Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (стр. 1 из 5)
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 синтезированы практически все известные высокотемпературные сверхпроводники на основе иттрия, других редкоземельных 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 температурный профиль волны синтеза.
На рис. 4 для исследуемой системы приведена типичная термограмма. Обращает на себя внимание наличие широкой зоны вторичных химических и структурных превращений. Механизм фазообразования для этой системы исследовался с помощью химического, рентгенофазового, микроструктурного, термического и других видов анализа закаленных образцов и продуктов" сгорания.
Таблаца 2
Критические свойства ВТСП, полученных методом СВС и по печной технологии (по данным)
* Измерения по магнитной восприимчивости.
Изучение с помощью рентгенофазового анализа интенсивности 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 тетрагональной 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. Отметим, что синхротронное излучение применялось также ранее для изучения динамики фазообразования в СВС-процессах. Экспериментальные факты позволили сделать следующие выводы:
1. Промежуточными продуктами СВС-реакции ЗСu + 2ВаО2+1/2Y2O3озон 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 — образование Y123ОРТО
2. Тетрагональная фаза Y123 образуется после прохождения фронта горения через 2—3 с.
3. Орторомбическая фаза (сверхпроводящая) Y123 образуется после прохождения фронта, через 40—50 с.
Согласно имеющимся в настоящее время представлениям, в волне горения происходит плавление ВаО2 с его частичным разложением на ВаО и О2, а образовавшаяся дисперсия оксидных частиц в расплаве растекается по поверхности частиц меди. После окисления и растворения меди в расплаве (с образованием промежуточных купратов бария), происходит растворение Y2O3. Тетрагональная фаза Y123 образуется на завершающих стадиях синтеза путем кристаллизации 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 волны синтеза и образование фазы (структуры) конечного целевого продукта, происходит неодновременно в пространственно 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 содержания кислорода в конечном продукте от плотности шихты (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].