Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

При изменении параметров в экспериментах наблю­далась смена режимов горения — от стационарного (устойчивого) до нестационарных (неустойчивых типа автоколебательного и спинового). Обнаружено, что высококачественные продукты синтезируются только в стационарных режимах, и поэтому обеспечение устойчивости горения в этом классе систем является важной практической задачей.

Исследование большого числа оксидных систем пока­зало, что значения температур и скоростей горения невысокие: иг = 0,05—5,00 мм/с и Тт = 750—1500°С. Обычно в СВС-процессах значения (Л и Тт существенно выше (кроме систем металл—водород) [16]. Обращает на себя внимание, что температуры горения, разви­ваемые при СВС оксидов часто такие же, как и при печном синтезе, но процесс в последнем случае длится в десятки и сотни раз дольше. Такая противоречивая на первый взгляд картина связана с тем, что при печном синтезе взаимодействуют уже окисленные вещества, а в СВС образование сложного оксида идет одновремен­но с окислением одного из компонентов, т. е. в СВС имеет место более активная в химическом отношении ситуация. С этой точки зрения СВС является не­сомненно прогрессивным методом получения оксидных материалов.

ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ И ТЕОРИЯ СВС

Малоисследованным вопросом является механизм и динамика структурообразования конечных продуктов. Наиболее важное значение имеет получение информации об изменении в волнах СВС микроструктуры образующегося материала (распределение по размерам зерен кристаллитов фазовых составляющих и пор). Решение этой проблемы поможет создать научно-обоснованные приемы повышения прочности синтезируемых материалов и управления фильтрационными характеристиками пористых СВС-продуктов. Для ее решения необходима разработка новых, динамических методов диагностики строения вещества в разных зонах СВС-процесса. Привлекательной задачей является также определение прочностных характеристик зоны горения.

До сих пор не было попыток построить структурно-макрокинетическую теорию СВС-процесса, т.е. рассмотреть совместно процессы горения и структурообразования, что позволило бы глубже понять роль автоволнового процесса в формировании структуры продукта горения и роль структурных превращений в механизме твердопламенного горения.

По-прежнему, важными задачами являются экспериментальная диагностика и математическое моделирование (особенно, трехмерное) неустойчивых процессов горения, построение физико-химических моделей СВС в конкретных, наиболее важных в практическом отношении системах с предвычислением оптимальных условий синтеза, исследование кинетики тепловыделения в порошковых средах при высоких температурах.

РЕАГЕНТЫ И ПРОЦЕССЫ

Реагенты в СВС процессах используются в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Наиболее распространены два типа систем: смеси порошков (спрессованные или насыпной плотности) и гибридные системы газ-порошок (или спрессованный агломерат). Известны СВС-процессы и в системах: порошок-жидкость, газ-взвесь, пленка-пленка, газ-газ. Главные требования к структуре исходной системы - обеспечение условий для эффективного взаимодействия реагентов. Шихта в СВС-процессах может находиться в вакууме, на открытом воздухе, в инертном или реагирующем газе под давлением.

В создании СВС системы могут участвовать все химически активные при высоких температурах вещества в качестве реагентов (химические элементы, индивидуальные соединения, многофазные структуры) и инертные вещества в качестве наполнителей или разбавителей.

Наиболее популярные реагенты:
H2, B, Al, C, N2, O2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B2O3, TiO2, Cr2O3, MoO3, Fe2O3, NiO и др.

В качестве реагентов используется также минеральное сырье и промышленные отходы.

Условия подбора компонентов СВС-системы:

·   экзотермичность взаимодействия реагентов

·   образование полезных твердых продуктов

·   техническая и экономическая целесообразность.

Горение в СВС-процессах оно получило название "твердое пламя".

