Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Ростовский Государственный Университет

РЕФЕРАТ

«САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ»

Студента 6 курса

химического факультета РГУ

вечернего отделения

Ворона М.Л.

Преподаватель: Лупейко Т.Г.

Ростов-на-Дону

2003

СВС - это разновидность горения, в котором образуются ценные твердые вещества, путем перемещения волны химической реакции по смеси реагентов с образованием твердых конечных продуктов, проводимый с целью синтеза веществ материалов. СВС представляет собой режим протекания сильной экзотермической реакции (реакции горения), в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи. Развитие работ основано на научном открытии советских ученых А.Г. Мержанова и соавторы "Явление твердого пламени". Приоритет открытия - 1967 год.

Процесс возможен в системах с различным агрегатным состоянием, имеет тепловую природу. Характерный признак - образование твердого продукта. Главное предназначение СВС - синтез веществ и материалов, создание новых технологических процессов и организация производств.

В конце 60-х и начале 70-х годов в Отделении Института химической физики в Черноголовке были развиты первичные представления о механизме горения систем металл-углерод, металл-бор и металл-азот, предложены новые направления исследования горения конденсированных систем, обнаружены и описаны установившиеся режимы неустойчивого горения, создана методология получения тугоплавких соединений на основе СВС.

В 70-х годах в Отделении ИХФ АН СССР была создана первая технологическая установка для производства СВС-порошков, и началось развитие, теория горения СВС-систем, созданы методы математического моделирования безгазового и фильтрационного горения, осуществлено первое промышленное внедрение СВС-технологии для производства порошков дисилицида молибдена и высокотемпературных нагревателей на их основе (г. Кировакан, Армянская ССР).

В 80-ые годы работы в Советском Союзе создан Научный Совет по теории и практике СВС-процессов, разработана общесоюзная программа работ, созданы Межотраслевой научно-технический комплекс "Термосинтез" и его головная организация ИСМАН - Институт структурной макрокинетики АН СССР (на базе отдела макроскопической кинетики Отделения ИХФ АН СССР), МНТК "Термосинтез" организовал производства.

В начале 80-х годов начались работы по СВС за рубежом, хотя и с десятилетним опозданием - сначала в США, они начались под влиянием публикации обзора Дж. Крайдера "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез -- советский метод получения керамических материалов". Работы было поручено вести в рамках специально созданной программы DARPA. Примерно в это же время (в начале 80-х годов) начались работы и в Японии, создали Ассоциацию СВС, организовали работы в университетах и на фирмах. явным лидером профессором М. Койзуми. В настоящее время исследования в области СВС ведутся в 49 странах мира

90-ые годы характеризуются развитием международных связей в области СВС, есть коммерческие связи с Китаем, Кореей, Тайванем, Японией. Выполнено значительное число совместных и заказных работ. Восток в части коммерческого сотрудничества с нами более активен, чем Запад. В сфере их интересов -- технология керамических порошков и изделий, СВС-фильтры, специализированное СВС-оборудование. По инициативе и при организационном руководстве ИСМАН регулярно стали проводится Международные симпозиумы "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез", выходит Международный журнал с таким же названием (Allerton press, NY). Также развиваются двухсторонние связи с ФГУП ММПП "Салют". Разработана программа двухстороннего сотрудничества "СВС в технологии газотурбинных двигателей", в которую вошли и научно-технические разработки, и изготовление специализированного оборудования, и поисковые исследования

Есть идеи разработки совместно с "Русским алюминием" крупной программы по использованию СВС-материалов в алюминиевой промышленности. Совместно с ООО "Стройпромсервис" создается производство СВС-порошков карбида вольфрама повышенной дисперсности. Его использование в составе твердых сплавов приводит к увеличению прочности сплава.

В настоящее время, СВС - это мировая проблема, которая, несмотря на 30-летнюю историю, продолжает прогрессивно развиваться.

