自蔓延高温合成技术的原理及应用(材料工程新工艺新技术)
自蔓延高温合成技术的发展与应用
自蔓延高温合成技术的发展与应用摘要自蔓延高温合成技术是20 世纪后期诞生的一门新兴的前沿科学,在粉体合成及陶瓷涂层内衬的制备等方面充分显示其优越性。
本文对自蔓延高温合成技术的概念、国内外基本情况进行了阐述,同时简要介绍了自蔓延高温合成的燃烧理论,对利用自蔓延合成技术进行在致密化、焊接、颜料和涂层等方面的应用研究作了简要的说明。
关键词自蔓延合成技术应用1.引言自蔓延高温合成(Self - Propagating High Tem2perature Synthesis ,简称SHS) ,也称燃烧合成(Com2 bustion Synthesis ,简称CS) ,它是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行,最终合成所需材料或制品的新技术。
任何化学物质的燃烧只要其结果是形成了有实际用途的凝聚态的产品或材料,都可被称为SHS 过程。
在SHS 过程中,参与反应都可被称为SHS 过程。
在SHS 过程中,参与反应的物质可处于固态、液态或气态,但最终产物一般是固态。
燃烧合成的基本要素:(1) 利用化学反应自身放热,完全或部分不需外部热源;(2) 通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成分和结构的产物;(3)通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构。
SHS 技术制备的产品纯度高、能耗低、工艺简SHS 技术制备的产品纯度高、能耗低、工艺简单,用SHS 技术可以制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料. 其特点为: ①是一种快速的合成过程; ②具有节能效果; ③可提高合成材料的纯度;④产物易形成多孔组织; ⑤燃烧产物的组织具较大的离散性. 因此,探索各种SHS 体系的燃烧合成规律, 获得均匀组织也是保障SHS 产业化的关键.2．SHS 技术的研究进展19 世纪，人们发现一些气——固相或固——固相材料在发生化学反应时具有强烈的放热现象，所放出的热量能使反应自我维持并蔓延直至形成最终产物。
自蔓延高温合成技术的发展与应用
3 自蔓延高温合成技术理论
点燃。 用火花、电弧、热平板、钨丝等高 温热源使混合物局部受到强烈的加热而先 着火燃烧，随后，这部分已燃的火焰传播 到整个反应的空间，这种着火方式称为点 火。自蔓延高温合成过程的着火方式绝大 多数情况下均为点火方式。
该理论以SHS体系的热稳定性或热失稳为 研究对象，研究化学反应的动力学过程，热传 递过程，着火点火之间的联系。
图1
SHS的平衡态模型
4 SHS法的工艺与设备概况
SHS法的工艺流程大致可归纳为：混粉→ 压实→装入容器→点火引燃→燃烧反应。
在混粉工序中，粉料颗粒的大小及形状， 尤其是粉末的表面积与体积的比值直接影响燃 烧反应，它们不仅影响到混粉后的压实工序， 而且是对偏离绝热状态必须考虑的主要因素之 一。
目前能用作燃烧容器的材料大都是石墨， 但也有使用铝板的。
3 自蔓延高温合成技术理论
当Tad≥1 800 K时,SHS反应才能自我持续 完成。
式中： Tad 代表反应绝热温度； T0 代表初 始温度；E代表反应激活能。
3 自蔓延高温合成技术理论
（2）绝热燃烧温度 绝热燃烧温度是指绝热条件下燃烧所能达 到的最高温度，此时反应放出的热量全部用来 加热生成产物。根据其与生成物的熔点之间的 关 系 ， 对 反 应 2miRi=2njPj, 其 焓 变 可 以 表 示 为：
3 自蔓延高温合成技术理论
较复杂，仅假定所关心的产物相是不够的。要 实现对燃烧产物组织结构的严格控制，就必须 对整个燃烧合成体系进行详尽的热力学分析， 从热力学平衡的角度出发确定产物相，这就需 要精确算法。 （4）热点火理论 自蔓延高温合成的燃烧过程是强烈的自维 持放热反应的过程。从无机化学反应向稳定的 自维持强烈放热反应状态的过渡过程为着火过 程，相反，从强烈的放热反应向无反应状况的
自蔓延合成实验报告
一、实验目的1. 了解自蔓延高温合成（Self Propagating High Temperature Synthesis，SHS）的基本原理和操作方法。
