SHS技术在无机合成中的应用
硅烷技术及应用

硅烷技术及应用硅烷技术是指利用有机硅化合物的特性和反应进行化学改性和精细化工的技术。
硅烷化合物包括了不同的官能团,如甲基、氨基、环氧、羟基等,因此可以应用到各个不同的领域。
本文将从硅烷技术的原理、合成方法和应用三个方面进行阐述。
硅烷技术的原理主要基于硅氢键与有机官能团之间的相互作用。
硅烷化合物中的硅氢键可以被其他原子或官能团取代,形成新的化合物。
硅烷化合物的合成方法很多,常用的方法有酸碱催化法、锂铝氢化物还原法、氯化氢还原法等。
通过这些方法,可以合成出不同官能团的硅烷化合物,用于不同领域的应用。
硅烷技术在化学改性方面有广泛的应用。
由于硅烷化合物具有较高的亲硫性、亲金性和亲硅性,因此可以用于改善橡胶和塑料的热稳定性、耐磨性、耐候性等性能。
硅烷化合物可以在橡胶和塑料的分子链上引入硅烷键,形成交联网络结构,增加材料的强度和硬度,提高材料的抗老化性能。
此外,硅烷技术还可以用于改性纤维素材料,提高纤维素材料的抗水性和耐久性。
在精细化工方面,硅烷技术也有广泛的应用。
硅烷化合物可以作为涂料、粘合剂、密封剂等产品的添加剂,用于改善产品的性能。
硅烷化合物可以与金属、玻璃、陶瓷等材料表面发生化学反应,形成化学键,从而增加材料的附着力和耐久性。
此外,硅烷化合物还可以用作溶剂和表面活性剂,用于提高产品的分散性和稳定性。
除了化学改性和精细化工,硅烷技术还有很多其他的应用。
硅烷化合物可以用于制备硅烷油、硅烷脂等功能性化合物,用于制备抗氧化剂、消泡剂、增效剂等化工产品。
此外,硅烷技术还可以用于制备油墨、涂料、塑料等材料的添加剂,用于改善产品的流动性、干燥性和光学性能。
总而言之,硅烷技术是一种应用广泛的化学技术,可以用于化学改性和精细化工。
硅烷化合物具有不同的官能团,可以用于改善材料的性能和提高产品的质量。
硅烷技术在橡胶、塑料、纤维素材料等领域有着重要的应用,同时也可以用于制备化工产品和功能性化合物。
随着科学技术的发展,硅烷技术的应用前景将更加广阔。
自蔓延高温合成技术与应用

自蔓延高温合成技术与应用1 SHS原理及特点自蔓延高温合成(Self-propagation High Temperature Synthesis),简称SHS. 它是基于放热化学反应的基本原理,利用外部能量诱发局部化学反应(点燃),形成化学反应前沿(燃烧波),此后, 化学反应在自身放热的支持下继续进行, 表现为燃烧波蔓延至整个体系, 最后合成所需的材料(粉体或固结体)[ 1 ]。
其过程如图1所示。
图1 SHS反应过程示意图SHS 技术同其它常规工艺方法相比, 具有设备、工艺简单; 节省时间, 能源利用充分; 产量高; 产物纯度高, 反应转化率接近100%; 在燃烧过程中, 材料经历了很大的温度变化,非常高的加热和冷却速率, 使生成物中缺陷和非平衡相比较集中, 因此某些产物比传统方法制造的产物更具有活性; 复合相分布均匀、相界面清洁和结合好、可以制备具有超性能的材料[2] , 集材料的合成与烧结于一体等优点。
2 SHS 的发展概况19世纪,人们发现一些气、固相或固、固相材料在发生化学反应时具有强烈的放热现象, 所放出的热量能使反应自我维持并蔓延直至形成最终产物。
l895年,德国冶金学家Goldchmidt通过实验研究了铝热反应还原碱金属和碱土金属氧化物,详细报道了固一固相燃烧反应的自蔓延特性。
1967年,前苏联科学院Merzhanov[3]等人发现了可称之为“固体火焰”的Ti—B混合物自蔓延燃烧现象,并将这种依靠混合体化学反应的自身放热来合成新材料的技术首次命名为自蔓延高温合成,即SHS。
随后,前苏联科学家们经过系统而深入的研究,将SHS技术与冶金、机械等加工技术相结合,开发出了多种SHS工艺来制备和加工新型材料,发展了一系列无机材料粉末合成与成型、致密化工艺相结合的技术。
如1972年,SHS法用于了TiC、Ti(CN)、MoTi2、AlN 、六方BN等粉末的生产。
俄罗斯的科学家用燃烧合成方法制取了500多种材料,常见燃烧合成的材料如表1所示[ 4 ]。
自蔓延高温合成技术的发展与应用

3 自蔓延高温合成技术理论
(1)SHS过程热力学 燃烧体系进行热力学分析是 SHS研究过程 的基础。绝热燃烧温度是描述SHS反应特征的 最重要的热力学参量。它不仅可以作为判断反 应能否自我维持的定性判据,并且还可以对燃 烧反应产物的状态进行预测并且可为反应体系 的成分设计提供依据。 Merzhanov 等人提出 以下经验判据。
