СВС с использованием механоактивированных порошковых смесей для получения наноструктурированных материалов

ВВЕДЕНИЕ

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - это химический процесс который проходит с выделение тепла в автоволновом режиме горения, и приводит к образованию твердых продуктов. СВС процесс является сильной экзотермичекой реакцией с тепловыделением локализированном слое и передающимся от слоя к слою за счет теплопередачи. Группа ученых И.П. Боровинская, В.М. Шкиро и А.Г.Мержанов, исследуя в 1967 году эксперементальные модели горения конденсированных систем, открыла новое явление получившее название твердое пламя. Для того времени данный процесс был необычным явлением так как исходные реагенты, промежуточные продукты, конечные продукты в течение всего процесса превращений остаются в твердом состоянии. Благодаря твердому пламени были получены ценные тугоплавкие материалы. Это и привело к открытию нового метода высокоэффективного производства - самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Тема курсовой работы является актуальной, т. к. исследование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза открыли новые направления для исследований и практического применения. Неизученные системы процессы и явления в которых возникали научные проблемы, задачи, практические применения при исследовании, стали желаемым обьектом теоретического моделирования и экспериментальной диагностики. Благодаря химии в сочетании с макрокинетикой образовалась мощная идеология и методология исследований.
Объект исследования — СВС с использованием механоактивированных порошковых смесей.
Говоря о СВС- производстве, очевидно, что освоение производствами технологических процессов, дающими, имеющею спрос на рынке продукцию, необходим.
Что касается СВС - производств, то очевидно, что производственное освоение любых технологических процессов, которое дает пользующуюся спросом на рынке продукцию, надо укреплять. Известный лозунг: «Хороша та технология, которая дает продаваемый на рынке продукт», абсолютно применимо и к технологии СВС.
Задачи курсовой работы:
1. Рассмотреть теорию процессов самораспостраняющегося высокотемпературного синтеза.
2. Дать общую характеристику наноструктурированных материалов.
3. Охарактеризовать СВС с использованием механоактивированных порошковых смесей.


















1. Теория процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС)


Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) твердых химических соединений – это новый технологический процесс получения материалов, основанный на экзотермической химической реакции взаимодействия исходных реагентов в форме горения. Проще говоря, СВС синтез материалов горением. Для организации такого процесса горения почти всегда приходится использовать твердые реагенты в виде порошков. Однако здесь горение представляет собой не обычную реакцию окисления порошкообразных веществ кислородом с образованием соответствующих газообразных оксидов, а высокоэкзотермическую реакцию взаимодействия порошкообразных реагентов друг с другом или порошкообразных реагентов с жидкими или газообразными реагентами, например, сжиженным или газообразным азотом, с образованием твердых химических соединений. Чаще всего это тугоплавкие неорганические соединения (карбиды, нитриды, бориды и т.п.), которые не разлагаются при горении, и материалы на их основе.
Все химически активные вещества при высоких температурах могут участвовать в создании СВС системы в качестве реагентов (химические элементы, отдельные соединения, многофазные структуры) и инертных веществ в качестве наполнителей или разбавителей.
Наиболее популярные реагенты: H2, B, Al, C, N2, O2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B2O3, TiO2, Cr2O3, MoO3, Fe2O3, NiO и др. В качестве реагентов также используются минеральное сырье и промышленные отходы.
Условия для выбора компонентов системы СВС:
экзотермическое взаимодействие реагентов;
образование полезных твердых продуктов;
техническая и экономическая целесообразность.
Горение в СВС системных процессах получил название "твердое пламя" (или горение "твердопламенное").
Наиболее распространены три типа горения:
безгазовый горение (сжигание в смешанных системах без выделения газа или с выделением небольшого количества примесного газа);
фильтрация (горениев гибридных системах с фильтрующей подачей газообразного реагента на фронт горения);
многофазный (горение в многофазных средах - исходный или формованный).
Основным методом является локальное инициирование реакции на поверхности системы путем подачи кратковременного теплового импульса (электрическая спираль, электроискровой разряд, лазерный луч и т.д.) с образованием волны горения и ее распространением по не нагретому исходному веществу. Продолжительность инициирования обычно намного короче времени горения заряда.
В некоторых случаях (например, для слабо экзотермических реакций) процесс инициируют путем нагрева всей поверхности шихты в печи и проведения его в режиме теплового взрыва.
В простейшем и наиболее важном стационарном режиме на фоторегистраторе устойчивого процесса горения все точки фронта перемещаются с постоянной во времени и одинаковой скоростью. Когда стационарный режим теряет стабильность, могут возникать нестабильные режимы распространения фронта:
плоские автоколебания (пульсирующее горение);
локализация реакции горения в очагах, движущихся по винтовой траектории (спиновые волны);
беспорядочное движение множества очагов горения (хаотичное сплошное пламя).
Волна не распространяется через шихту в случае сильных теплопотерь в окружающую среду (малые диаметры образцов шихты, низкие адиабатические температуры взаимодействия реагентов).
В волне горения происходят различные химические, физические и физико-химические процессы, обеспечивающие в полном объеме необходимое тепловыделение. Волна имеет определенную длину и состоит из ряда зон:
зона нагрева или зона предварительного воспламенения (в ней еще не происходят реакции горения, а осуществляется только теплопередача и нагрев шихты);
реакционные зоны (в них протекают основные реакции, обеспечивающие необходимое тепловыделение);
зоны выгорания (в них продолжаются химические реакции, но они больше не влияют на скорость распространения фронта);
зоны (стадии) вторичных физико-химических превращений, определяющие состав и структуру конечных продуктов.
Популярная формула:
СВС = горение + структурообразование,
Bторичные физико-химические превращения составляют вторую стадию СВС.
Процесс распространения волны характеризуется:
предел затухания (соотношение между параметрами системы, разделяющими две ситуации: распространение волны и отсутствие горения при любых условиях инициирования),
предел потери устойчивости (соотношение между параметрами системы, разделяющими режимы стационарного и нестабильного горения),
скорость распространения фронта,
максимальная температура,
скорость нагрева вещества в стационарной волне,
в нестабильных процессах - частота пульсаций, скорость движения очага по спиральной траектории, величина суперадиабатического эффекта и т.д.,
глубина химического превращения исходных реагентов в конечные продукты,
неравновесность горения, характеризующая незавершенность фазовых и структурных превращений в процессе; скорость охлаждения продуктов сгорания (редко).
Благодаря высоким значениям скорости и температуры горения и скорости нагрева вещества в волне СВС относят к категории экстремальных химических процессов.
Продукты СВС представляют собой твердые частицы произвольной формы, разных размеров. Это порошки разной дисперсности, слабо связанные конгломераты частиц, пены, крупинки и слитки с разной прочностью, пленки, волокна, кристаллы. Масса изделий зависит от ее начальных значений и, в некоторой степени, от механизма процесса.
В смешанных системах макроструктура обычно однородна, в гибридных системах (пористое тело – газ) при наличии трудностей с фильтрацией может иметь место распределение состава по поперечному сечению образца после СВС.
В особых случаях намеренно создают неоднородную макроструктуру продукта горения, получая многослойные и функционально градиентные материалы.
Химический и фазовый состав продуктов определяется составом исходных систем, диаграммами их состояния, полнотой сгорания, условиями охлаждения.