自蔓延高温合成技术(self–propagation high–temperature synthesis,简称SHS)也被称作燃烧合成(Combustion Synthesis)是结合自身反应放热制备材料的方法,于本世纪60年代末兴起。它的基本要素是:1、利用化学反应自身放出的热量来维持反应的进行,部分(或完全)不需要外来热量;2、自蔓延反应经过诱发开始反应后,会形成一种自上向下的燃烧波,能够自我维持反应的进行,得到所需结构成分的产品;3、通过改变释放的热量和调节传输速度,可以实现对反应过程的温度、反应快慢、转化率、产物的结构和成分的控制。
自蔓延合成最主要特点就是充分结合元素间化学反应产生的高热量,在短时间内合成高熔点、高性能的材料。自蔓延合成技术是集材料合成与烧结于一体的工艺。自蔓延高温合成反应过程里面会出现燃烧结构形成过程。结构宏观动力学是连接燃烧过程与结构形成过程的纽带。自蔓延高温燃烧过程分为四个阶段:1、燃烧反应区迅速扩充阶段;2、稳态燃烧阶段;3、降速合成阶段;4、燃烧波通过后的后燃烧阶段。
自蔓延高温合成技术具有以下优点:
(1)自蔓延高温合成技术不仅工艺设备简单,而且节约生产成本,其成本不到传统工艺费用的一半,消耗的能量少,生产效率高,对环境的影响小。利用此项技术生产过程中高温,可以蒸发掉反应过程中低沸点的杂质,得到纯度较高的产物。
(2)由于反应放热升温和冷却过程中存在极高的温度梯度,这会使材料出现高浓度的缺陷和非平衡结构,反应完成后能得到普通的工艺不易制备的具有高活性的亚稳态产物及复杂相。由于自蔓延的技术特点,能使合成材料拥有一些特殊性能,如烧结力,催化性能等。
(3)一些自蔓延反应体系能产生高放热,温度可达3000~4000 ℃,这是常规加热技术达不到的高温,有利于耐高温材料的合成。与常规的工艺熔铸、挤压等技术一起应用,可以生产无需深加工、形状复杂的零件结构。
(4)可以通过改变一定程度的放热和传输速度来实现对反应过程中温度、转化率、速度和产物的结构及成分控制。
(5)由于自蔓延燃烧合成自身是一个只需要几秒或几分钟极短暂的过程。反应被引燃到反应结束整个反应过程时间短,因此气氛环境对合成反应的影响不大。常规燃烧工艺不能与其相比拟。
自蔓延高温合成技术大致分为SHS制粉技术、SHS烧结技术、SHS致密化技术、SHS熔铸技术、SHS焊接技术和SHS涂层技术这六种类型。
(1)SHS制粉技术
将反应物料在一定的气氛环境中点燃,反应完成后再把反应产物粉碎、研磨,便能得到不同规格研磨性能非常好的高质量粉末。如制备TiC粉末。通过SHS技术制备的粉末是烧结陶瓷及金属陶瓷制品的原材料。还可以生产研磨膏、防护涂层和刀具材料等。
(2)SHS烧结技术
通过固相反应烧结可以生产一定规格、形状与高质量的产品。SHS烧结还能用于生产高熔点难熔化合物产品。烧结可在真空、特殊气氛或空气中进行,温度变化对其强度受的影响不大。SHS烧结产品在生产耐火材料、过滤器和催化剂载体等行业都有应用。
(3)SHS致密化技术
SHS致密化技术是将传统致密化技术与SHS技术相结合来生产致密产品的工艺。SHS致密化技术包括SHS—动态加压、SHS—等静压、SHS—准等静压和热爆—加压等。SHS致密化技术已经是生产钨硬质合金的常规技术。
(4)SHS熔铸技术
SHS熔铸是利用反应高放热,将难熔化合物熔化成液相,再经过铸造处理,制备成难熔化合物的铸件。此项技术广泛用于钻头的制备和陶瓷内衬钢管的离心铸造等领域。
(5)SHS焊接技术
在焊件的焊缝处引发SHS反应,利用SHS反应放出的热量产生高,形成液相,直接用反应产物焊接焊缝,从而达到强力连接焊缝的目的。SHS焊接技术实现了可进行陶瓷间、金属间和陶瓷与金属间的焊接等难熔材料的焊接。
(6)SHS涂层技术
SHS涂层技术是利用气体作为传输的载体,在材料表面(如金属、陶瓷或石墨等材料表面)形成一层非常薄(厚度在2~150 μm范围内)的耐磨抗腐蚀的涂层。每一类反应原材料一般采用自己专属的气相载体运输。例如:碳的运输载体可选用氢,卤素气体运输金属物料。