高温合成
高温合成课程报告
姓名：王聪慧学号：201228004308012 单位：山西煤炭化学研究所摘要
1、前言
高温实验中常常要用到的一种技术手段，大批具有特种性能的无机功能材料和化合物如各类复杂的氧化物，含氧酸盐类，二元或多元金属陶瓷化合物（碳，硼，硅，磷，硫族等化合物）等，都是通过高温下（一般1000~1500°C）反应物固相间的直接化合而得到的。
例如反应：MgO（S）+Al2O3(S)===MgAl2O4(S)，该反应在热力学上是完全可以进行的，但在实际中，该反应需要很高的温度条件下才能进行，而且进行的非常缓慢，在1200°C下，几乎不反应，而在1500°C下，也要需要几天反应才能完成。因此，高温合成在现代无机化学领域占有重要地位。
2、正文
高温合成主要分三个部分，首先是高温炉，它的发展支撑了高温合成工业；第二是高温测量，主要体现在温度的控制上，考虑经济和产出，在合适的温度区间才能得到最大的经济效益；第三是高温合成的类别，它是高温合成里最核心的部分，它的发展促进了高温合成技术的一次次飞跃，例如区域熔炼技术可以得到5个9纯度的产品，真空熔炼的发展使得人们在稀土利用上迈出了一大步。接下来我将利用自己课堂学习结合手头的文献对相关内容归类。
高温炉是实验室的一种高温加热设备，以电加热为主，用于烧结，融化，热处理等。由于高温的条件通常伴随着高压，这对反应容器的性能提出了更高的要求，通常使用的高温反应设备主要是a、电阻炉b、感应炉c、电弧炉和d、放电等离子烧结炉。
a、电阻炉是利用电流通过电热体放出热量以辐射方式加热坯料的加热炉。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在650℃以下的为低温炉；650～1000℃为中温炉;1000℃以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。
b、感应炉是利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制系统等。在感应炉中的交变电磁场作用下，物料内部产生涡流从而达到加热或着融化的效果。在这种交变磁场的搅拌作用下，炉中材质的成分和温度均较均匀，锻造加热温度可达1250℃，熔炼温度可达1650℃。感应炉除能在大气中加热或熔炼外，还能在真空和氩、氖等保护气氛中加热或熔炼，以满足特殊质量的要求。
c、电弧炉利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000℃以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼，主要应用于金属冶炼、磨料磨具行业，目前也用于大块晶体的制备。电弧炉按电弧形式可分为三相电弧炉、自耗电弧炉、单相电弧炉和电阻电弧炉等类型。
d、放电等离子烧结（SPS）是一种快速、低温、节能、环保的材料制备新技术。90年代才得以兴起，是制备功能材料的一种全新技术，它的工作原理是利用脉冲大电流直接施加于石墨模具和样品，产生体加热，实现样品的快速升温。同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应净化颗粒表面，实现快速烧结。用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
选择石墨做为磨具是因为其优异的耐热性、耐热性和导电性，对于其机理现在尚无统一定论，主要有颗粒间放电说，放电—热传导说和诱导电磁波说，由于其具有升温速度快、烧
结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，将在无机化合物的合成和新材料的研究与生产中发挥重要作用。其发展趋势主要为：进一步完善基础理论，反映设备向多功能、高脉冲发展，适应形状复杂，高性能的产品和三维梯度功能材料的要求；开发强度更高、重复使用率更好的模具材料，提高模具的承载能力并降低模具费用；针对不同的材料体系，寻求确定反应规律，更好的控制产品质量。
高温条件下的温度监测是高温合成的“眼睛”，及时的反馈温区信息为控制反应进行提供了有力支撑。测温仪表主要分为接触式和非接触式，接触式又可以根据原理分为膨胀式、压力式、热电阻和热电偶四种，非接触式则分为辐射高温计、比色高温计和光学高温计。
光学高温计利用物体受热的单波辐射强度随温度升高而增加的特性进行高温测量，精度较高，误差可以控制在10℃以内，并且测量范围广，为700—6000℃，尤其是在1000℃以上的时候精度较为准确。
高温固相反应主要分为高温固相合成反应，高温固气合成反应，化学转移反应、高温熔炼和化学制备，高温下的相变合成，高温下的熔盐电解，等离子体的发光、聚焦下的高温合成和高温下单晶的生长和区域熔炼提纯。本论文将重点阐述化学转移反应，高温固相反应，高温固气反应，尤其是新兴起的自蔓延高温合成技术，本文将做重点论述。
化学转移反应法类型。这是一个升华过程，物质A就相当于一个中间物质，类似于催化剂，在这个反应过程我们很容易可以去除物质A中的杂质，所以化学转移方法的一个重要应用就是分离提纯物质。总而言之，高温合成反应作为一个常用的方法，其应用领域涉及到简单的制备物质，提纯物质，冶炼金属，另外还可以测定热力学数据等。高温固相反应是一种很重要的高温合成反应，大批具有特种性能的无机功能材料和化合物如各类复杂的氧化物，含氧酸盐类，二元或多元金属陶瓷化合物（碳，硼，硅，磷，硫族等化合物）等，都是通过高温下反应物固相间的直接化合而得到的。固相反应对温度要求比较高，且影响固相反应速率的因素主要有以下几种：a.反应物固体的表面积和反应物间的接触面积；b.生成物相的成核速率；c.相界面特别是通过生成物相层的离子扩散速度。
高温下的固气反应。这种类型的反应主要是用来制备金属的高温还原反应。几乎所有的金属及部分非金属均是借助高温下的热还原反应来制备的。在目前，我们已经在借助高温下的金属的氧化物，硫化物或其他的化合物与金属以及其他还原剂相互作用以制备许多金属了，比如氢气与氧化铜高温合成制备金属铜等。一般，还原反应进行的程度和反应的特点等均与反应物和生成物的热力学性质以及高温下热融化潜热等关系密切，我们在这个还原反应中，研究融化潜热是一个比较热门的话题，且这个融化潜热应用也非常的广阔。
