自蔓延高温合成方法

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5 自蔓延高温合成

H (T
i 1
n
ad
) H (T 0)i =∆H
式1
5
第1节自蔓延高温合成的热力学基础
1.自蔓延高温合成与生成热
如果能够生成一种成分的化合物，上式变为：
Tad
Cp(T )dT =∆H-νL
ν=0 ν=1
式2
T0
式中： Tad<Tm时， Tad>Tm时，
计算绝热温度时，必须知道标准生成热∆H0298，随温度变化的热容 Cp(T)以及溶解热L。 Cp(T)=a+b•10-3T+c•10-5T-2 式3
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（2）固-气反应
初始料胚的空隙率和气体分压是影响合成的关键因素。按照反应动力学的观点，随着气体分压的增大，合成转化率应提高，有时实验结果并非如此。
26
第3节自蔓延高温合成工艺
常规SHS技术
• SHS制粉
自蔓延合成生产工艺
热爆SHS技术
• SHS烧结块体材料
• SHS致密化技术
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1. SHS制粉（1）常规SHS技术
20
不管是毛细作用模式还是扩散模式，均与组分的颗粒尺寸密切相关。 SHS反应中毛细作用占主导地位
rr3 2 r0 D
式中：r0为低熔点组分的颗粒尺寸，rr为难熔组分颗粒尺寸，为液体的表面张力，为液体粘度，D为反应物在生成层中的扩散系数。
21
扩散占主导地位则要求
r02 ln Tc T0 Tm T0
33
典型的例子是铝热反应，如： 3Cr2O3+6Al+4C=2Cr3C2+3Al2O3，
反应温度（T）可达6500K；
MoO3+2Al+B=MoB+Al2O3+2Fe，反应温度（T）可达4500K；

自蔓延高温合成技术(燃烧合成)

自蔓延结构的控制方法
控制方法 SHS促进方法通过化学或物理方式进行促进方法:通过化学或物理方式进行促进方法机械控制手段:主要用来控制合成材料的致密度或孔隙率机械控制手段主要用来控制合成材料的致密度或孔隙率电磁场对SHS材料的结构影响电磁场对材料的结构影响电场可使固熔体均化,供应一部分热能促进燃烧,增加供应一部分热能,促进燃烧电场可使固熔体均化供应一部分热能促进燃烧增加燃烧波的速度 SrCO3-Fe-Fe2O3-O2体系中磁场使铁颗粒团聚并排列体系中,磁场使铁颗粒团聚并排列成链状,提高导热性提高导热性,从而提高燃烧速度成链状提高导热性从而提高燃烧速度 SHS抑制方法通过添加剂稀释进行抑制方法:通过添加剂稀释进行抑制方法稀释剂不参与SHS过程可以是反应合成的最终产物也可过程,可以是反应合成的最终产物稀释剂不参与过程可以是反应合成的最终产物,也可以是惰性添加相或者过量的反应物,对过程起缓和作用以是惰性添加相或者过量的反应物对过程起缓和作用金属/陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中,稀释剂可降金属陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中稀释剂可降低合成过程温度,抵制陶瓷晶坯聚集长大低合成过程温度抵制陶瓷晶坯聚集长大气反应体系中稀释剂可提高转化率,金属固-气反应体系中稀释剂可提高转化率金属氮气体系气反应体系中稀释剂可提高转化率金属/氮气体系中,过量氮气为稀释剂过量氮气为稀释剂
自蔓延高温合成技术(燃烧合成) 自蔓延高温合成技术(燃烧合成)
自蔓延高温合成技术
自蔓延高温合成技术（自蔓延高温合成技术（self–propagation high–temperature synthesis，简称自蔓延高温合成是指利用外部提供必，简称SHS ）:自蔓延高温合成是指利用外部提供必自蔓延高温合成是指要的能量诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应（点燃），要的能量诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应（点燃），形成化学反应燃烧波，形成化学反应燃烧波，此后化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，续进行，直至反应结束

自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法概述自蔓延高温合成法（Self-Propagating High-Temperature Synthesis，简称SHS）是一种以高温反应为基础的合成方法，具有快速、低能耗和高效的特点。

