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作业-自蔓延技术-微波烧结-爆炸烧结汇总.doc

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文档介绍:作业-自蔓延技术-微波烧结-爆炸烧结汇总


先进陶瓷制备技术(学习论文)
——自蔓延高温烧结、微波烧结、爆炸烧结制备技术概述
完成日期2012年6月22日
1.1 自蔓延高温烧结技术简介
自蔓延高温烧结技术(SHS烧结)就是通过固相反应烧结,从而制得一定形状和尺寸的产品,它可以在空气、真空或特殊气氛中烧结。SHS烧结技术能制得高质量的高熔点难熔化合物产品,其强度受温度变化的影响不大。
该技术是在一定的气氛中点燃粉末压胚,产生化学反应,其放出的生成热使临近的物体温度骤然升高而引发新的化学反应,以燃烧波的形式反映蔓延用过整个反应物,同时反应物转变成为生成物,并通过固相烧结原理完成烧结(如图1),当然在反应物中适当的添加相应的助剂,也可以实现陶瓷的液相烧结。

图1 SHS烧结反应过程示意图
1.2 自蔓延烧结技术的发展历史
自蔓延高温烧结技术(SHS烧结)就是通过固相反应烧结,从而制得一定形状和尺寸的产品,它可以在空气、真空或特殊气氛中烧结。因为SHS烧结炉技术是基于SHS合成技术发展起来的,因此对于该技术的历史发展,我们需要追溯到SHS合成技术的历史与发展。
人们很早就发现了化学反应中的放热现象,在上个世纪就已发现了气-固相和固-固相的燃烧合成现象。1967年,原苏联科学院化学物理研究所Borovinskaya 等人发现钛-硼混合物的自蔓延燃烧合成现象

,“火焰”。60年代末,又发现了许




应受动力学控制,则温度、转化率和热释放率转变(如图3),这表明反应不仅限于燃烧波的波阵面处,而且当波阵面通过以后仍有反应进行。

图3 具有后烧反应的燃烧波中温度T和转化率η
温度分布曲线进一步描述了燃烧过程的反应特点。如图4所示,在初始燃烧区,反应物结构向产物结构转变尚未完全进行,结构处于中间状态。在二次化学和结构转变区内,最终实现结构的转变。

(1)未受影响区 (2)预热区 (3)初始燃烧区
(4)一次化学和结构转化区 (5)冷却区 (6)产物区
图4 温度分布曲线
根据能量守恒定律和把反应介质看作连续均匀、各向同性,温度分布连续、均匀,以及物理K、ρ、Cp为常数,即可得到一维有热源的Fourier热传导方程。

式中:Cp为产物热容,Q为产物的密度, k为产物的热导率,q为反应热, T为绝对温度


,t为时间,x为波传播方向的尺寸,为反应速率。
由Arrhenius动力学知识可以推导出燃烧波传导速度表达式

式中:f(n)为反应动力学级数(n)的函数,Tc为燃烧温度,R为气体常数,K0为常数,E为过程的激活能。
转化率在空间分布的方程。

式中:K1、K2 分别为反应物和产物的导热率。
1.3.1.2 燃烧动力学
由于固-固反应时,颗粒之间的有限接触限制了反应物之间的物质交换,所以燃烧波中出现的液相,在SHS过程中扮演着决定性的因素,液相的产生不仅可通过反应物的熔化产生,而且还可通过共晶接触熔化产生。在SHS 燃烧波阵面内,当低熔点组分熔化时,熔化的液相在毛细作用下,铺张到高熔点组分上,如果铺张的时间大于反应的时间时,SHS反应受毛细作用下铺张速率控制;当铺张时间小于反应时间,SHS反应受组分在生成层中扩散速度控制。不管是毛细作用模式还是扩散模式,均与组分的颗粒尺寸密切相关。
通常当

式中:为低熔点组分的颗粒尺寸,为难熔组分颗粒尺寸,为反应物在生成层中的扩散系数。SHS 反应中毛细作用占主导地位。
而扩散占主导地位则要求

式中: 为热扩散速率。
一般由小颗粒金属构成的系统中,是以扩散控制模式为主;而由大颗粒金属构成的体系中,受毛细作用下液相的铺张速率控制。对不同的孔隙率研究表明,易熔组分体积分数与孔隙的体积分数大致相当时,液相可充分与高熔点组分接触,而获得最佳扩展效果。体积分数过高的易熔组分会产生过多的液相,起到热阱的作

用,降低燃烧温度;反之,则降低燃烧速率。对于弱放热反应体系来说,为了能维持反应并获得满意产品,可以采用:给反应物预热的方法来实现,但这种方法会造成设备和工艺的复杂化。另外一种方法是通过在反应物中添加一些高放热的化学激活剂来提高燃烧温度,改善燃烧条件。
1.3.2 陶瓷烧结理论
1.3.2.1 陶瓷的烧结中的晶粒生长与二次再结晶
晶粒生长是指平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下,连续增大的过程。晶粒生长时需要推动力,该推动力为界面向曲率中心移动的驱动力一般为晶界两边物质的吉布斯自由能之差,由此而得的晶界移动速度:

…………………………….(1)

若晶粒边数大于六,界面是向外弯曲的凹面,界面向外移动,

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