求解后，可得：邊界條件為：當(dāng)前23頁，總共97頁。又：在界面處的熱流為取x=0有：

當(dāng)x處的吸熱與放熱達(dá)到平衡時(shí)，此時(shí)x處樣品不用外部的熱量仍可繼續(xù)燃燒下去，即達(dá)到著火點(diǎn)。而外部熱源往往可表示為：則可以得到點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為：

當(dāng)前24頁，總共97頁。點(diǎn)火源溫度對點(diǎn)火過程的影響

樣品截面尺寸對點(diǎn)火時(shí)間的影響原料密度對點(diǎn)火時(shí)間的影響當(dāng)前25頁，總共97頁。點(diǎn)火時(shí)間與預(yù)熱溫度之間的關(guān)系

稀釋劑添加對點(diǎn)火時(shí)間和合成溫度、速度的影響當(dāng)前26頁，總共97頁。1-2、燃燒合成過程研究影響燃燒合成過程的主要因素：燃燒合成過程化學(xué)反應(yīng)過程的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變機(jī)制

凡是影響反應(yīng)過程物理化學(xué)變化機(jī)制的因素均會影響燃燒合成過程特點(diǎn):

這些因素主要包括：

原材料形狀壓坯密度環(huán)境壓力和反應(yīng)性氣體分壓環(huán)境溫度稀釋劑濃度等當(dāng)前27頁，總共97頁。（1）原料性狀對燃燒合成過程的影響TiB2

陶瓷系統(tǒng)當(dāng)前28頁，總共97頁。TiB2—Al系統(tǒng)當(dāng)前29頁，總共97頁。TiB2—Al系統(tǒng)當(dāng)前30頁，總共97頁。（2）添加劑含量對燃燒合成過程的影響

當(dāng)前31頁，總共97頁。TiB2—Al系統(tǒng)當(dāng)前32頁，總共97頁。（3）金屬陶瓷復(fù)合材料中，金屬相的作用金屬相在金屬—陶瓷復(fù)合材料的燃燒合成過程中的主要作用：作為稀釋劑，調(diào)節(jié)反應(yīng)合成過程作為反應(yīng)殘余物，調(diào)節(jié)和控制材料成分和結(jié)構(gòu)

3TiO2＋3B2O3＋(10+x)Al→3TiB2＋5Al2O3＋xAlTi＋2B＋xCu→TiB2＋xCu當(dāng)前33頁，總共97頁。當(dāng)前34頁，總共97頁。TiB2—Al系統(tǒng)當(dāng)前35頁，總共97頁。1-3、燃燒過程中燃燒波結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律燃燒波結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)燃燒（高放熱反應(yīng)體系）

非穩(wěn)態(tài)燃燒振蕩燃燒螺旋燃燒混沌燃燒

有關(guān)的理論研究：

平衡態(tài)理論：熱平衡理論滲透燃燒理論

非平衡理論：通過非平衡熱力學(xué)理論研究和模擬燃燒波結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律低放熱體系、氣--固反應(yīng)體系、復(fù)雜反應(yīng)體系合成條件變化造成的非穩(wěn)態(tài)燃燒當(dāng)前36頁，總共97頁。燃燒模式的研究

方法：燃燒合成過程的數(shù)學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究思想目標(biāo)：根據(jù)能量守恒、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)及相關(guān)的熱動力學(xué)基本原理建立數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)化并求解模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)學(xué)分析結(jié)果及評價(jià)燃燒合成→遠(yuǎn)離平衡的不可逆過程非穩(wěn)態(tài)燃燒→時(shí)空有序耗結(jié)構(gòu)、非平衡相揭示控制過程的本質(zhì)規(guī)律當(dāng)前37頁，總共97頁。燃燒波結(jié)構(gòu)和溫度分布隨初始條件變化規(guī)律的模擬Wave

structureCombustiontemperature當(dāng)前38頁，總共97頁。初始條件對燃燒波結(jié)構(gòu)影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證TiC—FeCompositesSystemTiB2—Al2O3CompositesSystem當(dāng)前39頁，總共97頁。2、燃燒合成條件對合成材料結(jié)構(gòu)的影響影響燃燒合成材料結(jié)構(gòu)的主要因素：①原始混合料的成分②原材料的預(yù)處理③合成氣氛壓力④反應(yīng)性氣體分壓⑤液相的影響⑥稀釋劑摻加當(dāng)前40頁，總共97頁。2—1、添加劑對合成材料結(jié)構(gòu)的影響TiB2

