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
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
（1）SHS过程热力学 燃烧体系进行热力学分析是 SHS研究过程 的基础。绝热燃烧温度是描述SHS反应特征的 最重要的热力学参量。它不仅可以作为判断反 应能否自我维持的定性判据，并且还可以对燃 烧反应产物的状态进行预测并且可为反应体系 的成分设计提供依据。 Merzhanov 等人提出 以下经验判据。
1 概述
自 蔓 延 高 温 合 成 (Self-Propagating High Temper-ature Synthesis,SHS), 也 称 燃 烧 合 成 (Combustion Syn-thesis,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 , 参与反应的物质可处于 固态、液态或气态,但最终产物一般是固态。
2 国内外研究现状
目，支持SHS研究开发。1994年，在武汉召 开了第一届全国燃烧合成学术会议。我国的 SHS产业化成果也得到了国外同行的高度评 价。我国研制的陶瓷复合钢管年产近万吨。 近年，我国在SHS领域加强了与国外的合作 与交流，发表的SHS方面的文章数目仅次于 俄、美,与日本相近，我国台湾学者在SHS粉 末和不规则燃烧方面也取得了引人注目的科 研成果。
2 国内外研究现状
国外研究情况 1967年,苏联科学院化学物理研究所宏观动 力 学 研 究 室 的 Borovinskaya, Skior 和 Merhanov 等人在研究钛和硼的混合粉坯块的 燃烧时，发现“固体火焰”，后又发现许多金 属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈的 放热反应；1972年,该所建立了年产10～12 t难 熔化合物粉末的 SHS中试装置； 1973 年，苏联 开始将SHS产物投入实际应用，并召开了全苏
自蔓延高温合成技术资料
自蔓延高温合成技术10粉（1）张凯 1003011020 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,在粉体合成及陶瓷的制备等方面充分显示其优越性. 文章对自蔓延高温合成技术的概念、自蔓延高温合成的燃烧理论作了简要介绍，并整理总结自蔓延高温合成(SHS) 技术的发展和国内外研究概况,包括制备工艺、应用领域等，同时分析了自蔓延高温合成技术的最新研究动向。
关键词：自蔓延高温合成；燃烧合成；SHS技术；SHS理论；应用1 引言自蔓延高温合成(Self - Propagating High Temperature Synthesis,简称SHS)，也称燃烧合成(Combustion Synthesis ,CS) 是利用反应之间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,便会自动向未反应区传播,直至反应完全。
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,参与反应的物质可处于固态、液态或气态,但最终产物一般是固态.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是一种速的合成过程; ②具有节能效果; ③可提高材料的纯度;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国内外研究概况人们很早就发现了化学反应中的放热现象, 在上个世纪就已发了气-相和固-相的燃烧合成现象。
1892 年,Mo issen 叙述了氧化物和氮化物的燃烧合成。
1895 年, Go ldchm idt 用铝粉还原碱金属和碱土金属氧化物, 发现固2固相燃烧反应, 并描述了放热反应从试料一端迅速蔓延到另一端的自蔓延现象。
本世纪铝热反应已经得到工业应用。
但是, 将燃烧合成和冶金、机械等技术结合起来, 发展成为具有普遍意义的制备材料新技术并用于工业生产, 还应归功于原苏联科学家的努力。
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。
8自蔓延合成讲解
二、 自蔓延合成方法原理
2.1 自蔓延合成方法的概念
自蔓延高温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做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。
自蔓延高温合成反应过程如图8.1所示。
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图8.1 SHS反应模式示意图
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对于弱放热反应体系来说，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。这 些化学激活剂有KNO3+Al、BaO2、NH4NO3等。
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5．合成转化率
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颗粒大小对合成转化率的影响主要表现在颗粒增大到 一定程度后，转化率明显下降。在Ti5Si3的合成中，当 钛粒度大于100μm时，合成产品由Ti5Si3变为Ti5Si3+Ti。 金属间化合物FeAl的合成研究也反映了同样的规律。 当铁粉粒度小于30μm时，合成产品中Fe2Al5减少而以 FeAl为主。
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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。
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一、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。
