Самораспространяющийся высокотемпературный синтез как способ получения чистых металлов

В основе СВС лежит использование химической энергии (режим горения), высвобождаемой в процессе экзотермических реакций между исходными порошковыми компонентами [38].

Возможность получения большого количества тугоплавких неорганических соединений в режиме горения была показана авторами [40, 41] при исследовании процессов в безгазовых системах. Такой режим синтез стал называться «самораспространяющегося высокотемпературного синтеза» (СВС).

Простая химическая схема СВС-процесса [42] представляет собой:

aX + bY = cZ (25)

где a, b, c - стехиометрические коэффициенты;

X – Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr и другие металлы;

Y – H₂, B, C, N, Se, Si и др.;

Z – карбиды, бориды, силициды и др.

Волна горения - это распространение зоны данных химических реакций СВС процесса.

Основные характеристики распространения волны:

Ø предел погасания;

Ø предел потери устойчивости;

Ø скорость распространения фронта;

Ø максимальная температура;

Ø темп нагрева вещества в волне стационарного горения;

Ø в неустойчивых процессах - частота пульсаций, скорость движения очага по винтовой траектории, величина сверхадиабатического эффекта и др.;

Ø полнота горения;

Ø неравновесность продукта горения, которая характеризует незавершенность структурных и фазовых превращений в процессе;

Ø темп остывания продуктов горения.

Таблица 2 - Основные характеристики СВС-процесса [70]:

В режиме СВС может протекать несколько сот реакций. Синтез осуществляется как из элементов, так и из многокомпонентных систем (оксиды металлов, металлы-восстановители, химические элементы). В последние годы СВС-процесс реализуется в системах, состоящих из отходов промышленного производства [43-48].

В этих системах процесс горения состоит из двух основных химических стадий. Первая стадия - восстановление металла из оксида; вторая стадия - за счет выделившегося на первой стадии тепла, идут взаимодействие восстановленного металла с другим элементом, а также образование тугоплавкого соединения.

Наибольшее распространение получили два способа проведения СВС. Процесс первого способа ведут в вакууме, образец представляет собой спрессованную (или насыпную) смесь порошков (размеры частиц в пределах от 0, 1 мкм до 500 мкм). Тепловой импульс является источником возбуждения горения в системе. При нагреве поверхностного слоя начинает протекать химическая реакция, и формируется волна синтеза. Эта волна синтеза имеет определенную скорость распространения по образцу, сопровождающееся ярким свечением. В итоге за малый промежуток времени (секунды), из исходной смеси порошков образуются новые соединения [50].

Осуществление процесса второго способа - химическое взаимодействие образца с газообразным реагентом, которое можно облегчить благодаря фильтрации газа по порам образца. Образец состоит из частиц только одного реагента, а другой имеет газообразное состояние.

Химические системы первого способа - перемешанные, второго - гибридные. Также для горения могут быть использованы комбинированные варианты [50].

СВС-метод перспективный и имеет широкие возможности в получении новых материалов как в лабораторных объемах, так и в промышленности. Этот метод новое направление в науке и технологической практике, получившее распространение в различных отраслях производства [49].

СВС-технологии применяются в самых передовых отраслях научно-технического прогресса - электротехника и машиностроение, радиотехника и электроника. В этом случае используют следующие преимущества метода: чистота продуктов, совершенство их структуры [49-52].

В сфере технологий процессов СВС, в последние годы, появились новые направления, связанные с получением наноразмерных порошков (с использованием их в процессах СВС) и механоактивационным синтезом интреметаллидов и других соединений (получение низкопористых и химически чистых продуктов реакции). В первом направлении технологии СВС позволяют получать композиционные нанопорошки с особыми свойствами, которые широко используются в различных отраслях промышленности. Во втором направлении при низкой температуре процессы структурообразования легко управляются изменением времени механоактивации. Таким образом, в промышленности получают композиционные материалы методами механохимии [71].

К СВС можно относить любые процессы горения, исходя из общности механизма и закономерностей синтеза в волне горения, которые протекают с образованием веществ и материалов. Например, процессы СВС с восстановительной стадией, которые получили название СВС-металлургии и позволили решить сложную задачу получения тугоплавких соединений в виде слитков [53].