陶瓷系統(tǒng)當(dāng)前41頁，總共97頁。2—2、復(fù)合材料中金屬相對合成材料結(jié)構(gòu)的影響

TiB2—Al系統(tǒng)當(dāng)前42頁，總共97頁。3、燃燒合成過程中材料結(jié)構(gòu)形成規(guī)律的研究研究手段：時(shí)間解析x—ray研究分析燃燒波前沿淬熄法（CFQ）中間相成份分析中間相結(jié)構(gòu)分析最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與組成當(dāng)前43頁，總共97頁。當(dāng)前44頁，總共97頁。TiB2—Fe系統(tǒng)當(dāng)前45頁，總共97頁。TiB2—Ni系統(tǒng)當(dāng)前46頁，總共97頁。TiB2—Al系統(tǒng)當(dāng)前47頁，總共97頁。燃燒合成過程中材料結(jié)構(gòu)形成機(jī)理當(dāng)前48頁，總共97頁。燃燒合成過程中，化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)律的研究

手段：差熱分析結(jié)合x-ray衍射分析方法

目的：獲得不同溫度下反應(yīng)體系物理和化學(xué)

變化本質(zhì)

TiO2+B2O3+5Mg=

TiB2+5MgO

當(dāng)前49頁，總共97頁。TG-DTACureofTiO2-B2O3-MgSystem當(dāng)前50頁，總共97頁。Treatedtemperature(K)Mainmineralphase673TiO2++,B2O3++,Mg++

903TiO2++,B2O3++,Mg++,Ti+,MgO+923TiB2++,MgO++,3MgOB2O3+973TiB2++,MgO++,3MgOB2O3+當(dāng)前51頁，總共97頁。3TiO2+Mg--Ti3O5+MgO2Ti3O5+7Mg--3Ti2O+7MgOTi2O+Mg--2Ti+MgOB2O3+3Mg---2B+3MgOB2O3+4Mg---MgB2+3MgOTi+2B-------TiB2Ti+MgB2--TiB2+Mg.B2O3+3MgO---3B2O3MgO當(dāng)前52頁，總共97頁。三、燃燒合成材料致密化技術(shù)目標(biāo)：采用燃燒合成技術(shù)一步獲得高密度材料實(shí)現(xiàn)手段：

液相密實(shí)化技術(shù)利用合成過程中極高的反應(yīng)溫度形成大量液相，實(shí)現(xiàn)材料致密

加壓致密化技術(shù)在燃燒合成過程中或剛剛結(jié)束時(shí)，立即施加高壓，實(shí)現(xiàn)材料致密化當(dāng)前53頁，總共97頁。3-1、液相密實(shí)化技術(shù)

當(dāng)合成體系中存在高放熱反應(yīng)時(shí)，可形成極高的合成溫度，產(chǎn)生大量的液相，排出氣體后可獲得致密材料典型的例子是鋁熱反應(yīng)，如：

3Cr2O3+6Al+4C=2Cr3C2+3Al2O3T=6500KMoO3+2Al+B=MoB+Al2O3T=4000KFe2O3+2Al=Al2O3+2FeT＞3000K以液相密實(shí)化技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了離心復(fù)合管制備技術(shù)當(dāng)前54頁，總共97頁。當(dāng)前55頁，總共97頁。3-2、加壓密實(shí)化技術(shù)基本思想：當(dāng)燃燒合成剛剛結(jié)束時(shí)，合成材料處于高溫紅熱軟化狀態(tài)，對其施加外部壓力，從而實(shí)現(xiàn)材料致密化

加壓方式：氣壓、液壓、爆炸壓實(shí)、鍛壓適合于：板片狀材料制備熱軋和擠壓適合于：棒狀材料制備當(dāng)前56頁，總共97頁。氣壓燃燒合成致密化

加壓方式：環(huán)境氣壓效果：內(nèi)部氣體難以排出，材料致密度低當(dāng)前57頁，總共97頁。等靜壓燃燒合成致密化加壓方式：類似HIP技術(shù)效果：成本高、構(gòu)件尺寸小當(dāng)前58頁，總共97頁。鍛壓燃燒合成致密化加壓方式：鍛壓重錘下落的高沖擊能效果：存在大量的宏觀裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷當(dāng)前59頁，總共97頁。機(jī)械加壓燃燒合成致密化受彈簧壓力的限制，不可制備大尺寸材料能耗大、燃燒合成的優(yōu)點(diǎn)不能發(fā)揮

