УДК 666.3
Применение СВС-технологии в производстве новых материалов
1, 2
Иркутский государственный технический университет,
664074, 3.
Рассматриваются примеры возможного применения СВС-технологии в производстве, как в первые годы изобретения, так и в наше время. Кроме того, поднимается вопрос о перспективах СВС-технологии. Говорится о достоинствах и недостатках данного метода производства материалов.
Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: СВС-технология, экзотермические реакции, СВС и наноматериалы, новые технологии.
APPLICATION OF SHS - TECHNOLOGY IN NEW MATERIALS PRODUCTION
Y. Pisareva, Y. Zykova
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov Str., Irkutsk 664074
The article presents a review of the existing literature on the topic, considers the instances of proba-ble application of this production technology both in the first years of invention and nowadays. The author views the perspectives of SHS technology, reasons advantages and disadvantages of this method of materials production.
7 refs.
Keywords: SHS technology, exothermal reactions, SHS and nanomaterials, new technologies.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) твердых химических соединений – технологический процесс получения материалов, основанный на проведении экзотермической химической реакции взаимодействия исходных реагентов в форме горения.
Порошки – это первая продукция СВС, вызвавшая практический интерес и получившая применение в технике, технологии, производстве. Первая технологическая установка для получения порошков методом СВС была создана в 1972 г. в России в Научном центре Академии наук в Черноголовке советскими учеными , и .
В дальнейшем этот простейший способ производства СВС-порошков (подготовка реагентов – СВС в реакторе – переработка продукта горения в порошок) был освоен на ряде промышленных предприятий в республиках бывшего СССР для производства карбида титана, дисилицида молибдена, в-модификации нитрида кремния, технического бора, ниобата лития и других порошков. В настоящее время разработано около 100 технологических разновидностей СВС, объединенных согласно классификации в 6 технологических типов:
ТТ – 1 : СВС-технология порошков;
ТТ – 2 : СВС-спекание;
ТТ – 3 : силовое СВС-компактирование;
ТТ – 4 : СВС-металлургия или СВС-технология высокотемпературных расплавов;
ТТ – 5 : СВС-сварка;
ТТ – 6 : газотранспортная СВС-технология [1].
СВС-метод имеет ряд очевидных преимуществ перед другими методами получения тугоплавких соединений:
1. Низкое энергопотребление. Немного энергии нужно в методе СВС для нагрева воспламенительной спирали и зажигания исходного порошка. Далее процесс синтеза идет за счет собственного внутреннего тепловыделения в результате сильноэкзотермической реакции синтеза, т. е. за счет саморазогрева. Энергия здесь не потребляется извне, а наоборот выделяется внутри. Так что потом, после синтеза, ее приходится отводить вовне, охлаждая раскаленные продукты синтеза.
2. Для метода СВС характерно простое и малогабаритное оборудование. Для реализации процесса СВС нет необходимости в длительном высокотемпературном внешнем нагреве, в громоздких печах с системами нагрева, теплозащиты и терморегуляции. Саморазогрев порошка при СВС позволяет проводить процесс в простых малогабаритных реакторах, а не в печах.
3. Методу СВС присуща высокая производительность. В результате саморазогрева при горении достигаются очень высокие температуры, поэтому скорость реакции синтеза значительно выше. По исходной массе порошка бежит волна синтеза в виде потока горения со скоростью от нескольких мм/с до десятка см/с. Длительность синтеза занимает в реакторе СВС от нескольких секунд до нескольких минут, в то время как при печном синтезе это время составляет от нескольких десятков минут до нескольких часов.
4. Метод СВС отличается высокой чистотой продуктов и экологической безопасностью. Это также связано с очень высокими температурами синтеза по сравнению с печным синтезом. При таких высоких температурах вредные примеси разлагаются и испаряются из продукта, обеспечивая повышенную чистоту и экологическую безопасность процесса СВС.
5. Метод СВС дает широкую гамму материалов: порошки, пористые, беспористые материалы, компактные, литые, композиционные, наплавки и покрытия. Это достигается изменением состава исходных порошков и условий их сжигания. Изменяя условия, в первую очередь температуру горения и давление, мы можем получить самые разные продукты синтеза во всевозможном виде. В результате метод СВС обладает большой гибкостью, позволяя получать практически на одном и том же оборудовании самую разнообразную продукцию.
6. Продукты СВС находят практическое применение во многих отраслях промышленности:
- машиностроение – абразивы, твердые сплавы, инструментальные материалы; металлургия – огнеупоры, ферросплавы; электротехника и электроника – нагревательные элементы, ферриты, сверхпроводники, высокотеплопроводные керамики и клеи (герметики, электропроводные твердые смазки); химическая промышленность – катализаторы; медицина – материалы с памятью формы и т. д.; наноматериалы [2].
