| 单词 | 自蔓延高温合成 |
| 释义 | 【自蔓延高温合成】 拼译：SHS 又称燃烧合成或固体火焰工艺，这是一种借高度放热反应合成多种新型材料的方法，反应一般在固－固(如Ti+C)和固－气(如Ti+N2)介质中进行。SHS工艺的燃烧反应有两种基本模式，即从局部引燃反应物到燃烧波蔓延通过反应物粉末压块的自蔓延模式，及迅速点燃粉末压块、反应在整个样品内同时发生的热爆炸模式。 SHS反应引发后不必再从外部供给热源。燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延速度相当快，一般为0．1～20cm／s，最高可达25cm／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以特有的燃烧理论为理论基础，其主要参数为绝热温度和燃烧波蔓延速度，前者是在假定放热系统为绝对系统的前提下燃烧产物的最高温度Tad，Tad一般代表这类反应放热程度的理论极限，可从热容、生成焓等热力学函数计算出来，这个值可半定量评估SHS过程能否自持进行，经推算Tad＞1800K的体系才能成为自持体系；后者与燃烧温度(Tad的实际值)、反应的表观活化能、反应热、产物的热容等有关，在不同系统中测得的燃烧波蔓延速度极不相同，有的几乎相差3个数量级。SHS的主要优点是：(1)过程简单、能耗低、不需要复杂设备，因此投资低、产品成本低；(2)产品纯度高，一些挥发性杂质在反应中被除去；(3)能获得复杂的多相或亚稳相材料；(4)应用范围宽，已用来合成高温结构陶瓷及合金、超导、储氢、超硬、复合、形状记忆等材料。1967年，前苏联A．G．Merzhanov等发明了自蔓延高温合成，到1972年已达到批量生产的阶段，TiC、TiN、TiB2、TiCTiN、AlN、BN、MoSi2和Ti5Si3等难熔化合物粉的年产量达到了10～20t。1975年开始，不经粉末合成中间阶段已直接制成SHS材料和工件，在工艺过程中引入了传统冶金方法和机械制造技术，获得了工作性能、形状和规格符合要求的多组元结构件和工件及粘着力极强的涂层；到1976年苏联用SHS已能合成200余种材料。70年代末又进一步将工业金刚石的代用品TiC和MoSi2粉及MoSi2高温加热元件的生产提高到工业规模。进入80年代，前苏联建立了“结构宏观动力学”学科，以期在大量实践的基础上深化理论研究，达到控制合金材料性能的目的。到80年代末前苏联用SHS法已生产了包括电子材料在内的300余种高新材料，至少有7家工厂从事生产，每年以工业化的规模生产数千t高技术陶瓷材料，包括已能以中间工厂规模生产高温超导陶瓷。80年代初SHS才走出前苏联国门，成为美、日等国在技术上角逐的一个新领域。美国有28个机构、日本有13个机构，从事理论、粉末及体材料合成、加工工艺、耐蚀涂层、陶瓷－金属连接等方面的研究。这两国在某些方面已接近或达到独联体的水平。前苏联利用SHS工艺制造的一些材料及产品，其工作性能和性质较普通材料优越得多，例如将SHS法生产的TiC基磨料粉用于研磨和抛光，用这种粉做成的浆料的消耗量为普通2～3级金刚石浆料用量料的1／4，研磨工件的寿命提高1．5倍，研磨生产率提高1．3～1．5倍。前苏联还制成了WSe2和MoS2-Nb等固态润滑剂，用于碳刷的深低温润滑和作电动机的接触材料。前苏联已生产了包括Si3N4、A1N、BN、B4C、TiN、TiCN和TaN在内的一系列氮化物粉，用等离子体沉积法将这类粉末沉积在基材上，例如将TiN沉积在硬质合金切削刀具上，可将其寿命提高3倍。前苏联合成的无氧氮化硅和碳化硅的动态弹性模量为180至194GPa、抗弯强度300～430MPa、断裂韧性2．5～4．9MN／m3／2，在1400C的温度下仍能保持其强度。