自蔓延高溫合成（Self-propagation High temperature Synthesis，縮寫SHS），是上世紀80年代迅速興起的一門材料制備技術(shù)。在1967年時，前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov首先提出該方法，并在1975年與E.J.Juganson等人用SHS離心法研制出了氧化鋁陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管，且先后申請了美國、英國、加拿大專利。

SHS技術(shù)發(fā)展到今天，在金屬間化合物、陶瓷、復(fù)合材料合成等領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛。今天就主要來講講，它在先進陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用形式及發(fā)展狀況。

SHS技術(shù)原理

SHS法是基于放熱化學(xué)反應(yīng)的原理，利用外部能量誘發(fā)局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)前沿（燃燒波），此后，化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進行，隨著燃燒波的推進，燃燒蔓延至整個體系，合成所需材料。

該法最大的特征，在于反應(yīng)一經(jīng)開始，反應(yīng)過程通過反應(yīng)體系自身釋放的高熱量實現(xiàn)反應(yīng)的自持。而且設(shè)備、工藝簡單，反應(yīng)迅速，產(chǎn)品純度高，能耗低。適用于合成非化學(xué)計量比的化合物、中間產(chǎn)物及亞穩(wěn)定相等。

SHS燒結(jié)反應(yīng)過程示意圖

加熱形式的區(qū)別：

根據(jù)加熱方式的不同，燃燒合成又可以分為自蔓延燃燒合成和熱爆燃燒合成。在熱爆加熱模式下，反應(yīng)物整體被置于加熱容器中以一定的升溫速率加熱，當反應(yīng)物被加熱至點火溫度時，燃燒反應(yīng)在整個反應(yīng)物中同時發(fā)生，并在瞬間完成（<0.5s），即發(fā)生熱爆反應(yīng)?自蔓延加熱模式是利用加熱線圈、高溫火焰或激光等對反應(yīng)物的一端進行局部加熱，點火后燃燒反應(yīng)向另一端自行蔓延?

由于熱爆反應(yīng)條件下，反應(yīng)物在點火前的升溫速率遠遠低于自蔓延反應(yīng)，因此對于同一反應(yīng)體系，在不同反應(yīng)模式下，反應(yīng)機理存在明顯的差別。

SHS技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前SHS在先進陶瓷領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用

①先進陶瓷合成

由于SHS不需要額外施加能量，工藝簡單，高的反應(yīng)速率可以高效合成大批量產(chǎn)物，且上千度燃燒溫度可以使雜質(zhì)揮發(fā)，產(chǎn)物純度高，這一系列優(yōu)勢，使得SHS技術(shù)在制備碳化物、硼化物、硅化物和氮化物等先進陶瓷或以陶瓷顆粒為增強體的金屬陶瓷復(fù)合材料方面得到了廣泛的應(yīng)用，在保證材料高性能的同時大大降低了成本

氮化硅粉體

在我國，早在2002年就已實現(xiàn)了自蔓延氮化鋁、氮化硅粉體的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。自蔓延法制備先進陶瓷粉體的最大優(yōu)勢在于成本低，其高性價比在下游市場有顯著優(yōu)勢，對于應(yīng)用技術(shù)有著深入研究的陶瓷基板企業(yè)也是降低生產(chǎn)成本的一大利器。研究成果顯示，用自蔓延法生產(chǎn)氮化硅粉通常含α相和β相，而低溫燒結(jié)的α和β相所組成的氮化硅復(fù)相陶瓷材料，其強度居然可以達到1600MPa左右，這意味著自蔓延氮化硅粉體用于制備復(fù)相陶瓷潛力巨大。

②管道陶瓷內(nèi)襯

由于腐蝕、磨損、機械破壞等原因，每年金屬油管的報廢量都相當巨大，帶來巨大的損失。而為了強化金屬油管的防腐、耐磨及機械性能，業(yè)內(nèi)會使用SHS技術(shù)制備油氣管道內(nèi)表面陶瓷涂層，提高防腐蝕性能。

目前在該領(lǐng)域，主要利用鋁熱反應(yīng)（Al+XO→Al₂O₃+X）產(chǎn)生的高溫高熱實現(xiàn)陶瓷層的成型。考慮到原料成本、生成物與管道組織的相容性能問題，目前主要關(guān)注點集中在選用Al+Fe₂O₃反應(yīng)體系并配以離心工藝制備Al₂O₃陶瓷涂層上。Al+Fe₂O₃體系反應(yīng)絕熱溫度可以達到3135K，遠超過產(chǎn)物Fe和Al₂O₃的熔點（分別為1811K和2323K），兩種熔融態(tài)產(chǎn)物因密度差異，在離心力的作用下分離，最終在管內(nèi)形成由Fe過渡層連接的氧化鋁陶瓷內(nèi)襯層，提高石油管道的使用壽命。

③多種材料焊接

作為無機非金屬的陶瓷材料與金屬之間在熔點、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等屬性上存在巨大差異，為解決焊接界面殘余應(yīng)力大的問題，就需要在焊接接頭中形成中間過渡層。其中，SHS作為一種高效、無污染的新工藝技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于連接領(lǐng)域。

通過自蔓延反應(yīng)放出的熱量作為熱源，實現(xiàn)陶瓷和金屬材料之間的焊接。自蔓延反應(yīng)時間短，可以實現(xiàn)局部快速放熱，使焊接過程在短時間內(nèi)完成，且母材熱影響區(qū)較小，損害小；利用反應(yīng)的高熱量去除低熔點雜質(zhì)，能提高焊接接頭的純度；通過調(diào)節(jié)反應(yīng)原料成分，實現(xiàn)陶瓷與金屬接頭間的梯度變化，減少殘余應(yīng)力，提高接頭的性能，目前已成功地用于鉬和鎢、鉬和石墨、鎢和石墨、鈦和不銹鋼、石墨和石墨的工程化焊接中。

結(jié)語

SHS 技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的新工藝為材料的研究制備開拓了一條新的技術(shù)途徑。但隨著 SHS 技術(shù)研究與應(yīng)用的深入，也逐漸暴露出一些不足，主要表現(xiàn)為燃燒過程難以控制，導(dǎo)致最終成品的質(zhì)量又是不盡如人意。因此業(yè)界目前仍在對SHS基礎(chǔ)理論進行深入研究，以對SHS工藝的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，生產(chǎn)出低成本、高致密、優(yōu)性能和規(guī)模化的 SHS 產(chǎn)品。

資料來源：

趙慧林,劉淑娟,鞏雪,等. 自蔓延高溫合成在特種陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J]. 居業(yè),2022(1):253-255. DOI:10.3969/j.issn.2095-4085.2022.01.086.

李卓然,馮吉才,曹健. 自蔓延高溫合成連接技術(shù)研究進展[J]. 宇航材料工藝,2004,34(3):1-4,17. DOI:10.3969/j.issn.1007-2330.2004.03.001.

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