材料制备新技术许春香自蔓延高温合成技术
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6-氧化铝管；7-钨棒；8-反应器壁； 9-点火器（40J，2.5ms）
第8章 自蔓延高温合成技术
9
8
7
6
5
4 3 2 1
图8-9 SHS-等静压法实验装置示意图 1-压力容器；2-金属包套；3-原料；4-点火端；5-液体；6-储液罐；7-气体；
8-点火器；9-泵
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-10 SHS-准等静压法装置示意图 1-计算机；2-电源；3-液压系统；4-压头；5-模具；6-砂子；7-反应物坯料；
56
78
3
9
2
1 10
图8-17 SHS焊接设备 1-绝缘套；2-下铜电极；3-粉末焊剂；4-机架；5-绝缘垫；6-引电杆；
7-上铜电极；8-焊坯(1)；9-点火装置；10-焊坯(2)
表8-1 SHS体系的绝热温度
体系 TiB2 TiC
SiC
TiN
BN MoS2 B4N CdS
Tad / K 3190 3200 1800 4900 3700 1910 1000 2000
Mo-石墨
Ti86，C14
0.75
1100
7TiC-3Ti
Nb-
Nb70.9，Ni10，
l0X18H10T①
C9.1
0.8
Zrl0X18H10T①
Zr 79.6， C10.4，Ni10
0.8
①俄罗斯牌号不锈钢。
1500 1200
NbC-Ni ZrC-Ni
焊接强度 ／MPa 180～200
270～320 70 60 70
EQ
2CpRTa2d 1 M
(8-3)
式中，M为熔化率。当 C 2 5 时，为稳态燃
烧，β＞βc时，为非稳态燃烧。
HT0
H0 298
T
298 CPdt
(8-4)
HT0
H0 298
T
298 CPdtHtr
T Ttr
CP'
dt
(8-5)
式中，Ttr为相变温度；△Htr为相变过程的焓变。
HT0
9-点火器
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-11 SHS-爆炸冲击加载法装置示意图 1-炸药；2-硬钢加压板；3-石膏；4-点导火线； 5-点火剂；6-软钢套； 7，12-排气孔；8-硬钢台座；9-样品；10，13-氧化锆毡； 11-GRAFOIL板；
14-导火线引线
第8章 自蔓延高温合成技术
Fe2 O3+2Al
0.5~2 3.5
屈服强度 б0.2/MPa
428 470 445 166 229 293 237.4 300
60 79 152.5 80.2
抗拉强度 ббb/MPa
471 495 455 187 325 388 256.3 350 164 235
300~320
141 183
261.2 165.1
延伸率 б/%
Al2 O3 2Fe
图8-12 SHS-离心法过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
B
C
B
D
A
C
B
A
D
A
图8-13 SHS重力分离法制备陶瓷内衬复合管示意图 A-铝热剂 B-内衬陶瓷层 C-液态陶瓷 D-还原铁液
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-14 SHS陶瓷内衬复合弯管合成过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
1
2
5 4
3
(a)燃烧前
(b)燃烧后
图8-15 熔铸涂层原理示意图
1-SHS反应物料；2-点火装置；3-钢基体；4-过渡区；5-SHS熔铸涂层
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-16 反应铸渗法涂层示意图 1-钢锭模；2-高温熔体(浇注液, 铸件)；3-型芯；4-预涂覆层
第8章 自蔓延高温合成技术
4
被焊材料 W-Mo W-Mo
石墨-石墨 W-石墨
焊料组成质量 原坯相对 焊接电流／
分数／％
密度
(A·m -2)
Mo80，B20
0.77
600
焊缝区 产物
Mo2B5
Mo64，B16， Cu20
0.85
850
Mo2B5-Cu
Ti86，C14
0.6
900
7TiC-3Ti
Ti86，C14
0.7
1000
7TiC-3Ti
dt
(8-9)
式中，n为反应级数；λ为反应速率常数。
130～150
90～110
断裂位置 焊缝区 焊缝区 石墨 石墨 石墨 焊缝区 焊缝区
Hale Waihona Puke Baidu
第8章 自蔓延高温合成技术
vad evm
(8-1)
式中，Vad为绝热燃烧速度；Vm为燃烧熄灭前的临 界速度。
RTad (9.1CpTad 2.5)
E
Q
（8-2）
式中，E为反应激活能。当 θ＞θi=1 时，为稳 态燃烧；θ＜θi ，为振荡燃烧。
(b) 固-气体系
