自蔓延高溫合成

自蔓延高溫合成,又稱為燃燒合成(combustion synthesis)技術,是利用反應物之間高的化學反應熱的自加熱和自傳導作用來合成材料的一種技術,當反應物一旦被引燃,便會自動向尚未反應的區域傳播,直至反應完全,是製備無機化合物高溫材料的一種新方法。

概述

自蔓延高溫合成(self–propagation high–temperature synthesis,簡稱SHS),又稱為燃燒合成(combustion synthesis)技術,是利用反應物之間高的化學反應熱的自加熱和自傳導作用來合成材料的一種技術,當反應物一旦被引燃,便會自動向尚未反應的區域傳播,直至反應完全,是製備無機化合物高溫材料的一種新方法。
燃燒引發的反應或燃燒波的蔓延相當快,一般為0.1~20.0cm/s,最高可達25.0cm/s,燃燒波的溫度或反應溫度通常都在2100~3500K以上,最高可達5000K。 SHS以自蔓延方式實現粉末間的反應,與製備材料的傳統工藝比較,工序減少,流程縮短,工藝簡單,一經引燃啟動過程後就不需要對其進一步提供任何能量。由於燃燒波通過試樣時產生的高溫,可將易揮發雜質排除,使產品純度高。同時燃燒過程中有較大的熱梯度和較快的冷凝速度,有可能形成複雜相,易於從一些原料直接轉變為另一種產品。並且可能實現過程的機械化和自動化。另外還可能用一種較便宜的原料生產另一種高附加值的產品,成本低,經濟效益好。

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早在2000多年前,中國人就發明了黑色炸藥(KNO3+S+C),這是自蔓延高溫合成(SHS)方法的最早套用,但不是材料製備。所謂自蔓延高溫合成材料製備是指利用原料本身的熱能來製備材料。
1900年法國化學家Fonzes–Diacon發現金屬等元素之間的自蔓延反應,從而製備了磷化物等各種化合物。
在1908年Goldschmidt首次提出“鋁熱法”來描述金屬氧化物與鋁反應生產氧化鋁和金屬或合金的放熱反應。
1953年,一個英國人寫了一篇論文《強放熱化學反應自蔓延的過程》,首次提出了自蔓延的概念。
1967年,前蘇聯科學院物理化學研究所Borovinskaya、Skhiro和Merzhanov等人開始了過渡金屬與硼、、氮氣反應的實驗,在與硼的體系中,他們觀察到所謂固體火焰的劇烈反應,此外他們的注意力集中在其產物具有耐高溫的性質,他們提出了用縮寫詞SHS來表示自蔓延高溫合成,受到燃燒和陶瓷協會一致贊同,這便是自蔓延高溫合成術語的由來。
我國從1986年起也開始了這方面的研究。

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