它在材料科学和化学领域有着广泛的应用，可以用于合成金属陶瓷材料、复合材料和无机化学品等。

原理SHS基于自蔓延原理，即通过局部点燃反应混合物中的可燃物质，使整个反应物质迅速发生反应并扩散，形成产物。

该反应过程通常在高温下进行，使用以金属和非金属化合物为主的反应物，产物常为金属、陶瓷和复合材料。

反应机制SHS反应通常由两个步骤组成：点燃阶段和自蔓延扩散阶段。

在点燃阶段，反应体系中局部加热可燃物质，使其自发点燃。

燃烧反应产生的高温和自由基会引发整个反应物质的快速反应。

在自蔓延扩散阶段，反应前驱体与产物之间的扩散作用会加速反应的进行，并不断释放出热量，维持反应的高温。

应用领域1. 金属陶瓷材料SHS在金属陶瓷领域有广泛的应用。

例如，利用SHS可以制备高硬度、耐磨损的刀具材料。

通过选择不同的金属和陶瓷反应物，可以调控材料的硬度、导热性和耐腐蚀性。

2. 复合材料SHS还可用于制备复合材料，在提供机械强度的同时具有轻质和高温性能。

通过选择不同的反应物，可以调控材料的化学成分和微结构，使其具有特定的性能和应用领域。

3. 无机化学品SHS在无机化学品合成中也有重要的应用。

例如，在高温下可以通过SHS方法合成多晶硅粉末，用于制备太阳能电池。

此外，SHS还可用于制备氧化物陶瓷材料、金属硬质合金和火焰喷涂材料等。

实验操作SHS方法的实验操作相对简单，但仍需注意安全事项。

以下是一般的实验操作步骤：1.准备反应物：按照所需的配比准备反应物。

2.混合反应物：将反应物充分混合均匀，以确保反应的全面性。

3.预热反应器：将反应器预热至适当的温度，以提供起始点燃的热源。

4.加入混合物：将混合物加入预热的反应器中，快速封闭反应器。

5.点燃反应物：利用点燃源引发混合物中可燃物质的燃烧。

自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法（Self-Propagating High-Temperature Synthesis，简称SHS）是一种在高温下自发进行的化学合成方法。