利用自蔓延高温合成方法（简称SHS）成功制备系列MnZn铁氧体材料，成果已转为工业化大生产。此项技术一经问世, 就引起各国科学家和各国政府的高度重视, 认识到了这一简单工艺有着巨大的潜力和应用前景。俄罗斯前总统曾强调这一工艺技术的重要性, 他指出: 我们对采用SHS制取材料寄予厚望, 这一技术是无与伦比的, 这是一条科学与技术相结合的新的基本途径。美国在上世纪80年代中期就将该技术研究列入DARPA计划。目前已有三十多个国家和地区进行深入的研究与之相关的理论和应用研究。我国虽然对SHS研究工作开展的比较晚, 但目前已有多所院校和研究所在这方面取得了可喜成果, 特别是应用领域已跻身于国际先进行列。
利用自蔓延高温合成方法，是近几年发展起来的制备材料的新方法。其原理是利用反应物内部的化学能来合成材料。反应一经点燃，燃烧反应即可自行维持，一般不再需要补充能量。整个工艺过程极为简单，能耗低，生产效率高，且产品纯度高。燃烧过程中高的温度梯度及快的冷却速率，易于获得亚稳物相，使产品具有较高的活性。自蔓延高温合成方法具有以下特点：①燃烧温度高，一般为1000～3000，最高可达4500℃左右，所以化学转变完全，而且对杂质有自净化作用，其结果是产品纯度高；燃烧波传播速度快，一般为0.1～20mm/s，
反应时间为秒级，而不是常规的小时级；从而大大缩短合成时间；体系内部在燃烧过程中有大量的热释放，反在物一经点燃，就不需要外界提供能量，因而可以节约能源。一般只有凝聚态产物，因此对环境无污染；可控制产物的冷却速率等工艺系数，从而达到控制产物结构的目的。
最新研究表明, 电场、磁场、重力对SHS工艺及制品的性能会产生影响。因此这些方面的研究也成为目前世界范围内SHS研究的热点。通过此研究以制备特殊的材料, 比如一些只有通过SHS的激发才能反应的材料体系合成; SHS产物包括纳米材料组成和形貌的改善; 梯度功能材料; 热障涂层和化学涂层界面反应的改善及陶瓷材料的进一步合成和致密化等。
3、结论
高温炉作为实验室常用的加热设备,广泛应用于烧结、熔化、加热、热处理等方面。对各种高温炉的研究及其主要部分的全面了解和掌握有助于我们合理选择、制造和使用高温炉，提高加热产品的质量。
不断开发新材料新技术，扩大高温合成的使用范围是目前工作的重点，自蔓延技术是一种典型的远离平衡条件的材料制备技术, 化学反应和产物结构形成都是在平衡条件下进行的。这种非平衡的工艺过程会对产物组成和结构产生一些特殊的影响, 如物象选择、成形及其空间分布等, 同时会使产物表现出很多特殊的性质。理解反应产物这些特殊结构和性能的成因, 对材料设计和材料制备都有着非常重要的意义。随着SHS引用范围的不断扩大, 要求在SHS理论研究和技术工艺方面都要有深入的研究, 同时将它们同生产工艺相结合进行研究。
4、参考文献
[1] 孙良成,李德辉,苏大良等.sxls 高温箱式电阻炉[I1.工业加热.199 .(5!:16 一18
[2] 任有中, 陈智波. 固体燃料燃烧的分形模型研究[ J].燃烧科学与技术, 1999, 5( 1): 46-48.
[3] 王声宏.自蔓延高温合成( SHS)技术的最新进展[ J].
粉末冶金工业, 2001, 11( 2): 26-35
[4] Wang Junfeng, Dong Jixian.A Sum m ary of the Study of Laboratory High Temperature Furnaces.
高温合成
高温合成课程报告 姓名：王聪慧学号：201228004308012 单位：山西煤炭化学研究所摘要 1、前言 高温实验中常常要用到的一种技术手段，大批具有特种性能的无机功能材料和化合物如各类复杂的氧化物，含氧酸盐类，二元或多元金属陶瓷化合物（碳，硼，硅，磷，硫族等化合物）等，都是通过高温下（一般1000~1500°C）反应物固相间的直接化合而得到的。 例如反应：MgO（S）+Al2O3(S)===MgAl2O4(S)，该反应在热力学上是完全可以进行的，但在实际中，该反应需要很高的温度条件下才能进行，而且进行的非常缓慢，在1200°C下，几乎不反应，而在1500°C下，也要需要几天反应才能完成。因此，高温合成在现代无机化学领域占有重要地位。 2、正文 高温合成主要分三个部分，首先是高温炉，它的发展支撑了高温合成工业；第二是高温测量，主要体现在温度的控制上，考虑经济和产出，在合适的温度区间才能得到最大的经济效益；第三是高温合成的类别，它是高温合成里最核心的部分，它的发展促进了高温合成技术的一次次飞跃，例如区域熔炼技术可以得到5个9纯度的产品，真空熔炼的发展使得人们在稀土利用上迈出了一大步。接下来我将利用自己课堂学习结合手头的文献对相关内容归类。 高温炉是实验室的一种高温加热设备，以电加热为主，用于烧结，融化，热处理等。由于高温的条件通常伴随着高压，这对反应容器的性能提出了更高的要求，通常使用的高温反应设备主要是a、电阻炉b、感应炉c、电弧炉和d、放电等离子烧结炉。 a、电阻炉是利用电流通过电热体放出热量以辐射方式加热坯料的加热炉。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在650℃以下的为低温炉；650～1000℃为中温炉;1000℃以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。 b、感应炉是利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制系统等。在感应炉中的交变电磁场作用下，物料内部产生涡流从而达到加热或着融化的效果。在这种交变磁场的搅拌作用下，炉中材质的成分和温度均较均匀，锻造加热温度可达1250℃，熔炼温度可达1650℃。感应炉除能在大气中加热或熔炼外，还能在真空和氩、氖等保护气氛中加热或熔炼，以满足特殊质量的要求。 c、电弧炉利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000℃以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼，主要应用于金属冶炼、磨料磨具行业，目前也用于大块晶体的制备。电弧炉按电弧形式可分为三相电弧炉、自耗电弧炉、单相电弧炉和电阻电弧炉等类型。 d、放电等离子烧结（SPS）是一种快速、低温、节能、环保的材料制备新技术。90年代才得以兴起，是制备功能材料的一种全新技术，它的工作原理是利用脉冲大电流直接施加于石墨模具和样品，产生体加热，实现样品的快速升温。同时，脉冲电流引起的颗粒间放电效应净化颗粒表面，实现快速烧结。用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。 选择石墨做为磨具是因为其优异的耐热性、耐热性和导电性，对于其机理现在尚无统一定论，主要有颗粒间放电说，放电—热传导说和诱导电磁波说，由于其具有升温速度快、烧