1 概述
自 蔓 延 高 温 合 成 (Self-Propagating High Temper-ature Synthesis,SHS), 也 称 燃 烧 合 成 (Combustion Syn-thesis,CS), 它 是一种利用化学反应自身放热使反应持续进 行,最终合成所需材料或制品的新技术。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。
2 国内外研究现状
目,支持SHS研究开发。1994年,在武汉召 开了第一届全国燃烧合成学术会议。我国的 SHS产业化成果也得到了国外同行的高度评 价。我国研制的陶瓷复合钢管年产近万吨。 近年,我国在SHS领域加强了与国外的合作 与交流,发表的SHS方面的文章数目仅次于 俄、美,与日本相近,我国台湾学者在SHS粉 末和不规则燃烧方面也取得了引人注目的科 研成果。
2 国内外研究现状
国外研究情况 1967年,苏联科学院化学物理研究所宏观动 力 学 研 究 室 的 Borovinskaya, Skior 和 Merhanov 等人在研究钛和硼的混合粉坯块的 燃烧时,发现“固体火焰”,后又发现许多金 属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈的 放热反应;1972年,该所建立了年产10~12 t难 熔化合物粉末的 SHS中试装置; 1973 年,苏联 开始将SHS产物投入实际应用,并召开了全苏
shs

3
4 5 6
烧结致密工艺,燃烧挤压工 艺,燃烧压制工艺
燃烧冶金工艺,燃烧离心铸 造,燃烧表面处理 燃烧焊接工艺 燃烧涂层工艺
SHS技术合成材料
表2 SHS技术合成的部分材料
硼化物
碳化物 碳氮化物 硬质合金 硫化物 复合材料 氢化物 金属间化合物 氮化物 硅化物
CrB2,HfB2,NdB2,TaB2,TiB2,LaB2,MoB2
(2) SHS的节能效果
SHS最大的特点是自发热而自维持的合成过程 , 在合 成过程中不需要外部能源供给, 其节能效果是显著的。然 而仔细考察SHS反应会发现, 对单质合成化合物的过程如 由Ti和C合成TiC, 其产物比反应物更接近自然界存在的物 质, 即必须考虑由自然界存在的矿物提取单质的能耗。 高温有利于杂质的挥发, 但同时也会造成反应物的 挥发, 同时由于SHS合成多相平衡的特点, 反应产物中出 现了副产物相, 在多相的复相陶瓷合成中情况更为显著。 因此对副产物相的控制也是推动SHS产业化的重要环节。
SHS的特点
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。 (1) SHS是一种快速的合成过程 燃烧波的传播过程即材料的合成过程, 这无疑提高 了材料合成的效率。然而也正是这种高速合成的特点, 使合成过程在燃烧波一开始引发后实际上就处于一种不 可控状态。这种不可控的材料合成方法难以为大多数材 料工作者所接受。因此, 探索与SHS合成过程特点相适应 的合成过程控制方法就有重要的意义。
绝热燃烧温度
绝热燃烧温度是指绝热条件下燃烧所能达 到的最高温度, 此时反应放出的热量全部用来 加热生成产物。根据其与生成物的熔点之间的 关系, 对反应Σ miRi=Σ njPj, 其焓变可以表示为:
无机合成中的自蔓延合成技术

点燃温度和绝热燃烧温度
• 点燃温度Tig:诱发SHS反应的温度,即点燃温度Tig • 绝热燃烧温度Tad:假定反应释放的热完全用于加热产物, 而没有由于对环境的加热造成的能量损失,得到的燃烧温 度。绝热燃烧温度可以描述反应的放热程度,并且是燃烧 体系温度的上限。绝热燃烧温度可以作为体系是否能够发 生自蔓延燃烧的判据。 • Tad<1200oC:不能发生自蔓延燃烧 • 1200oC<Tad<2200oC:必须借助预加热反应物等手段才能 发生自蔓延燃烧 • Tad>2200oC:能发生自蔓延燃烧
A ar
熔融反应物(金属)的粒度决定的体系反 应模式
• 当金属粒度较小时,反应的模式是扩散模 式,反应物之间的扩散决定反应动力学。
Tc T0 r rr V ln[ ] Tm T0
2 0 2
其中r0是金属的粒径,rr是难熔物的粒径, λ是热扩散率,σ是液体表面张力,μ是 液体的粘度,V是燃烧前沿的速率,TC是燃 烧温度,Tm是金属的熔点,T0是预热或者初 始温度。