Общее представление о СВС, на конкретно изученной реакции

В настоящее время в ИСМАН методом СВС синтези-рованы практически все известные высокотемператур-ные сверхпроводники на основе иттрия, других редкозе-мельных металлов, висмута и таллия. В табл. 2 приведены результаты по измерению сверхпроводящих свойств ВТСП на основе РЗМ. Наиболее подробно изучены механизм и закономерности СВС на примере получения иттрий-бариевой керамики состава Y123 по реакции:

ЗСu + 2ВаО2+1/2Y2O3+ (1,5-x)/2 О2=YВа2Сu3O7-x+ Q

Эта реакция стала удобной моделью для исследования закономерностей и механизма СВС ВТСП. Простейшую информацию можно получить, анализируя термограмму СВС-процесса, отражающую температур-ный профиль волны синтеза.

На рис. 4 для исследуемой системы приведена типич-ная термограмма. Обращает на себя внимание наличие широкой зоны вторичных химических и струк-турных превращений. Механизм фазообразования для этой системы исследовался с помощью химического, рентгенофазового, микроструктурного, термического и других видов анализа закаленных образцов и про-дуктов" сгорания.

Таблаца 2

Критические свойства ВТСП, полученных методом СВС и по печной технологии (по данным)

* Измерения по магнитной восприимчивости.

Изучение с помощью рентгенофазового анализа ин-тенсивности характерных линий наблюдающихся фаз в закаленных образцах показало, что по мере удаления от фронта-горения интенсивность характерных линий I100 Сu и ВаО резко падает. Область вблизи фронта горения характеризуется присутствием купратов: ВаСuО2 и ВаСu2О2. Максимальное количество таких купратов наблюдается на расстоянии 2--3 мм от фронта горения, а затем постепенно уменьшается (скорость горения составляет ~ 1 мм/с).

Присутствие купрата ВаСu2О2, не наблюдаемого в продуктах фазообразования при синтезе уш другими методами, следует отнести к отличительной особенности получения Y123 в режиме горения.

Фаза Y123 начинает зарождаться уже на расстоянии 1--2 мм от фронта горения, причем в области 1--3 мм ее резкий рост симбатен увеличению количества фазы ВаСu2О2. В этой же области наблюдается значительное уменьшение интенсивности I100 Y2O3. На расстоянии 7--10 мм формируется спектр, соответствующий тетра-гональной фазе Y123, а на удалении 20 мм эта фаза переходит в орторомбическую. Данные выводов были подтверждены экспериментами с использованием синхротронного излучения образцов во время горения. Время набора рентгенограмм составило ~ 1 с, время превращений в волне синтеза оказалось ~3 с. Отме-тим, что синхротронное излучение применялось также ранее для изучения динамики фазообразования в СВС-процессах. Экспериментальные факты позволи-ли сделать следующие выводы:

1. Промежуточными продуктами СВС-реакции ЗСu + 2ВаО2+1/2Y2O3 озон являются купраты бария (ВаСuО2, ВаСu2О2).

1 -- окисление (горение) меди и разложение пероксида бария; 2 -- образование расплава из купратов, начало растворения Y2O3; 3 -- дальнейшее растворение Y2O3, кристаллизация Y123ТЕТРА; 4 -- образова-ние Y123ОРТО

Тетрагональная фаза Y123 образуется после про-хождения фронта горения через 2--3 с.

Орторомбическая фаза (сверхпроводящая) Y123 образуется после прохождения фронта, через 40--50 с.

Согласно имеющимся в настоящее время пред-ставлениям, в волне горения происходит плавление ВаО2 с его частичным разложением на ВаО и О2, а образовавшаяся дисперсия оксидных частиц в распла-ве растекается по поверхности частиц меди. После окисления и растворения меди в расплаве (с образо-ванием промежуточных купратов бария), происходит растворение Y2O3. Тетрагональная фаза Y123 образуется на завершающих стадиях синтеза путем кристаллиза-ции из раствора в расплаве в виде мелких ограненных монокристаллов.