高温结构材料
高温结构材料 作者：10063122翁丰壕10063121温可明 关键词：高温合金金属间化合物 摘要：在材料中，有一类叫结构材料，主要利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。金属作为结构材料，一直被广泛使用。但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。下面我们来了解高温结构材料的几种主要类型，制造工艺，应用现状及发展趋势，以便为我们的研究指明方向。 引言：随着工业文明的发展，全球一体化的深入，对深空世界的探索，人类对各种材料的要求也越来越高，特别是航空航天领域，对材料的耐高温性能有着近乎苛刻的要求。我们明白，只有提高材料的各项性能，才能让我们的飞行器更快，更强，所以对高温结构材料的研究，一直是我们注重的方向。 一、高温结构材料主要类型：高温合金：指在650°C以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。目前常是镍基、铁基、
钴基高温合金的统称。金属间化合物：金属与金属或与类金属元素之间形成的化合物。难熔金属合金：有将熔点高于锆熔一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属（钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛），也点（1852℃）的金属称为难熔金属。以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。等等 二、高温结构材料的应用现状：1.镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。若以150MPA-100H持久强度为标准，而目前镍合金所能承受的最高温度〉1100℃，而镍合金约为950℃，铁基的合金〈850℃,即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。所以人们称镍合金为发动机的心脏。目前，在先进的发动机上，镍合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。与铁合金相比，镍合金的优点是：工作温度较高，组织稳定、有害相少及抗氧化搞腐蚀能力大。与钴合金相比，镍合金能在较高温度与应力下工作，尤其是在动叶片场合。镍合金具有上述优点与其本身的某些卓越性能有关。镍为面心立方体，组织非常 高温合金生产用关键设备真空炉
自蔓延高温合成技术的原理及应用(材料工程新工艺新技术)
自蔓延高温合成技术的原理及应用 摘要：自蔓延高温合成技术在材料的合成与制备中应用非常广范，本文主要介绍自蔓延高温合成技术的发展背景和原理，并概述该技术在材料合成与制备中的应用和发展前景。 关键词：自蔓延高温合成；原理；应用、发展前景 The principle and application of self-propagating high-temperature synthesis technology Abstract:It is widely used of self-propagating high-temperature synthesis technology in the synthesis 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: self-propagating high-temperature synthesis; principle; application; prospect in developing 1.前言 自蔓延高温合成技术[1]（Self-propagating High-temperature Synthesis ，简称SHS ）是前苏联科学家A. G . Merzhanov 于1967年道次提出的一种材料合成新工艺，又称为燃烧合成。Merzhanov 发现化学反应： mol kJ TiB B Ti /28022+→+ 具有点火后不需要外界能量就可持续燃烧并从一端向另一端传播，使Ti 与B 的混合物反应生成TiB 2化合物， 从而合成硬质陶瓷TiB 2粉末这种新材料。于是将这种快速燃烧模式称为“固体火焰”，称这种依靠反应自身放热来合成材料的技术为自蔓延高温合成技术。按照该技术创始人Merzhanov 的说法，该技术就是利用任何具有化学反应特性的燃烧过程来合成具有实用目的、有价值的致密产品。SHS 技术是在高真空或介质气氛中点燃原料引发化学反应，反应放出的热量使得邻近物料的温度骤升，从而引起新的化学反应，并且反应以燃烧波的形式蔓延至
高压合成
高压合成，就是利用外加的高压力，使物质产生多形相转变或发生不同物质间的化合，而得到新相、新化合物或新材料。众所周知，由于施加在物质上的高压卸掉以后，大多数物质的结构和行为产生可逆的变化，失去高压状态的结构和性质。因此，通常的高压合成都采用高压和高温两种条件交加的高压高温合成法，目的是寻求经卸压降温以后的高压高温合成产物能够在常压常温下保持其高压高温状态的特殊结构和性能的新材料。 需要高压手段进行合成的几种情况 （1）在大气压（0.1MPa）条件下不能生长出满意的晶体； （2）要求有特殊的晶型结构； （3）晶体生长需要有高的蒸气压； （4）生长或合成的物质在大气压下或在熔点以下会发生分解；（5）在常压条件下不能发生化学反应而只有在高压条件下才能发生化学反应； （6）要求有某些高压条件下才能出现的高价态（或低价态）以及其他的特殊的电子态； （7）要求某些高压条件下才能出现的特殊性能等情况。 针对不同的情况可以来用不同的压力范围进行合成。目前通常所采用的高压固态反应合成范围一般从1~10MPa的低压力合成到及时GPa（1GPa=1万大气压）的高压力合成。 动高压合成技术 超硬材料一般指金刚石和立方氮化硼。由于其性能独特,应用越
