第八章+自蔓延合成

自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成SHS(Self-propagationHightemperatureSynthesis),又稱燃燒合成(CombustionSynthesis縮寫CS)2

自蔓延高溫合成技術(shù)目錄自蔓延合成方法原理

自蔓延合成工藝

自蔓延合成應(yīng)用實(shí)例

8.1

8.2

8.3

8.4

3自蔓延高溫合成技術(shù)發(fā)展歷史前蘇聯(lián)科學(xué)院宏觀動(dòng)力與結(jié)構(gòu)研究所Merzhanov、Borovinskaya和Skhiro等人在上世紀(jì)70年代開始了過渡金屬與硼、碳、氮?dú)夥磻?yīng)的實(shí)驗(yàn)，在研究金屬鈦和硼的混坯塊的燃燒時(shí)，發(fā)現(xiàn)燃燒反應(yīng)能以很快的速率傳播，后來又發(fā)現(xiàn)許多金屬和非金屬反應(yīng)形成難熔化合物時(shí)都有強(qiáng)烈放熱現(xiàn)象。

8.1.14520世紀(jì)80年代，SHS技術(shù)引起各國(guó)科學(xué)界的關(guān)注，SHS的研究也由前蘇聯(lián)擴(kuò)展到世界范圍。先后有日本的小田原修、宮本欽生等，美國(guó)的McCauley、Holt等，韓國(guó)和西班牙等國(guó)家的科學(xué)家開始SHS研究。其中美國(guó)的McCauley、Holt等人的SHS研究得到了美國(guó)政府DARPT計(jì)劃的支持，美國(guó)還發(fā)展了新的燃燒模型、有機(jī)物的燃燒合成和非常規(guī)的SHS技術(shù)；6日本于1987年成立了燃燒合成研究協(xié)會(huì)，并于1990年召開了第一次美、日燃燒合成討論會(huì)。自1991年起，每?jī)赡暾匍_一次國(guó)際SHS會(huì)議。

1992年國(guó)際SHS學(xué)報(bào)（Inter.J.SHS）在美國(guó)創(chuàng)刊。這些廣泛的國(guó)際交流和合作促進(jìn)了SHS的進(jìn)一步發(fā)展。目前，從事研究的國(guó)家己有30多個(gè)。7研究對(duì)象

鋁、硼、碳硅化合物

氫化物、磷和硫化物

高放熱

弱反應(yīng)

8用SHS可制備許多新型材料

功能傾斜材料

蜂窩狀陶瓷材料單晶體超導(dǎo)材料各項(xiàng)異性材料金屬間化合物金屬陶瓷9獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的SHS與復(fù)合技術(shù)系統(tǒng)

SHS制粉技術(shù)SHS燒結(jié)技術(shù)SHS致密化技術(shù)SHS冶金技術(shù)SHS焊接技術(shù)SHS氣相傳質(zhì)涂層技術(shù)10SHS技術(shù)的研究方向目前SHS研究中仍存在著最大的問題合成過程難以控制SHS科學(xué)工作者的首要任務(wù)外部環(huán)境（使用如微波、超聲波、電磁場(chǎng)等）工藝參數(shù)人為控制8.1.211目前SHS研究中仍存在著一些問題難以獲得致密度非常高的產(chǎn)品這此技術(shù)并不能適用于所有體系理論研究明顯滯后于技術(shù)開發(fā)由于體系的多樣化，迫切需要對(duì)各種體系進(jìn)行試驗(yàn)和總結(jié)；超細(xì)粉未和納米粉未的研究還不廣泛；國(guó)際間交流和合作還不廣泛12SHS研究方向結(jié)構(gòu)形成過程與燃燒的關(guān)系；多維SHS計(jì)算機(jī)模擬模型；氣相之間和氣相與懸浮物的自蔓延燃燒合成；SHS技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)體系；SHS技術(shù)制造非傳統(tǒng)性粉末；SHS技術(shù)制造納米粉末；SHS技術(shù)制造非平衡材料；凈成形制品工藝；產(chǎn)品的規(guī)模生產(chǎn)；自蔓延機(jī)械化學(xué)合成法；

