Жакупова А.Н., Евсеева Е.Ю.

Инновационный Евразийский Университет, Казахстан

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Достоинства и недостатки.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет собой процесс горения, приводящий к образованию ценных твердых материалов. Среда, способная реагировать в режиме СВС, может быть твердой, жидкой, газообразной, смешанной. Необходимо, чтобы остывший продукт горения представлял собой твердое вещество с полезными эксплуатационными свойствами.

Основоположником теории СВС является академик РАН А.Г. Мержанов. В 1967 году под руководством А.Г Мержанова группой сотрудников был обнаружен класс процессов горения, протекающий без кислорода. В качестве горючего выступали такие металлы как Ti, Z_r, Hf, Nb, Ta и др., а в качестве окислителя – неметаллы: B, C, Si.

С помощью локального инициирования были реализованы волновые (самораспространяющиеся) режимы, в которых химическое превращение сосредоточено в зоне, перемещающейся по смеси порошков. В ходе процесса практически отсутствует газовыделение и образуются полностью конденсированные продукты. Следует отметить, что в конденсированной фазе могут развиваться температуры до 4000^оС. Это обусловлено большим тепловыделением при химическом взаимодействии реагентов и термической стабильностью продуктов.

В этих процессах происходит химический синтез тугоплавких соединений: боридов, карбидов, силицидов. Данные соединения составляют основу современных неорганических материалов, которые благодаря своей жаро- и огнестойкостью, износоустойчивостью, огнеупорностью, способны работать в экстремальных условиях [1].

В настоящее время разработаны СВС-технологии, с привлечением широкого класса реакций СВС, в которых участвуют и химические элементы, и такие сложные соединения, как окислы, сплавы, интерметаллиды, природные вещества.

В зависимости от химической природы главной реакции горения и агрегатного состояния реагентов все СВС-системы делят на четыре основных класса: безгазовые, фильтрационные, газовыделяющие системы и системы с восстановительной стадией.

Для безгазовых систем исходные компоненты, промежуточные и конечные продукты находятся в твердом или расплавленном состоянии. Процесс систеза можно проводить в вакууме и в атмосфере любого инертного газа при разных давлениях [2].

Основные факторы, управляющие синтезом:

- состав смеси порошков;

- соотношение и размер частиц реагентов;

- плотность смеси;

- размеры образца.

Скорость процесса СВС и температура реакции зависят от следующих физико-химических параметров:

- термодинамические параметры (теплота образования конечных продуктов синтеза, теплоемкости продуктов реакции, начальная температура процесса, состав исходной смеси);

- физические параметры (теплопроводность исходной смеси, плотность образца, внешнее давление газа, форма и размер частиц порошков, полидисперсность порошков, дефектность структуры частиц компонентов, наличие внешних воздействий);

- технологические параметры (равномерность перемешивания компонентов смеси, степень активации порошков);

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

В реальных технологиях СВС, оперируя этими параметрами, можно получить конечный продукт с прогнозируемыми свойствами за оптимальный период времени.

Основными преимуществами метода СВС являются:

1) низкое энергопотребление. Немного энергии нужно в методе СВС для нагрева воспламенительной спирали и зажигания исходного порошка. Процесс синтеза идет за счет собственного внутреннего тепловыделения в результате сильной экзотермической реакции синтеза, т.е. за счет саморазогрева. Энергия здесь не потребляется извне, а наоборот выделяется внутри.

2) для метода СВС характерно простое и малогабаритное оборудование. Для реализации процесса СВС нет необходимости в длительном высокотемпературном внешнем нагреве, в громоздких печах с системами нагрева, теплозащиты и терморегуляции. Саморазогрев порошка при СВС позволяет проводить процесс в простых малогабаритных реакторах, а не в печах.

3) методу СВС присуща высокая производительность. В результате саморазогрева при горении достигаются очень высокие температуры, значительно превышающие температуры нагрева в процессах порошковой металлургии, поэтому скорость реакции синтеза значительно выше. По массе порошка распространяется волна синтеза, в виде волны горения, со скоростью от нескольких мм/с до десятка см/с. Длительность синтеза занимает в реакторе СВС времена от нескольких секунд до нескольких минут, в то время как при печном синтезе эти времена составляют от нескольких десятков минут до нескольких часов.

4) метод СВС отличается высокой чистотой продуктов и экологической безопасностью. Это также связано с очень высокими температурами синтеза по сравнению с печным синтезом. При таких высоких температурах вредные примеси разлагаются и испаряются из продукта, обеспечивая его повышенную чистоту и экологическую безопасность процесса СВС.

5) метод СВС дает широкую гамму материалов: порошки, пористые материалы, беспористые компактные, литые, композиционные, наплавки и покрытия.

Это достигается изменением состава исходных порошков и условий их сжигания. Изменяя их, в первую очередь, температуру горения и давление, мы можем получить самые разные продукты синтеза в самом разном виде. В результате метод СВС обладает большой гибкостью, позволяя получать практически на одном и том же оборудовании самую разнообразную продукцию.

6) продукты СВС находят практическое применение во многих отраслях промышленности:

машиностроение: абразивы, твердые сплавы, инструментальные материалы;

металлургия: огнеупоры, ферросплавы;

электротехника и электроника: нагревательные элементы, ферриты, сверхпроводники, высокотеплопроводные керамики и клеи – герметики, электропроводные твердые смазки;

химическая промышленность: катализаторы;

медицина: материалы с памятью формы и т.д.

Главный недостаток метода СВС – требование высокой экзотермичности реакции взаимодействия исходных порошковых реагентов, чтобы реакция синтеза продуктов прошла в виде явления горения, чтобы исходный порошок можно было поджечь.

Обобщая вышеперечисленное, сделаем вывод, что достоинства процесса СВС значительно перевешивают его недостатки. Таким образом самораспространяющийся высокотемпературный синтез – это новый перспективный процесс, который привлекает большое внимание, как ученых, так и производственников [3].

Литература:

1 Евстигнеев В.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Современные проблемы // Ползуновский Вестник. - 2005.- №4-1.- С.21-35.

2 Шиганова Л.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез микро- и нанопорошков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама с применением азида натрия и галогенов: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Самара, 2010.- 24 с.

3 Сутула И.Г. Смешанные магнезиальные вяжущие из низкообжигового брусита и материалы на их основе: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Барнаул, 2008.- 98 с.