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。
高温合成
1.1 SHS的定义
利用外部热源将原料粉或预先压制成 一定密度的坯件进行局部或整体加热，当 温度达到点燃温度时，撤掉外部热源，利 用原料颗粒发生的固体与固体反应或者固 体与气体反应放出的大量反应热(如铝热 反应)，使反应得以继续进行，最后所有 原料反应完毕原位生成所需材料。从其技 术特点和技术初始过程来看，主要来源于 化学燃烧过程，所以按美国学者的称谓， 又称为燃烧合成(Combus-tion Synthesis, 缩写CS)。
1.2 SHS的特点
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。 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。 产生的 高温， 可将易 挥发杂 质排除， 使产品 纯度高。 可能实 现过程 的机械 化和自 动化。 成本低， 经济效 益好。
自蔓延高温合成
李宗亮
应用化学专业
自蔓延高温合成的概述
SHS技术的应用实例
SHS的优缺点
SHS的发展前景
1 自蔓延高温合成（SHS）的概述
SHS的发展史：
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。 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。 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。 1967年，前苏联科学院物理化学研究所Borovinskaya、 Skhiro和Merzhanov等人提出自蔓延高温合成技术（Selfpropagating high-temperaturesynthesis，SHS）。 我国从1986年起也开始了这方面的研究。
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。
自蔓延高温合成技术的发展与应用
、Ｈ＝ 、・； ： 一Ｎ瓜 ： Ｎ广 ・ ０ ２ Ａ ，＋。 ，
Ｄ，Ｊ Ｔ ｖＢＪＵＴ Ｈ＋Ｔ＇ ＋Ｈ＋：ｐ Ｃ Ｐ ｄ ｄ
式 伟， ，Ｃ ， 分别为反应物的 ｏ 中： 已 ，ｒ心 、 低温ｔ
态、 高温固态、 液态和气态的摩尔热容；ｔ相变 Ｔ： ｒ 温度 Ａ ， Ｈ 为相变热；ｍ ； Ｔ 为熔点； ｍ Ｈ Ａ 为熔化热； Ｔ 为沸点； 为汽化热。 Ｂ Ｈ ＡＢ
方式。
（） 燃： １ 化学自 这类着火通常不需外界给以加 热， 而是在常温下依靠自 身的化学反应发生的。 （） 燃： 如果将燃烧和氧化剂混合物均匀 ２热自 地加热， 当混合物加热到某一温度时便着火， 这时 是在混合物的整个容积中着火， 称为热自 燃。 （） ３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
麟麟 １ ａ ＇ｘ ｀ ｝ ；ｉ ｌ 瞧ｗｒ ｉ ｔ 徽 ． 俏翔脚ａ脚脚城嘿 ｈ Ｎ Ｉ ｎ ｝
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。
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２ 热 火 ． 点 理论 ４
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过渡称做 熄火。 着火的方式很多， 一般可分为下列 ３ 类着火
或涂层， 并于１ ９ ９ 年开始工业化生产 Ｍｓ 粉末 ７ ｏ： ｉ
和加热元件； ８ 年，ｅ ａ ｖ １ ４ Ｍ ｒ ｎ 等提出结构宏观动 ９ ｈｏ 力学的概念， 研究燃烧合成过程中的化学转变、 热
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。
采用自蔓延高温合成法进行陶瓷内衬复合管制备
采用自蔓延高温合成法进行陶瓷内衬复合管制备1.自蔓延高温合成技术自蔓延高温合成技术(Self-propagating high-temperature synthesis technology，简称SHS) [1]又称燃烧合成技术。
是一种依靠化学反应过自身放热来制备材料的新技术，即外加能源(电热或激光等)触发点火剂燃烧，进而引发反应物料(气相-固相，固相-固相，液相-固相等)自发高速反应、放出热量，反应由局部以燃烧波的形式自动蔓延至整个体系，最后获得新的合成材料。
反应物可以是元素粉末相互直接混合或元素粉末与气体，也可用金属氧化物和还原剂及非金属粉末的混合物反应生成热能维持反应持续进行。
反应产物必须是稳定的化合物。
现在人们已经使用该法制备处数百种化合物，像各种金属的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、氧化物、氢化物等。
SHS技术也已经发展成了SHS制粉技术、SHS致密化技术、SHS熔铸技术、SHS焊接技术、SHS涂层技术等。
图1-1 自蔓延高温合成过程示意图1.1自蔓延高温合成技术的基本原理氧化物Fe2O3和铝粉发生如下化学反应：Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 + 828.42 KJ这是一个最简单、最典型的铝热反应，并且是一个强放热反应，其反应的绝对温度为3735K．其方法是首先将原料混合，然后利用外热源在原料粉体局部点火，燃烧反应从点火处自发蔓延开。
在反应开始部分的背后存在着高温合成区(1500℃—4000℃)，由高温合成区不断提供热量来诱发下一步反应，直至原料粉体合成反应完为止，这就是SHS技术的基本原理。
SHS是一高放热的化学体系经外部能量诱发的局部化学反应(点燃)，形成其前沿(燃烧波) 使化学反应持续蔓延直至整个反应体系，最后达到所需材料合成目的的技术。
SHS本质上是一个剧烈的物理化学反应过程，SHS燃烧反应绝热温度(T ad)是在假设体系没有质量和能量损失条件下(绝热反应)，化学反应放出的热量使体系能达到的最高温度。
