自蔓延高溫合成

　　反應混合物在一定條件下進行燃燒反應，燃燒釋放的熱量使燃燒波自動蔓延下去直至反應完成，從而獲得所需材料的合成技術。又稱燃燒合成。由蘇聯科學傢A.G.梅爾贊諾夫、I.P.博洛文斯卡婭和V.M.希基羅於1967年提出。他們在研究鈦硼混合物壓坯的燃燒反應時，發現該反應隻要局部被點燃，就能以燃燒波的形式自動持續下去，生成二硼化鈦TiB2。利用這種固體火焰的劇烈反應可以合成許多高溫、難熔和耐磨材料。

　　反應過程　自蔓延高溫合成反應的關鍵在於反應原料燃燒所釋放的熱量足以維持反應進行。根據燃燒模式的不同，可分為反應物和產物均不含氣體的無氣燃燒、有氣體參與反應的滲透燃燒和多組分體系的多相燃燒。引發自蔓延高溫合成反應的點燃方式有：電阻絲加熱點燃、電火花點燃、激光點燃等。對於一些釋放熱量不多的反應，通常可采用預熱的方法促使自蔓延高溫合成反應順利進行，即將反應物放在加熱爐內以恒定的速度加熱，直至燃燒反應發生。自蔓延高溫合成的反應過程中，局部點火引燃混合均勻的起始反應物後，反應物燃燒產生大量熱量，反應前沿以自動燃燒波形式隨著反應的進行而不斷推移，反應物也隨著燃燒波的進行而逐漸轉化為產物。調整起始反應物的組成、粒度、密度、填充體積、起始溫度、添加劑的種類和數量以及燃燒條件等，可以控制自蔓延高溫合成反應的燃燒波速率、燃燒溫度，從而可以調變產物相的組成、結構和性質。根據反應體系不同，自蔓延高溫合成反應的反應溫度一般為2 300～3 800K，燃燒波速率為0.1～20厘米/秒。

　　反應體系　起始反應物通常為松散的固體粉末混合物或壓坯，固體–氣體體系、粉末–液體體系也可以。自蔓延高溫合成反應過程的關鍵在於熱量的傳輸與釋放，反應物與產物相的聚集態、結構和物相的轉換，它們與燃燒反應所釋放熱量之間的關系。相對而言，反應物的種類並不重要，許多類型的反應體系都可以采用自蔓延高溫合成法，例如：

　　①由元素合成化合物，可以用下列通式表示：

式中 X _i為鈦Ti、鋯Zr、鉿Hf、釩V、鈮Nb、鉭Ta， Y _j為硼B、碳C、矽Si、氮N，Z為硼化物、碳化物、矽化物、氮化物， Q為反應熱， a _i、 b _j分別為 X _i、 Y _j的物質的量。例如：3Si+ 2N ₂錕 Si ₃ N ₄

　　②氧化還原反應，可以用下列通式表示：

　　金屬氧化物+金屬還原劑+非金屬氧化物錕 金屬與非金屬化合物+金屬還原劑的氧化物+Q例如：

MoO ₃+B ₂O ₃+4Al錕 MoB ₂+2Al ₂O ₃

　　③金屬與金屬氧化物的氧化反應，例如：

3Cu+2BaO ₂+ Y ₂O ₃ YBa ₂Cu ₃O _7－x

　　這個反應可以制得高質量單相釔鋇銅氧超異體，其反應機理已被詳細研究。

　　④氧化物之間的反應，例如：

PbO+WO ₃錕 PbWO ₄

　　應用領域　廣泛應用於材料的制備，形成瞭制粉、燒結、致密化、熔鑄、焊接、塗層等多種自蔓延高溫合成技術，具有節能、高效、設備及工藝簡單、通用性強、產物質量高等優點。不僅用於制備陶瓷材料、金屬基與陶瓷復合材料、高溫超導材料等高技術結構材料與功能材料，也可以合成特種耐火和物硬材料、鐵合金等成型器件。

　　

推薦書目

　殷聲. 自蔓延高溫合成技術和材料. 北京: 冶金工業出版社, 1995.