2. 通过实验，掌握自蔓延合成制备特定材料的过程，并观察其合成效果。
3. 分析实验数据，探讨影响自蔓延合成效果的因素。
二、实验原理自蔓延高温合成技术是一种利用化学反应热自加热和自传导作用来合成材料的技术。
在反应过程中，反应物被点燃后，燃烧波以自蔓延的形式传播，直至反应完全。
该技术具有设备简单、能耗低、反应速度快等优点。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：TiO2、Al粉、石墨粉等。
2. 实验仪器：高温合成炉、反应管、搅拌器、温度计、压力计、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等。
四、实验步骤1. 配制反应物：按照一定比例将TiO2、Al粉、石墨粉混合均匀。
2. 将混合物装入反应管，密封反应管。
3. 将反应管放入高温合成炉，加热至设定温度（例如：1200℃）。
4. 点燃反应管中的混合物，观察燃烧波的传播过程。
5. 记录燃烧波传播速度、反应温度、压力等数据。
6. 实验结束后，取出反应产物，进行XRD、SEM等分析。
五、实验结果与分析1. 实验过程中，观察到燃烧波以自蔓延的形式传播，反应温度可达2000℃以上。
2. XRD分析结果显示，反应产物为TiAl3金属间化合物。
3. SEM分析结果显示，产物呈多孔结构，孔隙率较高。
六、影响因素分析1. 反应物比例：反应物比例对自蔓延合成效果有较大影响。
实验结果表明，在一定范围内，提高Al粉比例可以促进反应进行，提高产物的纯度和质量。
2. 反应温度：反应温度对自蔓延合成效果也有较大影响。
实验结果表明，在1200℃左右，反应效果较好。
3. 反应时间：反应时间对产物结构有一定影响。
实验结果表明，延长反应时间可以降低孔隙率，提高产物密度。
七、实验结论1. 自蔓延高温合成技术是一种简单、高效、节能的合成方法，适用于制备金属间化合物等材料。
自蔓延高温合成
自蔓延高温合成【摘要】：材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料的合成与制备也愈显重要。
本文概述了材料制备方法之一——自蔓延高温合成，其基本原理、分类、合成工艺及应用等方面，并对其研究现状及发展进行简述。
【关键词】：自蔓延高温合成技术；热爆；合成技术一、概述自蔓延高温合成技术（Self-propagating High-temperature Synthesis，简称SHS)，又称燃烧合成，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方法。
由于自蔓延高温具备以下特点：（1）工艺、设备简单，需要的能量较少，无需复杂的工艺装置，一经点燃就不需要对其提供任何能力；（2）节省时间，能源利用充分，产量高；（3）产品具有较高纯度，燃烧波通过混合料时，由于燃烧波产生高温，可将易挥发杂质（低熔点物）排除，化学转变完全；（4）反应产物除化合物及固溶体外，还可以形成复杂相和亚稳相，这是由于燃烧过程中材料经历了很大的温度梯度和非常高的冷却速度之故；（5）不仅能生产粉末，如同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品；（6）如要扩大生产规模，不会引起什么问题，故从实验室走向生产所需时间短而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品；（7）不仅可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物和亚稳相，还能够生产新产品。
下表为SHS与常规方法几个参数的比较：正因为SHS 法具有上述优点，自从自蔓延技术发展以来，得到了迅速的发展。
研究对象也从当初的高反应热的硼化物、碳化物、硅化物发展到弱反应热的氢化物、磷化物、硫化物等。
二、自蔓延高温合成原理根据SHS 燃烧波的传播方式，可将SHS 分为自蔓延和“热爆”两种工艺。
前者是利用高能点火，引燃粉末坯体的一端，使反应自发地向另一端蔓延。
这种工艺适合制备生成焓高的化合物；后者是将粉末坯放在加热炉中加热到一定温度，使燃烧反应在整个坯体中同时发生，称之为"热爆”。
