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自蔓延燃烧
摘要：本文通过查找相关文献进行调研来了解自蔓延燃烧的原理、应用及优点，对自蔓延燃烧的热力学和动力学进行简单的阐述。重点对自蔓延燃烧法作钢管内衬进行探讨，作为课下学习的进一步探究和补充。
关键词：自蔓延燃烧、化学动力学、化学热力学、钢管内衬。

1 自蔓延燃烧简介
1.1 自蔓延燃烧的概念理解
　自蔓延高温合成(Self - Propagating High Temper2ature Synthesis ,SHS) ,也称燃烧合成(Combustion Syn2thesis ,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.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.[1]
1.2 自蔓延技术特点[2]
1.2.1 SHS是一种快速合成过程, 燃烧产物和反应物不直接相关
在SHS过程中反应物和生成物始终由燃烧波分割开来,燃烧波是由反应物转化为生成物的化学反应和相应的结构转变, 这样生成物的形态、组织、结构上就由燃烧波内发生的化学和结构变化来控制化学反应的结构转变过程。
1.2.2 SHS提高合成材料的纯度
由于燃烧波的温度很高, 可导致低熔点杂质的挥发, 从而形成比传统合成方法更为纯净的产物。而挥发过程必然造成产物中有较大数量的气孔, 通过加压自蔓延的方式可以合成致密度较高的材料, 但却不利于杂质的挥发。
1.2.3自蔓延产物是多孔组织
高速的燃烧合成过程使工艺难以控制,多元的SHS合成产物中还易出现副产物相。SHS的产物为多孔组织; SHS所达到的高温, 易造成晶粒的长大。
1.2.4复合材料强韧性和结合性能
SHS将陶瓷颗粒的合成与金属相的粘接同时完成, 作为强化相的陶瓷颗粒是原位生成, 没有暴露在空气中, 克服了陶瓷相表面污染及氧化的问题, 陶瓷颗粒均匀分布在金属基体中。陶瓷颗粒与反应时熔化的金属有更好的粘结, 形成的复合材料强韧性更好。
1.2.5过程难于控制
高速合成过程在燃烧波一开始引发后实际上就处于一种不可控状态。
1.3 SHS 方法的优点[3]
SHS 方法的优点归纳起来有以下几点:(1)节省时间,能源利用充分；(2)设备、工艺简单; (3)产品纯度高(因为SHS 能产生高温,某些不纯物质蒸发掉了), 反应转化率接近100%; (4)不仅能生产粉末, 如果同时施加压力, 还可以得到高密度的燃烧产品; (5)产量高(因为反应速度快); (6)扩大生产规模简单, 从实验室走向工业生产所需的时间短, 而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品; (7)能够生产新产品, 例如立方氮化钽; (8)在燃烧过程中,材料经历很大的温度变化, 非常高的加热和冷却速率, 使生成物中缺陷和非平衡相比较集中, 因此某些产物比用传统方法制造的产物更具有活性, 更容易烧结; (9)可以制造某些非化学计量比的产品、中间产物以及亚稳定相等。
2 自蔓延燃烧的化学热力学及化学动力学的简单分析
2.1 化学反应热力学分析[4]
研究SHS 反应过程就必须对燃烧体系进行反应热力学分析，燃烧合成热力学的主要任务就是判断燃烧反应自行维持的可行性。只有当燃烧反应体系的单位质量的反应热Q 大于单位质量原料混合物燃烧反应所需的活化能Ea 时，燃烧合成过程才有自我维持的可能性。燃烧绝热温度Tad 是经验上描述SHS 反应特征的最重要的热力学参量。Tad 是假设体系在没有质量损失并与环境绝热的条件下，化学反应放出的热量使体系达到的最高理论温度，它不仅可作为判断SHS 反应能否自我维持的定性依据，还可对反应产物的状态进行预测，从而为反应体系的优化成分设计提供依据。化学反应生成焓是一个决定化学反应能否自发进行的重要参量。当反应生成焓较大时，才能自发进行。在忽略热量散失的绝热条件下，体系放出的热量全部用来升高反应产物的温度，由此可求得产物所达到的最高温度（绝热温度Tad ），Tad可以根据热容、反应焓等热力学函数和定律在不同的情况下计算得出。
2.2 化学反应动力学分析[1]
燃烧合成动力学,主要研究燃烧波附近高温化学转变的速率等规律,燃烧波速率是目前人们普遍采用的一个SHS 动力学参量,它直接反映了燃烧前沿的移动速度; 另外有关的概念还有质量燃烧速率和能量释放率等.燃烧机制是指物质燃烧过程中所发生的化学反应,物理化学变化和物质传输过程规律以及这些变化之间的关系. 燃烧机制可以归纳为以下4 种类型: (1) 固相扩散机制; (2) 气体传输机制; (3) 溶解析出机制; (4) 气体渗透机制.目前所采用的研究方法包括:SHS 过程的快淬保持及随后对试样的逐层分析;燃烧波前沿内物质相组成变化的动力学研究. 研究的主要手段有:x 射线分析,包括同步辐射,动态x 射线衍射分析.其平衡态SHS 模型见图1.