SHS技术已被广泛应用于材料科学、能源存储、催化剂制备等领域，其独特的特点使其成为一种高效、环保且经济的合成方法。

SHS技术的原理是在适当的反应条件下，通过引入足够的活化能使化学反应自发发生和持续传播。

这种自蔓延的反应过程是基于氧化还原反应、放热反应和传热传质等多种复杂的物理和化学过程相互耦合而成的。

由于SHS反应在高温下进行，因此可以获得高纯度、致密度高、晶粒细小的产物。

SHS技术的优点主要有以下几个方面：1. 高效性：SHS反应通常在数秒至数分钟内完成，反应速度快，能耗低。

与传统的合成方法相比，SHS技术可以显著缩短合成时间。

2. 环保性：SHS技术不需要使用外部能源，反应过程中产生的高温和自身放热能够驱动反应的进行，使其成为一种绿色合成方法。

此外，由于反应过程中不需要溶剂，减少了有机溶剂的使用和废弃物的产生。

3. 可控性：通过控制反应条件、配比和反应时间等参数，可以实现对产物形态、尺寸和组成的精确控制。

这使得SHS技术在材料制备中具有很大的灵活性。

4. 应用广泛：由于SHS技术能够合成各种复杂的无机、有机和金属材料，因此在材料科学和工程领域有着广泛的应用。

例如，SHS技术可以用于制备金属陶瓷复合材料、纳米材料、催化剂和能源存储材料等。

SHS技术也存在一些挑战和限制。

首先，SHS反应的过程比较复杂，需要对反应机理和热力学行为进行深入研究。

其次，由于反应过程中产生的高温和强热释放，需要对反应系统进行良好的隔热和安全措施。

此外，SHS技术在合成大尺寸和复杂形状的材料时也面临一定的困难。

为了克服这些限制，研究者们正在不断改进和优化SHS技术。

例如，引入外部能量源、微波辐射和压力等调控因素，可以进一步提高反应速率和产物质量。

此外，结合计算模拟和实验研究，可以深入理解SHS反应的机理和动力学行为。

自蔓延高温合成法原理

自蔓延高温合成法原理自蔓延高温合成法，简称SHS法，是一种高效、节能的化学合成方法。

它是一种利用化学反应自身产热，实现化学反应自动延续的新型合成方法。

自蔓延高温合成法的原理是在特定条件下，通过化学反应自身产生的高温和高压来实现物质的合成。

因此，自蔓延高温合成法具有高效、快速、低成本、易于控制等优点。

自蔓延高温合成法的原理是利用化学反应自身产热，实现化学反应自动延续的新型合成方法。

该方法的基本原理是利用反应物本身产生的高温和高压，使反应物中的原子或离子发生电子转移、离子替换、化学键形成等反应，从而实现物质的合成。

具体来说，该方法的原理是通过自动延续反应的方式，将反应物中的原子或离子转化为新的化合物。

在反应过程中，反应物会自动延续反应，生成新的反应产物。

这些反应产物会继续促进反应的进行，从而实现物质的合成。

自蔓延高温合成法的优点是高效、快速、低成本、易于控制。

该方法的高效性体现在反应速度快，反应时间短，合成产物纯度高等方面。

此外，该方法不需要昂贵的设备和大量的能源，可以节约成本。

同时，该方法的反应过程可以通过控制反应条件来实现产品的纯度和性能，因此易于控制。

自蔓延高温合成法主要应用于材料科学、化学、机械工程等领域。

在材料科学领域，该方法可以用于合成金属、陶瓷、复合材料等多种材料。

在化学领域，该方法可以用于化学反应的合成和催化反应的研究。

在机械工程领域，该方法可以用于制备高性能的机械零部件和复杂的机械结构。

自蔓延高温合成法是一种高效、快速、低成本、易于控制的化学合成方法。

该方法的原理是利用化学反应自身产热，实现化学反应自动延续的新型合成方法。

该方法在材料科学、化学、机械工程等领域具有重要应用价值。

自蔓延高温合成技术

自蔓延高温合成(self–propagation high–temperature synthesis，简称SHS)，又称为燃烧合成(combustion synthesis)技术，是利用反应物之间高的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，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，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。

基本信息•中文名称：自蔓延高温合成•外文名称：self–propagation high–temperature synthesis•特点：反应温度通常都在2100~3500K•简史：黑色炸药是最早应用特点燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延相当快，一般为0.1~20.0cm/s，最高可达25.0cm/s，燃烧波的温度或反应温度通常都在2100~3500K以上，最高可达5000K。

SHS以自蔓延方式实现粉末间的反应，与制备材料的传统工艺比较，工序减少，流程缩短，工艺简单，一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量。

由于燃烧波通过试样时产生的高温，可将易挥发杂质排除，使产品纯度高。

同时燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，有可能形成复杂相，易于从一些原料直接转变为另一种产品。

并且可能实现过程的机械化和自动化。

另外还可能用一种较便宜的原料生产另一种高附加值的产品，成本低，经济效益好。

自蔓延高温合成法发展简史早在2000多年前，中国人就发明了黑色炸药(KNO3+S+C)，这是自蔓延高温合成(SHS)方法的最早应用，但不是材料制备。

所谓自蔓延高温合成材料制备是指利用原料本身的热能来制备材料。

1900年法国化学家Fonzes–Diacon发现金属与硫、磷等元素之间的自蔓延反应，从而制备了磷化物等各种化合物。

在1908年Goldschmidt首次提出"铝热法"来描述金属氧化物与铝反应生产氧化铝和金属或合金的放热反应。

1953年，一个英国人写了一篇论文《强放热化学反应自蔓延的过程》，首次提出了自蔓延的概念。

自蔓延高温合成

8.1 自蔓延高温合成技术
• 8.1.1 自蔓延高温合成技术发展历史 • 8.1.2 SHS技术的研究方向
8.1.1 自蔓延高温合成技术发展历史
前苏联科学院宏观动力与结构研究所 Merzhanov 、 Borovinskaya 和 Skhiro 等人在上世纪70年代开始了过渡金属与硼、碳、氮气反应的实验，在研究金属钛和硼的混坯块的燃烧时，发现燃烧反应能以很快的速率传播，后来又发现许多金属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈放热现象。
温度分布曲线进一步描述了燃烧过程的反应特点，如图8.3所示。在初始燃烧区，反应物结构向产物结构转变尚未完全进行，结构处于中间状态。在二次化学和结构转变区内，最终实现结构的转变。
假定反应物结构在燃烧区完全转变成产物结构的理想条件下，如果燃烧反应受动力学控制，则温度、转化率和热释放率转变如图8.4所示，这表明反应不仅限于燃烧波的波阵面处，而且当波阵面通过以后仍有反应进行。
SHS图可以为实际生产工艺的制定提供理论指导，如生产磨料时，为了获得大尺寸的颗粒，那么工艺制定就应选择在SHS图中热爆与稳定SHS交界处稳态 SHS一侧的高温区域；生产烧结用的粉末时，在保证转化率的前提下，为了获得尺寸细小的颗粒，宜选择稳态SHS和非稳态SHS边界的非稳定SHS的低温区域。
• SHS技术制造非传统性粉末； • SHS技术制造纳米粉末； • SHS技术制造非平衡材料； • 净成形制品工艺； • 产品的规模生产； • 自蔓延机械化学合成法；
（2）微重力作用下SHS结构和性能特征； • SHS的分形技术研究。
8.2 自蔓延合成方法原理
• 8.2.1 自蔓延合成方法的概念 • 8.2.2 自蔓延合成方法的原理