自蔓延高温合成技术(课程讲义)
典型的例子是铝热反应，如:
3Cr2O3 + 6Al + 4C = 2Cr3C2 + 3Al2O3 T= 6500K
MoO3 + 2Al + B = MoB + Al2O3
T= 4000K
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe
T＞3000K
以液相密实化技术为基础发展了离心复合管制备技术
3-2.加压密实化技术
非稳态燃烧 有关的理论研究:
振荡燃烧 螺旋燃烧 混沌燃烧
低放热体系、 气--固反应体系、 复杂反应体系 合成条件变化造成的非稳态燃烧
平衡态理论: 热平衡理论 渗透燃烧理论
非平衡理论: 通过非平衡热力学理论研究和模拟 燃烧波结构的变化规律
燃烧模式的研究 方法: 燃烧合成过程的数学
模拟和实验验证
燃烧合成 →远离平衡的不可逆过程
•
温度采集: 多通道热电偶、红外温度计
•
图像采集: 高速摄影机和计算机处理
燃烧合成基础研究装置图
•全可控的自动点火功能 •过程温度、图像监测 •多点温度同步监测 •合成气氛和压力调节
1-1.无气点火过程研究
基本假设: 点火截面温度分布均匀 截面上材料物性参数不随温度变化 热损失忽略不计
对于x处的反应层，根据Fourier基本热方程，在一维方向上有:
SHS合成
燃烧产 品加工
气氛、压力 离心、点火
研磨、抛光 切割等
硼化物、氮化物等无机材料、 多相多组分材料及制品
最有效的控制手段:
1、 外加热 辅助燃烧合成 获得熔融的合成产品，强化低放热反应的合成 TiNi、NiAl、Ni3Al等
2、 掺加稀释剂 提高合成转化率，控制材料结构，改善材料可加工性 AlN、Si3N4.TiN等
自蔓延高温合成
四：自蔓延高温合成的应用 1、SHS制粉技术
让反应物料在一定的气氛中燃烧, 然后粉碎、研磨燃烧产 物, 便能得到不同规格的具有非常好的研磨性能的高质量 粉末。如制备TiC粉末。通过SHS制备的粉末，可用于陶 瓷及金属陶瓷制品的烧结、保护涂层、研磨膏以及刀具材 料等
物 ,进而进行铸造处理而获得难熔化合物的铸件。此项技术 可用于陶瓷内衬钢管的离心铸造、钻头或刀具的耐磨涂层 等。 4、SHS焊接技术
以SHS产物为焊接材料 ,通过SHS反应放出的热量 ,在焊
件对缝中形成高温液相 ,从而实现焊件的强力结合。它的优 点是能焊接其他方法不易焊接的难熔材料 ,可进行陶瓷—陶 瓷、陶瓷—金属、金属—金属的焊接。
自蔓延高温合成
樊青波
一：自蔓延高温合成的原理 自蔓延高温合成（self–propagation high–temperature synthesis，简称SHS），又称为燃烧合成（combustion synthesis）该法是基于放热化学的基本原理，首先利用外 部热量诱导局部化学反应，形成化学反应前言（燃烧波） ，接着化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，进而
燃烧波蔓延至整个反应体系，最后合成所需材料。是制备
无机化合物高温材料的一种新方法。
其反应示意图：
二：自蔓延高温合成的基本要素
1、利用化学反应放热。 2、通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所 需成份和结构的产物。 3、通过改变热的释放和传输速度来控制过程 的速度、温度、转化率和产物的成份及结构。
三：自蔓延高温合成技术的优点
5、SHS涂层技术
利用SHS熔铸技术可获得涂层 ,但涂层较 厚。而利用气相传输SHS可以在金属、陶瓷 或石墨等材料表面形成一层 2～150μｍ厚的 耐磨耐蚀涂层。对于不同的递碳 ,
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。
自蔓延高温合成技术的原理及应用(材料工程新工艺新技术)
自蔓延高温合成技术的原理及应用摘要：自蔓延高温合成技术在材料的合成与制备中应用非常广范，本文主要介绍自蔓延高温合成技术的发展背景和原理，并概述该技术在材料合成与制备中的应用和发展前景。