（1）宏觀動(dòng)力學(xué)研究

（2）微重力作用下SHS結(jié)構(gòu)和性能特征；

SHS的分形技術(shù)研究。138.2自蔓延合成方法原理8.2.1自蔓延合成方法的概念自蔓延高溫合成是利用反應(yīng)物之間高的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)做用來合成材料的一種技術(shù)，當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，便會(huì)自動(dòng)向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)完全，是制備無機(jī)化合物高溫材料的一種新方法。自蔓延高溫合成反應(yīng)過程如圖8.1所示。

14圖8.1SHS反應(yīng)模式示意圖15SHS技術(shù)同其它常規(guī)工藝方法相比，具有的優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)省時(shí)間，能源利用充分；(2)設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單；(3)產(chǎn)品純度高（因?yàn)镾HS能產(chǎn)生高溫，某些不純物質(zhì)蒸發(fā)掉了），反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近100%；(4)不僅能生產(chǎn)粉末，如果同時(shí)施加壓力，還可以得到高密度的燃燒產(chǎn)品；(5)產(chǎn)量高（因?yàn)榉磻?yīng)速度快）；

16（6）擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模簡(jiǎn)單，從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)生產(chǎn)所需的時(shí)間短，而且大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的產(chǎn)品；（7）能夠生產(chǎn)新產(chǎn)品，例如立方氮化鉭；（8）在燃燒過程中，材料經(jīng)歷了很大的溫度變化，非常高的加熱和冷卻速率，使生成物中缺陷和非平衡相比較集中，因此某此產(chǎn)物比用傳統(tǒng)方法制造的產(chǎn)物史具有活性，更容易燒結(jié)；（9）可以制造某些非化學(xué)計(jì)量比的產(chǎn)品、中間產(chǎn)物以及亞穩(wěn)定相等。與常規(guī)方法，SHS的控制參數(shù)較為嚴(yán)格（見表8.2所示）。

1718自蔓延合成方法的原理燃燒波的特征SHS燃燒波方程SHS相圖SHS燃燒動(dòng)力學(xué)合成轉(zhuǎn)化率

8.2.2191．燃燒波的特征SHS過程包含復(fù)雜的化學(xué)和物理化學(xué)轉(zhuǎn)變，要想獲得滿意的產(chǎn)品就必須明了整個(gè)反應(yīng)機(jī)理以及各種因索對(duì)SHS過程的影響。如果將自蔓延的燃燒區(qū)描述為燃燒波的話，試樣被點(diǎn)燃后，燃燒波以穩(wěn)態(tài)傳播時(shí)，燃燒波就在試樣(或空間)建立起溫度、轉(zhuǎn)化率和熱釋放率分布圖。

2021可以看出，燃燒波前沿的區(qū)域是熱影響區(qū)，當(dāng)該區(qū)內(nèi)溫度從T0上升到著火溫度，熱釋放速率和轉(zhuǎn)化率開始由0逐漸上升，這樣就進(jìn)入燃燒區(qū)，在這一區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)由反應(yīng)物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到1時(shí)，反應(yīng)即進(jìn)入產(chǎn)物區(qū)。2223242．SHS燃燒波方程數(shù)學(xué)模型是理解影響SHS過程基本機(jī)理的重要工具，對(duì)決定最佳的燃燒條件，控制燃燒過程也有很大幫助。根據(jù)能量守恒定律和把反應(yīng)介質(zhì)看作連續(xù)均勻、各向同性，溫度分布連續(xù)、均勻，以及物理K、ρ、Cp為常數(shù)，即可得到一維有熱源的Fourier熱傳導(dǎo)方程。25式中：Cp為產(chǎn)物熱容，ρ為產(chǎn)物的密度，k為產(chǎn)物的熱導(dǎo)率，q為反應(yīng)熱，T為絕對(duì)溫度，t為時(shí)間，x為波傳播方向的尺寸，由Arrhenius動(dòng)力學(xué)知識(shí)可以推導(dǎo)出燃燒波傳導(dǎo)速度表達(dá)式式中：f(n)為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)(n)的函數(shù)，Tc為燃燒溫度，R為氣體常數(shù)，K0為常數(shù)，E0為過程的激活能。通過激活能就可以推斷某種機(jī)制在燃燒過程中起的作用。26由邊界條件：X=–∞時(shí)，T=T0，η=0，eT/ex=0X=+∞時(shí)，T=Tc，η=1，eT/ex=0可獲得轉(zhuǎn)化率在空間分布的方程。式中：K1，K2分別為反應(yīng)物和產(chǎn)物的導(dǎo)熱率。

