2.2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

В 1967 г. в Институте химической физики АН СССР в ходе исследований механизма горения конденсированных систем было открыто явление, получившее название «твердое пламя». Это явление вызвало большой интерес в теории горения и привело к развитию новых ее направлений. Однако с практической точки зрения наибольшую ценность представили продукты твердого пламени – карбиды, бориды и другие тугоплавкие соединения, используемые для создания материалов, способных работах в экстремальных условиях. Так возник новый метод их получения, названный самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) [14-15].

В настоящее время создано и успешно эксплуатируются промышленные установки по получению дисилицида молибдена и высокотемпературных нагревателей, карбида и карбонитрида титана, нитридов алюминия и бора, халькогенидов, карбида и нитрида бора, ниобата лития, керамических термоизоляторов, азотированных ферросплавов и других СВС- продуктов.

Методика СВС проста: из порошков реагентов готовят смесь, которая помещается (в виде свободной засыпки или спрессованных образцов) в установку, куда при необходимости подается газ, поддерживающий горение, и проводится инициирование (поджиг). После прохождения волны горения в установке остается масса или изделие, содержащее целевой продукт.

Химическое превращение в СВС-процессах происходит не во всем объеме реагентов, а сосредоточено в высокотемпературной зоне, возникшей в результате саморазогрева и перемещающейся в пространстве со значительной линейной скоростью, благодаря теплопередаче от горячих слоев к холодным, что определяет послойный характер образования конечных продуктов (рис.2.16). Диапазон физических величин, характеризующих процесс, чрезвычайно широк: температура 300-45000С, линейная скорость 0,1-30 см/с, скорость нагрева вещества 102-106 град/с. Распространение фронта связано с экзотермичным образованием либо целевого продукта, либо промежуточных или побочных продуктов.

 

 

 

 

 

 

Рис.2.16. Схема СВС-процесса

 

Если реакция, лежащая в основе СВС-процесса, слобоэкзотермическая, применяют метод «химической печи», т.е. образец, содержащий реагенты, помещают в смесь, горящую с выделением большого количества тепла.

Разнообразие СВС-процессов, их вариантов и типов огромно. Они различаются химическими реагентами, условиями проведения процесса, видами и интенсивностью внешних воздействий, химическими классами образующихся веществ.

Сырьем для СВС-технологии служат порошки металлов и неметаллов, оксиды, галогениды, гидриды, сульфиды, карбонаты и другие подобные соединения. В качестве сырья могут использоваться различные отходы производства. Рецептура СВС-составов должна обеспечить экзотермичность реагирования, реализацию заданных поддающихся регулировке параметров горения. Иногда в состав вводят инертные наполнители, определяющие свойства целевых продуктов.  Если исходная шихта не способна к самостоятельному горению, ее смешивают с газообразным реагентом, поддерживающим горение. Особую категорию в СВС составляют бесшихтовые самостоятельно горящие газовые смеси.

В СВС-технологии часто используют активные внешние воздействия (механические, физические и энергетические), целью которых является интенсификация процесса, улучшение однородности превращения, получение продукта заданной формы и размеров с нужными физико-механическими характеристиками. Наибольшее распространение получили процессы с  механическими воздействиями: прессованием, экструзией и центробежными воздействиями.

Конструкции технологического оборудования, как правило, несложны, поскольку СВС обычно не нуждается в специальных нагревательных устройствах. Весьма распространены СВС-реакторы, представляющие собой сосуды, работающие на открытом воздухе, в вакууме или под давлением.

Преимущества СВС-технологии заключается в использовании более дешевой химической энергии вместо электрической, простых аппаратов вместо высокотемпературного оборудования, быстрого внутреннего саморазогрева вместо медленного нагрева через поверхность системы.

СВС является альтернативным аналогом таких технологических процессов, как печной и плазмохимический синтезы, спекание и горячее прессование изделий, плазменное и детанационное нанесение покрытий, индукционная и электродуговая наплавка, газофазное осаждение и др.

Разработано около 30 оригинальных технологических приемов, разделенных на шесть основных типов:

- СВС-технология заготовок и порошков,

- СВС-спекание,

- силовое СВС-компактирование,

- СВС-металлургия,

- СВС-сварка

- СВС-технология газотранспортных покрытий.

Эти технологические приемы позволяют получать широкий спектр материаловедческой СВС-продукции: порошки различной дисперсности (от субмикронных до миллиметровых), пористые материалы и изделия (с пористостью от 5 до 80%), компактные беспористые материалы и изделия (спеченные, горячепрессованные, экструдированные, литые), детали с направленными покрытиями (толщиной более 0,5 мм), детали с газотранспортными покрытиями (толщиной от 5 до 150 мкм), сварные детали из разнородных и однородных материалов.

В качестве новых перспективных проблем, находящихся в сфере интересов СВС-технологии, можно назвать:

- в металлургии – прямое (бездоменное) получение железа из руд; восстановление черных и цветных металлов из оксидов, сульфидов, галогенидов, обогащенных руд; переработка кремнийсодержащих пород в керамические продукты; переработка твердых промышленных отходов.

- в химии – получение чистых неорганических продуктов (сложных оксидов, бора и его соединений и др.); создание сложных каталитических систем; применение приемов и методов СВС в технологии органических и полимерных продуктов, в технологии минеральных удобрений; синтез неорганических пестицидов.

- в машиностроении – создание высокоэффективных инструментальных деталей и изделий из материалов, не содержащих вольфрама и кобальта, для обработки металлов резанием, проката, буровой техники; производство керамических изделий; защита оборудования от коррозии и износа; неразъемное соединение разнородных материалов.

- в энергетике – создание на основе СВС-систем безгазовых топлив для работы в специальных условиях.

- в строительстве – создание крупных строительных панелей, в том числе огнеупорных, на основе СВС-систем с дешевыми наполнителями.