• 当金属粒度较大时,反应的模式是毛细管 模式,熔融反应物在固态反应物颗粒之间 的毛细管扩张决定反应动力学。
rr r0 D
• 其中r0是金属的粒径,rr是难熔物的粒径, σ是液体表面张力,μ是液体的粘度,D是 反应物在产物中的扩散系数。
熔融体系示例:Ti-C
• 随着Ti的粒度增大,反应呈现出三个不同的区域。 同时C的粒度也对反应有显著影响。
自蔓延合成技术
• • • • • 自蔓延概述 自蔓延原理 自蔓延合成的控制因素 自蔓延的其它补充方法 自蔓延合成示例
发展历史
• 自蔓延高温合成(Self-propagating High temperature Synthesis, SHS)是材料与工程领域 的研究热点之一,也称为燃烧合成。 • 这一方法由前苏联科学家Merzhanov和 Borovinskaya于1967年首次提出。 • 燃烧合成基于高度放热的化学反应,这样的反应 通常具有高活化能并且产生大量的热。由一个快 速的外部能量输入点燃,形成化学反应前沿(燃 烧波),然后反应由本身释放的热量维持进行。 • 燃烧合成的反应物很快被加热到很高的温度(103~6 Ks-1), 因此,此反应是准绝热的,即所有放热反应 产生的热量都用于加热样品本身。
自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法概述自蔓延高温合成法(Self-Propagating High-Temperature Synthesis,简称SHS)是一种以高温反应为基础的合成方法,具有快速、低能耗和高效的特点。
它在材料科学和化学领域有着广泛的应用,可以用于合成金属陶瓷材料、复合材料和无机化学品等。
原理SHS基于自蔓延原理,即通过局部点燃反应混合物中的可燃物质,使整个反应物质迅速发生反应并扩散,形成产物。
该反应过程通常在高温下进行,使用以金属和非金属化合物为主的反应物,产物常为金属、陶瓷和复合材料。
反应机制SHS反应通常由两个步骤组成:点燃阶段和自蔓延扩散阶段。
在点燃阶段,反应体系中局部加热可燃物质,使其自发点燃。
燃烧反应产生的高温和自由基会引发整个反应物质的快速反应。
在自蔓延扩散阶段,反应前驱体与产物之间的扩散作用会加速反应的进行,并不断释放出热量,维持反应的高温。
应用领域1. 金属陶瓷材料SHS在金属陶瓷领域有广泛的应用。
例如,利用SHS可以制备高硬度、耐磨损的刀具材料。
通过选择不同的金属和陶瓷反应物,可以调控材料的硬度、导热性和耐腐蚀性。
2. 复合材料SHS还可用于制备复合材料,在提供机械强度的同时具有轻质和高温性能。
通过选择不同的反应物,可以调控材料的化学成分和微结构,使其具有特定的性能和应用领域。
3. 无机化学品SHS在无机化学品合成中也有重要的应用。
例如,在高温下可以通过SHS方法合成多晶硅粉末,用于制备太阳能电池。
此外,SHS还可用于制备氧化物陶瓷材料、金属硬质合金和火焰喷涂材料等。
实验操作SHS方法的实验操作相对简单,但仍需注意安全事项。
以下是一般的实验操作步骤:1.准备反应物:按照所需的配比准备反应物。
2.混合反应物:将反应物充分混合均匀,以确保反应的全面性。
3.预热反应器:将反应器预热至适当的温度,以提供起始点燃的热源。
4.加入混合物:将混合物加入预热的反应器中,快速封闭反应器。
5.点燃反应物:利用点燃源引发混合物中可燃物质的燃烧。
无机合成与制备技术小论文

无机合成与制备技术小论文——自蔓延高温合成技术自蔓延高温合成技术摘要:本文讲述了了自蔓延燃烧合成技术的发展历史和特点,介绍了各种技术方法。
关键字:发展历史;特点;技术方法一、前言自蔓延高温合成(Self-PropagatingHighTemperatureSynthesis---SHS),也称燃烧合成(CombustionSynthesis---CS)是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行,最终合成所需材料或制品的新技术。
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。
二、发展历史将燃烧合成和冶金、机械等技术结合起来,并发展成为具有普遍意义的材料制备新技术应当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Borovinskaya、Skiro和Merzhanov等人在研究Ti、B混合物的燃烧问题时,发现了燃烧反应的自蔓延现象并将这种初始反应物都是固体的燃烧过程称为“固体火焰”。
