Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) (англ. Self-propagating high-temperature synthesis (SHS)) — экзотермический химический процесс типа горения, протекающий в автоволновом режиме в смесях порошков и приводящий к образованию полезных конденсированных продуктов, материалов и изделий [1]. СВС представляет собой режим протекания экзотермической реакции, в котором тепловыделение локализовано в узком слое и передается от слоя к слою путём теплопередачи.

Наиболее часто реализуемые значения некоторых характеристик СВС-процесса

  • Скорость горения (0.1-20 см/с);
  • Температура горения в неорганических системах (700-3800 К); в органических — 70 — 250 oС.
  • Скорость нагревания вещества в волне (1 тыс.-1 млн.град/с);
  • Мощность зажигания (10-200 кал/(см2.с);
  • Продолжительность зажигания (0.2-1.2 с);
  • Температура зажигания неорганических систем (800—1200 К); органических — 100—300 oС.

Реакции СВС

Реакции СВС протекают исключительно в экзотермических системах. Как правило, это реакции присоединения. В некоторых случаях побочно могут образовываться в значительных количествах газы (O2; CO2, H2O и др), абсорбированные в исходных порошках.

В практике СВС известны следующие типы реакций:

  • реакции элементов (наиболее распространены), в том числе газообразных: Al+Ni; Ti+C; Zn+S; Al+I2; Nb+C+N2 и др.;
  • реакции элементов с более сложными соединениями, например окисление в сложных оксидных средах (Al+CrO3; KNO3+S), реакции металлов с органическими соединениями (Ti+уротропин);
  • реакции сложных молекул, например, окислов металлов, органических соединений.

По химической природе реагентов и продуктов реакции классифицируются на реакции карбидизации, окисления, борирования, нитрирования, карбонитрирования, галогенирования, и др..

По механизму реакции преобладают окислительно-восстановительные реакции, в органических системах известны реакции протонирования, ацилирования и др..

Продукты и практическое применение

С помощью СВС получают преимущественно неорганические вещества, материалы и изделия разного назначения: (порошки тугоплавких соединений, абразивные пасты, азотированные ферросплавы, керметы, керамику), детали и изделия заданных размеров и форм, огнеупорные изделия и покрытия.


В гибридных органо-неорганических смесях показано образование сверхстехиометрических карбидов титана TiCx (металлокарбогедрен, меткар, Met-Car) при реакции органического вещества фуллерена с порошком титана, протекающей по схеме [2]:

хС60 → 60Cx х = {60-1}

Ti + Cx → TiCx.

В технике свойства СВС находят применение при осуществлении неразъемного соединения деталей (термитная сварка); нагревательных устройств (химическая печка); утилизации вредных веществ; приготовлении катализаторов; окрашивании и текстурировании полимеров; восстановлении нефтяных скважин и др..

Технология

Достоинство технологии СВС заложено в самом принципе — использование выделяющегося тепла химических реакций вместо нагрева вещества от внешнего источника, поэтому СВС процессы успешно конкурируют с традиционными энергоемкими технологиями. Порошковую смесь (шихту) помещают в реактор и в газовой среде производят локальное инициирование процесса (зажигание). Затем происходит самопроизвольное распространение волны горения, охватывающую всю смесь, завершение реакции и остывание синтезированного продукта.

Другим достоинством СВС является эффект самоочистки — термодесорбция летучих примесей при температуре синтеза. Поэтому получающиеся продукты могут быть чище, чем исходные реагенты.

История открытия СВС

В 1967 году небольшая группа ученых (И. П. Боровинская, В. М. Шкиро и А. Г. Мержанов), исследуя экспериментальные модели горения конденсированных систем, открыла новое явление, получившее название «твердого пламени» - автоволнового процесса, во время которого исходные и конечные вещества находятся в твёрдой фазе.

"Твердое пламя" позволило получать ценные тугоплавкие материалы. Это обстоятельство привело к созданию нового высокоэффективного метода их производства — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исследования СВС-процессов открыли новые горизонты познания и практических применений. Ранее неизученные системы, явления и процессы, при исследовании которых возникали различные научные проблемы, задачи и возможные практические применения стали желаемым объектом экспериментальной диагностики и теоретического моделирования. Сочетание химии с макрокинетикой привело к созданию мощной методологии и идеологии исследований и, как следствие, к крупным практическим достижениям, что, в конце концов, сделало необходимым создание нового института, который был назван Институтом структурной макрокинетики АН СССР.

Для объяснения процессов СВС привлекаются различные теории, в том числе теория неравновесной химической термодинамики Ильи Пригожина.

В число реакций — аналогов СВС — входит периодическая волновая реакция Белоусова.

Примечания

  1. ↑ Concise Encyclopedia of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. History, Theory, Technology, and Products". 1st Ed., Editors: I.Borovinskaya, A.Gromov, E.Levashov et al., Imprint: Elsevier Science, 2017
  2. ↑ http://www.chemsoc.ru/simposium/2017/rho_konf_2017.pdf Архивная копия от 18 января 2018 на Wayback Machine стр.99

Литература

  • Амосов А. П., Боровинская И. П., Мержанов А. Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособие. / Под научной редакцией В. Н. Анциферова. — М.: Машиностроение-1, 2007. — ISBN 978-5-94275-360-3
  • Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Учебное пособие для вузов по направлению «Металлургия», специальностям: 070800 — Физико-химические методы исследования процессов и материалов и 110800 — Композиционные и порошковые материалы, покрытия/ , Е. А. Левашов, и др. . — М. : БИНОМ, 1999 . — 176 с. — ISBN 5-7989-0126-2
  • Мержанов А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез.// Физическая химия. Современные проблемы. Ежегодник./ Под ред. Акад. Я. М. Колотыркина. М.: «Химия» 1983. С. 6-44.
  • Merzhanov A.G.; в кн.: Combustion and plasma synthesis of high-temperature materials, ed. by Z. Munir, J. Holt, N.Y. 1990, pp. 1-53.
  • Irving Epstein, John A. Pojman. An Introduction to Nonlinear Chemical Dynamics. 1998 by Oxford University Press, Inc. SBN 0-19-509670-3.
  • Ulrich Schubert, Nicola Hüsing. Synthesis of Inorganic Materials. 413 p. 2001. Pu.Wiley-VCH.
  • Исследование способа упрочнения поверхностей деталей машин нанесением износостойких покрытий с использованием СВС-реакций / Е. А. Завгородняя, С. В. Ковалевский, В. И. Тулупов // Наука и студент XXI веку. — Краматорск, 2009. — С. 28-33.

Ссылка