СВС - это разновидность горения, в котором образуются ценные твердые вещества, путем перемещения волны химической реакции по смеси реагентов с образованием твердых конечных продуктов, проводимый с целью синтеза веществ материалов. СВС представляет собой режим протекания сильной экзотермической реакции (реакции горения), в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи. Развитие работ основано на научном открытии советских ученых А.Г. Мержанова и соавторы "Явление твердого пламени". Приоритет открытия - 1967 год.

Процесс возможен в системах с различным агрегатным состоянием, имеет тепловую природу. Характерный признак - образование твердого продукта. Главное предназначение СВС - синтез веществ и материалов, создание новых технологических процессов и организация производств.

В конце 60-х и начале 70-х годов в Отделении Института химической физики в Черноголовке были развиты первичные представления о механизме горения систем металл-углерод, металл-бор и металл-азот, предложены новые направления исследования горения конденсированных систем, обнаружены и описаны установившиеся режимы неустойчивого горения, создана методология получения тугоплавких соединений на основе СВС.

В 70-х годах в Отделении ИХФ АН СССР была создана первая технологическая установка для производства СВС-порошков, и началось развитие, теория горения СВС-систем, созданы методы математического моделирования безгазового и фильтрационного горения, осуществлено первое промышленное внедрение СВС-технологии для производства порошков дисилицида молибдена и высокотемпературных нагревателей на их основе (г. Кировакан, Армянская ССР).

В 80-ые годы работы в Советском Союзе создан Научный Совет по теории и практике СВС-процессов, разработана общесоюзная программа работ, созданы Межотраслевой научно-технический комплекс "Термосинтез" и его головная организация ИСМАН - Институт структурной макрокинетики АН СССР (на базе отдела макроскопической кинетики Отделения ИХФ АН СССР), МНТК "Термосинтез" организовал производства.

В начале 80-х годов начались работы по СВС за рубежом, хотя и с десятилетним опозданием - сначала в США, они начались под влиянием публикации обзора Дж. Крайдера "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — советский метод получения керамических материалов". Работы было поручено вести в рамках специально созданной программы DARPA. Примерно в это же время (в начале 80-х годов) начались работы и в Японии, создали Ассоциацию СВС, организовали работы в университетах и на фирмах. явным лидером профессором М. Койзуми. В настоящее время исследования в области СВС ведутся в 49 странах мира

90-ые годы характеризуются развитием международных связей в области СВС, есть коммерческие связи с Китаем, Кореей, Тайванем, Японией. Выполнено значительное число совместных и заказных работ. Восток в части коммерческого сотрудничества с нами более активен, чем Запад. В сфере их интересов — технология керамических порошков и изделий, СВС-фильтры, специализированное СВС-оборудование. По инициативе и при организационном руководстве ИСМАН регулярно стали проводится Международные симпозиумы "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез", выходит Международный журнал с таким же названием (Allerton press, NY). Также развиваются двухсторонние связи с ФГУП ММПП "Салют". Разработана программа двухстороннего сотрудничества "СВС в технологии газотурбинных двигателей", в которую вошли и научно-технические разработки, и изготовление специализированного оборудования, и поисковые исследования

Есть идеи разработки совместно с "Русским алюминием" крупной программы по использованию СВС-материалов в алюминиевой промышленности. Совместно с ООО "Стройпромсервис" создается производство СВС-порошков карбида вольфрама повышенной дисперсности. Его использование в составе твердых сплавов приводит к увеличению прочности сплава.

В настоящее время, СВС - это мировая проблема, которая, несмотря на 30-летнюю историю, продолжает прогрессивно развиваться.

Общее представление о СВС, на конкретно изученной реакции

В настоящее время в ИСМАН методом СВС синтези­рованы практически все известные высокотемператур­ные сверхпроводники на основе иттрия, других редкозе­мельных металлов, висмута и таллия. В табл. 2 приведены результаты по измерению сверхпроводящих свойств ВТСП на основе РЗМ. Наиболее подробно изучены механизм и закономерности СВС на примере получения иттрий-бариевой керамики состава Y₁₂₃ по реакции:

ЗСu + 2ВаО₂ +1/2Y₂ O₃ + (1,5-x)/2 О₂ =YВа₂ Сu₃ O_{7- x} + Q

Эта реакция стала удобной моделью для исследования закономерностей и механизма СВС ВТСП. Простейшую информацию можно получить, анализируя термограмму СВС-процесса, отражающую температур­ный профиль волны синтеза.

На рис. 4 для исследуемой системы приведена типич­ная термограмма. Обращает на себя внимание наличие широкой зоны вторичных химических и струк­турных превращений. Механизм фазообразования для этой системы исследовался с помощью химического, рентгенофазового, микроструктурного, термического и других видов анализа закаленных образцов и про­дуктов" сгорания.

