Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

· технологические параметры (равномерное перемешивание компонентов смеси, степень активации порошков);

· химические параметры (степень увлажнения порошков, концентрация в них адсорбированных примесей и растворенных газов).

Химические классы реакций СВС

Для процессов СВС химическая природа реагентов непосредственного значения не имеет. Важны лишь величина теплового эффекта реакций и законы тепловыделения и теплопередачи, а также агрегатное состояние реагентов и продуктов, кинетика структурных превращений и другие макроскопические характеристики процесса. Поэтому химия СВС – процессов разнообразна. Наибольшее распространение получили:

· реакции синтеза из элементов

Ti + C= TiC

Ni + Al= NiAl

3Si + 2N2= Si2N4

Zr + H2= ZrH2

· окислительно-восстановительные реакции

B2O3 + 3Mg + N2= 2BN + 3MgO

B2O3 + TiO2 + 5Mg= TiB2 + 5MgO

MoO3 + B2O3 + 4Al= MoB2 + 2Al2O3

3TiO2 + C + 4Al= TiC + 2Al2O3

2TiCl4 + 8Na + N2= 2TiN + 8NaCl

· реакции окисления металла в сложных оксидных средах

3Cu + 2BaO2 + Y2O3 + 0,5·(1,5-x)O2= YBa2Cu3O7-x

Nb + Li2O2 + Nb2O5= 2LiNbO3

8Fe + SrO + 2Fe2O3 + 6O2= SrFe12O19

Известны также реакции:

· синтеза из соединений:

PbO + WO3= PbWO4

· взаимодействие разлагающихся соединений с элементами:

2TiH2 + N2= 2TiN + 2H2

4Al + NaN3 + NH4Cl= 4AlN + NaCl + 2H2

· термического разложения сложных соединений:

2BH3N2H4= 2BN + N2 + 7H2

Характеризуются разнообразием состава, микро- и макроструктур.

Морфология макроструктуры

Продукты СВС представляют собой твердые вещества произвольной формы разных размеров. Это порошки разной дисперсности, слабо связанные конгломераты частиц, пеноматериалы, спёки и слитки с разной прочностью, пленки, волокна, кристаллы. Масса продуктов зависит от ее начальных значений и в некоторой мере от механизма процесса. В перемешанных системах макроструктура обычно однородна, в гибридных (пористое тело – газ), при наличии фильтрационных затруднений, может иметь место распределение состава по сечению образца после СВС. В специальных случаях преднамеренно создают неоднородную макроструктуру продуктов горения. Например, получение многослойных и функционально – градиентных материалов.

Состав

Химический фазовый состав продуктов определяется составом исходных систем, их диаграммами состояния, полнотой сгорания, условиями остывания или охлаждения. Примесный состав продуктов определяется не только чистотой реагентов, но и зависит от глубины процесса самоочистки при горении. Продукты, полученные в оптимальных условиях, характеризующихся высокой чистотой по непрореагирующим исходным веществам и примесному кислороду.

Микроструктура

Продукты СВС представляют собой обычную поликристаллическую структуру с размерами кристалла 1-5 мкм. Известны примеры получения наноразмерных и аморфных, а также крупнокристаллических структур с размерами кристаллов до 3 мм. Размеры кристаллита зависят от темпа остывания образца после горения и кинетики кристаллизационных и рекристаллизационных процессов. Пористость сплошных недисперсных продуктов горения может изменяться от практически нулевого значения (компактные материалы) до высоких значений (например, пеноматериалы).

Химические классы

Методом СВС получают индивидуальные неорганические соединения:

· бескислородные тугоплавкие соединения, оксиды, интерметаллиды, халькогениды, фосфиды, гидриды и другие;

· восстановленные элементы (B, Ti, Mo,…);

· гетерогенные неорганические материалы (керамика, металлокерамика, композиты);

· органические соединения (пиперазин малонат, хингидрон, ферроцерон и другие);

· особый класс составляют полимеры.

Различают 3 уровня диагностики в зависимости от поставленной задачи:

1) феноменология. В экспериментах определяют обычный режим распространения фронта (стационарный, автоколебательный, спиновый) и легко измеримых характеристик: скорость фронта и максимальную температуру горения (для стационарного режима); среднюю скорость фронта и частоту пульсации (для автоколебательного режима); среднюю скорость фронта и скорость спинового очага (для спинового горения). Приемы исследований: фоторегистрация и видеосъемка (с компьютерной обработкой), термометрия (с использованием термоэлектрических датчиков или пирометров). Кроме этого анализируют химический и фазовый состав продукта, его морфологию, макро- и микроструктуру обычными приемами химического и рентгенофазового анализа и металлографии. При решении конкретных задач, продукты СВС подвергаются более глубоким исследованиям;

2) зонная структура волны. Типичный прием – анализ термограмм или профилей температуры, полученных с помощью двух микротермопар или динамической пирометрии. Расшифровка позволяет охарактеризовать вид профиля, определять характерные точки, например, плавление реагентов и продуктов, и по температурным признакам предполагать физико-химический механизм превращения вещества. Обработка профиля дает возможность установить данную структуру волны и определять ширину зон и подзон, а также ведущую зону горения. Полной термограммой горения характеризуют и эффекты, проявляющиеся после прохождения волны горения.