復合材料的自蔓延高溫合成法
2021年11月29日 16:17 13655次瀏覽 來源: 中國有色金屬報 分類: 新材料前沿 作者: 王祝堂
在原位自生成技術中,自蔓延高溫合成法即SHS法(Self-Propagating High Temperature Synthesis)是前蘇聯(lián)科學家在研發(fā)Ti和B混合壓實塊燃燒時提出的,并先后獲得美、日、法、英等國的專利。其基本原理是將增強相組分與金屬粉末混勻,壓實,在真空或惰氣中預熱引燃,使組分之間發(fā)生放熱化學反應,釋放的熱引起相鄰組分繼續(xù)反應,甚至全部完成反應。反應生成物就是增強相,彌散于基體中,其大小可達亞微米級。常規(guī)SHS反應模式見下圖。
研究顯示,Ti與AIB2在約1280K即可進行反應,而它們的反應合成溫度則高達1473K。向Ti、AIB2預制塊中添加鋁粉可降低反應起始溫度,反應產(chǎn)物TiB2質(zhì)點的尺寸隨預制塊中鈦粉含量的增大而減小,有人采用SHS工藝制備出30%TiB2/AI復合材料,TiB2粒尺寸小于2μm,不過還有少量的針狀Al3Ti,材料的孔隙率也高達30%-40%,必須進行二次加工。中國科學家彭華新等采用擠壓鑄造(Squeeze-casting)-燃燒合成(combustion-synthesis)聯(lián)合法,利用TiO2與Al之間的反應,巧妙地制得Al2O3-Al3Ti-Al原位自生的復合材料,有高的抗彎強度(410MPa-490MPa)和彈性模量(156GPa-216GPa)。
形成自蔓延高溫合成的必要條件:一是組分之間的化學反應熱效應應達到167kJ/mol;二是反應過程的熱損失(對流、輻射、傳導)小于反應放熱的增加量,以確保反應的持續(xù)進行;三是有一種反應物在反應過程中能形成液態(tài)或氣態(tài),以利擴散傳質(zhì),加快反應速度。影響自蔓延合成的主要因素:預制試樣壓實度;原始組分顆粒大小,預熱溫度;預熱速度;稀釋劑。
與傳統(tǒng)的材料合成相比,自蔓延高溫合成有如下優(yōu)勢:工藝設備不復雜,工藝周期短,效率高;能耗低,物耗少;合成溫度高,有利于產(chǎn)物自純化,同時,升溫和降溫速度極快,可獲得非平衡結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物,產(chǎn)物質(zhì)量高。該工藝的不足之處是:產(chǎn)物孔隙率高,需經(jīng)二次加工方可獲得最終產(chǎn)品;反應速度快,不易控制;產(chǎn)品中易出現(xiàn)缺陷集中和非平衡過渡相;不易制備合成物含量低的復合材料。
經(jīng)過近30年的發(fā)展,SHS工藝在理論上與實際生產(chǎn)方面都取得了非凡的成就,今后的研發(fā)方向主要為:深入與系統(tǒng)化發(fā)展結(jié)構(gòu)宏觀動力學理論,運用超級計算機開展不同條件下的SHS過程的數(shù)模研究,以預測SHS反應進程;SHS技術向自動化、智能化方向發(fā)展;SHS法同現(xiàn)代有關工程技術融為一體方向發(fā)展。
SHS工藝有著廣闊的發(fā)展前景:①研究開發(fā)SHS工藝與常規(guī)壓力加工工藝如擠壓、軋制、沖壓等相結(jié)合,融為一體,形成一種全新的“SHS-壓力加工”工藝,以實現(xiàn)材料合成與致密化相向而行,縮短工藝流程,節(jié)約生產(chǎn)成本與能源;②精準控制SHS法的各項參數(shù),以控制材料的組織和孔隙率,是其最有發(fā)展前途的方向之一;③由于SHS工藝可以生產(chǎn)高純的高性能原料,致使單晶生長技術有廣闊的應用前景;④用SHS工藝可以較順利地制造功能梯度材料,因而具有很大的潛在應用價值。
責任編輯:楊一鳴
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