273．SHS相圖根據(jù)SHS燃燒波傳播的方式

自蔓延

“熱爆”

非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)波的特征

振蕩燃燒

螺旋燃燒

表面燃燒

重復(fù)燃燒

28SHS圖可以為實(shí)際生產(chǎn)工藝的制定提供理論指導(dǎo)，如生產(chǎn)磨料時(shí)，為了獲得大尺寸的顆粒，那么工藝制定就應(yīng)選擇在SHS圖中熱爆與穩(wěn)定SHS交界處穩(wěn)態(tài)SHS一側(cè)的高溫區(qū)域；生產(chǎn)燒結(jié)用的粉末時(shí)，在保證轉(zhuǎn)化率的前提下，為了獲得尺寸細(xì)小的顆粒，宜選擇穩(wěn)態(tài)SHS和非穩(wěn)態(tài)SHS邊界的非穩(wěn)定SHS的低溫區(qū)域。29304．SHS燃燒動(dòng)力學(xué)通過對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，可以預(yù)測(cè)在燃燒期間反應(yīng)物的分解和聚合，以及最終產(chǎn)物的性能。由于固一固反應(yīng)時(shí)，顆粒之間的有限接觸限制了反應(yīng)物之間的物質(zhì)交換，所以燃燒波中出現(xiàn)的液相，在SHS過程中扮演著決定性的因索，液相不僅可通過反應(yīng)物的熔化產(chǎn)生，而且還可通過共晶接觸熔化產(chǎn)生。

31在SHS燃燒波陣面內(nèi)，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)組分熔化時(shí)，熔化的液相在毛細(xì)作用下，鋪張到高熔點(diǎn)組分上，如果鋪張的時(shí)間大于反應(yīng)的時(shí)間，SHS反應(yīng)受毛細(xì)作用下鋪張速率控制；當(dāng)鋪張時(shí)間小于反應(yīng)時(shí)間，SHS反應(yīng)受組分在生成層中擴(kuò)散速度控制。32不管是毛細(xì)作用模式還是擴(kuò)散模式，均與組分的顆粒尺寸密切相關(guān)。通常當(dāng)

式中：r0為低熔點(diǎn)組分的顆粒尺寸，rr為難熔組分顆粒尺寸，σ為反應(yīng)物在生成層中的擴(kuò)散系數(shù)。33SHS反應(yīng)中毛細(xì)作用占主導(dǎo)地位，而擴(kuò)散占主導(dǎo)地位則要求式中：λ為熱擴(kuò)散速率。34一般由小顆粒金屬構(gòu)成的系統(tǒng)中，是以擴(kuò)散控制模式為主；而由大顆粒金屬構(gòu)成的體系中，受毛細(xì)作用下液相的鋪張速率控制。對(duì)不同的孔隙率研究表明，易熔組分體積分?jǐn)?shù)與孔隙的體積分?jǐn)?shù)大致相當(dāng)時(shí)，液相可充分與高熔點(diǎn)組分接觸，而獲得最佳擴(kuò)展效果。體積分?jǐn)?shù)過高的易熔組分會(huì)產(chǎn)生過多的液相，起到熱阱的作用，降低燃燒溫度；反之，則降低燃燒速率。

