自蔓延高温合成技术的发展与应用

成果。
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Ｄ，Ｊ Ｔ ｖＢＪＵＴ Ｈ＋Ｔ＇ ＋Ｈ＋：ｐ Ｃ Ｐ ｄ ｄ
式 伟， ，Ｃ ， 分别为反应物的 ｏ 中： 已 ，ｒ心 、 低温ｔ
态、 高温固态、 液态和气态的摩尔热容；ｔ相变 Ｔ： ｒ 温度 Ａ ， Ｈ 为相变热；ｍ ； Ｔ 为熔点； ｍ Ｈ Ａ 为熔化热； Ｔ 为沸点； 为汽化热。 Ｂ Ｈ ＡＢ
方式。
（） 燃： １ 化学自 这类着火通常不需外界给以加 热， 而是在常温下依靠自 身的化学反应发生的。 （） 燃： 如果将燃烧和氧化剂混合物均匀 ２热自 地加热， 当混合物加热到某一温度时便着火， 这时 是在混合物的整个容积中着火， 称为热自 燃。 （） ３点燃： 用火花、 电弧、 热平板、 钨丝等高温 热源使混合物局部受到强烈的加热而先着火燃 烧， 随后， 这部分已燃的火焰传播到整个反应的空 间， 这种着火方式称为点火。自 蔓延高温合成过
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系进行详尽的热力学分析， 从热力学平衡的角度 出发确定产物相， 这就需要精确算法。
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２ 热 火 ． 点 理论 ４
自 蔓延高温合成的燃烧过程是强烈的自 维持 放热反应的过程。从无机化学反应向稳定的自 维 持强烈放热反应状态的过渡过程为着火过程， 相 反， 从强烈的放热反应向无反应状况的过渡称做 熄火。 着火的方式很多， 一般可分为下列 ３ 类着火
或涂层， 并于１ ９ ９ 年开始工业化生产 Ｍｓ 粉末 ７ ｏ： ｉ
和加热元件； ８ 年，ｅ ａ ｖ １ ４ Ｍ ｒ ｎ 等提出结构宏观动 ９ ｈｏ 力学的概念， 研究燃烧合成过程中的化学转变、 热
交换、 物质交换和结构转变及它们的关系； ８ １７ ９
年， 前苏联成立 ＳＳ Ｈ 研究中心， 此前苏联几十个 城市都有 ＳＳ Ｈ 研究机构。据 １ １ ９ 年的统计， ９ 前苏 联有 １ 多个单位， ０ ５ ０ ８ 多人发表了 ＳＳ ０ Ｈ 方面的
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为代表的俄罗斯学者为 ＳＳ Ｈ 学科的建立和实际 应用做出了杰出贡献。 ８ 年代初， 前苏联的ＳＳ ０ Ｈ 成就引起外界的注
绿遴与Ｖ评 ｉ
高温合成技术理论的研究主要体现在以下几方 面： Ｓ Ｓ 过程热力学、 Ｈ 绝热燃烧温度、 平衡成分的
分析。 其平衡态 Ｓ Ｓ Ｈ 模型为：
程的 火 式 着 方 绝大多 情况 均为 方 数 下 点火 式。
该理论以 Ｈ 体系的热稳定性或热失稳为 ＳＳ ． 研究对象， 研究化学反应的动力学过程、 热传递过 程、 着火点火之间的联系。 ２５ 燃烧波蔓延 ． 作为一类特殊的化学反应， Ｓ Ｓ 反应区前沿， Ｈ 即燃烧波会随着反应的进行而不断推移。因此需 要建立能反映这一特征的动力学参数。燃烧波速 率则是这一动力学参数， 它描述了燃烧波前的移 动速率。 在一定的假设条件下， 如忽视对流、 辐射散热 等， 以及对燃烧波结构作一定的约束之后， 可以求 出燃烧波速率的解析式。不同的约束条件会得到 略有差别的解。 大多数的ＳＳ Ｈ 过程， 燃烧前沿都存在一个光 滑的表面（ 平面或很小的曲面）这一表面以恒定 ， 的速率一层一层传播， 称之为稳态燃烧。有时在 ＳＳ Ｈ 过程中， 燃烧波前沿的传播在时间和空间上 都是不稳定的， 称之为非稳态燃烧。非稳态燃烧 分为振动式和螺旋式 ２ 种模式。 影响燃烧波速率的因素很多， 有化学成分、 稀