當(dāng)前60頁，總共97頁。機(jī)械液壓燃燒合成致密化(SHS/QP)操作簡便、工藝參數(shù)可調(diào)性大完全利用燃燒合成的優(yōu)點(diǎn)實(shí)用性好當(dāng)前61頁，總共97頁。機(jī)械液壓燃燒合成致密化過程的工藝控制

高壓滯后時(shí)間td高壓壓力Ph高壓持續(xù)時(shí)間tp材料結(jié)構(gòu)與性能當(dāng)前62頁，總共97頁。3-3、燃燒合成機(jī)械液壓密實(shí)化技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前63頁，總共97頁。SHS/QP材料制備系統(tǒng)當(dāng)前64頁，總共97頁。通電加壓燃燒合成材料制備系統(tǒng)當(dāng)前65頁，總共97頁。金屬陶瓷系統(tǒng)的SHS/QP制備75TiB2—25Fetp=10secP=80MPa75TiC—25Nitp=10secP=80MPa75TiB2+25Fetp=10P=56MPa75TiC+25Nitp=10P=56MPa75TiB2+25Fetp=10td=175TiC+25Nitp=10td=1當(dāng)前66頁，總共97頁。當(dāng)前67頁，總共97頁。當(dāng)前68頁，總共97頁。陶瓷復(fù)合材料的SHS/QP制備當(dāng)前69頁，總共97頁。燃燒合成機(jī)械液壓密實(shí)化過程中材料結(jié)構(gòu)形成機(jī)理當(dāng)前70頁，總共97頁。四、燃燒合成熔鑄技術(shù)基本原理：利用燃燒合成熱爆模式完成材料合成過程，然后通過輔助加熱實(shí)現(xiàn)材料熔融鑄造工藝特點(diǎn)：充分利用燃燒合成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)材料的原位合成，消除界面污染材料結(jié)構(gòu)和成份易于調(diào)節(jié)和控制當(dāng)前71頁，總共97頁。4-1燃燒合成熔鑄技術(shù)的工藝控制

（1）加熱速率對TiC–Ni3Al復(fù)合材料合成的影響

當(dāng)前72頁，總共97頁。TiC顆粒在TiC–Ni3Al復(fù)合材料中的分布當(dāng)前73頁，總共97頁。TiC含量和加熱速率對TiC–Ni3Al復(fù)合材料點(diǎn)燃溫度和燃燒溫度的影響當(dāng)前74頁，總共97頁。（2）熔鑄時(shí)間和溫度對熔鑄材料密度的影響當(dāng)前75頁，總共97頁。加熱速率對熔鑄工藝的影響當(dāng)前76頁，總共97頁。TiC含量對熔鑄工藝的影響當(dāng)前77頁，總共97頁。4-2、燃燒合成熔鑄工藝條件對材料結(jié)構(gòu)的影響TiC含量：50wt%TiC含量：75wt%1.Ni3Al,2.TiC,3.Ni,4.TiAl3,5.Ti,6.NiAl,7.Al4C3當(dāng)前78頁，總共97頁。TiC含量：25wt%1.Ni3Al,2.TiC,3.Ni,4.TiAl3,5.Ti,6.NiAl,7.Al4C3當(dāng)前79頁，總共97頁。TiC含量：75wt%TiC含量：25wt%當(dāng)前80頁，總共97頁。TiC–Ni3Al復(fù)合材料的電子探針分析Ti分布SEMNi分布當(dāng)前81頁，總共97頁。五、場輔助燃燒合成技術(shù)WaveDirectionWaveDirection接觸式

非接觸式場輔助燃燒合成工藝的原理圖

當(dāng)前82頁，總共97頁?；驹?/p>

接觸式：在合成材料體系中形成內(nèi)部焦耳熱非接觸式：在燃燒合成的燃燒帶促進(jìn)電子和空位的運(yùn)動，加快反應(yīng)動力學(xué)過程主要適用于:?放熱材料體系，如：