Из изложенных результатов следует химический механизм СВС-процесса, который можно представить в виде совокупности реакций:

Полученная информация о механизме взаимодействия компонентов свидетельствует о том, что образование ВТСП в СВС является сложным процессом. Основное тепловыделение, обеспечивающее распространение вол-ны синтеза и образование фазы (структуры) конечного целевого продукта, происходит неодновременно в про-странственно разделенных зонах.

Эта важная черта СВС Y123 расширяет возможности метода для регулирования свойств конечного продукта при различных воздействиях на более длительную стадию вторичных процессов. В то же время наличие этой стадии приводит к эффектам саморегулирования состава и структуры конечного продукта и слабой зависимости их от параметров горения. В качестве примера можно привести факт независимости содержа-ния кислорода в конечном продукте от плотности ших-ты (рис. 3). Основным параметром, влияющим на состав и структуру ВТСП, оказалась масса загрузки, от которой зависит скорость остывания. Увеличение массы загрузки приводит к повышению содержания кислорода, чистоты и сверхпроводящих параметров, т. е. к улучшению качества продукта [26].

Исследования самораспространяющегося высокотем-пературного синтеза керамических ВТСП привели к разработке (1988 г.) в Институте структурной макро-кинетики СВС-технологии порошков орторомбического Y123. Созданы две технологические установки: лабо-раторная (с производительностью 1 т/г) и опытная (до 10 т/г.). Обе они работают по следующей схеме:

Основой технологического процесса является полу-чение сверхпроводящего спека Y123ОРТО в качестве про-межуточной продукции. Переработка спека в порошок производится обычными, известными способами, преимущественно механическими. Созданная лабораторная установка успешно применяется также для синтеза ВТСП на основе других РЗМ. СВС-технология обладает неоспоримыми достоинствами: высокой производительностью, отсутствием затрат электроэнергии и сложного высокотемпературного оборудования, удовлетворитель-ным качеством порошков, относительно низкой себе-стоимостью продукции.

В зависимости от условий технологического про-цесса могут производиться порошки с содержанием кислорода 6,9 ат. ед. и орторомбической фазы Y123 > 95% с размерами частиц и удельной по-верхностью в диапазоне соответственно 1--50 мкм и 0,04--7,50 м2/г. В настоящее время на опытном произ-водстве института выпускаются две марки порошков: Y123СВС--/1 и Y123СВС--/2. Некоторые их характери-стики приведены в табл. 3.

Применение метода СВС в новой проблеме ВТСП дало отличные результаты. Уже сейчас СВС-технология. порошков Y123 получила практическое использование. Порошки Y123 хорошо зарекомендовали себя для полу-чения: изделий (мишени для плазменного напыления) методом спекания; сложных композитов типа поли-мер--ВТСП; изделий (мишени и экраны) методом взрывного компактирования и т. д. СВС-порошки и изделия из них соответствуют уровню лучших отечест-венных и зарубежных образцов. Очевидно, что методом СВС могут быть получены не только ВТСП на основе иттрия и других РЗМ. но и другие -- при соответ-ствующем подборе состава шихты и условий синтеза.

Феноменология горения и синтеза

Методика получения сложных оксидных материалов (керамики) методом СВС существенно отличается от традиционной. Общепринятый способ синтеза оксидных материалов основан на спекании смеси простых оксидов с образованием сложного по схеме:

где а -- стехиометрический коэффициент; т, п -- ин-дексы, I и и -- число компонентов.