关键词：自蔓延高温合成；原理；应用、发展前景The principle and application of self-propagatinghigh-temperature synthesis technologyAbstract:It is widely used of self-propagating high-temperature synthesis technology in the synthesis and perparation of materials, this article mainly introduces the background of development and principle of self-propagating high-temperature synthesis technology, and then summarize the application and the prospect in developing in materials synthesis which is used this technology.Key words: self-propagating high-temperature synthesis; principle; application; prospect in developing1.前言自蔓延高温合成技术[1]（Self-propagating High-temperature Synthesis ，简称SHS ）是前苏联科学家A. G . Merzhanov 于1967年道次提出的一种材料合成新工艺，又称为燃烧合成。
Merzhanov 发现化学反应：mol kJ TiB B Ti /28022+→+具有点火后不需要外界能量就可持续燃烧并从一端向另一端传播，使Ti 与B 的混合物反应生成TiB 2化合物， 从而合成硬质陶瓷TiB 2粉末这种新材料。
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。
自蔓延高温合成法技术研究
自蔓延高温合成法技术研究陈起龙（南通大学机械工程学院，江苏南通，226000）【摘要】对自蔓延高温合成技术(SHS)的最新研究动态进行了介绍,指出SHS技术作为一种制备和合成材料的新技术,以其高效、节能、经济、材料性能优良等优点,现已成为制备新材料的崭新途径,并提出自蔓延高温合成技术今后的研究方向。
【关键词】自蔓延高温合成;新材料;结构材料;功能材料；应用研究中图分类号: TB39; TG148文献标识码: AResearch Situation of Self-propagating H igh-temperature SynthesisCHEN Qi-long（Nantong university college in mechanical engineering ，Jiangsu nantong ，226000）Abstract:The progress on current research of self-propagating high-temperature synthesis is introduced. Due to some advantages, such as high performance, energy-saving, low cost and so on, the SHS process has already been a newmethod of fabricating advancedmaterials and it is suggested that the development ofself-propagating high-temperature synthesis and technology lies in the investigation and developmentofnewmaterials fabricated by the SHS process.Key words:Self-propagating high-temperature synthesis; New materials; Structural materials; Functional materials; Application research1. 自蔓延高温合成技术原理自蔓延高温合成(Self-propagating High-tem-perature Synthesis，缩写SHS)技术，是利用化学反应自身放热，依靠燃烧波自我维持，并通过控制自维持反应速度、燃烧温度、反应转化率等条件，进而获得具有指定成分结构产物的一种新型材料制备技术。
