复合材料的自蔓延高温合成法

2021年11月29日 16:17 7515次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

导读: 在原位自生成技术中,自蔓延高温合成法即SHS法(Self-Propagating High Temperature Synthesis)是前苏联科学家在研发Ti和B混合压实块燃烧时提出的,并先后获得美、日、法、英等国的专利。其基本原理是将增强相组分与金属粉末混匀,压实,在真空或惰气中预热引燃,使组分之间发生放热化学反应,释放的热引起相邻组分继续反应,甚至全部完成反应。反应生成物就是增强相,弥散于基体中,其大小可达亚微米级。常规SHS反应模式见下图。

在原位自生成技术中,自蔓延高温合成法即SHS法(Self-Propagating High Temperature Synthesis)是前苏联科学家在研发Ti和B混合压实块燃烧时提出的,并先后获得美、日、法、英等国的专利。其基本原理是将增强相组分与金属粉末混匀,压实,在真空或惰气中预热引燃,使组分之间发生放热化学反应,释放的热引起相邻组分继续反应,甚至全部完成反应。反应生成物就是增强相,弥散于基体中,其大小可达亚微米级。常规SHS反应模式见下图。

研究显示,Ti与AIB2在约1280K即可进行反应,而它们的反应合成温度则高达1473K。向Ti、AIB2预制块中添加铝粉可降低反应起始温度,反应产物TiB2质点的尺寸随预制块中钛粉含量的增大而减小,有人采用SHS工艺制备出30%TiB2/AI复合材料,TiB2粒尺寸小于2μm,不过还有少量的针状Al3Ti,材料的孔隙率也高达30%-40%,必须进行二次加工。中国科学家彭华新等采用挤压铸造(Squeeze-casting)-燃烧合成(combustion-synthesis)联合法,利用TiO2与Al之间的反应,巧妙地制得Al2O3-Al3Ti-Al原位自生的复合材料,有高的抗弯强度(410MPa-490MPa)和弹性模量(156GPa-216GPa)。

形成自蔓延高温合成的必要条件:一是组分之间的化学反应热效应应达到167kJ/mol;二是反应过程的热损失(对流、辐射、传导)小于反应放热的增加量,以确保反应的持续进行;三是有一种反应物在反应过程中能形成液态或气态,以利扩散传质,加快反应速度。影响自蔓延合成的主要因素:预制试样压实度;原始组分颗粒大小,预热温度;预热速度;稀释剂。

与传统的材料合成相比,自蔓延高温合成有如下优势:工艺设备不复杂,工艺周期短,效率高;能耗低,物耗少;合成温度高,有利于产物自纯化,同时,升温和降温速度极快,可获得非平衡结构的产物,产物质量高。该工艺的不足之处是:产物孔隙率高,需经二次加工方可获得最终产品;反应速度快,不易控制;产品中易出现缺陷集中和非平衡过渡相;不易制备合成物含量低的复合材料。

经过近30年的发展,SHS工艺在理论上与实际生产方面都取得了非凡的成就,今后的研发方向主要为:深入与系统化发展结构宏观动力学理论,运用超级计算机开展不同条件下的SHS过程的数模研究,以预测SHS反应进程;SHS技术向自动化、智能化方向发展;SHS法同现代有关工程技术融为一体方向发展。

SHS工艺有着广阔的发展前景:①研究开发SHS工艺与常规压力加工工艺如挤压、轧制、冲压等相结合,融为一体,形成一种全新的“SHS-压力加工”工艺,以实现材料合成与致密化相向而行,缩短工艺流程,节约生产成本与能源;②精准控制SHS法的各项参数,以控制材料的组织和孔隙率,是其最有发展前途的方向之一;③由于SHS工艺可以生产高纯的高性能原料,致使单晶生长技术有广阔的应用前景;④用SHS工艺可以较顺利地制造功能梯度材料,因而具有很大的潜在应用价值。

责任编辑:杨一鸣

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