自蔓延高温合成技术

6
4 燃烧波蔓延作为一类特殊的化学反应,SHS 反应区前沿,即燃烧波会随着反应的进行而不断推移。因此需要建立能反映这一特征的动力学参数。燃烧波速率则是这一动力学参数,它描述了燃烧波前的移动速率。在一定的假设条件下,如忽视对流、辐射散热等,以及对燃烧波结构作一定的约束之后,可以求出燃烧波速率的解析式。不同的约束条件会得到略有差别的解。稳态燃烧-大多数的SHS 过程,燃烧前沿都存在一个光滑的表面(平面或很小的曲面) ,这一表面以恒定的速率一层一层传播,称之为稳态燃烧。
13
经过材料科学工作者几十年的努力,自蔓延高温合成技术已成功应用于难熔化合物的制备,包括粉体的制备及复合材料的制备等,而采用SHS 法制备的陶瓷内衬钢管以其良好的耐磨、耐蚀、耐高温性能和优异的抗机械冲击、抗热冲击性能,产品重量轻、不怕磕碰、价格低等优点在许多工程中也得到了广泛应用, 使用寿命是现行管材的几倍至几十倍。尽管自蔓延高温合成技术在材料的改性方面已得到了广泛的应用,在性能价格比方面有优越性,但是科学工作者不满于现状仍在继续完善SHS 工艺,比如将SHS 工艺与加压相结合,可获得更致密与基体结合更牢固的陶瓷涂层材料,以满足于防腐、耐磨、隔热等不同使用环境的要求。
6. 1 利用SHS 工艺制备难熔化合物低成本与高性能是许多先进材料研究与应用领域普遍存在的问题,利用化学反应释放的高热量低温制备高熔点先进材料的燃烧合成熔化技术可合成许多难熔化合物粉体或复合材料。难熔化合物指碳化物、氮化物、硅化物和硼化物,既包括金属也包括非金属的碳、氮、硅、硼化合物。
下表是利用SHS 工艺制备的部分难熔化合物材料。
10
6.2 SHS 制备陶瓷内衬钢管 (1) 基本原理很多高放热SHS 体系的燃烧温度超过燃烧产物的熔点,燃烧后的产物是熔体。这种SHS 体系与常规的冶金方法相结合,产生了SHS 技术,利用SHS 法得到熔体, 用常规冶金法处理熔体。 SHS 冶金包括SHS 铸造和SHS - 离心技术。铝热反应由于其高放热而被广泛用于SHS冶金。其化学反应式为:

自蔓延高温燃烧合成法

自蔓延高温燃烧合成法
自蔓延高温燃烧合成法是指利用物质反应热的自传导作用，使不同的物质之间发生化学反应，在极短的瞬间形成化合物的一种高温合成方法。

利用某些合成反应的强放热作用，反应一旦开始即能自我维持，并迅速扩展、蔓延至整个试样区，完成合成反应的方法。

原理
一旦引燃反应物，反应则以燃烧波的方式向尚未反应的区域迅速推进，放出大量热，可达到1500~4000℃的高温，直至反应物耗尽.根据燃烧波蔓延方式，可分为稳态和不稳态燃烧。

一般认为反应绝热温度低于1527℃的反应不能自行维持。

对于不稳态燃烧应采取化学炉或预热等方法，防止反应中途熄灭。

特点
该工艺具有节能、成品纯度高、活性大、操作方便等一系列优点。

利用SHS法的固态-气态，固态-固态，金属间化合物和复合物四种主要反应类型，已合成了几百种化合物。

类型
其中包括各种氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、不定比化合物和金属间化合物
等。

适用范围
某些领域已进入了应用阶段，如制备陶瓷基复合材料，硬质合金,形状记忆合金和高温构件用的金属间化合物等。

自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法（Self-propagating High-temperature Synthesis，SHS）是一种新型的材料制备技术，它利用化学反应自身释放的热量来实现材料的快速合成。

