自蔓延高温合成技术及应用
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
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”。
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
自蔓延高温合成技术(燃烧合成)
自蔓延结构的控制方法
控制方法 SHS促进方法 通过化学或物理方式进行 促进方法:通过化学或物理方式进行 促进方法 机械控制手段:主要用来控制合成材料的致密度或孔隙率 机械控制手段 主要用来控制合成材料的致密度或孔隙率 电磁场对SHS材料的结构影响 电磁场对 材料的结构影响 电场可使固熔体均化,供应一部分热能 促进燃烧,增加 供应一部分热能,促进燃烧 电场可使固熔体均化 供应一部分热能 促进燃烧 增加 燃烧波的速度 SrCO3-Fe-Fe2O3-O2体系中 磁场使铁颗粒团聚并排列 体系中,磁场使铁颗粒团聚并排列 成链状,提高导热性 提高导热性,从而提高燃烧速度 成链状 提高导热性 从而提高燃烧速度 SHS抑制方法 通过添加剂稀释进行 抑制方法:通过添加剂稀释进行 抑制方法 稀释剂不参与SHS过程 可以是反应合成的最终产物 也可 过程,可以是反应合成的最终产物 稀释剂不参与 过程 可以是反应合成的最终产物,也可 以是惰性添加相或者过量的反应物,对过程起缓和作用 以是惰性添加相或者过量的反应物 对过程起缓和作用 金属/陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中 陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中,稀释剂可降 金属 陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中 稀释剂可降 低合成过程温度,抵制陶瓷晶坯聚集长大 低合成过程温度 抵制陶瓷晶坯聚集长大 气反应体系中稀释剂可提高转化率,金属 固-气反应体系中稀释剂可提高转化率 金属 氮气体系 气反应体系中稀释剂可提高转化率 金属/氮气体系 中,过量氮气为稀释剂 过量氮气为稀释剂
自蔓延高温合成技术(燃烧合成) 自蔓延高温合成技术(燃烧合成)
自蔓延高温合成技术
自蔓延高温合成技术（ 自蔓延高温合成技术（self–propagation high–temperature synthesis，简称 自蔓延高温合成是指利用外部提供必 ，简称SHS ）:自蔓延高温合成是指利用外部提供必 自蔓延高温合成是指 要的能量诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应（点燃）， 要的能量诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应（点燃）， 形成化学反应燃烧波， 形成化学反应燃烧波，此后化学反应在自身放出热量的支持下继 续进行， 续进行，直至反应结束
自蔓延高温合成
四：自蔓延高温合成的应用 1、SHS制粉技术
让反应物料在一定的气氛中燃烧, 然后粉碎、研磨燃烧产 物, 便能得到不同规格的具有非常好的研磨性能的高质量 粉末。如制备TiC粉末。通过SHS制备的粉末，可用于陶 瓷及金属陶瓷制品的烧结、保护涂层、研磨膏以及刀具材 料等
物 ,进而进行铸造处理而获得难熔化合物的铸件。此项技术 可用于陶瓷内衬钢管的离心铸造、钻头或刀具的耐磨涂层 等。 4、SHS焊接技术
以SHS产物为焊接材料 ,通过SHS反应放出的热量 ,在焊
件对缝中形成高温液相 ,从而实现焊件的强力结合。它的优 点是能焊接其他方法不易焊接的难熔材料 ,可进行陶瓷—陶 瓷、陶瓷—金属、金属—金属的焊接。
自蔓延高温合成
樊青波
一：自蔓延高温合成的原理 自蔓延高温合成（self–propagation high–temperature synthesis，简称SHS），又称为燃烧合成（combustion synthesis）该法是基于放热化学的基本原理，首先利用外 部热量诱导局部化学反应，形成化学反应前言（燃烧波） ，接着化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，进而
燃烧波蔓延至整个反应体系，最后合成所需材料。是制备
无机化合物高温材料的一种新方法。
其反应示意图：
二：自蔓延高温合成的基本要素
1、利用化学反应放热。 2、通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所 需成份和结构的产物。 3、通过改变热的释放和传输速度来控制过程 的速度、温度、转化率和产物的成份及结构。
三：自蔓延高温合成技术的优点
5、SHS涂层技术
利用SHS熔铸技术可获得涂层 ,但涂层较 厚。而利用气相传输SHS可以在金属、陶瓷 或石墨等材料表面形成一层 2～150μｍ厚的 耐磨耐蚀涂层。对于不同的递碳 ,
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。
8自蔓延合成讲解
二、 自蔓延合成方法原理
2.1 自蔓延合成方法的概念
自蔓延高温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做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新方法。
自蔓延高温合成反应过程如图8.1所示。
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图8.1 SHS反应模式示意图
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对于弱放热反应体系来说，为了能维持反应并获 得满意产品，可以采用给反应物预热的方法来实 现，但这种方法会造成设备和工艺的复杂化。另 外一种方法是通过在反应物中添加一些高放热的 化学激活剂来提高燃烧温度，改善燃烧条件。这 些化学激活剂有KNO3+Al、BaO2、NH4NO3等。
