1. Получение материалов методом свс

Сущность метода СВС состоит в том, что после локального инициирования реакции взаимодействия в тонком слое смеси исходных реагентов фронт горения самопроизвольно распространяется по всей системе благодаря теплопередаче от горячих продуктов к не нагретым исходным веществам, в котором также инициируется реакция (рис. 1).

Фактически осуществляется процесс горения, в котором образование продуктов является и причиной и следствием горения. Данный метод синтеза обладает рядом специфических черт, к которым следует отнести высокие температуры и малые времена синтеза, возможность управления процессом, незначительные внешние

Рисунок 1 Схема СВС.

1 – образец; 2- теплоизолятор; 3 – электрическая

спираль; 4- фронт горения; 5 – зона «догорания»

энергетические затраты и простота оборудования. Использования внутренних энергетических ресурсов системы наряду с перечисленными отличительными чертами говорит о его высоких достоинствах с технологической точки зрения и служит основой для создания новых прогрессивных технологий, обеспечивающих решение задач по организации высокопроизводительных и динамичных производств различных материалов[5,6].

Различают два процесса: СВС в режиме послойного горения и СВС в режиме теплового взрыва. В первом из них при возбуждении экзотермической реакции в некотором локальном объёме вещества выделяется тепло, которое путем теплопроводности нагревает соседние слои вещества, вызывая в них реакцию, и обеспечивает перемещение зоны реакции в пространстве. В режиме теплового взрыва повышение температуры во всем объеме реакционной системы приводит к развивающемуся во времени саморазогреву, который подобен тепловому взрыву[7].

1.1. Кинетика свс – процессов.

При изучении процессов высокотемпературного синтеза важное значение приобретает вопрос о кинетике и механизме образования этих соединений в экстремальных условиях волны горения.

При условии, что скорость реакции определяется скоростью переноса компонентов через слой продукта, изотермические законы для скорости роста слоя можно использовать для анализа неизотермических процессов, учитывая при этом зависимость коэффициента диффузии от температуры. Это дает возможность сопоставлять кинетические данные, полученные в различных условиях, и использовать экспрессные методы неизотермической кинетики для изучения кинетики взаимодействия компонентов в металлических системах и построения диаграмм состояния.

Для изучения реакций, идущих с выделением тепла, в последнее время стали широко использоваться методы макрокинетики, которая выясняет роль физических процессов – диффузии, теплопередачи и других и других в протекании химических реакций. Основы макрокинетики были заложены в фундаментальных работах Семенова, Зельдовича, Франк – Каменецкого, и др., создавших теории теплового взрыва, горения, зажигания[8,9]. Основным допущением теории является то, что скорость химической реакции всегда зависит от температуры нелинейным образом (обычно по экспоненциальному закону Аррениуса). При этом скорость горения зависит от температуры гораздо сильнее, чем от всех других параметров.

Для описания процесса горения необходимо решить систему уравнений теплопроводности и диффузии. В простейших случаях уравнение диффузии реагентов приводится к виду, тождественному уравнению теплопроводности. Предполагается, что реакция идет лишь в узком температурном интервале вблизи максимальной температуры.

Для реакции нулевого порядка получено:

,

для реакции первого порядка:

,

с⁰ , с' – константы скоростей реакции нулевого и первого порядка;

λ - коэффициент теплопроводности;

Q – тепловой эффект реакции;

Т_г = Т₀ + Q/с – максимальная температура горения;

Е – энергия активации;

n₀ - концентрация реагирующего вещества;

ρ – плотность;

с – теплоемкость;

В реальных порошковых системах законы химического взаимодействия значительно отличаются от гомогенной кинетики. Это отличие обусловлено гетерогенностью среды, так как высокие температуры плавления исходных компонентов и продуктов реакции исключают возможность предварительного смещения и последующего гомогенного реагирования. Для решения задачи о безгазовом горении гетерогенных систем в самой общей постановке необходимо совместное решение не одномерных линейных уравнений теплопроводности с источниками тепла и диффузии со стоками реагентов.