35對(duì)于弱放熱反應(yīng)體系來說，為了能維持反應(yīng)并獲得滿意產(chǎn)品，可以采用給反應(yīng)物預(yù)熱的方法來實(shí)現(xiàn)，但這種方法會(huì)造成設(shè)備和工藝的復(fù)雜化。另外一種方法是通過在反應(yīng)物中添加一些高放熱的化學(xué)激活劑來提高燃燒溫度，改善燃燒條件。這些化學(xué)激活劑有KNO3+Al、BaO2、NH4NO3等。365．合成轉(zhuǎn)化率（1）固-固反應(yīng)對(duì)于指定的材料體系，預(yù)加熱溫度和顆粒大小是影響合成產(chǎn)品的主要因素。弱放熱反應(yīng)體系，由于得不到合成產(chǎn)品完全轉(zhuǎn)化所需的合成溫度而造成合成轉(zhuǎn)化率低，預(yù)加熱可以提高合成溫度并使合成轉(zhuǎn)化率提高。

對(duì)金屬間化合物Ni3Al的合成研究表明，合成轉(zhuǎn)化率與合成預(yù)加熱溫度有明顯的相關(guān)性。研究Ti5Si3燃燒合成時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)預(yù)加熱速度為4.5K/min時(shí)，生成物中Ti5Si3不到一半，而加熱速度提高到125K/min時(shí)，幾乎獲得了百分之百的Ti5Si3。

37顆粒大小對(duì)合成轉(zhuǎn)化率的影響主要表現(xiàn)在顆粒增大到一定程度后，轉(zhuǎn)化率明顯下降。在Ti5Si3的合成中，當(dāng)鈦粒度大于100μm時(shí)，合成產(chǎn)品由Ti5Si3變?yōu)門i5Si3+Ti。金屬間化合物FeAl的合成研究也反映了同樣的規(guī)律。當(dāng)鐵粉粒度小于30μm時(shí)，合成產(chǎn)品中Fe2Al5減少而以FeAl為主。38（2）固-氣反應(yīng)初始料胚的空隙率和氣體分壓是影響合成的關(guān)鍵因素。按照反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，隨著氣體分壓的增大，合成轉(zhuǎn)化率應(yīng)提高，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。例如：純凈的鈦粉在氮?dú)庵泻铣蓵r(shí)，隨著P（N2）增大，合成轉(zhuǎn)化率反而下降。

研究查明，這是因?yàn)楹铣蓽囟忍咭饸J粉熔化，阻礙了合成反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行的緣故。降低合成溫度并保證生料胚中適當(dāng)?shù)目障堵适堑玫礁咿D(zhuǎn)化率的條件。通過控制初始料胚的成型密度并摻入TiN稀釋劑降低溫度，得到了幾乎完全的TiN產(chǎn)品。398.3自蔓延合成工藝自蔓延合成生產(chǎn)工藝種類自蔓延的結(jié)構(gòu)控制方法SHS制粉SHS燒結(jié)塊體材料SHS致密化技術(shù)