来越广泛。但是,立方氮化硼在自然界并不存在,金刚石在自然界也十分稀少。人们经过一个多世纪的探索，1954年美国通用电气公司采用静高压技术，在实验室里首次成功地合成了人造金刚石。这推动了人工合成立方氮化硼的问世，英国G.E公司于1957年首次在8.6GPa、1900℃条件下合成具有立方结构的闪锌矿型氮化硼（CBN）之后，产生了用炸药爆炸产生瞬态高温高压冲击石墨合成金刚石的技术。1961年直接用炸药爆炸冲击石墨合成微米尺度的金刚石多晶微粉。1972年日本东京工业大学泽冈昭利用爆炸冲击波使金属板加速到2Km/S的高速冲击石墨合成金刚石成功。1982年采用石墨或石墨相氮化硼与炸药混合后爆炸,直接获得纳米尺度的超细金刚石或立方氮化硼的问世。上述技术统称为动高压合成技术。 动高压合成技术的基本原理和分类 当炸药爆炸时会产生冲击波。所谓冲击波，就是一种以超音速在物体中传播的波，冲击波的中心处于强烈的压缩状态，这种压缩状态称之为“冲击压缩”。当炸药爆炸时伴有化学反应的冲击波，则称之为“爆轰波”。“冲击压缩”是冲击波到达的瞬间产生的，不会使热传导出去，因此它是一种绝热现象。当固体物质受冲击波扫过时，就会急剧地向冲击波方向压缩，当这种压缩超过某一压力极限时，组成固体的粒子（原子群）就象流体一样飞舞起来。若此时用X光观察“冲击压缩”中的原子排列，则会发现结晶是一种分成几百纳米以下的微结晶，且呈镶嵌状排列。当固体粉末受到冲击波冲击压缩时，伴随粉末粒子间的移动摩擦以及粉末间气体压缩产生的超高温使粉末表面
自蔓延高温合成
自蔓延高温合成 【摘要】：材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料的合成与制备也愈显重要。本文概述了材料制备方法之一——自蔓延高温合成，其基本原理、分类、合成工艺及应用等方面，并对其研究现状及发展进行简述。 【关键词】：自蔓延高温合成技术；热爆；合成技术 一、概述 自蔓延高温合成技术（Self-propagating High-temperature Synthesis，简称SHS)，又称燃烧合成，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方法。 由于自蔓延高温具备以下特点： （1）工艺、设备简单，需要的能量较少，无需复杂的工艺装置，一经点燃就不需要对其提供任何能力； （2）节省时间，能源利用充分，产量高； （3）产品具有较高纯度，燃烧波通过混合料时，由于燃烧波产生高温，可将易挥发杂质（低熔点物）排除，化学转变完全； （4）反应产物除化合物及固溶体外，还可以形成复杂相和亚稳相，这是由于燃烧过程中材料经历了很大的温度梯度和非常高的冷却速度之故； （5）不仅能生产粉末，如同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品； （6）如要扩大生产规模，不会引起什么问题，故从实验室走向生产所需时间短而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品； （7）不仅可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物和亚稳相，还能够生产新产品。 下表为SHS与常规方法几个参数的比较：
正因为SHS 法具有上述优点，自从自蔓延技术发展以来，得到了迅速的发展。研究对象也从当初的高反应热的硼化物、碳化物、硅化物发展到弱反应热的氢化物、磷化物、硫化物等。 二、自蔓延高温合成原理 根据SHS 燃烧波的传播方式，可将SHS 分为自蔓延和“热爆”两种工艺。前者是利用高能点火，引燃粉末坯体的一端，使反应自发地向另一端蔓延。这种工艺适合制备生成焓高的化合物；后者是将粉末坯放在加热炉中加热到一定温度，使燃烧反应在整个坯体中同时发生，称之为"热爆”。这种工艺适合生成焓低的弱放热反应。 自蔓延高温合成原理自蔓延高温元素合成是最原始的SHS 合成粉末材料的方法，其反应原理为： x y xA yB A B Q +→+ 式中，A 为金属单质，B 为非金属単质，x y A B 为合成反应的产物，Q 为合成反应放出的热量。 自蔓延高温还原合成即采用更易于得到且价格便宜的氧化物、卤化物等原料来代替原来单一的元素进行还原合成。反应式可用下式表示： x y x N yM Z N M Q ++→++ 式中，x N 代表氧化物、卤化物等，M 代表金属还原剂（Mg ，Al ，Ca 等），Z 代表非金属或非金属化合物（2N ，23CB O ，2BiO 等)，y N 代表合成产品，x M 代表金属还原剂的化合物，Q 代表反应所放出的热量。 从反应式可以看出，合成反应分两步进行。第一步是还原反应，先还原出单体元素；第二步是单体元素与非金属元素合成为所需的制品。 三、自蔓延高温合成技术 （一）、SHS 制粉技术 这是SHS 中最简单的技术，让反应物料在一定的气氛中燃烧，然后粉碎、研磨燃烧产物，能得到不同规格的粉未。 实例1： 1、原理：2323121366Al B O Al O AlB +→+ 2、制备：以化学计量配料，铝粉和23B O 粉料在刚玉罐中球磨混合1h ，经真空干燥后，压坯，置入充满氩气的反应器中，进行燃烧合成。反应器内压力可在5000.1Pa Mpa 之间调节，用钨丝点火。用W Re -材料热电偶插入试样心部测温。 合成的复相陶瓷粉体外形不规则，其中亚微米级颗粒约占30%。亚微米粉料主要为12AlB ，而粗大颗粒为23Al O 。
高温结构材料
高温材料探究作业 一、设计方案 陶瓷涂层硬质合金材料 1.YG15为基体（WC85% Co15%）氧化铝/碳化硅复相纳米陶瓷为涂层材料 采用溶胶-凝胶方法或者大气等离子喷涂方法 2.YG15为基体（WC85% Co15%）含有稳定氧化钇的氧化锆陶瓷为涂层材料 采用蒸敷法（PVD物理气相沉积）或者等离子喷涂方法 二、设计思路及原理 所需高温材料包括以下几个要求： 1.工作温度大于等于1300摄氏度。 2.抗弯强度大于1500兆帕、抗压强度大于2000兆帕。 3.大于1300度时材料具有良好的抗氧化及抗腐蚀性能。 4.抗热震性、抗热疲劳性能好。 5.脆性低于硬质合金。 （一）设计思路分析 常见耐高温金属的最高熔点接近1500度，但升温至1300度以上材料势必软化，故单纯采用常见耐高温金属不可取。 常见陶瓷材料或陶瓷金属材料具有很强的耐高温性抗氧化性抗腐蚀性，但陶瓷类材料的抗弯强度最高理论强度只有1500兆帕（Mo2NiB2、Y-PSZ），而大多数陶瓷材料抗弯强度只有500兆帕左右，抗压强度文献中都没有记载，故单纯采用陶瓷类材料不可取。 常见C/C复合材料高温性能、良好，但抗弯强度很低，大多只有200兆帕左右。故不适合。 由此可见采用涂层复合材料的方法使陶瓷材料的高温性能和金属的抗弯压性能相结合。 通过查阅资料得知：
陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高刚度及良好的化学稳定性，然而其陶瓷抗弯强度低、韧性差在很大程度上影响了其应用。为改善脆性通常以复合材料形式出现，但传统陶瓷复合材料的韧性仍不够。采用热喷涂技术在金属表面上制备陶瓷涂层，将其优点与金属材料的优点结合起来获得各种功能涂层，正在成为当代复合材料领域的一个重要分支。陶瓷涂层刀具拥有和硬质合金相近的强韧性的同时保持陶瓷的耐磨耐高温等性能[1]。 文献中记载的陶瓷涂层材料很大一部分是作为刀具方面和航空耐高温材料方面的应用，故我们主要从这两个方面着手探究。 根据目前可以查到的资料筛选出： 1.用热敷法（PVD的一种）制备以镍基金属为基体表面复合含有稳定氧化钇的 氧化锆陶瓷的复合材料【2】。 2.用溶胶-凝胶法制备以YG、YT为基体表面复合Al2O3陶瓷的复合材料【3】。 3.用等离子喷涂法制备以MCrAlY为基体表面复合Al2O3陶瓷的复合材料【2】。 （二）主要设计原理 1．YG15抗弯强度为2200兆帕抗压强度3000兆帕【4】。 2．Al2O3在1600摄氏度以上转变为阿尔法Al2O3是高温稳定的材料【5】。 3．Al2O3热膨胀系数较低为7.8，与YG15相近【5，7】。 4．Al2O3涂层主要用于绝缘、热障、耐磨、抗腐蚀面层【6】。 5．一般地讲，热膨胀系数越小，材料因温度变化而引起的体积变化小，相应产生的温度应力小，抗热震性越好；材料固有强度越高，承受热应力而不致破坏的强度越大，抗热震性好；弹性模量越大，材料产生弹性变形而缓解和释放热应力的能力越强，抗热震性越好。 6．一般情况下，YG类硬质合金的耐用度取决于材料的红硬性、耐磨性和冲击韧性。YG类硬质合金中含钴量较多时，抗弯强度和冲击韧性好，特别是提高了疲劳强度，因此适于在受冲击和震动的条件下作粗加工用；含钴量较少时，其硬度、耐磨性和耐热性较高，适合作连续切削的精加工。 7．在Al2O3基体中加入第二相碳化硅可大幅改善基体的力学性能和抗热震性【7】。8．利用化学气相沉积方法制备图层可控制图层的弹性模量和膨胀系数，提高复合材料的抗热震性。 9．复相陶瓷的增强机理：根据Griffith方程，临界缺陷尺寸的减小，断裂韧性的提高以及内应力引起的晶界增强都可以引起强度的提高，在复合粉体的球磨混合过程中，SiC分体比较硬，可作为球磨介质发挥作用，能够打散Al2O3粉体中的软，硬团聚体使粉体混合均匀，减少了成型及随后烧结过程中的缺
自蔓延高温合成技术
自蔓延高温合成技术 10粉（1）张凯 1003011020 摘要：自蔓延高温合成技术是20 世纪后期诞生的一门新兴的前沿科学,在粉体合成及陶瓷的制备等方面充分显示其优越性. 文章对自蔓延高温合成技术的概念、自蔓延高温合成的燃烧理论作了简要介绍，并整理总结自蔓延高温合成(SHS) 技术的发展和国内外研究概况,包括制备工艺、应用领域等，同时分析了自蔓延高温合成技术的最新研究动向。 关键词：自蔓延高温合成；燃烧合成；SHS技术；SHS理论；应用 1 引言 自蔓延高温合成(Self - Propagating High Temperature Synthesis,简称SHS)，也称燃烧合成(Combustion Synthesis ,CS) 是利用反应之间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,便会自动向未反应区传播,直至反应完全。任何化学物质的燃烧只要其结果是形成了有实际用途的凝聚态的产品或材料,都可被称为SHS 过程. 在SHS 过程中,参与反应的物质可处于固态、液态或气态,但最终产物一般是固态. SHS 技术制备的产品纯度高、能耗低、工艺简单,用SHS 技术可以制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料. 其特点为: ①是一种速的合成过程; ②具有节能效果; ③可提高材料的纯度;④产物易形成多孔组织; ⑤燃烧产物的组织具较大的离散性. 因此,探索各种SHS 体系的燃烧合成规律, 获得均匀组织也是保障SHS 产业化的关
键. 2国内外研究概况 人们很早就发现了化学反应中的放热现象, 在上个世纪就已发 了气-相和固-相的燃烧合成现象。1892 年,Mo issen 叙述了氧化物和氮化物的燃烧合成。1895 年, Go ldchm idt 用铝粉还原碱金属和碱土金属氧化物, 发现固2固相燃烧反应, 并描述了放热反应从试料一端迅速蔓延到另一端的自蔓延现象。本世纪铝热反应已经得到工业应用。但是, 将燃烧合成和冶金、机械等技术结合起来, 发展成为具有普遍意义的制备材料新技术并用于工业生产, 还应归功于原苏联 科学家的努力。 1967 年, 原苏联科学院化学物理研究所Bo rovin skaya 等人发现钛2硼混合物的自蔓延燃烧合成现象, 称之为“固体火焰”。60 年代末, 又发现了许多金属和非金属难熔化合物的燃烧合成现象, 并 首先将这种靠反应自身放热来合成材料的技术称为自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis),即SHS。1972 年, SHS 开始用于粉末的工业生产。1975年, 开始把SHS 和烧结、热压、热挤、轧制、爆炸、堆焊和离心铸造等技术结合, 研究通过SHS法直接制备陶瓷、金属陶瓷和复合管等致密材料。70 年代末, 一些致密SHS 制品, 例如MoSi2加热元件已工业生产。1987 年, 原苏联建立了SHS 研究中心——苏联科学院结构宏观动力学研究所, SHS 的创始人, 原苏联科学院院士A. G. M erzhanov 任所长, 进行SHS 基础究和SHS 技术、材料和应用的广泛研究, 也小批量生产陶瓷粉末、硬质
无机合成参考题
无机合成参考题