自蔓燃高温合成技术
二、原理-动力学
在该技术研究初期，大多人认为燃烧理论和自蔓燃的理论是一 致的，没有什么区别，即认为最终产物是在燃烧波过程产生的 放热阶段时形成的，在燃烧波完成后，反应产物也即中止了。 但1975 年，前苏联科学院结构宏观动力材料科学研究所的 Borovinskaya 教授对此提出了不同看法。她认为：在燃烧过程 中有可能会存在中间产物，在一定温度或其他条件下，中间产 物进一步发生转变，形成了最终产物。也即最终产物是在燃烧 波发生后的一段时间才形成的，即在该温度下无法形成最终的 产物。中间过程发生的一系列反应和变化，就要有自蔓燃高温 合成动力学来解决。自蔓燃动力学的参量主要有燃烧速度、反 应速率、燃烧波速率等。
三、工艺 -SHS离心技术
通过对高放热体系 (研究较多的铝热反应 :A1+Fe2O3)施加离心力 控制燃烧过程， Al+Fe2O3反应形成氧化铝，由于离心作用， Fe 沉积，形成氧化铝层，提高了钢管的耐磨性和耐蚀性。该方法 可以制备复合管材、块状材料，平面涂层。
三、工艺 -SHS+传统技术
传统技术与反应放热的 SHS的结合，发展了一些传统技术和设 备。如在常规烧结炉上加热并利用反应放热烧结制备金属间化 合物的反应烧结技术；在传统热压机上即利用外热又利用自发 放热进行热压的反应热压；在传统热等静压机上依靠外热和自 发放热进行致密化的的反应热等静压。
三、工艺 -SHS焊接
将SHS 反应物料放在焊接件的对缝中，通电点燃后，施加压力 就可以进行陶瓷 -陶瓷、陶瓷 -金属、金属 -金属的焊接，目前该 技术基本处于实验室研究阶段，研究较多的是焊接异型材料， 如陶瓷和金属的焊接。
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。
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。
自蔓燃高温合成技术
四、应用-陶瓷
自蔓燃的优势领域集中在以下几个方面： (1)陶瓷 SHS合成的陶瓷粉末可以直接应用，也可以作为原料，通过传 统的成形、烧结技术制备致密材料。常见的陶瓷材料有：碳化 物(B4C, SiC, WC)、氮化物(Si3N4、A1N、BN),硅化物(MoSi2)以 及复相陶瓷。可用于拉丝模、刀具、耐火等领域。
自蔓燃高温合成技术பைடு நூலகம்
----蔡永丰
定义 原理 工艺 应用 实例
一、定义
自蔓燃高温合成技术（英文：Self-propagating High-temperature Synthesis，简写SHS），是利用化学反应自身放热制备材料的 新技术。该法是利用两种以上物质反应的生成热，以连续燃烧 的形式形成的高温来合成材料的，在合成的过程中，某些元素 的价态可能发生改变。
五、举例
自蔓燃制备氮化硅粉体实质上是硅粉直接氮化结合了化学气相合成方 法，工作原理是在高氮压的反应器中通过引燃混合料(金属粉体和稀 释剂等)的一部分，利用金属粉体与氮气的自维持放热反应所产生的 热量，引导混合料完全反应。其工艺特点是基本不需外热源，反应时 间短，粉体后处理工艺简单，制得的粉体相含量高，质量稳定，杂质 含量少，烧结活性高。
二、原理-热力学
SHS过程是一种特殊条件下的化学反应，对燃烧体系进行热力 学分析是研究SHS过程的基础。热力学从能量上判断反应能否 点燃及自我维持，其主要任务是计算绝热燃烧温度。
绝热燃烧温度是指在不考虑热散失的情况下燃烧体系所能达到 的最高温度。它是判断燃烧反应能否自我维持及产物的相状态 的定性依据。在如下假定下:
自蔓燃合成氮化硅粉体时，由于氮化硅的绝热燃烧温度高于氮化硅的 分解温度(10MPa时2430℃)和硅的熔点(1420℃)，因此合成时硅粉中 须加入氮化硅粉体作为稀释剂，以此来降低燃烧温度，合成中加入 10%-65%的氮化硅粉体稀释剂(质量分数)。反应物料散装在半圆形石 墨舟中，在高氮压下合成。
