Samopropagująca synteza spaleniowa

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:
H2, B, Al, C, N2, O2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe,
B2O3, TiO2, Cr2O3, MoO3, Fe2O3, 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;
SSS: przebieg
–Rozpoczyna się reakcja
–Wydziela się ciepło
– 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: 103–106 K/s
• Strumień ciepła inicjujący proces: 10–200
cal/(cm2 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 + 2N2 = Si3N4
Zr + H2 = ZrH2
SSS: przykłady reakcji
• Redukcja i utlenianie
– B2O3 +3Mg + N2 = 2BN + 3MgO
B2O3 + TiO2 +5Mg = TiB2 + 5MgO
MoO3 + B2O3 +4Al = MoB2 + 2Al2O3
3TiO2 + C + 4Al = TiC + 2Al2O3
2TiCl4 + 8Na + N2 = 2TiN + 8NaCl
– 3Cu + 2BaO2 + 1/2Y2O3 + 0.5(1.5 - x)O2 = YBa2Cu3O7-x
Nb + Li2O2 + 1/2Ni2O5 = 2LiNbO3
8Fe + SrO + 2Fe2O3 + 6O2 = SrFe12O19
9
SSS: przykłady reakcji
• Synteza ze związków chemicznych
– PbO + WO3 = PbWO4
• Termiczna dekompozycja
– 2BH3N2H4 = 2BN + N2 + 7H2
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