这种方法具有反应速度快、能耗低、产物纯度高等优点，在材料制备领域得到了广泛的应用。

一、原理SHS法的基本原理是利用化学反应自身释放的热量，使反应体系达到高温条件，从而实现材料的快速合成。

在SHS反应中，通常需要加入一个起始剂（initiator），以引发化学反应。

当起始剂受到外界刺激（如火焰、电火花等）时，它会迅速分解并释放出大量热量，使反应体系升温并引发化学反应。

同时，在反应过程中还会产生大量气体和固体产物，这些产物会促进反应继续进行，并形成一个自我维持的循环系统。

最终，在高温和高压条件下，原料将被转化为所需产品。

二、工艺流程SHS法通常分为两个步骤：起始剂激发和自蔓延反应。

具体工艺流程如下：（1）起始剂激发：将起始剂与反应物混合均匀，并置于反应器中。

然后，通过火焰、电火花等方式对起始剂进行激发，引发化学反应。

（2）自蔓延反应：一旦化学反应开始，它就会在整个反应体系中迅速传播，并释放出大量热量。

这些热量将维持反应的高温和高压状态，使得原料能够快速转化为所需产物。

在自蔓延过程中，产生的气体和固体产物会促进反应的继续进行，并形成一个自我维持的循环系统。

三、优点与缺点SHS法具有以下优点：（1）快速：SHS法具有非常快的反应速度，通常只需要几秒钟或几分钟就可以完成材料的合成。

（2）能耗低：SHS法不需要外部加热设备，只需要一个起始剂就可以实现材料的快速合成，因此能耗非常低。

（3）产物纯度高：由于SHS法是在高温和高压条件下进行的，因此产物通常具有非常高的纯度。

（4）适用范围广：SHS法可以用于制备各种材料，包括金属、陶瓷、复合材料等。

SHS法的缺点主要有以下几点：（1）难以控制：由于SHS法是一种自我维持的反应过程，因此很难对反应过程进行精确的控制。

自蔓延燃烧合成法

自蔓延燃烧合成法自蔓延燃烧合成法是一种制备材料的高效方法，具有反应快速、节能等优点。

本文将介绍自蔓延燃烧合成法的反应原理、燃烧模型、材料设计、工艺控制及应用研究等方面。

1.反应原理自蔓延燃烧合成法是一种利用化学反应放热，在极短时间内将原料加热至高温，实现材料制备的方法。

其基本原理是利用反应物的相互反应，产生大量的热量和化学能，从而在极短时间内将反应物加热至高温，实现材料的合成。

2.燃烧模型自蔓延燃烧合成法的燃烧过程可以分为三个阶段：诱导期、传播期和衰减期。

在诱导期，反应物吸收热量，开始分解；在传播期，反应物剧烈反应，放出大量热量，实现材料的合成；在衰减期，热量释放逐渐减少，反应逐渐停止。

3.材料设计自蔓延燃烧合成法可以用于制备各种材料，如金属、非金属、陶瓷等。

在材料设计方面，需要根据所需的材料性能和用途，选择合适的原料和配方。

同时，还需要考虑反应过程中的热量和化学能对材料性能的影响。

4.工艺控制自蔓延燃烧合成法的工艺控制是保证材料质量和性能的关键。

需要控制的因素包括反应温度、反应时间、压力、气氛等。

通过对这些因素进行精确控制，可以实现对材料结构和性能的精确调控。

5.应用研究自蔓延燃烧合成法在材料制备领域具有广泛的应用前景。

例如，可以利用该方法制备各种高性能陶瓷材料、金属基复合材料、梯度功能材料等。

此外，还可以利用该方法进行材料的改性和优化研究，为新材料的开发提供新的途径。

总之，自蔓延燃烧合成法是一种具有很大潜力的材料制备方法，可以实现对材料结构和性能的精确调控。

随着对该方法研究的深入，相信其在未来会有更广泛的应用前景。

实验八自蔓延高温合成

实验八自曼延咼温合成一实验目的熟悉自蔓延高温合成过程，了解其合成原理。

二实验原理自蔓延高温合成技术（Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS是由俄罗斯科学家Merzhanov教授在60年代后期提出的一种材料合成新工艺。