无机合成化学参考题 1.进行无机合成时，选择溶剂应遵循什么样的原则？ 答：有利于反应进行 对人毒性较小 对环境污染小 不是很贵 2.分子筛可以用于纯化与催化反应的原理是什么？ 答：原理：分子筛中有均匀的空隙结构当物质大小与分子筛空隙大小相近时就会透过分子筛进而阻挡一部分物质，达到纯化的目的。分子筛中有许许多多的空腔，空腔内又有许多直径相同的微孔相连，这些微孔能将极性不同，沸点不同，饱和程度不同的分子分离开来就可以达到纯化的作用。 分子筛经过质子交换处理后，表面具有丰富的质子酸位，可以在酸催化反应中可以提供很高的催化活性，其孔道结构形成选择性也可催化炼油反应。 3.以1 : 1摩尔比的MgO和Al2O3的混合物反应生成尖晶石为例来 讨论固体反应过程的影响因素。并解释为什么在实际实验中反应生成两界面以1 : 的比例移动？
4.精细陶瓷与传统陶瓷有什么区别？ 答：原料：前者使用粘土为主要原料，后者则使用可以在化学组成、形态、粒度和分布精确控制的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。 成分：前者由粘土产地决定，后者因为是纯化合物由人工配比决定。 定制工艺：前者主要是手工来制坯，上釉工艺，以炉窑来生产，后者主要用等静压，注射成型和气相沉积来获得相对精确的和较大密度的坯体，以真空烧结等先进烧结手段。 性能：前者主要用来观赏，生活使用，后者则具有高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能在高温机械等领域得到广泛的应用。 5.什么叫水热与溶剂热合成，影响水热反应的因素有哪些？ 答：概念：水热与溶剂热合成指在一定温度下（100—1000°C）和压强（1-100MPa）条件下利用溶液中物质化学反应来合成材料，重点研究高温和密闭或高压条件下溶液中的化学行为与规律一般在特定类型的密闭容器活高压釜中进行的一类有效的合成方法。 影响因素：溶液中的溶剂种类，如水或者非水 反应物本身性质
自蔓延高温合成技术
自蔓延高温合成(self–propagation high–temperature synthesis,简称SHS),又称为燃烧合成(combustion synthesis)技术,就是利用反应物之间高的化学反应热的自加热与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,就是制备无机化合物高温材料的一种新方法。 基本信息 ?中文名称:自蔓延高温合成 ?外文名称:self–propagation high–temperature synthesis ?特点:反应温度通常都在2100~3500K ?简史:黑色炸药就是最早应用 特点 燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延相当快,一般为0、1~20、0cm/s,最高可达25、0cm/s,燃烧波的温度或反应温度通常都在2100~3500K以上,最高可达5000K。SHS以自蔓延方式实现粉末间的反应,与制备材料的传统工艺比较,工序减少,流程缩短,工艺简单,一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量。由于燃烧波通过试样时产生的高温,可将易挥发杂质排除,使产品纯度高。同时燃烧过程中有较大的热梯度与较快的冷凝速度,有可能形成复杂相,易于从一些原料直接转变为另一种产品。并且可能实现过程的机械化与自动化。另外还可能用一种较便宜的原料生产另一种高附加值的产品,成本低,经济效益好。 自蔓延高温合成法发展简史 早在2000多年前,中国人就发明了黑色炸药(KNO3+S+C),这就是自蔓延高温合成(SHS)方法的最早应用,但不就是材料制备。所谓自蔓延高温合成材料制备就是指利用原料本身的热能来制备材料。
1900年法国化学家Fonzes–Diacon发现金属与硫、磷等元素之间的自蔓延反应,从而制备了磷化物等各种化合物。 在1908年Goldschmidt首次提出"铝热法"来描述金属氧化物与铝反应生产氧化铝与金属或合金的放热反应。 1953年,一个英国人写了一篇论文《强放热化学反应自蔓延的过程》,首次提出了自蔓延的概念。 1967年,前苏联科学院物理化学研究所Borovinskaya、Skhiro与Merzhanov 等人开始了过渡金属与硼、碳、氮气反应的实验,在钛与硼的体系中,她们观察到所谓固体火焰的剧烈反应,此外她们的注意力集中在其产物具有耐高温的性质,她们提出了用缩写词SHS来表示自蔓延高温合成,受到燃烧与陶瓷协会一致赞同,这便就是自蔓延高温合成术语的由来。 我国从1986年起也开始了这方面的研究。 自蔓延高温合成方法的原理 燃烧波的特征 SHS过程包含复杂的化学与物理化学转变,要想获得满意的产品就必须明了整个反应机理以及各种因素对SHS过程的影响。如果将自蔓延的燃烧区描述为燃烧波的话,试样被点燃后,燃烧波以稳态传播时,燃烧波就在试样(或空间)建立起温度、转化率与热释放率分布图。由图8、2可以瞧出,燃烧波前沿的区域就是热影响区,当该区内温度从T0上升到着火温度,热释放速率与转化率开始由0逐渐上升,这样就进入燃烧区,在这一区域内实现由反应物结构转化为产物结构,当转化率达到1时,反应即进入产物区。 SHS燃烧波方程
高温固相反应制备荧光粉材料
东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名徐佳乐班级学号12011421 实验日期2014/9/9 批改教师 课程名称电子信息材料大型实验批改日期 实验名称高温固相反应制备荧光粉材料报告成绩 一、实验目的 1、初步掌握高温固相法制备荧光粉的工艺； 2、了解影响荧光粉性能的因素。 二、实验原理 荧光粉材料是指激发源（紫外光、阴极射线等）激发下能产生可见荧光的一类功能材料。荧光粉材料的制备有很多方法，如高温固相反应、燃 烧法、溶胶凝胶法、共沉法，燃烧法和微波辅助加热等。其中高温固相反 应法合成荧光粉材料的合成工艺比较成熟，能保证形成良好的晶体结构，而且适于大规模工业化生产，在实际生产中应用最为广泛。 高温固相反应制备荧光粉样品包括配料、混料、灼热还原、破碎、分级等几个步骤。即将反应原料按一定化学计量比称量，并加入适量的助溶 剂混合均匀，然后在高温下烧结合成（或还原），经粉碎、过筛得到一定 粒度的荧光粉材料。 高温固相反应为多种固态反应物参加的多固态反应，反应的进行通过高温下各种离子之间的互扩散、迁移来完成。扩散的助动力是晶体中的缺 陷和各种离子化学势，扩散的外部条件是温度和反应物之间的充分接触。 因此反应之前应将反应物研磨至很碎的细颗粒，并使它们混合均匀，以期 使反应物之间有最大的接触面积和最短的扩散距离。高的灼烧温度是为了 加快反应物离子的迁移速率。值得注意的是，即使将反应物碾碎至10μm，其中仍含有一万个晶胞，另一种反应物离子需要扩散迁移通过一万个晶胞才能反应。为了促进高温固相反应，使之容易进行，可采用在反应物中加 入助溶剂。助熔剂熔点较低，在高温下熔融，可以提供一个半流动的环境，有利于反应物之间的互扩散，有利于产物的晶化。 本实验以ZnSiO4：Mn绿色荧光粉材料作为实验对象，ZnSiO4：Mn绿粉在紫外光激光下发光效率高、色品纯正，主要应用于等离子显示器、紧 凑型荧光灯、CCFL荧光灯中。
