陶瓷内衬

自蔓延高温合成法制备陶瓷内衬管

摘要以自蔓延高温合成内衬管技术为研究对象，综述了SHS离心—铝热法、SHS重力分离—铝热法制备陶瓷和其它先进材料的方法。同时，对SHS反应特征及理论也做了简述。

关键词自蔓延高温合成；陶瓷内衬管；离心—铝热法;重力分离—铝热法

《中国图书资料分类法》分类号TB 321

The Ceramic Lined Pipes Made by SHS Process

Li Shuhua Wang Jianjiang Yin Yujun Wang Shuangxi Li Junshou Department of Fundamental Science，

Institute of Ordnance Engineering,Shijiazhuang,050003

Abstract This paper,oriented to the study of the technique of ceramic lined pipes produced by SHS process, summarizes the research that has been undertaken in the new processing methods of the production of engineering ceramic by using advanced materials,SHS centrifugal therimit and SHS gravitational thermit seperation.It also briefly introduces the theory and characteristics of SHS process.

Key words SHS,centrifugal-thermit process,gravitational separation-thermit process ceramic lined pipes.

自蔓延高温合成(self propagating high-temperature synthesis 简称SHS)是一种利用化学反应放热使反应持续地进行合成新材料的方法。由于该方法工艺简单、纯度高［1］，可制备金属间化合物、复合材料、碳化物等许多材料。所以自60年代末在原苏联单独列为一个学科以来，逐步为各国所重视并得到了迅速发展。自80年代后期开始，我国也出现了研究自蔓延高温合成技术的高潮，并取得了令人瞩目的结果。目前自蔓延高温合成技术已发展成为同粉末冶金、冶金、铸造、焊接、表面技术等互相结合又自成体系的材料制备技术［2］，并已成功地用于工业生产。

本文根据高温合成陶瓷内衬管方法的不同讨论了离心与非离心SHS 法制备陶瓷内衬管技术、SHS特征和基本理论。

1 SHS特征及理论基础

SHS技术的显著特点是工艺简单、节能、高效和产品纯度高。鉴于SHS工艺能自己维持反应，它必然与高温反应有关。而描述高温反应的重要参数是燃烧绝热温度(T

)。这个热力学参数定义为：在绝热条件下，

ad

反应释放热使产品受到加热而到达的温度。如以下述反应为例［2］：

（1）

此处固态金属M与固态非金属X反应生成固态产物MX。其绝热温度可用下式计算：

（2）

式中为在T

0温度下MX（s）的生成焓；C

P

（MX）为固态产物

的摩尔热容量。但如燃烧产物是处于部分或全部熔化时，则应对绝热温度的计算方法做适当修正。

如果我们将燃烧波描述为通过反应混合物的反应传播面，那么只有通过添加一定的能量将反应物的温度升到点燃温度后，这种反应才能开始进行。燃烧波就以稳态的速度进行传播，建立起如图1所示的温度、转化率和热产生速率分布图［2］。

图1 燃烧波中温度T，转化率η和热产生速率φ的示意图

由图可见，燃烧波自右向左传播，燃烧波前面的区域是热影响区，该区域内温度从T

上升至点燃温度，热产生速率和转化率由0逐渐上升

直至进入反应区，在反应区(δ

W

)内实现由反应物结构转化为产物结构，当转化率为1时，反应进入产物区。图1模型是建立在假定反应区出现完全转化成产物波结构的理想条件下。如果燃烧反应受动力学或结构动力学控制，则燃烧反应并不限于燃烧波面处，而是在波面通过之后反应仍在进行，这种情况如图2所示［2］。

图2所描述的是反应受强烈的动力学状态控制的情况。其反应与图1所示的稳态反应完全不同，热生成函数(热产生速率)φ分为两部分，

一部分在性质上与图1相同，另一部分是指从φ

f

点开始向右按指数递减的衰减函数。

图2 在燃烧波和后烧过程中的温度(T)，

转化率(η)及热产生速率(φ)的示意图

SHS一旦燃烧反应开始，就以燃烧方式自动蔓延过整个反应物。如果燃烧前沿存在平滑平面，以一定的线速度逐渐蔓延，称之为稳态燃烧。但由于热力学和动力学原因，稳态燃烧会受到破坏转移为非稳态燃烧，甚至熄灭。这两种燃烧方式的界限可由参数α确定［3、4、5］。

（3）

α＞1时为稳态燃烧。

式中，T

c 为燃烧温度，E为反应过程激活能，C

p

为产物的等压摩尔热

容，q为反应热。

当波结构相当于在较薄的反应区(δ

W

)内出现完全转化成产物的波结构时，可根据有热源的Fourier一维方程求解燃烧前沿蔓延速率。考虑化学动力学和扩散动力学可得到如下形式燃烧波传播速度的表达式［6、7、8、9］

（4）

式中，f(n)为反应动力学级数(n)的函数；T

c

为燃烧温度(即，绝热

温度的实际值)；R为气体常数；k

为常数；E 为过程的激活能；q为反应热。

考虑动力学过程受扩散控制，Hardt和Phung［10］做了这样一个简单的假设：反应物的几何形状可以由组元构成的交替层结构来近似，交替层厚度决定于反应的理想配比和密度。基于此假定，传播速度的表达式为：