图 8-4 自蔓延高温合成过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-5 无气燃烧体系相互作用示意图 图8-6 气体漫渗燃烧体系相互作用示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-7 SHS图
第8章 自蔓延高温合成技术
4
5
3 6
7
9
8
2
1
图8-8 SHS－弹簧加压法装置示意 1-弹簧；2-聚四氟乙烯或ＢＮ套管； 3-0.2mm铂丝；4-压力机； 5-石墨；
表8-2反应铸造法制备的材料及性能
材料
TiC-Al
A1N-TiCAl
TiC-Al Al2O3TiA13-A1 TiA13-A1 TiB2-Al TiC-Al SiC-Al
增强相 含量/%
0 4.4 6.4 0 9.5 12 1.5* 20
0
0 4 20 10
增强相大小 /μm
0.5~3 0.5~3 TiC 2~5 AlN 0.2~1.2 0.1~1.0
16 8 4 12.0 6.1 5.0 5.0 3.5 18.7 22
5.0~4.0
28 16
弹性模量 E/GPa
74.4 80.9 85.0 77 93 105
94.7
制备方法 气-液 气-液 固-液
固-液
固-液
74.6
固-液
82.0
粉末冶金 法
*为质量分数，其余为体积分数。
表8-3 SHS焊接条件及相应的接头强度
H0 298
Tm 298
CPdt
Hm
T Tm
CP'' dt
(8-6)
式中,Tm为某组分的熔点;θ为发生熔化物质的
百分数;△Hm为该组分的熔解热。
HT0
H0 298
Tir 298
CPdt
Htr
Tm Ttr
CP' dt
Hm
T Tm
CP'' dt
(8-7)
d ,T
dt
(8-8)
d ,T 1 n
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-1 SHS反应过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-2 燃烧波中的燃烧温度Tc、转化率η和热释放率Ф分布图
图8-3 存在后烧现象的燃烧波中的燃烧温度Tc、 转化率η和热释放率Ф分布图
第8章 自蔓延高温合成技术
反应层
TiC Ti+ C
反应层
TiN
Ti
N2
(a) 固-固体系
第8章 自蔓延高温合成技术
9
8
7
6
5
4 3 2 1
图8-9 SHS-等静压法实验装置示意图 1-压力容器；2-金属包套；3-原料；4-点火端；5-液体；6-储液罐；7-气体；
8-点火器；9-泵
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-10 SHS-准等静压法装置示意图 1-计算机；2-电源；3-液压系统；4-压头；5-模具；6-砂子；7-反应物坯料；
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3
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2
1 10
图8-17 SHS焊接设备 1-绝缘套；2-下铜电极；3-粉末焊剂；4-机架；5-绝缘垫；6-引电杆；
7-上铜电极；8-焊坯(1)；9-点火装置；10-焊坯(2)
表8-1 SHS体系的绝热温度
体系 TiB2 TiC
SiC
TiN
BN MoS2 B4N CdS
Tad / K 3190 3200 1800 4900 3700 1910 1000 2000
Mo-石墨
Ti86，C14
0.75
1100
7TiC-3Ti
Nb-
Nb70.9，Ni10，
l0X18H10T①
C9.1
0.8
Zrl0X18H10T①
Zr 79.6， C10.4，Ni10
0.8
①俄罗斯牌号不锈钢。
1500 1200
NbC-Ni ZrC-Ni
焊接强度 ／MPa 180～200
270～320 70 60 70
EQ
2CpRTa2d 1 M
(8-3)
式中，M为熔化率。当 C 2 5 时，为稳态燃
烧，β＞βc时，为非稳态燃烧。
HT0
H0 298
T
298 CPdt
(8-4)
HT0
H0 298
T
298 CPdtHtr
T Ttr
CP'
dt
(8-5)
式中，Ttr为相变温度；△Htr为相变过程的焓变。
HT0
9-点火器
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-11 SHS-爆炸冲击加载法装置示意图 1-炸药；2-硬钢加压板；3-石膏；4-点导火线； 5-点火剂；6-软钢套； 7，12-排气孔；8-硬钢台座；9-样品；10，13-氧化锆毡； 11-GRAFOIL板；
14-导火线引线
第8章 自蔓延高温合成技术
Fe2 O3+2Al
0.5~2 3.5
屈服强度 б0.2/MPa
428 470 445 166 229 293 237.4 300