常規(guī)SHS技術(shù)熱爆SHS技術(shù)40（1）常規(guī)SHS技術(shù)常規(guī)SHS技術(shù)是用瞬間的高溫脈沖來局部點(diǎn)燃反應(yīng)混合物壓坯體，隨后燃燒波以蔓延的形式傳播而合成目的產(chǎn)物的技術(shù)。這一技術(shù)適用于具有較高放熱量的材料體系，例如：TiC-TiB2、TiC-SiC、TiB2-Al2O3、Si3N4-SiC等體系。其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低、工藝過程快、反應(yīng)溫度高。41（2）熱爆SHS技術(shù)熱爆SHS技術(shù)是將反應(yīng)混合物壓坯整體同時(shí)快速加熱，使合成反應(yīng)在整個(gè)坯體內(nèi)同時(shí)發(fā)生的技術(shù)。采用這一技術(shù)已制備出的材料主要有各種金屬間化合物、含有較多金屬相的金屬陶瓷復(fù)合材料以及具有低放熱量的陶瓷復(fù)合材料。422、SHS燒結(jié)塊體材料SHS燒結(jié)法或稱SHS自燒結(jié)法，即直接完成所需形狀和尺寸的材料或物件的合成與燒結(jié)，是將粉末或壓坯在真空或一定氣氛中直接點(diǎn)燃，不加外載，憑自身反應(yīng)放熱進(jìn)行燒結(jié)和致密化。該工藝簡(jiǎn)單，易于操作，但反應(yīng)過程中不可避免會(huì)有氣體溢出，難以完全致密化。即使有液相存在，空隙率也會(huì)高達(dá)7%-13%。43SHS燒結(jié)可采用以下3種方式進(jìn)行：（1）在空氣中燃燒合成；（2）將經(jīng)過預(yù)先熱處理的混合粉末放在真空反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行合成；（3）在充有反應(yīng)氣體的高壓反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行合成。44SHS燒結(jié)發(fā)可用于以下幾類材料和制品的制備：（1）高孔隙度陶瓷。（2）蜂窩狀制品。（3）氮化物SHS陶瓷。45（1）高孔隙度陶瓷原始反應(yīng)物料的化學(xué)成分和坯體結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)氣體的溢出體積速率，燃燒波處的液相狀態(tài)。

多孔產(chǎn)物的孔隙結(jié)構(gòu)有以下因素決定：46（2）蜂窩狀制品將粉漿澆注法預(yù)制的蜂窩狀坯料進(jìn)行燃燒合成，既得到形狀保持良好的Sialon蜂窩狀構(gòu)件。這種制品可用作過濾器（特別是高溫過濾器）、催化劑及其載體，以及用于高溫熔體浸滲的坯料半成品。47（3）氮化物SHS陶瓷SHS燒結(jié)技術(shù)的最成功的范例就是在高氮壓下合成氮化物陶瓷。在此工藝條件下，氮化物相的形成與燒結(jié)過程一步完成。目前，除合成硼、鋁、硅和鈦的單相氮化物陶瓷外，更加有吸引力的是合成氮化物復(fù)相陶瓷。48在實(shí)驗(yàn)室中曾經(jīng)開展過有關(guān)BN-TiB2，BN-TiN，BN-TiB2-TiN，BN-SiC，BN-B4C，BN-氧化物，AlN-TiB2，Si3N4-TiN，Si3N4-TiC和Si3N4-TiB2-TiN等復(fù)相陶瓷的研究。其中的一些材料已用于高溫爐中的電絕緣材料，金屬的熔煉坩堝，磁流體發(fā)電的隔熱材料。49與采用粉末混合料燒結(jié)的傳統(tǒng)陶瓷相比，SHS燒結(jié)技術(shù)具有兩大特點(diǎn)?；瘜W(xué)組成和相組成相同的材料，呈現(xiàn)出不同的組織結(jié)構(gòu)。這與多種成分的反應(yīng)物坯料在SHS過程經(jīng)歷的一系列復(fù)雜化學(xué)與物理化學(xué)過程密切相關(guān)。SHS燒結(jié)陶瓷則不需要添加燒結(jié)助劑，使其在較寬的高溫范圍內(nèi)保持良好特性。當(dāng)然，SHS燒結(jié)陶瓷也存在著孔隙度（體積）較高（一般在5%~15%）的缺點(diǎn)。

50黑色SHS陶瓷是SHS燒結(jié)陶瓷的杰出代表。其成分為Si3H4-SiC-TiN-C。在特定的組份下，其燃燒產(chǎn)物的空隙可基本消除（<1%），陶瓷強(qiáng)度高大650MPa。不添加燒結(jié)助劑可使黑陶瓷的高溫強(qiáng)度隨著溫度的升高而提高。

513、SHS致密化技術(shù)前面提到普通的SHS技術(shù)適用于獲得疏松多孔的材料或粉末，為了進(jìn)一步提高材料的密實(shí)度，發(fā)展了多種自蔓延高溫合成材料的合成與致密化同時(shí)進(jìn)行的一體化技術(shù)。常用的SHS致密化技術(shù)可歸納為3類：液相致密化技術(shù)、SHS粉末燒結(jié)致密化技術(shù)、SHS結(jié)合壓力致密化技術(shù)。