Рассмотрим процессы при СВС более подробно и начнем с основного способа инициирования – это локальное инициирование реакции на поверхности системы путем подвода кратковременного теплового импульса (электрическая спираль, электроискровой разряд, лазерный луч и др.) с формированием волны горения и ее распространением по не нагретому исходному веществу. Длительность инициирования обычно намного меньше времени сгорания шихты.

·   При этом режимы распространения фронта горения в простейшем и наиболее важном стационарном режиме все точки фронта движутся с постоянной во времени и одинаковой скоростью. Когда стационарный режим теряет устойчивость, могут возникнуть неустойчивые режимы распространения фронта: плоские автоколебания скорости фронта горения (пульсирующие горение)

·   локализация реакции горения в очагах, движущихся по винтовой траектории (спинновые волны),

·   беспорядочное движение множества очагов горения (хаотические твердые пламена).

Волна горения не распространяется по шихте в случае сильных теплопотерь в окружающую среду (малые диаметры шихтовых образцов, низкие адиабатические температуры взаимодействия реагентов).

В волне горения протекают различные химические, физические и физико-химические процессы, обеспечивающие в своей совокупности необходимое тепловыделение. Волна имеет определенную протяженность и состоит из ряда зон:

·   зоны прогрева или предпламенной зоны (в ней реакции горения еще не протекают, а только осуществляется теплоперенос и нагрев шихты)

·   зоны реакции (в ней протекают основные реакции горения, обеспечивающие необходимое тепловыделение)

·   зоны догорания (в ней продолжаются химические реакции, но они уже не влияют на скорость распространения фронта)

·   зоны (стадии) вторичных физико-химических превращений, определяющих состав и структуру конечных продуктов.

Распространение зоны химических реакций называют волной горения. Фронт - это условная поверхность, разделяющая зоны прогрева и реакции (передний край высокотемпературной зоны волны). Прохождение волны горения является основной стадией СВС. Популярная формула:

СВС = горение + структурообразование,

вторичные физико-химические превращения составляют вторую стадию СВС.

Процесс распространения волны характеризуют:

·   пределом погасания (связь между параметрами системы, разделяющие две ситуации: распространение волны и отсутствия горения при любых условиях инициирования)

·   пределом потери устойчивости (связь между параметрами системы, разделяющими режимы стационарного и неустойчивого горения)

·   скоростью распространения фронта,

·   максимальной температурой и

·   темпом нагрева вещества в волне стационарного горения,

·   в неустойчивых процессах - частотой пульсаций, скоростью движения очага по винтовой траектории, величиной сверхадиабатического эффекта и др.

·   глубиной химического превращения исходных реагентов в конечные продукты (полнота горения)

- Зависимость недогорания от размеров частиц металла

- Зависимость недогорания от относительной плотности образца

·   неравновесностью продукта горения, характеризующую незавершенность фазовых и структурных превращений в процессе; темпом остывания продуктов горения (редко).

Благодаря высоким значениям скорости и температуры горения и скорости нагрева вещества в волне СВС относят к категории экстремальных химических процессов.

Для процессов СВС химическая природа реагентов непосредственного значения не имеет - важны лишь величина теплового эффекта реакции и законы тепловыделения и теплопередачи, агрегатное состояние реагентов и продуктов, кинетика фазовых и структурных превращений и другие макроскопические характеристики процесса.

Поэтому химия СВС-процессов разнообразна. Наибольшее распространение получили

 - реакции синтеза из элементов

Ti + C = TiC                       Ni + Al = NiAl               3Si + 2N2 = Si3N4                Zr + H2 = ZrH2

- окислительно-восстановительные реакции

B2O3 +3Mg + N2 = 2BN + 3MgO                                         B2O3 + TiO2 +5Mg = TiB2 + 5MgO
MoO3 + B2O3 +4Al = MoB2 + 2Al2O3                                  3TiO2 + C + 4Al = TiC + 2Al2O3
2TiCl4 + 8Na + N2 = 2TiN + 8NaCl

