Samopropagująca synteza spaleniowa Inne zastosowania nauki o spalaniu Dyfuzja gazów w płomieniu Zachowanie płynnych paliw i aerozoli; Rozprzestrzenianie się płomieni wzdłuż powierzchni Synteza spaleniowa Combustion 8/9 1
SSS Synteza spaleniowa znana jest od 1967 roku. Została odkryta przez A.G. Merzhanov, I.P. Borovinskaya, i V.M. Shkiro z the Research Center of the USSR Academy of Sciences (Chernogolovka) U jej podstaw leży znany fakt że niektórym przemianom chemicznym towarzyszy wydzielanie znacznych ilości energii cieplnej. SSS Jest to samopodtrzymujący się proces prowadzący do powstania nowej fazy z różnych składników wyjściowych. Do inicjacji syntezy potrzebny jest jedynie krótki impuls cieplny (np. wiązką laserową). 2
SSS: substraty SSS może przebiegać: w proszkach, cienkich warstwach, cieczach i gazach. Najczęściej substratami są: Mieszaniny proszków (sprasowane lub nie); Układy proszek gaz. Rzadziej są to: Układy proszek ciecz; Układy warstwowe; Układy gaz gaz; SSS: substraty Najczęściej stosowane substraty to: H 2, B, Al, C, N 2, O 2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B 2, TiO 2, Cr 2, Mo, Fe 2,NiO, itd. Także nieprzetworzone minerały oraz odpady przemysłowe. 3
SSS: substraty Morfologia substratu musi sprzyjać danej reakcji chemicznej, która ma w nim przebiegać. SSS: substraty Reakcja może zachodzić: W próżni Powietrzu Obojętnym lub reaktywnym gazie. 4
SSS: substraty Atmosfera spalania: Spalanie bez udziału (w mieszaninie proszków z bardzo małym udziałem gazu) SSS: substraty Atmosfera spalania: Spalanie w układzie z reaktywnym gazem Spalanie w układach wielofazowych (nowość). 5
SSS: przebieg Sproszkowane materiały wyjściowe prasowane są w granule; Podgrzanie reagentów do niezbyt wysokiej temperatury aby usunąć takie zanieczyszczenia jak woda; Inicjacja reakcji: Proszek o niższej temperaturze topnienia topi się i pokrywa inne cząstki. Dzięki temu zwiększa się kontakt między reagentami; Rozpoczyna się reakcja Wydziela się ciepło SSS: przebieg Zaczyna się rozprzestrzeniać fala cieplna; W bardzo wysokiej temperaturze fali cieplnej tworzą się produkty końcowe. Kryształy fazy końcowej rosną porządkują się. 6
SSS: inicjacja procesu Reakcja zaczyna się na powierzchni próbki, Ogrzewanie rozpoczyna się w typowy sposób (przepływ prądu, iskra elektryczna, promień lasera, ogrzewanie w piecu itp.). Może to być nawet wybuch. Początkowe ogrzewanie trwa znacznie krócej niż czas reakcji. SSS: propagacja strumienia ciepła Najprostszy przypadek (i najkorzystniejszy): strumień ciepła przemieszcza się stabilnie, ze stałą prędkością. 7
SSS: propagacja strumienia ciepła Gdy strumień ciepła nie przemieszcza się stabilnie, Mogą zachodzić oscylacje prędkości przemieszczania się fali: Mogą powstać gorące punkty, które przemieszczają się ruchem spiralnym. Mogą powstać gorące punkty poruszające się chaotycznie. SSS: typowe parametry Prędkość przemieszczanie się frontu spalania: 0.1 20 cm/s Temperatura spalania: 2300 3800 K Szybkość ogrzewania: 10 3 10 6 K/s Strumień ciepła inicjujący proces: 10 200 cal/(cm 2 s) Czas inicjacji procesu: 0.2 1.2 s Temperatura inicjująca proces: 800 1200 K 8
SSS: przykłady reakcji Synteza z pierwiastków: Ti+ C =TiC Ni + Al = NiAl 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 Zr + H 2 = ZrH 2 SSS: przykłady reakcji Redukcja i utlenianie B 2 +3Mg + N 2 = 2BN + 3MgO B 2 + TiO 2 +5Mg = TiB 2 + 5MgO Mo + B 2 +4Al = MoB 2 + 2Al 2 3TiO 2 + C + 4Al = TiC + 2Al 2 2TiCl 4 + 8Na + N 2 = 2TiN + 8NaCl 3Cu + 2BaO 2 + 1/2Y 2 + 0.5(1.5 - x)o 2 = YBa 2 Cu 3 O 7-x Nb + Li 2 O 2 + 1/2Ni 2 O 5 = 2LiNb 8Fe + SrO + 2Fe 2 + 6O 2 = SrFe 12 O 19 9
SSS: przykłady reakcji Synteza ze związków chemicznych PbO+ W = PbWO 4 Termiczna dekompozycja 2BH 3 N 2 H 4 = 2BN + N 2 + 7H 2 SSS: morfologia produktów Piana Pręty Warstwy Włókna Whiskery Kryształy 10
SSS: rodzaje produktów Wysokotemperaturowe materiały: siarczki, fosforki, wodorki, tlenki, chlorki; Pierwiastki (B, Ti, Mo, itd.) Kompozyty nieorganiczne (ceramiki, cermety, mineralo-ceramiki,itp) SSS: rodzaje produktów Związki organiczne 11
SSS: rodzaje produktów Polimery Przedmioty otrzymane metodą polimeryzacji SSS SSS: technologia Nie tylko samo spalanie 12
SSS: technologia Przykład pieca SSS: zastosowania Materiały ścierne; Twarde stopy; Azotki; Ceramiki; Katalizatory; Implanty; 13
SSS: zastosowania Porowate implanty, a także materiały z pamięcią kształtu SSS: zastosowania Warstwy ochronne na przedmiotach metalowych. 14
SSS: zastosowania Warstwy ochronne na przedmiotach metalowych. Literatura A.G. Merzhanov, A.E. Sytschev, Świat Nauki, 15