Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) (англ. Self-propagating high temperature synthesis (SHS)) — экзотермический химический процесс, протекающий в автоволновом режиме типа горения в смесях порошков, и приводящий к образованию полезных конденсированных неорганических продуктов. СВС представляет собой режим протекания экзотермической реакции, в котором тепловыделение локализовано в узком слое и передается от слоя к слою путём теплопередачи. В 1967 году небольшая группа ученых (И.П.Боровинская, В.М.Шкиро и А.Г.Мержанов), исследуя экспериментальные модели горения конденсированных систем, открыла новое явление, получившее название «твердого пламени». Твердое пламя, которое было для того времени достаточно необычным явлением, представляет собой процесс, в котором исходные реагенты, промежуточные и конечные продукты остаются в твердом состоянии в течение всего процесса превращения. Твердое пламя позволило получать ценные тугоплавкие материалы. Это обстоятельство привело к созданию нового высокоэффективного метода их производства - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исследования СВС-процессов открыли новые горизонты познания и практических применений. Ранее неизученные системы, явления и процессы, при исследовании которых возникали различные научные проблемы, задачи и возможные практические применения стали желаемым объектом экспериментальной диагностики и теоретического моделирования. Сочетание химии с макрокинетикой привело к созданию мощной методологии и идеологии исследований и, как следствие, к крупным практическим достижениям, что, в конце концов, сделало необходимым создание нового института, который был назван Институтом структурной макрокинетики АН СССР.

Наиболее часто реализуемые значения некоторых характеристик СВС-процесса

• Скорость горения (0.1-20 см/с);
• Температура горения в неорганических системах (2300-3800 К); в органических - 70 - 250 С.
• Скорость нагревания вещества в волне (1 тыс.-1 млн.град/с);
• Мощность зажигания (10-200 кал/(см.кв.с);
• Продолжительность зажигания (0.2-1.2 с);
• Температура зажигания неорганических систем (800—1200 К); органических - 100-300 С.

Реакции СВС

Реакции СВС протекают исключительно в экзотермических системах Как правило, это реакции присоединения. В некоторых случаях в качестве побочных продуктов могут образовываться газы (O₂; CO₂, H₂O и др).

В практике СВС известны следующие типы реакций:

• реакции элементов (наиболее распространены), в т.ч. газообразных: Al+Ni; Ti+C; Zn+S; Al+I₂; Nb+C+N₂ и др.;
• реакции элементов с более сложными соединениями, например окисление в сложных оксидных средах (Al+CrO₃; KNO₃+S), реакции металлов с органическими соединениями (Ti+уротропин);
• реакции сложных молекул, например, окислов металлов, органических соединений.

По химической природе реагентов и продуктов реакции классифицируются на реакции карбидизации, окисления, борирования, нитрирования, карбонитрирования, галогенирования, и др..

По механизму реакции преобладают окислительно-восстановительные реакции, в органических системах известны реакции протонирования, ацилирования и др..

Продукты и практическое применение

С помощью СВС получают преимущественно неорганические вещества,материалы и изделия разного назначения: (порошки тугоплавких соединений, абразивные пасты, азотированные ферросплавы, керметы, керамику), детали и изделия заданных размеров и форм, огнеупорные изделия и покрытия.

Сравнительно недавно была показана возможность получение также и органических веществ, материалов и изделий с помощью органического СВС.

В технике свойства СВС находят применение при осуществлении неразъемного соединения деталей (термитная сварка); нагревательных устройств (химическая печка); утилизации вредных веществ; приготовлении катализаторов; окрашивании и текстурировании полимеров; восстановлении нефтяных скважин и др..

Технология

Достоинство технологии СВС заложено в самом принципе — использование выделяющегося тепла химических реакций вместо нагрева вещества от внешнего источника, поэтому СВС процессы успешно конкурируют с традиционными энергоемкими технологиями. Порошковую смесь (шихту) помещают в реактор и в газовой среде производят локальное инициирование процесса (зажигание). Затем происходит самопроизвольное распространение волны горения, охватывающую всю смесь, завершение реакции и остывание синтезированного продукта.

Другим достоинством СВС является эффект самоочистки - термодесорбция летучих примесей при температуре синтеза. Поэтому получающиеся продукты могут быть чище, чем исходные реагенты.

В органических системах основным преимуществом технологий в сравнении с традиционными схемами органического синтеза является исключение растворителей и их аппаратуры.

История открытия СВС

Способы СВС разработаны на основе открытого в 1967 г. (А. Г. Мержанов, И.. П. Боровинская, В. М. Шкиро) явления «твердого пламени» — автоволнового процесса, во время которого исходные, промежуточные и конечные вещества находятся в твердой фазе.

Для объяснения процессов СВС привлекаются различные теории, в т.ч. теория неравновесной химической термодинамики Ильи Пригожина.

В число реакций - аналогов СВС - входит периодическая волновая реакция Белоусова.

Литература

• Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособие. / Под научной редакцией В.Н. Анциферова. — М.: Машиностроение–1, 2007. — ISBN 978-5-94275-360-3
• Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Учебное пособие для вузов по направлению "Металлургия", специальностям: 070800 - Физико-химические методы исследования процессов и материалов и 110800 — Композиционные и порошковые материалы, покрытия/ , Е. А. Левашов, и др. . — М. : БИНОМ, 1999 . — 176 с. — ISBN 5-7989-0126-2
• Мержанов А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез.// Физическая химия. Современные проблемы. Ежегодник./ Под ред. Акад. Я. М. Колотыркина. М.: «Химия» 1983. С. 6-44.
• Merzhanov A.G.; в кн.: Combustion and plasma synthesis of high-temperature materials, ed. by Z. Munir, J. Holt, N.Y. 1990, pp. 1–53.
• Irving Epstein, John A. Pojman. An Introduction to Nonlinear Chemical Dynamics. 1998 by Oxford University Press, Inc. SBN 0-19-509670-3.
• Ulrich Schubert, Nicola Hüsing. Synthesis of Inorganic Materials. 413 p. 2001. Pu.Wiley-VCH.
• Исследование способа упрочнения поверхностей деталей машин нанесением износостойких покрытий с использованием СВС-реакций / Е. А. Завгородняя, С. В. Ковалевский, В. И. Тулупов // Наука и студент XXI веку. - Краматорск, 2009. - С. 28-33.

Ссылка

• http://www.ism.ac.ru/handbook/shsfr.htm
• Химическая энциклопедия