- реакции окисления металлов в сложных оксидных средах

3Cu + 2BaO2 + 1/2Y2O3 + 0.5(1.5 - x)O2 = YBa2Cu3O7-x               Nb + Li2O2 + 1/2Ni2O5 = 2LiNbO3
8Fe + SrO + 2Fe2O3 + 6O2 = SrFe12O19

Известны также СВС-реакции

- синтеза из соединений

PbO + WO3 = PbWO4

- взаимодействия разлагающихся соединений с элементами

2TiH2 + N2 = 2TiN + 2H2                                                      4Al + NaN3 + NH4Cl = 4AlN + NaCl + 2H2

- термического разложения сложных соединений

2BH3N2H4 = 2BN + N2 + 7H2

Обобщая вышесказанное надо отметить, что весьма перспективным является проведение СВС-процессов в экзотермических системах органического синтеза (как порошковых, так и жидкофазных). В них СВС протекает при не очень высоких температурах (100-300С) и с более низкими скоростями, что позволяет более детально исследовать механизм СВС с применением таких типичных для органической химии методов как ЭПР, ЯМР и др. Для жидких систем появляется реальная возможность исследовать влияние возникающих свободно-конвективных течений на автоволновой процесс. Представляются перспективными (но пока совсем не проанализированными) и технологические приложения.

Незаслуженно не развиваются исследования СВС в криогенных системах (типа металлический порошок - жидкий азот), в смесях наноразмерных реагентов, в высокоплотных исходных составах.

В последние годы появилась возможность создания тонких многослойных пленок с наноразмерными слоями (например, путем магнетронного напыления). Исследование горения в таких пленках вызывает большой интерес, т.к. позволяют изучать гетерогенные особенности СВС-процессов в простейших (модельных) условиях, а также использовать этот процесс для нанесения тонких покрытий.

Требует большего внимания так называемый газофазный СВС - горение газовых смесей с конденсацией продукта как в виде мелких, наноразмерных частиц (гомогенная конденсация), так и в виде пленок (гетерогенная конденсация на введенных в смесь поверхностях). Несмотря на ограниченный круг объектов (газовых смесей, реагирующих с тепловыделением и образующих твердый продукт, не так уж много), такой процесс представляет теоретический интерес и может занять достойное место в технологической практике.

Большой интерес вызывает создание детонационных СВС-процессов, в которых передача энергии от продуктов реакции в исходную смесь происходит путем ударного сжатия вещества, а не благодаря теплопередаче, как в обычных СВС-процессах.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

Технологические достоинства СВС заложены в самом принципе - использование быстровыделяющегося тепла химических реакций вместо нагрева вещества от внешнего источника, поэтому, многие СВС-процессы даже в простейшем варианте успешно конкурируют с традиционными энергоемкими технологиями. Однако по мере развития проблемы и технологии предъявляются все более сложные требования с целью получения максимального эффекта.

Выделим из всего многообразия две наиболее важные задачи.

Первая относится к использованию (утилизации) тепла, выделяемого реакцией СВС. С этой целью могут быть созданы специальные химические печи (с температурами 3000-3500С) с ограниченным временем действия для проведения высокотемпературных физико-химических процессов. Другой аспект проблемы - создание непрерывной технологии СВС-продуктов (по схеме проточного реактора, в который входят реагенты, а выходят продукты) с преобразованием выделенного тепла в электроэнергию. Такие энерготехнологические процессы необходимо создавать для многотоннажных производств (ферросплавы, огнеупоры, ферриты, твердосплавные порошки и пр.).

Вторая задача связана с прямым получением методом СВС (в одну технологическую стадию) изделий заданной формы, размеров, состава и структуры. Первый положительный опыт такого синтеза изделий есть, но конкретные задачи сильно отличаются друг от друга и делать обобщения и прогнозы здесь очень трудно. Необходимы специальные теоретические исследования, выходящие за рамки проблемы СВС и хорошая, автоматизированная экспериментальная техника. Однако, несмотря на трудности будущее СВС изделий многообещающее.