Синтез проводят в печах при высоких темпера-турах в кислородсодержащей среде в течение длитель-ного времени. Иногда в качестве реагентов используют 'карбонаты, нитраты, пероксиды. Специфи-ка СВС требует наличия в исходной смеси горючего и окислителя для осуществления процесса в режиме горения. Как правило, горючим при синтезе оксидных материалов может быть металл, иногда применяют его гидрид или другое соединение. Роль окисли-теля выполняет кислород. Реакция окисления металла является основной, она обеспечивает необходимое для СВС выделение теплоты. При этом кислород может быть использован из двух источников: внутрен-него (конденсированный легко разлагающийся нитрат, пероксид и т. д.) и внешнего (например, кислород воздуха или баллонный кислород). Во многих случаях для управления процессом возможны также комбини-рованные варианты. При синтезе сложных оксидов, как правило, в исходную смесь добавляют активный оксидный наполнитель, наличие которого дает воз-можность регулировать условия горения, а также способствует формированию конечного продукта, выступая в роли кристаллической матрицы для него. Кроме того, с помощью оксидных добавок можно варьировать электромагнитные или другие свойства продуктов.

Таким образом, для получения оксидов методом СВС применяется следующая общая химическая схема:

Методика СВС проста: из порошков реагентов го-товится смесь, которая помещается (в виде свобод-ной засыпки или спрессованных таблеток) в установку, куда подается кислород (при необходимости) и прово-дится инициирование. Установка снабжена устройства-ми для гравиметрических измерений, а также для измерения скорости и температуры горения. После прохождения волны горения (синтеза) и остывания продукта экспериментатор имеет дело с готовым продуктом.

Основными величинами, характеризующими распро-странение фронта горения, являются линейная скорость горения (Цг) и развивающаяся при горении максималь-ная температура (Тт), которую определяют термоэлект-рическим методом с применением ППР-термопар, распо-ложенных в середине образцов. Скорость распростра-нения волны синтеза в простейших случаях измеряют двумя термопарами, размещенными на определенном расстоянии друг от друга, а также с помощью оптико-фотографических методов.

Обычно в задачу исследований входит определение параметров, наиболее сильно влияющих на СВС-про-цесс и на качество синтезируемых оксидов. Такими основными параметрами оказались: состав исходной смеси (особенно содержание в ней горючего), дис-персность компонентов, размеры и плотность исходных образцов, давление кислорода. Последние два фактора имеют важное значение,особенно для систем с примене-нием внешнего кислорода.

Из практики СВС-процессов известно, что в гибрид-ных системах типа металл--газ повышение давления обычно приводит к увеличению температуры и ско-рости горения (при отсутствии плавления). В оксидных системах влияние давления оказывалось не всегда одинаковым. При синтезе ниобата и танталата лития, ферритов увеличение давления приводит к по-вышению температуры и росту скорости горения с последующим достижением постоянного значения. Такое влияние давления связано с улучше-нием условий фильтрации кислорода в зону реакции. В опытах по синтезу ВТСП состава YВа2Сu3O7-x давле-ние кислорода варьировалось в пределах 0,1 -- 1,0 МПа. При больших давлениях процесс затухал (не иницииро-вался). Такая;ситуация типична для низкокалорийных (слабоэкзотермических) СВС-составов и обусловлена ростом конвективных теплопотерь из горящего образца в окружающий газ при увеличении-давления. В данном случае эффект может быть усилен повышением терми-ческой стойкости пероксида бария с ростом давле-ния П5]. Приведем некоторые значения характери- стик: Р0, = 0,1 МПа, {/г=1,0 мм/с, Гт = 950°С; Р02=1,0 МПа, {/г = 0,2 мм/с, Гт = 780°С. Уменьше-ние ит и Тт с ростом РО2 отражает тенденцию к пога-санию.

Повышение содержания металла в исходной смеси (например, при частичной замене соответствующего оксида на металл) приводит к увеличению тепло-выделения и, как следствие, росту температуры и ско-рости процесса.