其基本原理是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。

以简单的二元反应体系为例，其原理为：xA + yB ------- AxBy + Q其中A为金属单质，B为非金属单质，AxBy为合成反应的产物，Q为合成反应放出的热量。

IanitOL上图描述了燃烧过程中样品内部燃烧波的结构及产物相组成的变化规律。

首先在样品的一端给一个激发热源将此处的样品加热到上面的反应式可应进行时，断开激发源。

此时端面处由于化学反应生成了反应产物C或A/B，主要由反应机理而定；反应放出的热量和反应过程中的物质消耗导致样品中形成温度、组分元素浓度的梯度，有时还伴随着物质流动现象。

这种梯度的存在，会使热量向周围区域传递。

热量的传递使周围区域得到预热，得到初始的激发热量，引发上述燃烧反应的进行，这种周期性的过程使反应能自发地进行下去。

通常为了了便于讨论，将上述过程简化为一个一维的燃烧问题。

由傅立叶第一定理和能量守恒法则，可得到如下方程组：r 61 匕 E C T tC 4 4C P(K ) q K r(T -T0 )- . H i C ic t & & c t卫二Aexp(-亘)f(G).:t RT为了得到指定结构的化学组成和产物相分布等，通常需要对反应过程进行控制。

对体系的控制主要是通过改变上述方程中的体系初始物性常数，如比热C,热传导系数K等。

读者有举兴趣，通过上述议程的数学分析，可以对燃烧过程中的动力学形为进行研究，将上述动力学行为与产物结构结合在一起，就形成了自蔓延过程常用的研究方法——结构宏观动力学。

自蔓延高温烧结

• （8）激光点火：用激光脉冲照射自蔓延材料表面，点燃
自蔓延高温合成反应，也有用连续激光点火
2.3 SHS相图
根据SHS燃烧波传播的方式
自蔓延
稳态非稳态
“热爆”
振荡燃烧
波的特征稳态
螺旋燃烧
表面燃烧重复燃烧
SHS图可以为实际生产工艺的制定提供理论指导
生产磨料时，为了获得大尺寸的
颗粒，那么工艺制定就应选择在SHS
• （3）引燃技术的选择: 这也是影响工艺成败的关键之一。迄今为止, 可用的引燃技术主要有燃烧波点火、辐射点火、激光点火、热爆点火、微波点火、化学点火和机械点火等。
究竟采用哪种方式应根据具体情况选定。通常根据反应热、
反应剂和产物的特征、影响反应动力学的工艺参数以及反应器的气氛及其压力等因素而确定点火方式。
得邻近的物料温度骤然升高而引发新的化学反应，以燃烧
波的形式蔓延通过整个反应物，同时反应物转变为生成物。自蔓延高温烧结就是利用SHS技术对陶瓷生坯实现烧结的工艺方法。
根据SHS反应模式，将自蔓延高温合成技术分为两种：常规SHS 技术和热爆SHS技术。常规SHS技术：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，适用于具有较高放热量的材料体系如 Ti-TiB2、TiC-SiC、 TiB2-Al2O3、Si3N4-SiC 等，特点是设备简单、能耗低、工艺过程快、反应温度高。热爆SHS技术：将反应混合
Synthesis 缩写 SHS ），又称燃烧合成（ Combustion
Synthesis缩写CS）是20世纪80年代迅速兴起的一门材料制备技术。SHS是化学、材料和工程学的有机结合，是现代材料最活跃的分支之一。