Много интересных задач по созданию специализированного оборудования. Это СВС-реактора с внешними воздействиями на горящую шихту (энергетическими, механическими). Большой интерес вызывает создание механохимического СВС-реактора, в котором процессы смешения реагентов, горения (синтеза) и измельчения продукта совмещены. Для слабоэкзотермических СВС-процессов необходимы реактора с дополнительным нагревом. Большие перспективы имеет создание двухкоординатных центрифуг для получения неосесимметричных литых изделий из СВС-расплавов и т.д.

МАТЕРИАЛЫ

СВС хорошо зарекомендовал себя в проблеме создания традиционных материалов - однородных и гетерогенных (в том числе, композиционных).

Есть успехи в создание функционально-градиентных материалов. Получение материалов с заданной неоднородностью в одну стадию - это сложная, но интересная макрокинетическая задача. Можно ожидать ее успешного решения, если удастся научиться управлять движением (течением) флюидных фаз в многокомпонентной реагирующей среде.

В настоящее время в области СВС ведутся перспективные работы по синтезу нанопорошков и наноматериалов, прямому синтезу монокристаллов, получению керамических и металлокерамических пеноматериалов, созданию композиционных материалов типа полимер-керамика, синтез сверхтвердых материалов.

Большой интерес вызывает создание так называемых неравновесных материалов - материалов, которые приходят в равновесное состояние в процессе их эксплуатации. Простейшая задача-пример: создание наплавочного электрода на основе не полностью прореагировавшего СВС-продукта. Дореагирование электрода в процессе наплавки с выделением тепла повышают температуру наплавки, что позволяет уменьшить электрозатраты на наплавку.

Специалисты по СВС смело берутся за сложные задачи современного материаловедения.

НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Наибольшее применение СВС-процессы получили в технологии материалов. Представляет интерес развитие и других направлений использования в

· пиротехнике (создание безгазовых тепловыделяющих элементов и систем огнепередачи);

· металлургии (пиролигатуры, специальные шихты для плавки металлов);

· космическом эксперименте (новые типы горения и структуры материалов);

· научном эксперименте (динамический рентген, СВС-калориметрия, генераторы высокого давления, обратные задачи теории горения.

Наука о СВС-процессах ищет новые пути реализации своего потенциала.

" СВС - ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛУРГИИ".

По-видимому, первой попыткой использовать экзотермические процессы в металлургии можно считать работы Н.Н.Бекетова по получению металлов и их сплавов с помощью термитных реакций. Позже на базе результатов было создано новое научное направление и отрасль промышленности, получившее название металлотермия. Наиболее широко в практике для получения ферросплавов и лигатур используют алюминий в качестве восстановителя (алюминотермия). Очень полезным оказалось использование термитных процессов для сварки рельсов. Другим, широко используемым активным металлом, является магний (магниетермия). Магниетермию в практике используют для получения титановой губки. Известны примеры использования и других активных элементов в качестве восстановителей (Ca, B, Si, Cu и др.).

В литературе описаны многочисленные попытки получения карбидов, боридов, силицидов, нитридов металлов и т.д. с помощью термитных реакций. Однако была отмечена невозможность использования этого метода для получения тугоплавких литых соединений в виду взрывоподобного протекания процесса горения при высокой температуре.