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是一种高效的合成新材料的方法，它可以通过一系列的化学反应，在高温条件下将粉末状材料转变为块状或薄膜状材料。
本文将介绍自蔓延高温合成法的原理、优点和适用范围。
自蔓延高温合成法是一种通过化学反应自我传播的方法。
传统的化学合成法中，需要在反应器中加入化学物质，通过加热或其他手段促进反应的进行。
而自蔓延高温合成法则是将化学物质混合后，使其在高温条件下自我传播，从而实现材料的合成。
在自蔓延高温合成法中，通常需要将粉末状的化学物质混合并压制成块状或薄膜状。
然后，在高温条件下进行反应，反应过程中产生的高温和化学反应会使材料自我传播，从而实现整个样品的均匀合成。
这种自我传播的过程，类似于火焰传播，因此也被称为“自燃合成法”。
自蔓延高温合成法的优点在于其高效性和节约成本。
相比于传统的化学合成法，自蔓延高温合成法不需要反应器等大型设备，只需要将化学物质混合压制后加热即可。
此外，自蔓延高温合成法还可以通过控制反应条件，实现材料的微观结构调控和表面形貌控制。
自蔓延高温合成法适用于各种材料的合成，如金属、陶瓷、复合材料等。
其中，金属材料的自蔓延高温合成法被广泛应用于制备新型高强度、高韧性的金属材料。
陶瓷材料的自蔓延高温合成法则可以实现高纯度、均匀结构的陶瓷材料合成。
复合材料的自蔓延高温合成法可以实现不同材料间的均匀混合，从而得到具有优异性能的复合材料。
虽然自蔓延高温合成法具有许多优点，但它也存在一些缺点。
例如，反应中需要高温，因此需要对反应器进行高温加热，这可能会导致反应器的烧毁或其他安全问题。
此外，自蔓延高温合成法的反应速度较快，如果反应条件控制不当，可能会导致材料合成不完全或出现其他问题。
自蔓延高温合成法是一种高效、节约成本、适用范围广的新型合成材料方法。
在未来的材料合成领域，自蔓延高温合成法将会得到更广泛的应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
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自蔓延高温合成技术的原理及应用摘要：自蔓延高温合成技术在材料的合成与制备中应用非常广范，本文主要介绍自蔓延高温合成技术的发展背景和原理，并概述该技术在材料合成与制备中的应用和发展前景。
关键词：自蔓延高温合成；原理；应用、发展前景The principle and application of self-propagatinghigh-temperature synthesis technologyAbstract:It is widely used of self-propagating high-temperature synthesis technology in the synthesis and perparation of materials, this article mainly introduces the background of development and principle of self-propagating high-temperature synthesis technology, and then summarize the application and the prospect in developing in materials synthesis which is used this technology.Key words: self-propagating high-temperature synthesis; principle; application; prospect in developing1.前言自蔓延高温合成技术[1]（Self-propagating High-temperature Synthesis ，简称SHS ）是前苏联科学家A. G . Merzhanov 于1967年道次提出的一种材料合成新工艺，又称为燃烧合成。
Merzhanov 发现化学反应：mol kJ TiB B Ti /28022+→+具有点火后不需要外界能量就可持续燃烧并从一端向另一端传播，使Ti 与B 的混合物反应生成TiB 2化合物， 从而合成硬质陶瓷TiB 2粉末这种新材料。