耐高温防氧化材料
高温防氧化涂料材料致密保护层 材料在高温下容易和气体接触发生反应，高温材料有效物质生成其他无效物质，给材料材料的结构、使用、特性等性能造成很大影响，有时还会产生巨大破坏性影响。我们常见的高温材料氧化具体指的是材料和氧元素的反应氧化，氧元素与金属元素发生的化学反应，称其为材料氧化，是一种重要的化工单元过程，也和材料腐蚀损耗的主要因素。 为了防止材料高温下氧化产生的腐蚀破坏，所以要找到一种材料给高温材料穿上一层外衣，能有效保护材料高温不发生氧化现象。要找到的这种材料防氧化的外衣首先要耐高温、致密性好，防腐性能佳，抗氧化能力强、硬度高等一些特性。记着在工业协会了解到，北京志盛威华化工有限公司的ZS-1021耐高温封闭涂料，可以完全能达到上述指标材料防氧化要求。封闭涂料耐温高，采用北京志盛威华特制高温溶液，独家生产销售，耐温可以达到1800℃，可以长时间耐火烧烤，材料采用纳米陶瓷鱼鳞片状结构，在高温下程融融烧结网络玻璃相状态，致密性好，在材料表面氧化脱碳层，防止气体和材料接触，硬度可以达到7-8H，有很好的抗冲击性。ZS-1021志盛耐高温封闭涂料涂层本身耐酸耐碱，高温、常温下无任何挥发物质产生，无机水性环保，不和淬火介质发生任何反应，可以有效保护材料高温下发生化学反应，可以有效防止材料材料高温氧化率达到95%以上。ZS-1021耐高温封闭抗氧化涂料防氧化效果明显，能使原来普通热轧板所产生的5％的氧化皮降到0.5％左右，使不锈钢热轧板所产生的3％的氧化皮降到0.2％以下。 高温金属材料不被氧化对世界各国都有重要的经济意义和社会意义，金属材料被氧化腐蚀后在外形、色泽以及机械性能各方面都将发生变化，造成设备破坏、管道泄漏、产品污染，酿成燃烧或爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，使国民经济受到巨大的损失。因此，研究新型ZS-1021志盛高温材料防氧化涂料，防护高温材料尽速不被氧化腐蚀，对经济建设有着十分重大的意义，该涂料也被国家节能协会列为重点推广使用的节能材料之一。
实验八自蔓延高温合成
实验八自蔓延高温合成 一实验目的 熟悉自蔓延高温合成过程，了解其合成原理。 二实验原理 自蔓延高温合成技术(Self-propagating High-temperature Synthesis简称SHS)是由俄罗斯科学家Merzhanov教授在60年代后期提出的一种材料合成新工艺。其基本原理是利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发的进行下去，以获得具有指定成分和结构的燃烧产物。 以简单的二元反应体系为例，其原理为： xA + yB —— AxBy + Q 其中A为金属单质，B为非金属单质，AxBy为合成反应的产物，Q为合成反应放出的热量。 上图描述了燃烧过程中样品内部燃烧波的结构及产物相组成的变化规律。首先在样品的一端给一个激发热源将此处的样品加热到上面的反应式可应进行时，断开激发源。此时端面处由于化学反应生成了反应产物C或A/B，主要由反应机理而定；反应放出的热量和反应过程中的物质消耗导致样品中形成温度、组分元素浓度的梯度，有时还伴随着物质流动现象。这种梯度的存在，会使热量向周围区域传递。热量的传递使周围区域得到预热，得到初始的激发热量，引发上述燃烧反应的进行，这种周期性的过程使反应能自发地进行下去。 通常为了了便于讨论，将上述过程简化为一个一维的燃烧问题。由傅立叶第一定理和能量守恒法则，可得到如下方程组：
)()exp()()(404i i i r E P C f RT E A t C C H T T K t C q r T K r t T C -=???---??+????=??ρ 为了得到指定结构的化学组成和产物相分布等，通常需要对反应过程进行控制。对体系的控制主要是通过改变上述方程中的体系初始物性常数，如比热C ，热传导系数K 等。读者有举兴趣，通过上述议程的数学分析，可以对燃烧过程中的动力学形为进行研究，将上述动力学行为与产物结构结合在一起，就形成了自蔓延过程常用的研究方法——结构宏观动力学。 SHS 过程也可以是多元反应过程，其基本原理不变，只是反应过程更加复杂。如下式： N x + M + Z === N y + M x + Q 式中 N x ----氧化物、卤化物等 M----金属还原剂（Mg 、Al 、Ca 等） Z----非金属或非金属化合物（N 2,C,B 2O 3,SiO 2等） N y ----合成产品 M x ----金属还原剂的化合物 Q----合成反应所放出的热量 与传统的工艺相比，自蔓延高温合成的主要优点在于： 1 反应时低沸点的杂质挥发逸出，产品纯度高； 2 过程迅速、省时； 3 除启动反应外，不需要外热，简化设备、节约能源； 4 产品中极可能出现非平衡或亚稳相，产品活性高； 5 可以使材料的合成与致密化同步完成； 6 不仅扩大了材料合成所用材料来源，降低成本，还具有很广的实用性，可以合成一些 其他工艺不能合成的材料。 三 仪器和药品 1，实验仪器 采用武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室自行研制的专利产品—自蔓延高温合成装置。它由控制柜和燃烧台两部分组成。该设备配有高速自动摄影和全自动红外辐射测温系统，能够实现反应过程的全自动计算机在线控制，获得材料合成过程中的反映应速度﹑燃烧温度﹑燃烧结构及其他反应动力学过程的基本参数。 2，实验药品 以合成La 1-x Sr x MnO 3为例。方程式如下： (1-x)La 2O 3+2xSrO 2+(2-y)Mn+yKMnO 4---2La 1-x Sr x MnO 3-δ+y/2K 2O 所需药品如下表：
高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望--...