自蔓延高温合成技术的发展与应用
贾光栩１ 郭志猛， 王耀明２ 张瑞珠， ， ２
（北京科技大学材料学院， ’ 北京 １ ０３ ｚ ０ ８； ０ 山东工业陶瓷研究设计院， 淄博 ２５３） ５０１ 摘 要 自炙延高ｉ合成技术是２ 世纪后期诞生的一门新兴的前沿科学， ｌ ０ 在粉体合成及陶瓷涂 层内 衬的制备等方面充分显示其优越性。本丈对 自览延高温合成技术的概念、 国内外基本情况进行 了 阐迷， 同时简要介绍了自艾延高温合成的燃烧理论， 对利用自 艾延合成技术进行粉体合成及陶瓷内衬钢 管的应用研究等作了 较为详尽的说明。
现“ 固体火焰” 后又发现许多金属和非金属反应形
的物质可处于固态、 液态或气态， 但最终产物一般
是固态。
成难熔化合物时都有强烈的放热反应； ７ 年， １２ ９ 该所建立了年产 １一１ 难熔化合物粉末（ ０ ２ ｔ 碳化
铁、 二硼化钦、 氮化硼、 硅化钥等） ＳＳ 的 Ｈ 中试装
燃烧合成的基本要素： （） １利用化学反应自 身放热， 完全或部分不需
外部热源；
置； ７ 年， １ ３ 前苏联开始将 ＳＳ ９ Ｈ 产物投人实际应
用， 并召开了全国ＳＳ Ｈ 会议； ７ 年， １ ５ 前苏联开始 ９ 研究 ＳＳ Ｈ 致密化技术， ＳＳ 将 Ｈ 和传统冶金及材料 加工技术结合， 在燃烧合成的同时进行热固结或 加工成型， 一步合成所需要的形状或尺寸的产品
（） ２通过快速自 动波燃烧的自维持反应得到
色研究总院介绍了 ＳＳ 八五” Ｈ ．“ 期间， 国家 ８３ ６ 计划新材料领域设立 ＳＳ Ｈ 技术项 目， ＳＳ 支持 Ｈ 研 究开发。１ ４ 在武汉召开了第 １ ９ 年， ９ 届全国燃烧 合成学术会议。我国的 ＳＳ Ｈ 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 ＳＳ Ｈ 领域加强了与 国外的 合作与交流， 发表的ＳＳ Ｈ 方面的文章数目 仅次于俄、 与日 美， 本相近。我国台湾学者在 ＳＳ Ｈ 粉末和不规则燃烧方面也取得了引人注目的科研
确定、 点火理论及动力学等「 ０ １ ０ １
意。Ｃｄ ， ｈ ｓ 等人对前苏联 ＳＳ ｒｅ Ｆ ｎ ｕ ： ｉｒ ｒ ｏ ｅ ａ Ｈ 的介绍
２１ Ｓ ． Ｈ 过程热力学 Ｓ 燃烧体系进行热力学分析是 ＳＳ Ｈ 研究过程 促进了 外界对 ＳＳ 解。美国Ｍｃ ｌ， Ｈ 的了 ｃｕｙ Ｈｌ ａｅ ｏ ｔ 等人的 Ｓ Ｓ Ｈ 研究也得到了美国政府 Ｄ Ｒ Ａ计划 ＡＰ 的 基础。绝热燃烧温度是描述 ＳＳ Ｈ 反应特征的 的 持。 ｕ： ｏ２ 分 支 Ｍｎ 和Ｈｌ． 别对ＳＳ 反 烧结 最重要的热力学参量。它不仅可以作为判断反应 ｉ ｔ３ （】 Ｈ和 应 作了许多的研究工作。１８ 年在美国召开了“ ９８ 高 能否自 我维持的定性判据， 还可以对燃烧反应产 温材料的燃烧合成和等离子合成” 国际会议，ｅ Ｍｒ 物的状态进行预测， － 并且可为反应体系的成分设 ｈｎ 应邀作了关于 Ｓ Ｓ ａｖ ｏ Ｈ 的长篇报告， 促进了 ＳＳ 计提供依据。Ｍｒ ａ ｖ Ｈ ｅｈ ｏ等人提出以下经验判据。 ｚｎ 的国际交流。