(优选)自蔓延高温合成

8.2 自蔓延合成方法原理
二、自蔓延合成方法的原理 1、燃烧波的特征
燃烧波从右向左蔓延，δ区间为反应物转化起始至完成区间。燃烧波前沿的区域是热影响区，当该区内温度从T0上升到着火温度，热释放速率和转化率开始由0逐渐上升，这样就进入燃烧区，在这一区域内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。
8.2 自蔓延合成方法原理
二、自蔓延合成方法的原理 4、SHS燃烧动力学
燃烧波中出现的液相，在SHS过程中扮演着决定性的因索，液相不仅可通过反应物的熔化产生，而且还可通过共晶接触熔化产生。
在SHS燃烧波阵面内，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。
Hale Waihona Puke k q)(R
Tc2 E0
)
K0
exp(
E0 ) RTc
式中：f(n)为反应动力学级数(n)的函数，Tc为燃烧温度，R为气体常数，K0为常数， E0为过程的激活能。通过激活能就可以推断某种机制在燃烧过程中起的作用。
8.2 自蔓延合成方法原理
二、自蔓延合成方法的原理 3、SHS相图
SHS相图可以为实际生产工艺的制定提供理论指导。
8.2 自蔓延合成方法原理
二、自蔓延合成方法的原理 4、SHS燃烧动力学
对小颗粒金属系统，以扩散控制模式为主；而大颗粒金属体系则受毛细作用下液相的铺张速率控制。体积分数过高的易熔组分会产生过多的液相，起到热阱的作用，降低燃烧温度；反之，则降低燃烧速率。
对弱放热反应体系，为了能维持反应并获得满意产品，可以采用给反应物预热的方法来实现，但这种方法会造成设备和工艺的复杂化。另外一种方法是通过在反应物中添加一些高放热的化学激活剂来提高燃烧温度，改善燃烧条件。

自蔓延高温合成

常规SHS技术是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。
其特点是设备简单、能耗低、工艺过程快、反应温度高。
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1. SHS制粉（2）热爆SHS技术
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第1节自蔓延高温合成的热力学基础
设Tm为熔点， ∆Hm为产物的熔解焓，ν为温度下产物中已熔解部分的比值，则绝热温度和其他几个热力学参数之间的关系有如下三种情况
Tm
∆H 0
T0
<
Cp(T )dT 时， Tad<Tm生成热用式4表达；
T0
Tm
∆H 0
T0
=
Cp(T )dT +ν ∆Hm时， Tad=Tm，绝热温度达到熔点；
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（2）固-气反应
初始料胚的空隙率和气体分压是影响合成的关键因素。按照反应动力学的观点，随着气体分压的增大，合成转化率应提高，有时实验结果并非如此。
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第3节自蔓延高温合成工艺
• SHS制粉
自蔓延合成生产工艺
常规SHS技术热爆SHS技术
• SHS烧结块体材料 • SHS致密化技术
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1. SHS制粉（1）常规SHS技术
在SHS燃烧波阵面内，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。
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不管是毛细作用模式还是扩散模式，均与组分的颗粒尺寸密切相关。
SHS反应中毛细作用占主导地位

自蔓延高温烧结

（1）未受影响区（2）预热区（3）初始燃烧区（4）一次化学和结构转化区（5）冷却区（6）产物区
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2.2 SHS的点燃
SHS是需要外部能源提供热量，来引燃SHS反应。提供能量的方法有两种：一是对SHS材料整体加热。达到一定的温度，则燃烧反应在整个材料内同时进行，称做热爆反应；另一种是利用外部热源加热SHS材料的局部，使其受到强烈的加热而首先燃烧，随后，燃烧火焰传播到整个反应体系中，这种方法叫做点火，是最常用的方法。
• （6）电火花点火：利用高压放电产生的电火花点燃SHS体系。这种方法可以用来点燃气体悬浮金属粉或弥散固体粉末，应用面很窄。
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• （7）化学点火：将易燃的活性材料与SHS体系接触，点燃活性材料，就可引燃SHS体系。但是，活性材料及其适用性有限。
• （8）激光点火：用激光脉冲照射自蔓延材料表面，点燃自蔓延高温合成反应，也有用连续激光点火
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• （3）引燃技术的选择: 这也是影响工艺成败的关键之一。迄今为止, 可用的引燃技术主要有燃烧波点火、辐射点火、激光点火、热爆点火、微波点火、化学点火和机械点火等。究竟采用哪种方式应根据具体情况选定。通常根据反应热、反应剂和产物的特征、影响反应动力学的工艺参数以及反应器的气氛及其压力等因素而确定点火方式。
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• 日本于1987年成立了燃烧合成研究协会，并于1990年召开了第一次美、日燃烧合成讨论会。
• 自1991年起，每两年召开一次国际SHS会议。 • 1992年国际SHS学报（Inter.J.SHS）在美国创刊。这些
广泛的国际交流和合作促进了SHS的进一步发展。目前，从事研究的国家己有30多个。 • 经过二十多年的研究开发，SHS得到了长足的发展，在基础理论研究方面建立了包括燃烧学动力学在内的宏观动力学理论体系，对于大多数SHS有普遍的指导意义。