52（1）液相致密化技術(shù)這一方法利用高放熱反應(yīng)體系可形成極高的合成溫度，產(chǎn)生大量的液相，排出氣體后可獲得致密材料。其產(chǎn)物可以是熔煉在一起的復(fù)合物，也可以是通過產(chǎn)物的不同特性（如密度）而分離開的單一化合物。

53典型的例子是鋁熱反應(yīng)，如：3Cr2O3+6Al+4C=2Cr3C2+3Al2O3，反應(yīng)溫度（T）可達(dá)6500K；MoO3+2Al+B=MoB+Al2O3+2Fe，反應(yīng)溫度（T）可達(dá)4500K；Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe，反應(yīng)溫度（T）可達(dá)高于3000K；反應(yīng)溫度足以使最終產(chǎn)物全部處于液態(tài)。再根據(jù)產(chǎn)物密度明顯不同和不相容的特點(diǎn)，通過離心分離，發(fā)展了離心復(fù)合管制備技術(shù)。54（2）SHS粉末燒結(jié)致密化技術(shù)這一方法首先采用SHS方法合成粉料，再經(jīng)過成形、燒結(jié)來得到致密化塊體材料。SHS合成粉料的方法與前面SHS制粉相同，隨后成形、燒結(jié)的方法很多，可根據(jù)反映體系選擇適宜的方法，與一般的粉末冶金和陶瓷燒結(jié)完全相同。采用這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)材料的密實(shí)化，但喪失了SHS技術(shù)的優(yōu)越性。55（3）SHS加壓致密化技術(shù)這一技術(shù)的原理是利用SHS反應(yīng)剛剛完成，合成材料還處于紅熱或軟化狀態(tài)時(shí)對(duì)其施加外部壓力而實(shí)現(xiàn)材料的致密化。目前在SHS材料致密化方面，人們做了很多工作，也發(fā)明了許多加壓致密化方法并制成了許多設(shè)備。根據(jù)加壓的方式可分為氣壓法、等靜壓法、鍛壓法、機(jī)械加壓法等。56氣壓致密化技術(shù)，又稱氣壓燃燒燒結(jié)（簡(jiǎn)稱GPCS）。將SHS反應(yīng)物坯料置于高壓氣氛中，點(diǎn)燃混合粉料，誘發(fā)反應(yīng)物壓坯發(fā)生反應(yīng)，利用環(huán)境壓力使材料致密化，其裝置示意圖如圖9.6所示。采用GPCS工藝已成功地制備了接近理論密度的TiB2，TiC，TiC-Al2O3，TIB2-Ni和TiC-Ni材料，以及TiC-Ni，MoSi2-TiAl和(MoSi2-SiC)/TiAl等梯度材料。5758SHS等靜壓致密化技術(shù)。該技術(shù)將反應(yīng)物粉料先在50MPa下冷等靜壓成Ф30mm×7mm的壓坯。然后將其封裝在一個(gè)帶硅橡膠帽的Ф30mm的金屬包套中，放在高壓釜內(nèi)在45MPa液體壓力下點(diǎn)燃。當(dāng)SHS反應(yīng)結(jié)束后，材料在介質(zhì)的高壓作用自動(dòng)密實(shí)化。59圖8.8SHS鍛壓裝置示意圖60SHS爆炸沖擊加載法。SHS爆炸沖擊加載法是利用炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)飛板，對(duì)點(diǎn)燃后發(fā)生合成的樣品施加沖擊載荷，例如用該法可以合成相對(duì)密度分別為98%和99%的TiC和TiB2。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8.9所示。