８ 年代初， ０ 日本的小田原修、 小泉 当与，８ 时， 反 才 我 续 成。 Ｋ ＳＳ 应 能自 持 完 １０ Ｈ ０ 光惠和宫本钦生等开始 ＳＳ Ｈ 研究。１ ７ 日本 ９ 年 ８ ，， 、 ２ 瑞 了 瑞 ， Ｒ ， 、 Ｊ ａ ）二一 ｝一Ｉ ￣ ． ｋ ｆ ｄ 一一Ｔ ＋Ｉ Ｔ Ｉ 。 、Ｊａ 一 １０ ｆ ｄ 成立燃烧合成研究协会。１ （ 在日 ９） ９ 年， 本召开了 式中：ａ Ｔ 为反应绝热温度；ｏ ｄ Ｔ为初始温度； Ｅ为 第 １ 美燃烧合成讨论会， ｅ ａ ｖ 次日 Ｍｒ ｎ 应邀作了 ｈｏ 反应激活能。 报告。目 日 前， 本研究的陶瓷内衬钢管和 Ｔ ｉ ｉ形 Ｎ ２２ 绝热燃烧温度 ． 状记忆合金已投人实际应用。 绝热燃烧温度是指绝热条件下燃烧所能达到 我国在 ７ 年代初期利用 Ｍ 一 ｉ ０ ｏ Ｓ的放热反应 此时反应放出的热量全部用来加热 制 备了Ｍｓ 粉末［。 ９ 年， ｏ： ’ １３ 利用超高反应烧 的最高温度， ｉ ］ ８ 生成产物。根据其与生成物的熔点之间的关系， 结制备 ＣＮ Ｂ 硬质合金复合片。８年代中后期， ０ 西
释剂含量、 压坯相对密度、 反应物尺寸、 预热温度 等。 ２６ Ｈ 的动力学 ． Ｓ Ｓ 燃烧合成动力学， 主要研究燃烧波附近高温 化学转变的速率等规律， 燃烧波速率是目 前人们 普遍采用的一个 ＳＳ Ｈ 动力学参量， 它直接反映了 燃烧前沿的移动速度； 另外有关的概念还有质量 燃烧速率和能量释放率等。 燃烧机制是指物质燃烧过程中所发生的化学 反应， 物理化学变化和物质传输过程规律以及这 些变化之间的关系。燃烧机制可以归纳为以下 ４ 种类型： ．固相扩散机制 ；２气体传输机制； （） １ （） （） ３溶解析出机制 ； ） （ 气体渗透机制 。 ４ 目 前所采用的研究方法包括：Ｈ 过程的快 ＳＳ 淬保持及随后对试样的逐层分析； 燃烧波前沿内 物质相组成变化的动力学研究。研究的主要手段 有： Ｘ射线分析， 包括同步辐射， 动态 Ｘ射线衍射
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
化的关键。
１ 国内外研究现状
１ ７ 前苏联科学院化学物理研究所宏观 ９ 年， ６
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 ＳＳ Ｈ 过程。在 ＳＳ Ｈ 过程中， 参与反应
动 力学研究室的Ｂ ｖｓｙ Ｓｏ和 Ｍｒｎ ｏ ｉｋａ ｋｒ ｅａｖ ｏ ｒ ｎａ ， ｉ ｈｏ 等 ’ 研究 硼的 人［在 钦和 混合粉坯块的 〕 燃烧时， 发
北有色金属研究院、 北京科技大学、 南京电光源研 究所、 武汉工业大学、 北京钢铁研究总院等单位相
对反 ｍ ；孰鱿 其 可以 示为： 应Ｚ；二 ， 烩变 表 Ｒ
继展开了ＳＳ Ｈ 研究１９ Ｍｎ 教授和 Ｂ ｏｎ ＇ ） ｕ： －． ｉ ｏｖ－ ｒｉ
ｓｙ教授曾分别应邀在北京科技大学和北京有 ｋａ ａ
论文。工业生产的ＳＳ 有Ｔ 磨料、ｏ２ Ｈ 产品 ｉ ｃ ＭＳ 加 ｉ
热元件、 耐火材料、 形状记忆合金、 硬质合金等， １６ ９ 年开始规模生产铁氧体。以 Ｍ ｚａ ｖ ９ ｅｈ ｏ 院士 ｎ
燃烧合成规律， 获得均匀组织也是保障ＳＳ Ｈ 产业
作者简 贾光嫩（ ６一 ， 博士研究生， 介： １６ ） ９ 男， 高级工程师． 主要从事结构陶瓷、 复合材料的 研究 ．