Таблаца 2

Критические свойства ВТСП, полученных методом СВС и по печной технологии (по данным)

* Измерения по магнитной восприимчивости.

Изучение с помощью рентгенофазового анализа ин­тенсивности характерных линий наблюдающихся фаз в закаленных образцах показало, что по мере удаления от фронта-горения интенсивность характерных линий I ₁₀₀ Сu и ВаО резко падает. Область вблизи фронта горения характеризуется присутствием купратов: ВаСuО₂ и ВаСu₂ О₂ . Максимальное количество таких купратов наблюдается на расстоянии 2—3 мм от фронта горения, а затем постепенно уменьшается (скорость горения составляет ~ 1 мм/с).

Присутствие купрата ВаСu₂ О₂ , не наблюдаемого в продуктах фазообразования при синтезе уш другими методами, следует отнести к отличительной особенности получения Y₁₂₃ в режиме горения.

Фаза Y₁₂₃ начинает зарождаться уже на расстоянии 1—2 мм от фронта горения, причем в области 1—3 мм ее резкий рост симбатен увеличению количества фазы ВаСu₂ О₂ . В этой же области наблюдается значительное уменьшение интенсивности I ₁₀₀ Y₂ O_3. На расстоянии 7—10 мм формируется спектр, соответствующий тетра­гональной фазе Y₁₂₃ , а на удалении 20 мм эта фаза переходит в орторомбическую. Данные выводов были подтверждены экспериментами с использованием синхротронного излучения образцов во время горения. Время набора рентгенограмм составило ~ 1 с, время превращений в волне синтеза оказалось ~3 с. Отме­тим, что синхротронное излучение применялось также ранее для изучения динамики фазообразования в СВС-процессах. Экспериментальные факты позволи­ли сделать следующие выводы:

1. Промежуточными продуктами СВС-реакции ЗСu + 2ВаО₂ +1/2Y₂ O₃ ^озон являются купраты бария (ВаСuО₂ , ВаСu₂ О₂ ).

1 — окисление (горение) меди и разложение пероксида бария; 2 — образование расплава из купратов, начало растворения Y₂ O₃ ; 3 — дальнейшее растворение Y₂ O₃ , кристаллизация Y₁₂₃ ^ТЕТРА ; 4 — образова­ние Y₁₂₃ ^ОРТО

2. Тетрагональная фаза Y₁₂₃ образуется после про­хождения фронта горения через 2—3 с.

3. Орторомбическая фаза (сверхпроводящая) Y₁₂₃ образуется после прохождения фронта, через 40—50 с.

Согласно имеющимся в настоящее время пред­ставлениям, в волне горения происходит плавление ВаО₂ с его частичным разложением на ВаО и О₂ , а образовавшаяся дисперсия оксидных частиц в распла­ве растекается по поверхности частиц меди. После окисления и растворения меди в расплаве (с образо­ванием промежуточных купратов бария), происходит растворение Y₂ O₃ . Тетрагональная фаза Y₁₂₃ образуется на завершающих стадиях синтеза путем кристаллиза­ции из раствора в расплаве в виде мелких ограненных монокристаллов.

Из изложенных результатов следует химический механизм СВС-процесса, который можно представить в виде совокупности реакций:

Полученная информация о механизме взаимодействия компонентов свидетельствует о том, что образование ВТСП в СВС является сложным процессом. Основное тепловыделение, обеспечивающее распространение вол­ны синтеза и образование фазы (структуры) конечного целевого продукта, происходит неодновременно в про­странственно разделенных зонах.

Эта важная черта СВС Y₁₂₃ расширяет возможности метода для регулирования свойств конечного продукта при различных воздействиях на более длительную стадию вторичных процессов. В то же время наличие этой стадии приводит к эффектам саморегулирования состава и структуры конечного продукта и слабой зависимости их от параметров горения. В качестве примера можно привести факт независимости содержа­ния кислорода в конечном продукте от плотности ших­ты (рис. 3). Основным параметром, влияющим на состав и структуру ВТСП, оказалась масса загрузки, от которой зависит скорость остывания. Увеличение массы загрузки приводит к повышению содержания кислорода, чистоты и сверхпроводящих параметров, т. е. к улучшению качества продукта [26].

Исследования самораспространяющегося высокотем­пературного синтеза керамических ВТСП привели к разработке (1988 г.) в Институте структурной макро­кинетики СВС-технологии порошков орторомбического Y₁₂₃ . Созданы две технологические установки: лабо­раторная (с производительностью 1 т/г) и опытная (до 10 т/г.). Обе они работают по следующей схеме:

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--