Наноразмерные порошки, волокона и пленки, а также наноструктурные компактные материалы – все это приобретает особое значение в наше время индустрии наносистем. К примеру, ведется разработка конструкционных строительных материалов. В этой области получен уникальный наноматериал «Таунит». Исследования показывают, что добавление от 0,1 до 3 % этого наноматериала в бетон или «затворяющую» воду приводит к его значительному упрочнению. Так же проводятся исследования с измельченным до наноразмеров и механоактивированным на наномельнице цементом и буровым шламом (очищенным цеолитом – «молекулярным ситом»). Добавление 10–15 % такого цемента в обычный, позволяет повысить марку цемента и добиться «схватывания» раствора при отрицательных температурах.
СВС-наноматериалы можно использовать для спекания алюмосиликатных строительных блоков, содержащих 60–70 % местных минеральных добавок, а также запечатывать СВС-смеси в мергельные ленты, которые можно будет использовать для укрепления кирпичной кладки – спекания строительных блоков из алюмосиликатов, в тех случаях, когда невозможно использование цементного раствора. Такие конструкционные строительные материалы можно применять в условиях экстремально низких температур крайнего Севера, а в ближайшей перспективе – при строительстве первых сооружений для обитаемых станций даже на Луне и Марсе, в отсутствии вяжущих материалов на основе водных растворов [3].
Среди возможных областей применения СВС как экономически выгодного и легко управляемого метода получения материалов одним из наиболее перспективных представляется использование композиционных порошков, синтезированных этим методом, при получении композитов с керамической матрицей. Композиционные материалы с керамической матрицей (ККМ), которые обычно имеют в своей основе тугоплавкие керамические фазы, образующие матрицу, а также распределенные в ней частицы композита, сегодня являются объектом активной исследовательской и дизайнерской деятельности, благодаря уникальному сочетанию эксплуатационных свойств.
СВС обладает огромным потенциалом и может быть применен в пластической, время - и энергосберегающей обработке керамики при данном производстве. Использование этих порошков в обычных процессах получения керамики создает в ККМ многообразие огнеупорных фаз с широким спектром их композиционных соотношений. Сравнительно равномерное распределение фаз в порошках СВС-композитов дает возможность увеличить объем фракции равномерно рассеянных частиц в ККМ без избыточной агломерации частиц. Поэтому таким методом могут быть получены ККМ с лучшими механическими свойствами, чем любым другим способом. Результаты использования порошков СВС-композитов, сравнимы с теми, которые наблюдаются при применении более сложных и тонких химических методов.
Однако существует и весомый недостаток СВС – требование высокой экзотермичности реакции взаимодействия исходных порошковых реагентов, чтобы реакция синтеза продуктов прошла в виде явления горения, чтобы исходный порошок можно было поджечь. Несмотря на данную необходимость, достоинства процесса СВС значительно превышают его недостатки, и этот новый перспективный процесс привлекает большое внимание как ученых, так и производственников.
Необычные условия СВС, характеризующиеся высокими температурами в конденсированной фазе (до 5000К), кратковременностью (1секунда и менее), высокой скоростью внутреннего саморазогрева (до 1 млн К/с), резкими градиентами температур, обеспечивают получение новых материалов, часто с новыми свойствами, отличающихся от аналогичных, полученных другими способами. Сегодня создано несколько технологий СВС, позволяющих синтезировать свыше тысяч веществ и материалов, наносить покрытия, сваривать детали.
В настоящее время СВС как область научных исследований стал невероятно разнообразным: разрабатываются новые методы спекания порошков, оценивается влияние различных добавок, также многие работы направлены на изучение кинетики и механизма горения нанотермитных систем, учитывая актуальность этого направления.
Сегодня в области СВС начинается «смена поколений». Приходят новые лидеры – молодые люди, которые верят в перспективы СВС и выбирают работу в данной области. А это значит, что будущее СВС, в котором еще много неясного и неразгаданного, в надежных руках [4–7].
Библиографический список
, , Мержанов технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: учеб. пособие / под науч. ред. . – М. : Машиностроение, 2007. , Мукасьян горение. – М. : Торус Пресс, 2007. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика: сб. статей / под ред. . – Черноголовка: Территория, 2001. , М 34. Техническая керамика: учеб. пособие. – Томск : Изд-во ТПУ, 2004. Болтон, У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты; пер. с англ. – 2-е изд., стер. – М. : ДОДЭКА-XXI, 2007. Буббико, Дж., ерамика: техники, материалы, изделия / пер. с итал. – М. : Ниола-Пресс, 2009. мл., Ретвич : от технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) / пер. с англ. . – 3-е изд. – СПб. : Науч. основы и технологии, 2011.
1 Писарева Юлия, студентка 5 курса специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов», кафедры «Химическая технология неорганических веществ и материалов», e-mail: *****@***ru
Pisareva Yulia, a fifth-year student of study field “Chemical Technology of High-Melting Nonmetal and Silicate Materials”, Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Department, e-mail: *****@***ru
2 , ст. преподаватель кафедры «Химическая технология неорганических веществ и материалов» e-mail: *****@***ru
Zykova Yulia, Assistant Professor of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Department, e-mail: *****@***ru