Новые возможности для использования термитных реакций в научных и прикладных задачах появились в связи с развитием в 70-е годы работ по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу тугоплавких неорганических соединений (СВС). Эти возможности связаны с применением нового оборудования и новых методов. Исследования, проведенные школой академика А.Г.Мержанова (В.И.Юхвид, А.Р.Качин, В.А.Горшков, С.Л.Силяков, В.Н.Санин и др.) показали, что воздействие повышенным давлением и центробежной силой подавляют разброс смесей термитного типа при горении и переводят горение в управляемый стационарный режим. Исследования показали, что для широкого круга таких смесей продуктом горения является высокотемпературный многофазный расплав, содержащий нерастворимые друг в друге "металлическую" и оксидную фазы. В ряде случаев, при не полном восстановлении исходных окислов, формируется однофазный оксидный расплав. Детальные фундаментальные и прикладные исследования показали, что горением и формированием химического состава расплава продуктов горения, а также последующими за горением процессами фазоразделения и кристаллизации, формирования фазового состава, макро и микро структуры можно управлять с помощью внутренних (состав и плотность смеси, дисперсность реагентов и т.д.) и внешних (воздействие перегрузкой, давлением газа, электромагнитным полем, высокочастотными колебаниями и т.д.) параметров. Это новое направление исследований получило название СВС-металлургия.

Жидкофазное состояние продуктов синтеза после прохождения волны горения позволило решить три класса практических задач:

1. получение слитков карбидов, боридов, силицидов и оксидов металлов, твердых и жаростойких сплавов, композиционных и градиентных материалов и т.д.;

2. получение литых изделий в том числе труб из перечисленных выше материалов ;

3. получение износостойких защитных покрытий на деталях машин и механизмов,

а также осуществлять переработку промышленных отходов (металлической стружки, окалины и металлургической пыли и т. д.).В рамках этих исследований в 80-х годах были созданы опытные производства на НПО "Черметмеханизация" (Днепропетровск), "Запсибмет" (Новокузнецк) и НИИ "Тракторсельхозмаш".

Следует отметить так же попытки использования металлургических СВС - процессов в черной и цветной металлургии для легирования литых заготовок А.А.Жуковым (Винница) и В.А.Новохацким (Полтава), для модифицирования алюминиевых сплавов В.И.Никитиным с сотрудниками (Самара), ремонта металлургических поддонов (ВНИИмехчермет, Днепропетровск), получения огнеупоров и ремонта металлургических печей (Институт горения, Алма-Ата).

В 1980-1982 г.г. О.Одавара с коллегами (Япония) провел исследование горения железо-алюминиевого термита и разработал технологию получения труб большого размера В 1990 году С. Вуйтицкий (США) сконструировал радиальную центробежную установку и провел первые эксперименты по получению литых твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Широкое развитие центробежная СВС-технология получила в работах S.G. Zhang, X.X. Zhon, S. Yin и др. (Китай) и G. Cao (Италия) с сотрудниками .

В настоящее время СВС-металлургия - это одно из наиболее интересных и полезных для практики направлений в СВС, имеющее большие перспективы развития и следующие наиболее значимые достижения:

· создано оригинальное оборудование, методики экспериментальных и прикладных исследований (центробежные установки, реакторы, закалочные устройства, компьютеризованные комплексы экспериментальной диагностики, методики получения трубчатых изделий и защитных покрытий и т.д.);

· развиты представления об особенностях процессов в "жидком пламени", предложены структурные схемы химического превращения в волнах горения, показана возможность управления стадиями с помощью вариации соотношения дисперсностей реагентов;

· показано сильное влияние высокотемпературных гидродинамических процессов (принудительной фильтрации расплавов, конвективного движения расплава над фронтом горения, движения двухфазного потока вдоль открытой поверхности смеси и т.д.) на горение и формирование литых продуктов;

· реализовано горение в перемешанных и слоевых системах, с полным и частичным восстановление исходных окислов,а также изучены их закономерности;

· созданы модели "жидкого пламени", фазоразделения и динамического взаимодействия высокотемпературного расплава с плавящейся основой, включая стадию растекания по поверхности основы, адекватно отражающие экспериментальные закономерности;

· синтезировано более 100 литых химических соединений;

· получены трубчатые изделия с керметной, слоевой и градиентной структурой;