于是将这种快速燃烧模式称为“固体火焰”，称这种依靠反应自身放热来合成材料的技术为自蔓延高温合成技术。
按照该技术创始人Merzhanov 的说法，该技术就是利用任何具有化学反应特性的燃烧过程来合成具有实用目的、有价值的致密产品。
SHS 技术是在高真空或介质气氛中点燃原料引发化学反应，反应放出的热量使得邻近物料的温度骤升，从而引起新的化学反应，并且反应以燃烧波的形式蔓延至整个反应物，当燃烧波向前推进的时候，反应物逐步反应而变成了产物。
同其他常规工艺方法相比，SHS 具有以下优点[2]：（1）SHS 技术制备工艺相对简单，节约能源。
利用外冲毁能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波持续下去，因此制造成本低，只有传统方法费用的30%～45%（2）合成产物污染少，产品纯度高。
反应过程的高温可以蒸发掉低沸点的杂质，所以得到的产物纯度比较高，由于升温和冷却速率很快，温度梯度高，易于存在高浓度缺陷和非平衡结构，反应后可获得常规技术难以获得的高活性的亚稳态产物及复杂相，结合传统的熔铸、挤压等技术还可以得到形状复杂的近无加工余量的零部件。
（3）反应快。
自蔓延高温合成是一个极短的过程，从反应被引发到燃烧结束，整个过程只需几秒钟到几分钟，所以这是传统烧结方法无法比拟的。
另外，因为反应时间短，所以燃烧合成时对气氛要求不高。
2.SHS 技术的原理2.1SHS 的化学反应原理通常，燃烧反应可解释为某种元素与氧高速反应，从而释放出大量热能[3]。
在SHS 中，把认为具有任何化学特征并能生成具有实用价值的凝聚物的放热反应称为燃烧。
SHS 技术中选用的能够相互作用的物质可以是各种聚集状态，但燃烧产物在冷却之后都是固态物质，如碳化物、硼化物、氮化物等难熔化合物，这些化合物键能高，形成时可释放出大量热量，而且稳定性高。
其反应形式主要有直接合成法和铝热、镁热合成法。
前者是利用金属、非金属单质在一定条件下直接反应生成难熔金属间化合物和金属陶瓷，如TiB 2、TiC 、BN 等；后者是采用镁、铝等活泼金属把金属或非金属元素从其他氧化物中还原出来，然后通过还原出的元素之间的相互反应来合成所需的化合物。
例如：Q MgO CrB O B O Cr Mg ++=++6263232（1）Q O Al Al Fe FeB O B O Fe Al +++=++3233232522412（2）在上述反应中CrB 、FeB 和Fe 3Al 皆为所需要的金属间化合物，而MgO 和Al 2O 3则为反应副产物，由于其密度不同，可依靠重力实现相分离。
2.2SHS的燃烧传播原理SHS反应体系要通过一定的方式点燃，达到体系着火温度后，才能开始强烈燃烧合成反应。
目前常用的点火方式有电弧点燃法、电炉加热点燃法、光点燃法、高频加热点燃法、微波加热点燃法。
当粉末混合物预热达到着火温度时，整个反应体系开始被引燃，依靠反应区的剧烈反应放出的大量热量致使靠近反应区的未反应区预热，当预热区达到火温度时又开始反应，从而使燃烧波推移前进，燃波的蔓延过程可以看作是逐层瞬间点火过程[4]。
3.SHS技术的应用3.1．SHS涂层技术的应用SHS涂层技术有五种工艺[5]：一是熔铸沉积涂层：在一定气体压力下，利用燃烧合成反应在金属工件表面形成高温熔体同金属基体反应后，生成有冶金结合过渡区的防护涂层，过渡区的厚度一般为0.5mm以上，其中SHS硬化涂层技术已在耐磨件中得到应用；二是气相传输燃烧合成涂层：通过气相传输反应，可以在金属表面形成10μm～250μm厚的金属陶瓷涂层；三是离心燃烧合成涂层：将被涂物（如钢管）内装满能进行燃烧合成反应的粉体，利用离心力使其旋转的同时，点燃粉体进行燃烧合成反应，从而在物体表面涂上一层物质，是一种已实用化的涂层技术；四是喷射沉积涂层：利用传统热源熔化并引燃高放热体系喷涂原料的SHS反应，将合成放出的熔滴经雾化喷射到基材表面而形成涂层的技术；六是自反应涂层：指被涂覆工件所含全部或部分化学成份作为原始反应物之一，与预涂于工件表面的另一反应物发生SHS反应而在工件表面形成涂层的技术。
3.2．SHS制粉技术的应用SHS制粉工艺可分为两类：一是化合法：气体合成化合物或复合化合物粉末的制备；二是还原法：由氧化物或矿物原料、还原剂和元素粉末，经还原化合过程制备粉末。