特别值得称道的是前苏联现在已能批量生产两个级别的YBa3Cu3O7-x粉，即J1和J2粉。这两种粉的性质与美国用一般烧结方法生产的类似，其斜方相为主相。主相含量在95%或95%以上。采用动态压实法可获得达理论密度97%的密度，用冲击波致密法已获得夹层状、片状和圆柱状的高密度超导陶瓷／金属复合材料，如直径40mm、高88mm的YBa2Cu3O7-x空心圆桶。前苏联用SHS法还生产了铋系和铊系高温超导材料。在工艺方面，前苏联开发的SHS烧结工艺可以获得结构强度极高的高孔隙度材料，比如已制出孔隙度55%、极限压缩强度为100～120MPa的TiC工件，这类材料在过滤器、泡沫材料等方面有很大应用潜力，但在大多数情况下使用的工件是致密产品，因此在合成材料的同时使之致密的一次过程具有重要意义。前苏联开发的SHS致密工艺已能直接制造轧辊、拉丝模、切削刀具等，由于在SHS工艺过程中引入了烧结、热压、挤压、轧制、爆炸、堆焊、离心浇铸、电焊等传统冶金方法，故又派生出SHS冶金、SHS焊接、SHS挤压、SHS气相输运涂层等工艺技术，这些技术的应用已将前苏联高新材料的研制与生产推向世界的最前列。近年来，美国和日本对这个领域的研制也取得了重大成果，有些方面还有自己的特色。比如美国采用热爆炸模式已合成了Ti-Ni、Ti-Pd、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Pd等一系列形状记忆合金，由于燃烧温度大于熔点，所得产物均为液态，经冷却后可热轧成薄板。用此法生产的Ti-Ni合金的偏析量最小，有利于机加工。用此法生产的Ti-Ni其形状恢复力大于用普通方法生产的Ti-Ni记忆合金，这也是SHS法具有魅力的原因之一。日本人的重大突破是用SHS法合成了结构复杂的所谓功能梯度材料(FGM)。大阪大学开发了一种在压力和成分可控的气体存在下实现材料的同时合成与致密的新途径，这种方法叫做气压燃烧烧结法，在100MPa的压力下已获得接近理论密度的TiB2、TiC和TiC-Al2O3、TiB2-Ni和TiC-Ni复合陶瓷，若采用等静气压和燃烧剂，还能批量生产近净成形件。东北大学用开发的这种新方法合成了功能梯度材料，FGM具有人为设计的显微组织，其一侧为耐高温的陶瓷表层，同时在陶瓷基质内逐步地连续增加金属相的体积百分数，直到最终形成金属基体。这种材料具有低的内部热应力和优良的断裂韧性，是航空航天飞行的理想结构材料。日本已制成TiC-Ni系并正在研制TiB2-Ni、MoSi2-TiAl系功能梯度材料。这类材料表层一侧有可能耐2000K的温度。SHS技术的发展已达到一个新阶段，亟待解决的主要问题是开展数模研究，为定量表述SHS过程提供必要的基本数据。SHS还应以实现自动化为其主攻方向，即达到一定程度的自动化和机器人化水平，创造出以连续燃烧为基础的崭新工艺，使SHS工艺向各现代工程领域渗透，实现制造业带根本性的技术改造。【参考文献】：1 Meizhanov A G．Twenty years of Research and findings，Chernogolovka，1989，1～732 Munir Z A，et al．Materials Science Reponts，1989，3(7～8)：280～3183 Yoshinari Miyamoto，Ceramic Bulletin，1990，69(4)：686～6904 Materials and Processing Report，1990，4(11)：1～25 Materials Edge，1991，23：16 杨遇春．材料导报，1991，4：18～22(北京有色金属研究总院杨遇春教授撰) |
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