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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2 国内外研究现状
国内研究情况
我国在 70 年代初期利用 Mo-Si 的放热反应 制备了 MoSi2 粉末。 1983 年，利用超高反应 烧结制备CBN硬质合金复合片。80年代中后期， 西北有色金属研究院、北京科技大学、南京电 光源研究所、武汉工业大学、北京钢铁研究总 院等单位相继展开了SHS研究。 Munir教授和 Borovinskaya教授曾分别应邀在北京科技大学 和北京有色研究总院介绍了 SHS 。“八五”期 间，国家863计划新材料领域设立SHS技术项
1 概述
自 蔓 延 高 温 合 成 (Self-Propagating High Temper-ature Synthesis,SHS), 也 称 燃 烧 合 成 (Combustion Syn-thesis,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 , 参与反应的物质可处于 固态、液态或气态,但最终产物一般是固态。
3 自蔓延高温合成技术理论
（1）SHS过程热力学 燃烧体系进行热力学分析是 SHS研究过程 的基础。绝热燃烧温度是描述SHS反应特征的 最重要的热力学参量。它不仅可以作为判断反 应能否自我维持的定性判据，并且还可以对燃 烧反应产物的状态进行预测并且可为反应体系 的成分设计提供依据。 Merzhanov 等人提出 以下经验判据。
2 国内苏联科学院化学物理研究所宏观动 力 学 研 究 室 的 Borovinskaya, Skior 和 Merhanov 等人在研究钛和硼的混合粉坯块的 燃烧时，发现“固体火焰”，后又发现许多金 属和非金属反应形成难熔化合物时都有强烈的 放热反应；1972年,该所建立了年产10～12 t难 熔化合物粉末的 SHS中试装置； 1973 年，苏联 开始将SHS产物投入实际应用，并召开了全苏
80 年代初，苏联的 SHS 成就引起外界的 注意 。 美国 Mccauley ， Holt 等人的 SHS 研 究也得到了美国政府DARPA计划的支持。
2 国内外研究现状
Munir 和 Holt 分别也对 SHS 和反应烧结作了许 多的研究工作。1988年在美国召开了“高温材 料的燃烧合成和等离子合成”国际会 议,Merhanov应邀作了关于SHS的长篇报告,促 进了SHS的国际交流。80年代初，日本的小田 原修，小泉光惠和宫本钦生等开始 SHS 研究。 1987 年日本成立燃烧合成研究协会。 1990 年， 在日本召开了第一次日美燃烧合成讨论会， Merhanov 应邀作了报告。目前，日本研究的 陶瓷内衬钢管和 TiNi 形状记忆合金已投入实际 应用。
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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。
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（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：
2 国内外研究现状
SHS会议; 1987年，苏联成立成立SHS研究中 心，此前苏联几十个城市都有 SHS 研究机构。 据 1991 年的统计，前苏联有 150 多个单位， 800多人发表了SHS方面的论文。工业生产的 SHS产品有TiC磨料、MoSi2加热元件、耐火 材料、形状记忆合金、硬质合金等， 1996 年 开始规模生产铁氧体。
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过渡称做熄火。 着火的方式很多，一般可分为下列三类着 火方式： 化学自燃。 这类着火通常不需外界给以加 热，而是在常温下依靠自身的化学反应发生 的。 热自燃。如果将燃烧和氧化剂混合物均匀地 加热，当混合物加热到某一温度时的便着 火，这时是在混合物的整个容积中着火，称 为热自燃。
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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
2 国内外研究现状
目，支持SHS研究开发。1994年，在武汉召 开了第一届全国燃烧合成学术会议。我国的 SHS产业化成果也得到了国外同行的高度评 价。我国研制的陶瓷复合钢管年产近万吨。 近年，我国在SHS领域加强了与国外的合作 与交流，发表的SHS方面的文章数目仅次于 俄、美,与日本相近，我国台湾学者在SHS粉 末和不规则燃烧方面也取得了引人注目的科 研成果。
式中 :CpCcpCdpCep 分别为反应物的低温固 态、高温固态、液态和气态的摩尔热容.
3 自蔓延高温合成技术理论
(3)SHS产物平衡成份的确定 目前有两种计算 SHS 产物平衡成份的算 法，一种是简化算法，另一种是精确算法，在 此基础上可以通过简化推出其它算法。 首先设定SHS产物的化学成份，其设定方 法一般只考虑所关心的生成物，绝热燃烧温度 也是以上述假定下的化学反应所放出的热量为 基础进行的。这种算法对生成物较简单的SHS 体系，特别是生成物较单一的体系是比较有效 的，但对于具有多元的SHS体系，因其产物也
目录
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Contents
概述 国内外研究现状 SHS法技术理论 SHS 法的设备概况 SHS 法的特点
6 SHS 法的技术类型 7 SHS 法存在的问题 8 SHS 法的发展动向 9 结束语
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,在很多材料及工件内 衬的制备等方面充分显示其优越性。文章对 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 成的技术理论,对自蔓延合成技术的设备、特 点、主要的技术类型以及存在的问题等作了 较为详尽的说明。