Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Горение в СВС процессах получило название «твердое пламя» или твердопламенное горение. Наиболее распространены 3 типа горения:

· безгазовое (горение в перемешанных системах без газовыделения или с выделением небольших количеств примесного газа);

· фильтрационное (горение в гибридных системах с фильтрационным подводом газообразного реагента к фронту горения);

· многофазное (горение в многофазных средах исходных или образующихся).

Способы инициирования

Основной способ локального инициирования реакции на поверхности системы путем подвода кратковременного импульса (электрическая спираль, лазерный луч, электролучевая спираль). Длительность инициирования обычно намного меньше времени сгорания шихты. В некоторых случаях, например для слабоэкзотермических реакций, процесс инициирования проводят путем нагрева всей поверхности шихты в печи и проводят его в режиме теплового взрыва.

Режимы распространения фронта горения

В простейшем и наиболее важном стационарном режиме, все точки фронта движутся с постоянной во времени и одинаковой скоростью. Когда стационарный режим теряет устойчивость, могут возникнуть неустойчивые режимы распространения фронта:

· плоские автоколебания скорости фронта горения (пульсирующее горение);

· локализация реакции горения в очагах, движущихся по винтовой траектории (спиновые волны);

· беспорядочное движение множества очагов горения (хаотичные твердые пламена).

Волна горения не распространяется по шихте в случае сильных теплопотерь в окружающую среду (малые диаметры образцов, низкие адиабатические температуры).

Термограмма горения

Термограмма горения – это зависимость температуры фиксированной точки шихты от времени при набегании волны горения. Простейшая термограмма состоит из восходящего участка, точки с максимальной температурой (температура горения) и нисходящего участка (остывание). На более сложных термограммах имеются изломы, перегибы, плато. В неустойчивых режимах горения на термограммах фиксируется колебание температуры на восходящем участке.

Фронт, волна и пост-процессы

В волне горения протекают различные химические, физические и физико-химические процессы, обеспечивающие в своей совокупности необходимые тепловыделения. Волна имеет определенную протяженность и состоит из ряда зон:

· зона прогрева или предпламенной зоны (в ней реакции горения еще не протекают, а только осуществляется теплоперенос и нагрев шихты);

· зона реакций (в ней протекают основные реакции горения, обеспечивающие основные тепловыделения);

· зона догорания (в ней продолжаются химические реакции, но они уже не влияют на скорость распространения фронта);

· зона вторичных физико-химических превращений, определяющих состав и структуру конечных продуктов.

Распространение зоны химических реакций называют волной горения. Фронт – это условная поверхность, разделяющая зону прогрева и зону реакций. Прохождение волны горения является основной стадией СВС. Вторичные физико-химические процессы составляют вторую стадию СВС.

СВС = горение + структура образования.

Основные характеристики

Процесс распространения волны характеризуют:

· пределом погасания (связь между параметрами системы, разделяют две ситуации: распространение волны и отсутствие волны инициирования);

· пределом потери устойчивости (связь между параметрами системы, разделяющими режимы стационарного и неустойчивого горения);

· скоростью распространения фронта;

· максимальной температурой;

· темпом нагрева вещества в волне стационарного горения;

· в неустойчивых процессах – частотой пульсаций, скоростью движения очага по винтовой траектории, величиной сверхадиабатического движения;

· глубиной химических превращений исходных реагентов, конечные продукты (полнота горения);

· неравновесностью продуктов горения характеризующихся незавершением фазовых и структурных превращений в процессе;

· темпом остывания продуктов горения (редко)

Наиболее часто реализуются значения характеристик СВС – процессов:

· скорость горения 0,1-20 см/с;

· температура горения 2300-3800 К;

· скорость нагрева вещества в волне 103-106 град/с;

· мощность зажигания 10-200 ккал/(см2 · с);

· задержка зажигания 0,2-1,2 с;

· температура зажигания 800-1200 К.

Благодаря высоким значениям скорости температуры горения и скорости нагрева вещества в волне СВС относится к категории экстремальных физических процессов. Скорость процесса СВС и температура реакции зависят от ряда параметров:

· термодинамические параметры (теплота образования конечных продуктов синтеза, теплоемких продуктов реакций, начальная температура процесса, состав исходной смеси);

· физические параметры (теплопроводность исходной смеси, плотность образца, внешнее давление газа, форма и размер частиц порошков, полидисперсность порошков, дефектная структура частиц компонентов, наличие внешних воздействий);