这一现象的发现为合成一些用传统方法很难得到的难熔化合物找到了一种新方法。
1972年原苏联科学院化学物理研究所开始生产难熔化合物粉末(TiC,Ti(CN),MoSi2,AlN,六方BN),1975年开始把SHS技术和烧结、热压、热挤压、爆炸、堆焊和离心铸造等技术结合起来以制备陶瓷,金属陶瓷和复合管材等致密材料。
原苏联用SHS合成的化合物达300多种。
三、SHS的特点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。
(1)SHS是一种快速的合成过程燃烧波的传播过程即材料的合成过程,这无疑提高了材料合成的效率。
然而也正是这种高速合成的特点,使合成过程在燃烧波一开始引发后实际上就处于一种不可控状态。
这种不可控的材料合成方法难以为大多数材料工作者所接受。
自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法(Self-Propagating High-Temperature Synthesis,简称SHS)是一种在高温下自发进行的化学合成方法。
SHS技术已被广泛应用于材料科学、能源存储、催化剂制备等领域,其独特的特点使其成为一种高效、环保且经济的合成方法。
SHS技术的原理是在适当的反应条件下,通过引入足够的活化能使化学反应自发发生和持续传播。
这种自蔓延的反应过程是基于氧化还原反应、放热反应和传热传质等多种复杂的物理和化学过程相互耦合而成的。
由于SHS反应在高温下进行,因此可以获得高纯度、致密度高、晶粒细小的产物。
SHS技术的优点主要有以下几个方面:1. 高效性:SHS反应通常在数秒至数分钟内完成,反应速度快,能耗低。
与传统的合成方法相比,SHS技术可以显著缩短合成时间。
2. 环保性:SHS技术不需要使用外部能源,反应过程中产生的高温和自身放热能够驱动反应的进行,使其成为一种绿色合成方法。
此外,由于反应过程中不需要溶剂,减少了有机溶剂的使用和废弃物的产生。
3. 可控性:通过控制反应条件、配比和反应时间等参数,可以实现对产物形态、尺寸和组成的精确控制。
这使得SHS技术在材料制备中具有很大的灵活性。
4. 应用广泛:由于SHS技术能够合成各种复杂的无机、有机和金属材料,因此在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
例如,SHS技术可以用于制备金属陶瓷复合材料、纳米材料、催化剂和能源存储材料等。
SHS技术也存在一些挑战和限制。
首先,SHS反应的过程比较复杂,需要对反应机理和热力学行为进行深入研究。
其次,由于反应过程中产生的高温和强热释放,需要对反应系统进行良好的隔热和安全措施。
此外,SHS技术在合成大尺寸和复杂形状的材料时也面临一定的困难。
为了克服这些限制,研究者们正在不断改进和优化SHS技术。
例如,引入外部能量源、微波辐射和压力等调控因素,可以进一步提高反应速率和产物质量。
此外,结合计算模拟和实验研究,可以深入理解SHS反应的机理和动力学行为。
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燃烧 体 系 进 行 热 力 学 分 析 是 S HS研 究 过 程 的基 础 ,绝 热燃 烧 温 度 是 描 述 S S反 应 特 征 的 最 重 要 的 热 力 学 参 量 , 不 仅 可 以 H 它
作为判断反应能 否自我 维持的定性判 据, 还可 以对燃 烧反应产物
的 状 态 进 行 预 测 .并 且 可 为 反 应 体 系 的 成 分 设 计 提 供 依 据 . Me ̄ao 等 人 提 出 以下 经 验 判 据 . r nv 当 ≥ l8 oK 时 , HS反 应 才 能 自我 持 续 完 成 : o S 为 反应 绝 热 温 度 ; 为初 始 温 度 ; 为 反应 激 活 能 . 死 E
[ 中图 分 类 号 ]T 3 . [ 献 标识 码 ]A [ 章 编 号 ]10 — 9 12 0 )3 0 1— 2 Q0 1 2 文 文 0 2 6 9 (06 0 — 0 6 0
0 引 言
日臻完善,目前 对 自蔓延高温合成技术理论的研究主要体现在以
下几方面 :H S S过 程 热 力 学 、 热 燃 烧 温 度 、 衡 成 分 的 确 定 、 绝 平 点 火 理 论 及 动 力 学 等 .