60 79 152.5 80.2
抗拉强度 ббb/MPa
471 495 455 187 325 388 256.3 350 164 235
300~320
141 183
261.2 165.1
延伸率 б/%
Al2 O3 2Fe
图8-12 SHS-离心法过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
B
C
B
D
A
C
B
A
D
A
图8-13 SHS重力分离法制备陶瓷内衬复合管示意图 A-铝热剂 B-内衬陶瓷层 C-液态陶瓷 D-还原铁液
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-14 SHS陶瓷内衬复合弯管合成过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
1
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3
(a)燃烧前
(b)燃烧后
图8-15 熔铸涂层原理示意图
1-SHS反应物料；2-点火装置；3-钢基体；4-过渡区；5-SHS熔铸涂层
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-16 反应铸渗法涂层示意图 1-钢锭模；2-高温熔体(浇注液, 铸件)；3-型芯；4-预涂覆层
第8章 自蔓延高温合成技术
4
被焊材料 W-Mo W-Mo
石墨-石墨 W-石墨
焊料组成质量 原坯相对 焊接电流／
分数／％
密度
(A·m -2)
Mo80，B20
0.77
600
焊缝区 产物
Mo2B5
Mo64，B16， Cu20
0.85
850
Mo2B5-Cu
Ti86，C14
0.6
900
7TiC-3Ti
Ti86，C14
0.7
1000
7TiC-3Ti
dt
(8-9)
式中，n为反应级数；λ为反应速率常数。
130～150
90～110
断裂位置 焊缝区 焊缝区 石墨 石墨 石墨 焊缝区 焊缝区
Hale Waihona Puke Baidu
第8章 自蔓延高温合成技术
vad evm
(8-1)
式中，Vad为绝热燃烧速度；Vm为燃烧熄灭前的临 界速度。
RTad (9.1CpTad 2.5)
E
Q
（8-2）
式中，E为反应激活能。当 θ＞θi=1 时，为稳 态燃烧；θ＜θi ，为振荡燃烧。
(b) 固-气体系
图 8-4 自蔓延高温合成过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-5 无气燃烧体系相互作用示意图 图8-6 气体漫渗燃烧体系相互作用示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-7 SHS图
第8章 自蔓延高温合成技术
4
5
3 6
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图8-8 SHS－弹簧加压法装置示意 1-弹簧；2-聚四氟乙烯或ＢＮ套管； 3-0.2mm铂丝；4-压力机； 5-石墨；
表8-2反应铸造法制备的材料及性能
材料
TiC-Al
A1N-TiCAl
TiC-Al Al2O3TiA13-A1 TiA13-A1 TiB2-Al TiC-Al SiC-Al
增强相 含量/%
0 4.4 6.4 0 9.5 12 1.5* 20
0
0 4 20 10
增强相大小 /μm
0.5~3 0.5~3 TiC 2~5 AlN 0.2~1.2 0.1~1.0
16 8 4 12.0 6.1 5.0 5.0 3.5 18.7 22
5.0~4.0
28 16
弹性模量 E/GPa
74.4 80.9 85.0 77 93 105
94.7
制备方法 气-液 气-液 固-液
固-液
固-液
74.6
固-液
82.0
粉末冶金 法
*为质量分数，其余为体积分数。
表8-3 SHS焊接条件及相应的接头强度
H0 298
Tm 298
CPdt
Hm
T Tm
CP'' dt
(8-6)
式中,Tm为某组分的熔点;θ为发生熔化物质的
百分数;△Hm为该组分的熔解热。
HT0
H0 298
Tir 298
CPdt
Htr
Tm Ttr
CP' dt
Hm
T Tm
CP'' dt
(8-7)
d ,T
dt
(8-8)
d ,T 1 n
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-1 SHS反应过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术
图8-2 燃烧波中的燃烧温度Tc、转化率η和热释放率Ф分布图
图8-3 存在后烧现象的燃烧波中的燃烧温度Tc、 转化率η和热释放率Ф分布图
第8章 自蔓延高温合成技术
反应层
TiC Ti+ C
反应层
TiN
Ti
N2
(a) 固-固体系