2020/12/2
10
三、自蔓延及合成材料的特点
自蔓延的主要特点：
合成材料的特点：
1）获得高温：
1）产物纯度高；
燃烧波温度2100～3500℃，最高可达5000℃；
2）反应快速：
2）制备工序少，周期短；
燃烧波的蔓延速度：0.1～25cm/s；
加热速度:103～106℃/s
3）节能；
3）自发进行： 一经点燃无需进一步提供能量；
T↓
η=0
η=0
η↑
η↑到1
η=1
q=0
q =0
q↑到q max q max 到q↓
q↓
未受影响区 预热区 初始燃烧区 结构转化区 冷却区
2020/12/2
9
整体点火方 式
2、热爆模式 这种方法是把粉末压块放在炉内加热，直至整个样品同时
发生燃烧反应。反应不以波的形式传播,而是在整个反应物内 同时发生。这一反应过程温度高，最高燃烧温度可达上万度 以上。 这样的温度，可使生成物熔化，在加压方式下获得致密的产 物。
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； 20世纪70年代末,一些致密SHS制品已工业生产。
国内情况：我国在20世纪70年代已利用Mo-Si的放热反应来制 备MoSi2粉末。西北有色金属研究院、武汉理工大学、冶金部钢 铁研究总院和中南工业大学等单位开展了SHS研究。
式中：Nx---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（N2,C,B2O3,SiO2等） Ny---合成产品 Mx---金属还原剂的化合物 Q----合成反应所放出的热量
2020/12/2
14
应用： ① 制备金属单质 M+AO→MO+A+ Q
热剂法是表面冶金 中有效的方法！
无机材料合成
第十二章 自蔓延高温合成技术
目录
1、什么是自蔓延高温合成法？ 2、自蔓延传播原理 3、自蔓延高温合成法的特点 4、自蔓延合成方法分类及反应原理 5、自蔓延高温合成技术及应用
精品资料
你怎么称呼老师？ 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？ 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ 教师的教鞭 “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……” “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
4）产物活性高，易形成复杂 相、固溶体（缺陷）、亚稳相、
4）温度梯度大； 5）冷凝速度大；
梯度材料； 5）晶粒尺寸小；
2020/12/2
11
四、自蔓延合成方法分类及反应原理
1、直接合成法
直接合成法是两种或两种以上反应物发生反应直接合成产物。
以简单的二元反应体系为例， 其原理为：
xA + yB —— AxBy + Q 其中A、B为金属或非金属单质， AxBy为合成反应的产物，Q为合 成反应放出的热量。
热量大，温度高。 ② 相对于单质元素的化合反应，
燃烧由稳态向不稳定态的转变主要是反应所生成的热量不足所 致，最终能导致燃烧过程熄灭。因此，低放热反应要使燃烧波持 续蔓延是比较困难的。
2020/12/2
8
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,图中燃烧波从右向左蔓延。
T0
T﹥T0 T﹥T着火点 T↑到T max
2020/12/2
12
原料：金属、非金属单质、金属氧化物
应用：制备高熔点的碳化物、硼化物、硅化物以及粉末冶金领域 中制取难熔的金属间化合物和金属基陶瓷等 。
原理：
气、固
N2&+4B=2CrB2+B2O3
气体单质直接与硼反应生成硼化物 金属单质直接与硼反应生成硼化物
● 燃烧合成（combustion synthesis)：
燃烧：任何具有化学特征、结果能生成有实用价值的凝聚物的放热 反应都可称谓燃烧。
自蔓延合成的要求：
1、剧烈的放热反应 2、绝热燃烧温度（Ta） 1） 要使燃烧能够自持，产物的Ta大于1800K； 2） Ta大于产物熔点，存在液相，反应易进行
Ta---绝热温度: 反应过程中能达到的最高温度.
金属氧化物与硼反应生成硼化物
固、固
溶于热
2020/12/2
水除 去
13
2、热剂法
概念：热剂反应泛指一种还原剂(一般为金属)与另一种金属或 非金属氧化物反应，形成一种更稳定的氧化物和相应的金属或 非金属，同时释放出大量热量的化学反应。
本质：是自蔓延高温还原合成反应
反应式： Nx+ M +（Z）= Mx+ Ny1+（Ny2）+ Q
2020/12/2
5
一、自蔓延高温合成
● 自蔓延高温合成
实质：就是一种高 放热化学反应！
(Self-propagating High-temperature Synthesis，简称SHS)
概念：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。
强烈的放热反应
反应以反应波 的形式传播
2020/12/2
7
二、自蔓延传播原理
自蔓延高温合成分燃烧和热爆两种模式:
局部点火方 式
1、燃烧模式 大多数燃烧过程，特别是固—固反应，燃烧以恒定的线速逐层
蔓延，蔓延的速度取决于热的发生和耗散过程:
若反应的生成热与消耗的热处于平衡，则燃烧以匀速蔓延通过整 个反应物，反应处于稳定燃烧状态。
如果反应热和耗散热处于不平衡状态，则燃烧随时间呈不均匀的 位移，反应处于不稳定燃烧状态，
② 表面冶金:制备金属的碳化物、硼化物、硅化物；
③
3Mg+Cr2O3+B2O3→2CrB+3MgO+ Q
④ 制备金属间化合物：
⑤
12Al+4Fe3O4+B2O3→2FeB+2Fe3Al+Al2O3+ Q
金属间化合物的Ta小， 需要对反应物进行预烧。
2020/12/2
15
特点： ① 热剂反应最显著的特点是放
4
自蔓延技术的发展历史
19世纪，发现固-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。
20世纪60年代，自蔓延高温合成命名：研究人员发现钛-硼混合 物的自蔓延燃烧合成现象,称之为“固体火焰”。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，即SHS。
20世纪后期，工业化应用：铝热反应已经得到工业应用;