采用无气燃烧合成或渗透燃烧合成制成产物，然后将产物粉碎，研磨和筛分而获得各种碳化物、硼化物、氮化物、硫化物、硅化物、氢化物、金属间化合物等粉末。
由于SHS 过程温度高、时间短，SHS 粉料比传统方法的粉料烧结活性更高。
高质量的SHS粉末可以用于陶瓷及金属陶瓷制品的烧结、保护涂层、研磨膏以及刀具制造中所用的原材料。
赵九蓬[6]等人采用自蔓延高温合成方法制备Ni-Zn软磁铁氧体粉体，并用XRD、TEM、VSM等对粉体的微观结构，相组成和磁性能进行表征，结果表明，在1000℃下燃烧可以制得理想的Ni-Zn 软磁铁氧体粉体，用SHS方法可以取代传统铁氧体工艺中的预烧环节，并有望进行工业推广。
3.3．SHS技术在粉末冶金材料中的应用为了提高铁基材料的强度，使其适应一些对强度要求较高的场合的应用，学者们进行了两方面的研究：一是在铁粉中加入一些合金元素，如Cr、Mn、Mo 等来强化铁基粉末冶金材料；另一方法是在铁粉或合金粉末中加入陶瓷颗粒增强相，以进一步增强铁基材料。
目前，第一种方法效果比较明显，但还未能完全满足要求。
后一种方法是在第一种方法的基础上进行的，但目前效果不太理想，主要是由于陶瓷相和金属相之间性质的差异，导致陶瓷相的分散性以及混合粉末的成型性较差，从而影响增强效果。
另外，加入陶瓷相后，对烧结温度要求较高，一般要在较高的温度下进行烧结才能得到较好的效果。
这样难以在生产实践中推广应用。
因此，如何解决陶瓷相加入后的分散性与成型性及烧结温度的问题，并能较大地改善机械性能，是有待于进一步研究的内容。
邹正光[7]等人采用自蔓延高温合成技术合在了TiC/Fe(Mo)复合粉末为增强相增强铁基粉末冶金材料，并探讨了复合增强粉末中金属相的种类、含量对增强相结构及烧结复合材料性能的影响，结果表明，Fe、Mo加入量为10%～20%（质量分数）时的TiC/Fe(Mo)粉末具有较好的增强效果。
3.4．SHS技术在陶瓷领域的应用SHS技术在陶瓷领域的应用非常广范，例如采用SHS技术合成YBa2Cu3O7-x 这种超导体材料时，将Cu、BaO2和Y2O3混合好，压成30%－40%理论密度的样品，放入一个大气压的氧气氛下，用钨丝点燃，燃烧波通过样品后反应结束，将此样品在氧气中于930℃烧结8h后就得到了反应很完全的YBa2Cu3O7-x，它的零电阻为89.5K[8]。
再如，SHS技术在制备陶瓷内衬复合钢管的应用中，利用Al2O3陶瓷具有高硬度和高强度的优点制备出的复合陶瓷材料具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，对于以内圆为工作面的部件来说，用传统方法很难做到很大的长度尺寸，而利用SHS离心法却可以制作几米长的复合陶瓷内衬钢管，而且由于后期的工艺性能较好，还可以制得各种角度的管道弯头。
SHS技术在陶瓷领域的应用不仅这些，它在碳化钛－氧化铝复合陶瓷以及碳化钨陶瓷的制备中也有较广范的应用。
3.5．HS技术在焊接方面的应用SHS焊接是指利用SHS反应放热及其产物来焊接的技术。
SHS焊接可用来焊接同种和异型的难熔金属、耐热材料、耐蚀氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷、金属间化合物。
其工艺方法是根据母材或接头的性能配制粉末焊料，可采用梯度材料(FGM)焊料，在原料中加入起增强作用的添加剂或降低燃烧温度的惰性添加剂，控制高温对母材、增强相的热损伤．然后加热引发SHS，同时施加一定的压力，进行焊接[9]。
例如SHS技术用于同类材料的焊接时，由于焊接迅速，放热均匀，因此可避免母材发生再结晶，保持其性能稳定。
SHS技术用于异类材料的焊接时，通过合成梯度功能材料来实现金属与陶瓷的焊接，也缓解由于母材之间热膨胀系数不匹配产生的残余热奕力。
4.SHS技术的发展前景SHS技术以其高效、节能、经济和所得材料性能良好等特性而受到重视，但由于这一过程的复杂性，许多成果还是初步的，除采用SHS熔铸涂层技术制备陶瓷内衬复合管已产业化外，其它表面涂层技术仍处于实验研究阶段，未能满足日益发展的实际需要，阻碍了SHS在工业生产中的应用。
因此，今后的发展方向主要是扩大SHS在各行业的应用，并着重加强SHS技术在新涂层体系、SHS 理论研究、SHS技术制备材料的实际应用问题和SHS涂层技术产业化研究等方面的科研和投入[10]。