第八章
自蔓延合成
8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
（1）SHS制粉技术
常规SHS技术 利用瞬间的高温脉冲来局部点燃反应混合物压坯体，随 后燃烧波以蔓延的形式传播而合成目的产物的技术。 这一技术适用于具有较高放热量的材料体系，例如： TiC-TiB2、TiC-SiC、TiB2-Al2O3、Si3N4-SiC等体系。
第八章
自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.3 SHS过程中的影响因素 胚体致密度影响
空隙大，易于点燃周围粒子； 密度接近理论最大密度，空隙 反应迅速不易控制，易于引起爆炸 小，燃烧受限于传播区薄层中
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自蔓延合成
8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
（3）SHS致密化技术
机械锻造致密化 利用SHS反应刚刚完成，合成材料还处于红热或软化状 态时通过机械作用对其实施快速加压而实现材料的致密化， 例如以钛、硼、镍粉为原料，在25MPa压力下合成TiB2-TiNi 复合材料
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第八章
自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.3 SHS过程中的影响因素 颗粒粒径的影响
由小颗粒金属构成的系统中， SHS以扩散控制模式为主；而 由大颗粒金属构成的体系中， 受毛细作用下液相的铺张速率 控制； 不熔颗粒粒径尺寸越大，反应 表面积越高，SHS越倾向于受 扩散控制； 扩散控制区域，SHS反应速度 与金属颗粒的尺寸无关
Ti/Al
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CuO/Cu/Zr
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自蔓延合成
8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
（2）SHS焊接技术
SHS焊接是指利用SHS反应的放热及其产物来焊接受焊材 料的技术。 利用活性元素在陶瓷的界面处与陶瓷发生界面反应来改 善陶瓷的表面状态，以提高焊料反应产物与陶瓷的润湿性。
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8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
1.常规SHS技术
SHS制粉 SHS焊接技术 SHS致密化技术 SHS粉体烧结技术
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2.热爆SHS技术
1.爆炸冲击致密化 2.机械锻造致密化 3.准等静压致密化 4.热压致密化
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自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.1 SHS过程中燃烧波的传播
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、转化率和热释放率分布图。
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（4）SHS粉体烧结技术 （1）高孔隙度陶瓷。
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自蔓延合成
8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
（4）SHS粉体烧结技术
将粉末或压坯在真空或一定气氛中直接点燃，不加外载 ，凭自身反应放热进行烧结和致密化，直接完成所需形状和尺 寸的材料或物件的合成与烧结。
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%。
Ni/Al
合金材料
SHS
蜂窝状陶瓷材料
金属陶瓷复合材料
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梯度材料
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第八章
自蔓延高温合成
8.1 自蔓延高温合成法概述 8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.3 自蔓延高温合成的工艺类型
8.4 自蔓延高温合成的应用举例
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自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.1 SHS过程中燃烧波的传播
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自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.1 SHS过程中燃烧波的传播
在燃烧区内，热释放速率和转化率开始由0逐渐上升， 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。
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自蔓延合成
8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
（3）SHS致密化技术
爆炸冲击致密化 利用炸药爆炸驱动飞板，对点燃后发生合成的样品施加 冲击载荷，例如用该法可以合成相对密度分别为98%和99% 的TiC和TiB2
Merzhanov 5
Borovinskaya
美国国防部高级 研究计划局
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自蔓延合成
8.1 自蔓延高温合成概述 8.1.3 自蔓延高温合成技术的优势
（1）在SHS过程中，材料经历了很大的温度变化， 生成物中缺陷和非平衡相比较集中，因此可制备高 活性产物，易于烧结。
特点：设备简单、能耗低、工艺过程快、反应 温度高。
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自蔓延合成
8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
（1）SHS制粉技术
热爆SHS技术 将反应混合物压坯，再整体同时快速加热，使合成反应 在整个坯体内同时发生的技术。 这一技术适用于具有较低放热量的材料体系，例如： 各种金属间化合物、含有较多金属相的金属陶瓷复合 材料以及具有低放热量的陶瓷复合材料等体系。
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8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.2 SHS过程中的控制步骤
1. 由于固一固反应时，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 角色， 2. 液相不仅可通过反应物（低熔点金属）的熔化产生，而且 还可通过共晶接触熔化产生。 3. 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。
军用材料工程本科专业选修课
材料制备化学
Chemistry in materials preparation
主讲教员： 王 珲 讲师 单 位： 材料科学与工程系 联系方式： wanghui07a@gfkd.mtn
National University of Defense Technology 2015
SHS
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第八章
自蔓延合成
8.1 自蔓延高温合成概述 8.1.2 自蔓延高温合成技术的发展历程
1885 年，Goldschmidt 发现除碱金属、碱土金属外，几 乎所有其它金属氧化物, 都可以与铝混合加热被还原生成 金属或合金（铝热反应）。 1967年，前苏联科学院物理化学研究所Borovinskaya、 Skhiro和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, 他们观察到所谓固体火焰的剧 烈反应，提出了用SHS缩写词来表示自蔓延高温合成。
SHS 烧结陶瓷不需要添加烧结助剂，使其在较宽的高温
范围内保持良好特性。 SHS 烧 结 陶 瓷 存 在 孔 隙 度 （ 体 积 ） 较 高 （ 一 般 在 5%~15%）的缺点。
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8.3 自蔓延高温合成的工艺种类
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不熔颗粒尺寸
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自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.3 SHS过程中的影响因素
颗粒粒径的影响
Ti颗粒尺寸越小，SHS反应速度越高，同时降低样品开裂趋势
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第八章
自蔓延高温合成
8.1 自蔓延高温合成法概述 8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.3 自蔓延高温合成的工艺类型
8.4 自蔓延高温合成的应用举例
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自蔓延合成
8.1 自蔓延高温合成概述 自蔓延高温合成（SHS）：利用反应物之间高化学 反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术 ，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。 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，
第八章
自蔓延合成
8.2 自蔓延高温合成的基本原理 8.2.3 SHS过程中的影响因素 胚体致密度影响
低堆积密度下，燃烧反 向任意，反应速度快， 产物结构疏松；
高堆积密度下，燃烧受 限于爆炸前端，反应速 度慢，产物结构致密。
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