1.Безгазовое горение
. Безгазовое горение в порошковых смесях химических элементов Этот тип горения наиболее прост для организации процесса СВС. Именно в этих системах было открыто явление "твердого пламени". Горение железоалюминиевого термита, образующего только конденсированные (жидкие) продукты, было, по сути, прототипом безгазового горения СВС составов.
Физико-химический
механизм безгазового горения исключительно
сложный. При его изучении было необходимо
учитывать диффузионные затруднения,
вызываемые низким контактом между
частицами реагирующих порошков. В
процессах СВС важную роль играет
агрегатное состояние веществ в зоне
реакции. Плавление компонентов и
образование газообразных транспортирующих
агентов интенсифицируют процессы
массопереноса и горения. Наиболее широко
в СВС-процессах используется следующая
схема:
гдеXi
= Ti,
Zr,
Hf,
V,
Nb,
Ta,
Cr,
Mo
(горючее), Yj
= B,
C,
Si
(окислитель), Z-
борид, карбид, силицид соответствующего
металла и Q
- тепловыделение реакции.
Другой вариант этой схемы, когда Xi = Fe, Co, Ni, Yj = Al, и Z - алюминиды, также широко используется в СВС. Для получения сульфидов, селенидов и теллуридов используются в качестве окислителей Yj = S, Se, Te. Процесс СВС в последних системах сопровождается сильным испарением неметаллов и не может относится к безгазовым системам. При n>1 и m>1 продуктами СВС реакций являются композиционные конгломерированные материалы.
В таблице 2.1 представлены некоторые данные по температуре горения Тг и скорости горения Uг. Максимальные температуры, развивающиеся в волне горения были определены экспериментально. Для обеспечения корреляции со значениями адиабатических температур, полученных расчетным путем, условия проведения экспериментов были приближены к адиабатическим. Из таблицы следует, что температуры горения значительно превышают температуры печного синтеза, а высокая линейная скорость горения обеспечивает малое время синтеза
Параметры процесса СВС сильно зависят от структуры и плотности порошковой смеси, а также размера частиц компонентов. Типичные параметры исходных СВС смесей: размер частиц Xi = 1-100 мкм, размер частиц Yj = 0,1-10 мкм, относительная плотность () - от 0,6 до насыпной плотности. Более мелкие исходные порошки и более плотная исходная шихта эффективно повышают температуру и скорость СВС процесса.
Механизм синтеза и структурообразования продуктов изучен с помощью макрокинетического подхода. В зависимости от поведения реагентов в волне горения этот механизм может быть различным. Если реагенты не плавящиеся и реализуют при взаимодействии твердопламенное горение, то продукты образуются по механизму реакционной диффузии. Другой механизм выявлен в системах с плавящимся реагентом. Он проявляется, например, в случае взаимодействия титана с сажей, когда титан плавится в зоне прогрева (предпламенной зоне). Расплав титана растекается между и по частицам сажи, которые растворяются в нем, а затем, после прохождения фронта, продукт горения (карбид титана) кристаллизуется из расплава. Первичный продукт имеет мелкокристаллическую структуру с размером зерен около 0,1 мкм. После прохождения рекристаллизационных процессов в горячем продукте, размер зерен продукта может увеличиться в 2-3 раза. Эффект капиллярного растекания позволил объяснить явление перепрессовки стехиометрических смесей титана и неметалла (бора, углерода), когда при относительной плотности образцов (>0,7-0,8) процесс горения в них не реализуется из-за малой проницаемости образца для расплава титана.
Несмотря на различие в механизмах структурообразования, продукты СВС в порошковых смесях элементов всегда проявляют пористую структуру и низкую прочность. Поэтому главным способом переработки этих продуктов является перевод их в порошкообразное состояние механическим измельчением. В зависимости от условий измельчения монокристаллические или поликристаллические СВС порошки могут иметь дисперсность от 0,5 до 200 мкм.
Порошкообразные продукты СВС имеют высокую чистоту, которая определяется чистотой исходных реагентов, а также эффектом самоочистки продуктов при высоких температурах горения.