3 SHS工艺
3.1 SHS工艺简介[5]
燃烧合成自问世以来,已开发出6 大类相关技术和工艺 ,即燃烧合成制备粉体,燃烧合成烧结技术,燃烧合成致密化技术,燃烧合成熔铸技术,燃烧合成焊接技术及燃烧合成涂层技术. 采用燃烧合成技术可以制备常规方法难以得到的结构陶瓷、梯度材料、超硬磨料、电子材料、涂层材料金属间化合物及复合材料等.[e] SHS粉末合成技术包含的工序类似于粉末冶金制粉. 但两者又有区别,其区别主要在合成工序.SHS 粉末合成技术的工艺流程如图2 所示.

3.2 SHS 制备陶瓷内衬钢管[1]
铝热反应由于其高放热而被广泛用于SHS 冶金. 其化学反应式为:
Fe2O3 + Al →Fe + Al2O3 + Q
2MoO3 +4Al + C →2Al2O3 +Mo2C + Q
在石油化工、电力及冶金行业,钢管的使用寿命成为人们最关心的问题,然而由于钢管的内径小、长度大,用其它的防腐处理方法很难实现,而用次工艺便可很容易的解决. 它是利用铝、镁、硅、锆等粉末与金属氧化物的高放热化学反应,依靠化学反应潜热加热反应物—陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷. 由于反应温度超过了陶瓷及金属的熔点,整个体系处于熔融状态. 在离心力的作用下,熔体按密度大小分层,大密度的组分与钢管基体结合,小密度的陶瓷组分涂覆在钢管的内壁,形成陶瓷涂层,见图3. 目前,涂层内衬钢管的生产技术已相当成熟.

4 结语
铝热反应在高中的时候就学习过，但是却不知道这个反应有这么多的用处，通过查阅文献学习到了不少的知识。此外，材料化学这门课讲授的东西贴近生产与专业学习，这种作业形式也很好，在查找资料的过程中自主的学习。
参考文献
[1] 谭小桩，贾光耀．自蔓延高温合成技术的发展与应用[J]．南方金属，2005（5）：5-9．
[2] 王肖赛，杨明，刘昊东，等．自蔓延高温合成技术及工艺研究[J]．现代机械，2009（3）：87-89．
[3] 王汉立，黄为秀．自蔓延燃烧法(SHS)材料合成技术[J]．湖北第二师范学院学报，2008，25（2）：74-77．
[4] 宋谋胜，冉茂武，孔圆圆，等．自蔓延高温合成技术的研究现状与应用展望[J]．铜仁学院学报，2010，12（3）：110-115．
[5] 郑仕远．自蔓延燃烧法材料合成技术[J]．山东陶瓷，1999，22（4）：3-12．