61圖8.9SHS爆炸沖擊加載法裝置示意圖62機(jī)械加壓密實(shí)化技術(shù)。該技術(shù)可根據(jù)機(jī)械加壓的方式不同分為多種類型，如彈簧機(jī)械加壓、燃燒合成熱壓、液壓傳動(dòng)的快速加壓等。通過彈簧機(jī)械加壓裝置進(jìn)行SHS，例如以鈦、硼、鎳粉為原料，在25MPa壓力下合成TiB2-TiNi復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8.10所示。63圖8.10SHS彈簧加壓法裝置示意圖64在SHS密實(shí)化技術(shù)中較為成功的是液壓快速加壓技術(shù)（簡(jiǎn)稱SHS/QP）。圖8.11SHS/QP系統(tǒng)示意圖65SHS/QP技術(shù)施壓滯后時(shí)間壓力大小保壓時(shí)間材料的結(jié)構(gòu)和性能壓力越大材料的致密度越高保壓時(shí)間達(dá)到一定值后對(duì)材料的致密影響不大施壓滯后時(shí)間是影響材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度性能的關(guān)鍵因素。施壓滯后時(shí)間是指SHS過程結(jié)束到壓制過程開始時(shí)的時(shí)間間隔。66SHS特殊密實(shí)化技術(shù)。該技術(shù)包括SHS-軋制法和SHS-擠壓法。SHS-軋制法是在發(fā)生SHS反應(yīng)時(shí)趁熱軋制來制備陶瓷帶材的方法。其工藝過程是：先將混好的反應(yīng)物粉料裝入襯有石墨紙和一層Al2O3基薄氈的金屬管內(nèi)，然后將金屬管冷軋至理論密度的60%~70%。此法雖然可以冷軋至更高密度。67SHS-擠壓法利用SHS過程所放出的大量熱量來加熱反應(yīng)產(chǎn)物，并在一定外部應(yīng)力的作用下，迫使其通過模具，借擠壓或拉拔過程來完成致密化而生產(chǎn)線材或帶材的一種方法。68（4）SHS鑄造技術(shù)SHS鑄造技術(shù)是將SHS與傳統(tǒng)的鑄造工藝相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型SHS復(fù)合技術(shù)。SHS熔鑄離心鑄造利用它來進(jìn)行陶瓷與金屬的復(fù)合可以有效地克服傳統(tǒng)鑄造工藝中的顆粒表面污染、氧化等問題，具有“原位”合成的特點(diǎn)。自蔓延高溫合成離心鋁熱法它是利用鋁、鎂、硅、鋯等粉末與金屬氧化物發(fā)生的高放熱化學(xué)反應(yīng)，依靠化學(xué)反應(yīng)潛熱加熱反應(yīng)產(chǎn)物陶瓷與金屬或陶瓷與陶瓷。69要成功地進(jìn)行離心熔鑄，應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：可燃的SHS混合物燃燒產(chǎn)物為高溫熔體燃燒溫度高于基體的熔點(diǎn)涂層和基體之間可形成冶金結(jié)合70SHS離心鑄造工藝的主要技術(shù)參數(shù)有：SHS混合物的燃燒溫度產(chǎn)物的熔化量基體的厚度71（5）SHS焊接技術(shù)SHS焊接是指利用SHS反應(yīng)的放熱及其產(chǎn)物來焊接受焊材料的技術(shù)。被焊接母材來源一次焊接二次焊接被焊接的母材在焊接過程中同時(shí)原位合成的焊接工藝二次焊接則是焊接現(xiàn)存的母材。72SHS焊接工藝具有以下特點(diǎn)：①焊接可利用反應(yīng)原料合成梯度材料來焊接異型材料，以克服母相間化學(xué)、力學(xué)和物理性能的差異；②焊接中可以加入增強(qiáng)相，如增強(qiáng)離子、短纖維、晶須等，以構(gòu)成復(fù)合材料；③在反應(yīng)中產(chǎn)生用于焊接的能量，從而可以節(jié)約能源；④可方便地進(jìn)行一次焊接和二次焊接⑤對(duì)于受焊母材的焊接，可采用與制備母材工藝相似的焊接工藝，從而可使母材與焊料有很好的物理和化學(xué)相容性；73SHS焊接可用于焊接同種和異型的難熔金屬、耐熱材料、耐腐蝕氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金屬間化合物。圖8.14SHS焊接裝置示意圖74利用活性元素在陶瓷的界面處與陶瓷發(fā)生界面反應(yīng)來改善陶瓷的表面狀態(tài)，以提高焊料反應(yīng)產(chǎn)物與陶瓷的潤(rùn)濕性。SHS焊接陶瓷的原理采用Ti-C-Ni粉末作為焊料可以實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的SHS焊接，金屬鎳粉的作用是為了降低反應(yīng)的激發(fā)溫度和燃燒溫度。例75（6）SHS涂層技術(shù)SHS涂層技術(shù)，通常是在金屬基體上預(yù)置成分呈梯度變化的涂層物料，然后在致密條件下局部點(diǎn)火引燃化學(xué)反應(yīng)，利用放出的熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)使基體金屬表面短時(shí)間內(nèi)高溫熔化，涂層與基體金屬間通過冶金結(jié)合而獲得高粘結(jié)強(qiáng)度的梯度涂層。