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5．合成转化率
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颗粒大小对合成转化率的影响主要表现在颗粒增大到 一定程度后，转化率明显下降。在Ti5Si3的合成中，当 钛粒度大于100μm时，合成产品由Ti5Si3变为Ti5Si3+Ti。 金属间化合物FeAl的合成研究也反映了同样的规律。 当铁粉粒度小于30μm时，合成产品中Fe2Al5减少而以 FeAl为主。
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➢日本于1987年成立了燃烧合成研究协会，并于 1990年召开了第一次美、日燃烧合成讨论会。 ➢自1991年起，每两年召开一次国际SHS会议。 ➢ 1992年国际SHS学报（Inter.J.SHS）在美国创 刊。这些广泛的国际交流和合作促进了SHS的进 一步发展。目前，从事研究的国家己有30多个。
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一、自蔓延高温合成技术发展历史
前苏联科学院宏观动力与结构研究所 Merzhanov 、 Borovinskaya 和 Skhiro 等 人 在 上 世 纪70年代开始了过渡金属与硼、碳、氮气反应的 实验，在研究金属钛和硼的混坯块的燃烧时，发 现燃烧反应能以很快的速率传播，后来又发现许 多金属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈 放热现象。
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-propagatinghigh-temperature synthesis technologyAbstract: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 developing1.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。
第八章 自蔓延高温合成技术.
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8.2.3 SHS燃烧动力学
通过对反应动力学的研究，可以预测在燃烧期间反应物的分 解和聚合，以及最终产物的性能。由于固-固反应时，颗粒之
间的有限接触限制了反应物之间的物质交换，所以燃烧波中
出现的液相，在SHS过程中扮演着决定性的因索，液相不仅可 通过反应物的熔化产生，而且还可通过共晶接触熔化产生。 在SHS燃烧波阵面内，当低熔点组分熔化时，熔化的液相在毛 细作用下，铺张到高熔点组分上，如果铺张的时间大于反应 的时间，SHS反应受毛细作用下铺张速率控制；当铺张时间小 于反应时间，SHS反应受组分在生成层中扩散速度控制。
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8.2.2 SHS相图
稳态
自蔓延 根据SHS燃烧波传播的方式 “热爆”
非稳态
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SHS相图示意图
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8.2.3 SHS燃烧动力学
燃烧波的传播速度： V2=(2K/d2CprS)D0exp(-E/RTad)
式中：K —常数
d —原料粉末的特征直径 S —原料的化学计量比 D0 —扩散系数 Cp—生成物比热
该工艺简单，易于操作，但反应过程中不可避免会有 气体溢出，难以完全致密化。即使有液相存在，空隙 率也会高达7%-13%。
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SHS烧结可采用以下3种方式进行：
（1）在空气中燃烧合成；
（2）将经过预先热处理的混合粉末放在真空反应器
内进行合成； （3）在充有反应气体的高压反应容器内进行合成。
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6
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8.1 自蔓延高温合成的热力学基础
1.自蔓延高温合成与生成热 如果能够生成一种成分的化合物，上式变为：
Tad
式中： Tad<Tm时， Tad>Tm时，
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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SHS涂层技术、SHS 铸造技术及Sபைடு நூலகம்S焊接技术等。根
Figure 1. The phase structure of combustion synthesis 图1. 燃烧合成的SHS相结构图
据工艺与产物之间的关系可将SHS技术进行分类[10]， 如图2所示。
法、时间解析X射线衍射法等，主要对反应各阶段的 物象特征进行观察和分析，以确定SHS反应动力对最 终合成物的结构、形态、性能的影响。结合理论计算， 可以建立合成反应中反应物的熔化、分解以及晶粒析 出、长大的动力学模型，目前学者们正在高温化学反 应过程的模拟等方面进行积极地探索。
Chuanhong Luo*, Tian Hu, Yan Mao, Le He, Guangyu Ju
College of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan Email: chluo@ Received: Oct. 17th, 2011; revised: Nov. 23rd, 2011; accepted: Nov. 25th, 2011.