燃 烧 融 成一 体, 其适 当制造 金 属 间化合 物 和 难熔 化 合物 . 尤 在
量 能 源 , 大 限 度 利 用 反 应 中 的 化 学 能 . 产 工 艺 简 单 , 需 最 生 不
绝热燃烧 温度是 指绝 热条件下 燃烧所能 达到的最 高温度, 此 时 反 应 放 出的 热 量 全 部 用 来 加 热 生 成 产 物 . 据 其 与 生 成 物 的 根 熔 点之 间 的关 系, 反应 乏 对 m咒 : , 焙 变 可 以表 示 为: 乏 其
0 0
=
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f m T
J d+t+ Cd+H+ ClAi J pT . T t r 'A
f" r i b f a Td —
配 置 复杂 的 工 艺 设备 . 应 迅 速, 产 过 程 时 间短 . 烧 合 成 反 生 燃
反 应 温 度 高 , 将 大 多 数 易 挥 发 杂 质 ( 熔 点 物 ) 除 而 得 到 可 低 排 具 有 较 高 纯 度 的 产 品 .合 成 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 . 是 由 于 燃 烧 过 程 中 材 料 经 历 这 了 很 大 的 温 度 梯 度 和 非 常 高 的 冷 却 速 度 .H 将 材 料 合 成 和 SS
称 为 燃烧 合 成( o b s o y tei 缩 写 c ) . 从 其 历 史 C m ut n Snh s i s, st 但 渊 源 来 看 。它 是 16 9 7年 苏 联 科 学 院 物 理 化 学 研 究 所 的
Me ̄ao , ooisaa和 S f o等 人 在 研 究 火 箭 固 体 燃 料 过 r n v B rvnky hk i
V0.4 No3 1 . . 2
20 0 6年 6月
J n2 0 u .0 6
S HS技术在 无机合成 中的应 用
杨红芸,王 翔
( 里学 院化学 系, 凯 贵州 凯里 5 6 0 ) 500
【 要】综述 了 自蔓延 高温合成(Hs技 术在 无机合 成领 域 中的应用 , 出该技 术今后的发展方 向. 摘 s ) 提 【 关键词J自蔓延高温合 成; 无机合成 ; 应用
1 1 HS过 程 热 力 学 . S
自 蔓 延 高 温 合 成 (e - rpgt g ih—e p rtr sl po aa n H g tm ea e Ⅱ i u
S nhss, 写 S S y tei 缩 H )是 一 种 利 用 反 应 物 之 间 高 化 学 反 应 热
的 自 加 热 和 自传 导 过 程 来 合 成 材 料 的 一 种 新 技 术 【I1即 利 I2. 用 外 部 热 源 将 原 料 粉 或 预 先 压 制 成 一 定 密 度 的 坯 件 进 行 局 部 或 整 体 加 热 , 温 度 达 到 点 燃 温 度 时 , 掉 外 部 热 源 , 用 当 撤 利 原 料颗 粒 发 生 的 固体 与 固 体 反 应或 者 固 体 与 气 体 反 应 放 出 的 大 量 反 应 热 ( 铝 热 反 应 )使 反 应 得 以 继 续 进 行 , 后 所 有 如 , 最 原 料 反 应 完 毕 生 成 所 需 材 料 . 其 技 术 特 点 和 技 术 初 始 过 程 从 来看 , 要 来 源 于化 学 燃 烧 过程 , 以按 美 国学 者 的 称 谓 , 主 所 又
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式中: , , 一 ,c, c , c , 一分别 为反应物 的低温 固态 、高温
固 态 、 液 态 和 气 态 的 摩 尔 热 容 ; 为 相 变 温 度 ; 为 相 变 热 ; 删 为 熔 点 ; 熔 化 热 ; 为 沸 点 ; Hs 汽 化 热 . 删 为 A 为
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式 中
1 2 绝 热 燃 烧 温度 .
程 中发 现 的 “ 固体 火 焰 ” 基础 上 提 出的 一 种 材 料合 成 新 方 的 法.H S S有 传 统方 法 不能 比 拟的 优点 . 燃烧 合成 反 应 是 自热 过 程 。 料 粉 末一 经 引燃 , 不需 要 对 其 提 供 任 何 能 量 . 约 大 原 就 节
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第2 4卷
第 3期
黔 东 南 民 族 师 范 高 等 专 科 学 校 学 报
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