76SHS涂層利用燃燒合成反應(yīng)體系反應(yīng)時(shí)放出大量熱的同時(shí)制取防腐蝕涂層，按形成涂層的原理來分有兩種工藝：氣相傳輸燃燒合成涂層熔鑄涂層77熔鑄涂層：在一定的氣體壓力下利用燃燒合成反應(yīng)在在金屬工件表面形成高溫熔體同金屬基體反應(yīng)，生成冶金結(jié)合的過渡金屬陶瓷涂層。燃燒合成硬化涂層技術(shù)已開始在耐磨件中得到應(yīng)用。氣相傳輸燃燒合成涂層：通過氣相傳輸反應(yīng)，可以在陶瓷、金屬或石墨表面形成15~250μm厚的金屬陶瓷涂層，表面粗糙度為Ra1.25~0.63。7879①表示在相同的生產(chǎn)率基礎(chǔ)上所得到的數(shù)據(jù)。80燃燒合成涂層技術(shù)動(dòng)態(tài)法靜態(tài)法又稱為燃燒合成離心鋁熱法又稱為重力分離法81今后幾年內(nèi)對(duì)SHS涂層技術(shù)的研究將集中在以下幾個(gè)方面：①?gòu)?fù)雜形狀工件的SHS涂層制備技術(shù)。②板材上的SHS涂層制備技術(shù)。③利用添加劑改善SHS圖層性能。82自蔓延的結(jié)構(gòu)控制方法8.3.2SHS促進(jìn)方法SHS抑制方法抑制SHS過程的方法主要是通過添加稀釋劑來實(shí)現(xiàn)的促進(jìn)SHS過程的方法主要是通過物理或化學(xué)的方式來進(jìn)行熱促進(jìn)能使SHS過程反應(yīng)速度加快，提高反應(yīng)溫度能提高合成材料的致密度，對(duì)某些體系還會(huì)提高合成轉(zhuǎn)化率，控制中間過渡相的含量。83848.4自蔓延合成方法應(yīng)用實(shí)例1.自蔓延燃燒合成LiNi0.5Mn1.5O4正極材料實(shí)驗(yàn)采用硝酸鋰、硝酸鎳、乙酸錳為原料，以乙醇為溶劑，按硝酸鋰:硝酸鎳:乙酸錳=1:0.5:1.5的計(jì)量比稱取各原料。加乙醇攪拌并使溫度保持在70℃蒸發(fā)至透明膠狀，而后將膠體轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中繼續(xù)在500W功率的電爐上加熱至以上，待膠體被引燃后切斷電源使其自行完成自蔓延燃燒過程，得到蓬松狀的灰燼((ASH樣品)，該灰燼經(jīng)800℃熱處理6h后繼續(xù)在600℃退火6h得到FWF300樣品。85自蔓延燃燒灰燼（ASH）及高溫處理樣品（FWF）的T