m
i
0
(1)
0 1 H 298 、 H 298 分 ΔG为标准吉布斯自由能变化值，
2.2. SHS 动力学研究
SHS动力学包括燃烧波自蔓延动力学和相结构形
成动力学。燃烧波自蔓延动力学研究SHS过程、机制 和影响因素；相结构形成动力学研究SHS过程的各个 阶段，初始相、中间相、产物相的析出、转变及结构 形式等机制[8]。 而燃烧波推进速度V是SHS相结构形成 动力学研究最重要的参量，可通过傅里叶热传导方程 求解得到：
SHS 动力学研究将揭示整个 SHS 过程中燃烧模
式、化学成分、相组成的变化规律，对获得理想组织 结构的新材料有着极大的指导意义。 3. SHS 的工艺研究与应用 3.1. SHS 技术特点
Al-Ti-C 、 Al-Ti-B 、 Al-Ti-B4C 等体系工业制备单相 TiC、TiB、TiB2 和复相 TiC + TiB。这些粉末材料再
在新材料的制备、加工方面的技术优势，并介绍了该方法在工业制造各领域与传统技术相结合的应用现状，以 及特殊条件下新型自蔓延高温合成技术的发展趋势，为自蔓延高温合成技术的研究与应用提供参考。 关键词：SHS 技术；材料合成；热力学；动力学；技术分类
1. 引言
自蔓延高温合成(SHS)又称燃烧合成，是基于化 学反应的基本原理，利用外部能量诱发局部化学反 应，形成化学反应前沿，化学反应凭借自身反应放出 热量，使燃烧波蔓延至整个反应体系，最后合成所需 材料[1]。1967年前苏联Merzhanov首先提出该方法，并 在1975年与E. J. Juganson等人用SHS离心法研制出了 氧化铝陶瓷内衬复合钢管 ，且先后申请了美国、英 国、加拿大专利，这意味该方法可以在工程实践中广 泛推广应用。由于该技术的巨大潜力，欧、美、日等 国在20世纪70年代末都竞相开展SHS研究，譬如陶瓷
别为298 K温度下生成物、反应物的标准生成焓，n、
m分别为生成物、反应物的摩尔数。考虑到燃烧合成
反应多为高放热反应，并且在瞬间完成，热量向周围 空间传播的时间较短，因此体系可视为绝热系统。假 设体系放出的热量全部用来升高反应产物的温度，根 据热容、反应生成焓等热力学函数可求得燃烧所达到 的最高温度Tad[6]。 Tad的高低决定了反应能否自发蔓延 下去，实验研究经验表明：Tad ≥ 1800 K时，SHS才能 自我维持。热力学研究主要是控制燃烧温度，有些高 放热体系需要降低燃烧温度，而有些燃烧体系的发热 不足、燃烧温度过低时，通常采用多种复合燃烧体系 来维系自蔓延反应。为了调整燃烧温度，目前SHS热 力学研究主要采用了如下的方法 。
1) 热剂的配比和稀释。对于燃烧温度过高的合
成反应，偏离化学反应平衡方程的各成分配比可以减 少产热；在反应物中掺入合成产物作为稀释剂，稀释 剂吸收了一部分热量，可使燃烧温度下降。 固相反应的推动力与固 2) 原料粒度和压坯密度。 相颗粒间的接触面积有关，颗粒越细小，界面化学反 应和扩散能力增强，燃烧速度快，峰值温度提高。同 样，随着原始压坯密度的提高，料粒之间的接触面积 增大，反应能力增强，峰值温度提高。若压坯密度过 高，热传导性增大，热损失相对提高，反而会降低峰 值温度。 随着预热温度升高，反应 3) 反应前的预热处理。 的热效应也随之增大，使绝热燃烧温度提高。
进过喷涂或烧结工艺制成产品。如 TiC 磨料和砂轮取 代金刚石磨料磨具研磨钢铁， TiC 、 B4C 、 SiC 、 WC 基硬质合金轧辊、拉丝模、刀具已广泛应用于金属加 工；六方 BN 坩埚已用于半导体工业；TiN 用于腐蚀 性介质中的电极；Si3N4 高温陶瓷可用作高级耐火材 料。硫化铝用作高温润滑剂；难熔金属氢化物用作中 子衰减剂；硅化物 MoSi2、MoSi2-Al2O3 加热元件已用 于高温炉。 3.2.2. SHS 涂层技术 目前基于 SHS 的涂层工艺可分为：
*
复合钢管制备方法和工艺性能的研究及产业化[3]；合 成TiB、SiC和SiNi等新材料的工艺研究[4,5]；在非常规 SHS技术、反应烧结超硬材料的工业应用上的研究。 这些研究成果为合成新材料开创了一种新的技术手 段， 引起了广大研究工作者的广泛关注。 1991年、 1993 年和1995年分别在哈萨克斯坦、美国和中国召开了第 一届、第二届和第三届SHS专题国际会议，可见SHS 技术已成为目前材料领域的研究热点之一。 然而自蔓延燃烧现象是在非均质介质上发生的 复杂的非平衡物理化学反应过程，目前对燃烧波蔓延 机制、热量释放与传输机制、各阶段物相成分、结构 的变化、最终产品组织结构的形成等方面还缺乏规律 性或统一的认识。本文将总结SHS技术的理论研究成
3.2. SHS 与传统工艺方法相结合的技术
3.2.1. SHS 制粉技术
SHS 制粉是指压坯在惰性气体或加压反应气体
的气氛下燃烧合成产物为烧结体或坯体，然后用机械 破碎获得粉末或热化法分离粉末。SHS 制粉与传统制 粉相比，粉末具有纯度高、粒度小、粉末活性高等优 点，缺点是有些粉末的规模化生产与实现自蔓延的最 佳模式还有很大的差距。前苏联已经实现了部分粉末 国内利用此方法实现了利用 的 SHS 制粉工业化生产，