Для СВС-систем, реагирующих с участием газа, плотность исходного образца (шихты) всегда является важным параметром процесса. На рис. 3 приведены зависимости 1/г и Тт от относительной плотности (ротн) исходной смеси при синтезе УВа2Сu3О7-х- Опыты проводили на прессованных цилиндрических образцах диаметром 20 мм. Результаты соответствуют представ-лениям, согласно которым при больших ротн возникают фильтрационные затруднения в поставке реагирующего газа в зону горения, что приводит к уменьшению Uг и Тт. Аналогичная зависимость от относительной плотности исходных образцов наблюдалась при синтезе различных ферритов, ниобата и танталата лития.

Типичной для СВС является зависимость Иг и Тт от дисперсности горючего, в данном случае от дисперсности (размера частиц) порошка меди (гСа) при горении систе-мы Y2Oз--ВаO2--Сu--O2, приведенная в табл. 1. При возрастании гСи и (Л, и Тт уменьшаются вследствие того, что необходимое для гетерогенного реагирования время с ростом характерного размера частицы увели-чивается.

При изменении параметров в экспериментах наблю-далась смена режимов горения -- от стационарного (устойчивого) до нестационарных (неустойчивых типа автоколебательного и спинового). Обнаружено, что высококачественные продукты синтезируются только в стационарных режимах, и поэтому обеспечение устойчивости горения в этом классе систем является важной практической задачей.

Исследование большого числа оксидных систем пока-зало, что значения температур и скоростей горения невысокие: иг = 0,05--5,00 мм/с и Тт = 750--1500°С. Обычно в СВС-процессах значения (Л и Тт существенно выше (кроме систем металл--водород) [16]. Обращает на себя внимание, что температуры горения, разви-ваемые при СВС оксидов часто такие же, как и при печном синтезе, но процесс в последнем случае длится в десятки и сотни раз дольше. Такая противоречивая на первый взгляд картина связана с тем, что при печном синтезе взаимодействуют уже окисленные вещества, а в СВС образование сложного оксида идет одновремен-но с окислением одного из компонентов, т. е. в СВС имеет место более активная в химическом отношении ситуация. С этой точки зрения СВС является не-сомненно прогрессивным методом получения оксидных материалов.

ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ И ТЕОРИЯ СВС

Малоисследованным вопросом является механизм и динамика структурообразования конечных продуктов. Наиболее важное значение имеет получение информации об изменении в волнах СВС микроструктуры образующегося материала (распределение по размерам зерен кристаллитов фазовых составляющих и пор). Решение этой проблемы поможет создать научно-обоснованные приемы повышения прочности синтезируемых материалов и управления фильтрационными характеристиками пористых СВС-продуктов. Для ее решения необходима разработка новых, динамических методов диагностики строения вещества в разных зонах СВС-процесса. Привлекательной задачей является также определение прочностных характеристик зоны горения.

До сих пор не было попыток построить структурно-макрокинетическую теорию СВС-процесса, т.е. рассмотреть совместно процессы горения и структурообразования, что позволило бы глубже понять роль автоволнового процесса в формировании структуры продукта горения и роль структурных превращений в механизме твердопламенного горения.

По-прежнему, важными задачами являются экспериментальная диагностика и математическое моделирование (особенно, трехмерное) неустойчивых процессов горения, построение физико-химических моделей СВС в конкретных, наиболее важных в практическом отношении системах с предвычислением оптимальных условий синтеза, исследование кинетики тепловыделения в порошковых средах при высоких температурах.

РЕАГЕНТЫ И ПРОЦЕССЫ

Реагенты в СВС процессах используются в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Наиболее распространены два типа систем: смеси порошков (спрессованные или насыпной плотности) и гибридные системы газ-порошок (или спрессованный агломерат). Известны СВС-процессы и в системах: порошок-жидкость, газ-взвесь, пленка-пленка, газ-газ. Главные требования к структуре исходной системы - обеспечение условий для эффективного взаимодействия реагентов. Шихта в СВС-процессах может находиться в вакууме, на открытом воздухе, в инертном или реагирующем газе под давлением.

Страницы: 1, 2