· получены защитные покрытия из твердых сплавов на основе карбидов и боридов титана и хрома толщиной от 1 до 30мм на поверхности стальных изделий;

· апробирован в промышленности широкий круг материалов (сплавы для напыления и наплавки защитных покрытий, абразивные оксидные материалы), литых защитных покрытий (металлургия, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, дорожно-строительная техника); керметных труб (разливка расплавов из цветных металлов);

Перспективы развития металлургического направления СВС связаны с созданием новых методик и оборудования; развитием экспериментальных и теоретических исследований по горению смесей термитного типа в условиях принудительной фильтрации расплава и конвективного движения в расплаве продуктов горения; исследования взаимодействия восстановительной и "СВС" стадий в волне горения; возможностью управления составом и структурой продуктов горения с помощью внутренних и внешних параметров, воздействия внешних полей и т.д.

Развитие прикладных исследований связано с созданием технологий новых материалов и изделий для промышленности: литой полупроводниковой керамики, трубчатых нагревателей, преобразователей тепловой энергии в электрическую, жаростойких материалов и покрытий для авиационной техники, износостойких покрытий на деталях машин и механизмов, подвергающихся интенсивному износу, переработка промышленных отходов, в том числе и радиоактивных. Ниже приводится перечень новых задач, перспективных для науки и практики.

Закономерности и механизм процессов

· влияние высокотемпературных гидродинамических процессов на распространение и структуру волн горения

· горение гибридных систем и влияние принудительной фильтрации высокотемпературного расплава на горение безгазовых систем

· химическая стадийность в системах MeOx+ B2O3 +Al, MeOx+ SiO2 +Al и структура волн горения;

· деформационные процессы в волнах горения ;

· горение под воздействием высоких перегрузок (более 1000g);

· продолжить исследования влияния внешних полей на СВС-процесс и формирование градиентных структур и разработку центробежных методов закалки продуктов горения.

Технологические процессы и оборудование

· разработать радиальные центробежные установки с перегрузкой более 1000g;

· разработать осевые высокоточные центробежные установки для получения трубчатых изделий;

· разработать опытные высокопроизводительные установки для процессов СВС-металлургии и СВС-переработки промышленных отходов;

· использовать СВС- составов термитного типа для моделирования аварийных процессов в атомном реакторе;

· создать основы космической СВС-металлургии.

Продукты синтеза

· создать композиционные жаростойкие материалы и твердые сплавы на на основе карбидов и боридов металлов с интерметаллидными матрицами;

· создать высокотемпературные электропроводящие оксидные композиционные материалы ;

· создать литые градиентные материалы;

· создать защитные покрытия на поверхности легкоплавких и активных металлов;

· создать литые трубы из электропроводящих оксидных и композиционных материалов.

Переработка индустриальных отходов и ремонтные работы

· СВС-переплавка отходов металлообработки и бракованных деталей;

· СВС-переплавка радиоактивных неметаллических отходов;

· залечивание технологических отверстий и литейного брака в изделиях с помощью СВС-процессов и СВС- материалов;

· восстановление изношенных поверхностей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      http://www.explosive.ru - Гордополовый Ю.А «Cамораспространяющийся высокотемпературный синтез», А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская «СВС - ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛУРГИИ».

2.      http://www.lgz.ru - «Твердый огонь СВС», Литературная газета, выпуск 19 (59), 2003.

3.      http://ism.ac.ru - А.Г. Межанов, А.Е. Сычев «О самораспространяющимся высокотемпературном синтезе».

4.      http://gazeta.chernogolovka.net - «Седьмой международный», еженедельник, 26 (622), 3.07.2003

5.      А.Г. Мержанов. «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Современные проблемы». Физическая химия. М. «Химия» 1983 г.

6.      Журнал Всесоюзного химического общества им. Менделеева XXXV том 6, 1990

7.      Журнал Всесоюзного химического общества им. Менделеева XXIV том 3, 1979

Страницы: 1, 2