SHS是基于化学反应方程的热力学过程，反应迅
速、工艺简单、制造成本低、产品纯度高，完全不同 于常规材料加工方法要靠外部热源来提供合成动力， 传质和传热都在反应体系内部进行，故合成温度、合 成效率都很高。利用SHS技术内部热源的特性，获得 常规方法难以制备的高熔点陶瓷或金属间化合物，并 利用反应热所形成自粘结作用提高材料致密度和结 合强度。由于SHS产物通常是金属单质或者金属化合 物，通过分离或者不分离可获得单相或多相复合材 料；不同性能的材料可以由不同的反应体系的不同原 料来制备；通过反应物料配比梯度控制可获得梯度材 料或异种复合材料；合成过程不需要添加合成助剂， 使合成材料在较宽的高温范围内保持良好特性。可
自蔓延高温合成技术及应用
罗传红*，胡 田，毛 艳，何 乐，句光宇
武汉大学动力与机械学院，武汉 Email: chluo@ 收稿日期：2011 年 10 月 17 日；修回日期：2011 年 11 月 23 日；录用日期：2011 年 11 月 25 日
摘
要：本文在概述自蔓延高温合成理论研究成果的基础上，结合自蔓延高温合成技术的特点，分析了该技术
Material Sciences 材料科学, 2012, 2, 12-17 doi:10.4236/ms.2012.21002 Published Online January 2012 (/journal/ms)
SHS Technology and Application
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[2]
通讯作者。
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自蔓延高温合成技术及应用
果，并对SHS在各工业领域中应用情况进行介绍，以 便为SHS技术的研究提供有益的参考。
4) SHS热爆技术。将坯料以极快的加热速度加热
到引发温度，使合成反应在整块坯料中同时进行，反 应在瞬间完成，没有燃烧波的存在。该技术主要用于 某些生成热效应不大、绝热燃烧温度低的合成体系， 如WC、SiC以及大多数金属间化合物等弱放热体系的 燃烧合成。 将弱放热反应的混合物包裹在强 5) 化学炉技术。 放热反应的混合物内，通过点燃强放热反应并利用其 释放的高热来引发弱放热反应从而达到材料合成的 目的。例如B4C的化学炉合成，通过强放热反应的混 合物(Ti + B)包裹(B + C)混合物， TiB2合成反应放出的 极大热量，瞬间达到3500˚C以合成B4C。
SHS 动力学实验研究方法主要是燃烧波峰淬熄
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自蔓延高温合成技术及应用
见，该方法在新材料合成设计方面具有灵活性、多样 性、可控性等一系列优点。
SHS技术在合成高熔点材料、超硬材料、梯度材
料、功能材料、异种复合材料等方面具有传统加工方 法无法比拟的优势，许多基于SHS的新技术、新工艺 和新材料得以实现，有些合成方法被广泛地工业应 用。且形成了种类繁多SHS技术，迄今为止，SHS过 程与传统工艺结合有30多种形式，这种结合使得SHS 技术朝着两个方向发展，一是以SHS过程为基础借助 于传统技术的辅助，如SHS制粉技术；另一方向是以 传统技术为基础借助SHS的辅助，如SHS烧结技术、
Abstract: The new theoretical research in self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is firstly summed up in this paper, and the features and strengths of SHS are analyzed in detail in the preparing and processing of new materials. The application status and technology trends in the industrial manufacturing are outlined and highlighted while SHS is combined with the traditional manufacturing field as well as the special conditions. These researches can provide a profit reference to applying SHS technology. Keywords: SHS; Material Synthesis; Thermodynamics; Dynamics; Application Range