自蔓延高溫合成在特種陶瓷領域的應用分析

趙慧林 劉淑娟 鞏 雪 張丹桐

(中國建筑材料工業規劃研究院/建筑材料工業信息中心，北京 100035)

前言

自蔓延高溫合成(Self-propagatiing High-temperature Synthesis，SHS)是一種是利用反應物之間高的化學反應熱的自加熱和自傳導作用來合成新材料的技術，該方法最大的特征在于，反應一經開始，反應過程通過反應體系自身釋放的高熱量實現反應的自持。自從20世紀70年代，前蘇聯科學家Merzhanov等人首次發現這種現象并應用于材料合成以來，SHS技術在金屬間化合物、陶瓷、復合材料合成等領域應用越來越廣泛。

由于反應物粉末間存在初始孔隙、反應過程中低熔點雜質揮發、反應終產物和反應物之間的摩爾體積變化等因素影響，SHS工藝最初主要用于制備單相粉體。隨著致密化工藝的應用，即在自蔓延反應進行過程中或完成后對反應系統進行機械加壓、氣體加壓、爆炸壓實等處理工藝，已經可以實現致密塊體材料的制備。

1 SHS工藝基本理論

1.1 燃燒合成熱力學及動力學

絕熱反應溫度(Tad)是自蔓延反應過程中重要的熱力學參量，代表了反應體系在理想狀態下充分燃燒釋能后體系能達到的最大溫度，表1中為部分常見陶瓷體系自蔓延反應的絕熱溫度。Tad通常被作為判別反映能否自持的依據。一般認為絕熱反應溫度低于1 800K時，燃燒波前沿能量累積(凈熱通量)將不足以支持自蔓延反應進行，此時需要額外對反應體系提供能量，如預熱或采用整體加熱的方法，以實現反應的自持。

反應速率是描述合成反應過程的一個重要參量，最直觀的表現為燃燒波向前傳播的速率。……