高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望 摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。 关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用 1 前言 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到 接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金 熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结 构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。 近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。 2 国内外应用与研究现状 由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf 用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。 此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。 3 研究方向与发展趋势 陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤
CrB2的高温高压合成与物性研究
第２８卷 第４期高压物理学报Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．４ ２０１４年８月ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＩＧＨ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＰＨＹＳＩＣＳ Ａｕｇ．，２０１４ 文章编号：１０００－５７７３（２０１４）０４－０３９４－０５ ＣｒＢ２的高温高压合成与物性研究＊ 韩 磊１，２，刘宝昌１，３，李文敏２，刘 影２ （１．吉林大学建设工程学院，吉林长春 １３００２６； ２．中国科学院物理研究所，北京 １００１９０； ３．吉林大学超硬材料国家重点实验室，吉林长春 １３００１２） 摘要：采用高温高压手段，以单质硼粉和铬粉为原料，在压力为６ＧＰａ、温度为１ ２００℃的 条件下成功制备出ＣｒＢ ２ 化合物。利用Ｘ射线衍射仪、Ｘ射线能谱仪、硬度检测仪和扫描电子 显微镜，对合成产物进行了物性表征。结果表明：合成的ＣｒＢ ２ 固体为六方结构，空间群为Ｐ６／ｍｍｍ，晶格常数ａ＝０．２９７ｎｍ，ｂ＝０．３０７ｎｍ；合成样品的晶粒直径为５～４０μｍ，结晶质 量良好。硬度测试结果显示，高温高压合成的ＣｒＢ ２ 具有很高的硬度。对比实验条件和实验 结果发现，温度和原料配比均影响ＣｒＢ ２的合成，提高原料中硼的比例有助于目标产物ＣｒＢ ２ 的形成。 关键词：高温高压；ＣｒＢ２；Ｘ射线衍射；硬度 中图分类号：Ｏ５２１．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．１１８５８／ｇｙｗｌｘｂ．２０１４．０４．００２ １ 引 言 近年来，随着科学技术和工业制造的发展，人们对材料的综合性能提出了越来越高的要求。在极端条件下合成性能更为优越的新材料成为研究热点。采用高温高压方法，不但可以合成常压下无法获取的一系列新材料，而且可以很好地实现材料在极端条件下的各种表征。高压不仅可以增加反应速率、缩短反应时间、有效阻止相的偏析［１］、减少固相反应的活化能，还能增加邻近电子的轨道重叠、调节物质的化学价态［２］等，因此高温高压合成的新物质往往具有新颖的物理化学特性。 过渡金属硼化物一般具有很高的熔点和硬度，优异的耐磨性、抗腐蚀性和抗氧化性，出色的电导率，较低的杂质扩散率，以及优良的热、电性能［３］，因此被广泛应用于许多技术领域。其中，ＣｒＢ２因具有优异的耐磨性和抗腐蚀性、较高的硬度，在涂层材料的合成方面拥有广阔前景［４］。然而，通过常规的合成方法较难获得ＣｒＢ２，前人曾采用化学气相沉积法［４－６］和自蔓延高温合成法［５］合成了ＣｒＢ２薄膜和掺有部分杂相的ＣｒＢ２。本工作通过高温高压方法合成硼化物ＣｒＢ２，利用Ｘ射线衍射仪、Ｘ射线能谱仪、硬度检测仪和扫描电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ），对合成产物进行物性研究。 ２ 实 验 实验原材料：Ａｌｆａ公司生产的单质硼粉，质量分数为９９．９％，平均粒度为１～５μｍ；单质铬粉，质量 ＊收稿日期：２０１４－０６－０１；修回日期：２０１４－０６－１８ 作者简介：韩 磊（１９９０－），男，硕士研究生，主要从事钻探用超硬材料、新型硼化物超硬材料的合成及力学性能研究．Ｅ－ｍａｉｌ：１１０５９７９６６６＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯作者：刘宝昌（１９７５－），男，博士，副教授，主要从事钻探新技术、超硬复合材料及钻头、仿生技术在钻探中的应用研究．Ｅ－ｍａｉｌ：８５０４７７００１＠ｑｑ．ｃｏｍ
高温合金材料设计与制备的基础研究
项目名称：高温合金材料设计与制备的基础研究首席科学家：孙晓峰中国科学院金属研究所起止年限：2010年1月-2014年8月 依托部门：中国科学院
一、研究内容 1. 拟解决的关键科学问题 高温合金中通常含有十几种强化元素，合金化程度较高，强化机理复杂，有的强化元素之间还存在较强的交互作用，认识复杂体系中合金化元素的作用机制是高温合金成分优化和发展先进合金的理论基础，但迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚。高温合金中的纯净化冶炼及凝固缺陷控制是改善材料综合性能、提高产品合格率的关键环节，但我国的冶炼水平与欧美等发达国家存在较大差距，对于凝固缺陷的形成机理尚不明确，实际工程中仍然靠经验和反复试制来解决问题，此外，在前期工作中发现现有凝固理论中的枝晶生长机制尚不完善，有待于进一步研究。在热加工方面，粉末冶金与喷射成形为获得均质近终成形大型铸锻件提供了新的短流程、低成本技术途径，然而，对于热加工过程中的塑性变形动力学、原始颗粒边界和夹杂物等缺陷的形成机理和控制方法等方面仍缺乏系统的理论研究工作。抗高温氧化腐蚀防护涂层为高温合金构件的长寿命服役提供了重要的保障，但由于高温防护涂层服役环境的特殊性与防护涂层的多界面特性，使得抗高温腐蚀涂层的防护机理以及陶瓷涂层与金属涂层界面的相容性等科学问题尚没有得到有效的解决。为了保证发动机的安全可靠性，高温合金材料的性能评价方法和基础数据测试是发动机设计选材的重要依据，国内在高温结构材料的使用性能表征方法以及在服役环境下的损伤特征和寿命预测方面开展了一些研究工作，但还没有形成系统的理论体系。针对上述高温合金设计与制备中存在的问题，本项目拟解决的关键科学问题如下： （1）复杂多元先进高温合金成分设计及强韧化机理 溶质原子Co、W、Mo、Re、Ru等及微量元素C、B、Hf等在先进单晶高温合金中的原子占位、偏聚与扩散行为；强化相的晶体结构、析出规律及稳定性对高温合金组织及性能的影响；热-力耦合作用下固相扩散诱发的合金微结构演变动力学；溶质原子间的交互作用；多元强化合金的成分设计、高温度梯度定向凝固组织与性能调控。 （2）高温合金纯净化冶炼及凝固缺陷形成与控制 高温合金纯净化冶炼过程中杂质元素去除热力学和动力学，高温熔体中亚结构的表征及演化动力学；熔体结构及熔体热历史对凝固组织和缺陷的影响规律；多场耦合作用下胞状枝晶生长机制及凝固组织演变过程；多元复杂合金凝固过程动力学模型的建立、多场耦合求解及凝固组织演变“可视化”数值模拟；高温合金缺陷形成机理与控制基础理论。