自蔓延燃烧合成的非平衡动力学及其对材料结构的影响

【摘要】： 自蔓延高温合成技术(SHS)作为一种新的材料制备技术在二十世纪末受到了世界各国科学家的关注，但是由于SHS的反应过程非常快速而其反应机理又非常复杂，这种特点使得SHS的过程控制变得非常困难，特别是在其反应动力学机理还不太清楚的情况下许多SHS现象难以理解。为了改变这种理论研究严重滞后于实验研究的状况，本研究提出了一个综合的自蔓延非均质燃烧模型，并采用计算机模拟的方法研究了SHS快速燃烧的热动力学机理，合理地解释了实验中观测到的多种燃烧现象。同时，也探索了SHS工艺制度与产物结构(微观和宏观)间的关系，为材料设计及材料制备提供了有益的探索。具体工作如下： 1、提出了微观不均匀的燃烧介质模型，在此基础上完成了对非均质燃烧模型数学化的研究，并提出了“燃烧基团”模式，解决了模型数学分析量大的难点。在该模型中，首次将体系的微观不均匀特性、体系的基本物性及燃烧过程中的化学反应机理与整体燃烧动力学行为联系在一起，从而为更加准确地预测和控制SHS体系的燃烧行为，优化SHS的工艺过程奠定了理论基础。 2、采用非均质燃烧模型，通过对相关参数的改变，模拟SHS燃烧过程中的各种燃烧行为，并研究了燃烧行为变化的规律。计算结果发现对于单一反应机理控制的SHS体系，从不能点燃到稳态燃烧以及燃烧失稳的转化规律并不相同。从不可燃烧到能够燃烧是一个突变的过程，体系往往存在着一个临界的燃烧条件；从不稳定燃烧到稳定燃烧是一个渐变的过程。通常的SHS动力学相图中对此并没有明确的表述和体现，对于不稳定燃烧也仅是一个定性的描述。同时发现SHS燃烧行为有自趋于稳定的特点，这表明在自蔓延燃烧过程中热量和物质的迁移具有典型的耗散特征，即在这种条件下燃烧过程是一个趋向于热力学平衡的物化过程。 3、计算结果同时显示，SHS燃烧过程中的不稳定主要来源于燃烧过程的热反馈造成的化学反应机理变化，在这种存在多机理控制的反应体系中，燃烧过程的温度会随时间变化而出现有规律的振荡。由于自蔓延过程中，燃烧波基本上是以单一行波的方式蔓延过样品，因而扩散过程的方向基本是确定的单一方向，在SHS过程中的作用主要是引起能量和物质的耗散，没有导致通常扩散反应可能形成的有序性。 4、采用非均质燃烧模型对Ti-C体系在不同条件下的SHS过程进行了计算并与相应的实验结果进行了对照，计算结果与实验结果有良好的吻合性。说明非均质燃烧模型在引入了有关材料结构的参数后能很好地反映SHS过程的燃烧机理。该模型将反映燃烧过程的主要参数用相应的样品和产物的性质进行表示，为更好地对工艺进行控制提供了简捷的途径。 武汉理工大学博士论文：自蔓延燃烧合成的非平衡动力学及其对材料结构的影响 5、SHS过程中大量的燃烧现象是远离平衡态的动力学过程，常常表现出丰富的时空自 组织行为：脉冲波、螺旋波、混饨燃烧等。通过外加反馈控制和改变反应体系的本 征属性等可以相应地影响或控制SHS的这种时空自组织行为。本文主要是通过对反 应介质的宏观和微观几何形状的改变来控制燃烧动力学及化学反应动力学，再现了 SHS过程在多维空间中的不同运动方式。计算结果表明，通常的螺旋型燃烧模型主 要是由于点火造成的空间温度分布不对称及体系在空间各个方向上的燃烧速度不同 的缘故，而且螺旋波的螺距、周期与样品的直径和体系的燃烧速度有关。 6、研究了不同体系在 SHS艺条件下的产物结构，并通过改变工艺条件研究了工艺制 度与结构的关系。 （）实验结果表明在有较多液相出现的 Ni－AI、Ni－Ti体系中，SHS艺对产物的物 相组成和排列都有着不同程度的影响。在Ni－AI体系中，产物的主要物相为 Notl，与平衡条件的反应产物相组成基本一致，但在产物的表面由于温度梯度 导致的应力不同分布而出现了凝固的组织。在Ni－Ti体系中SHS过程不仅改变 了产物的相组成也改变了产物的空间排列方式。随着燃烧温度的升高，低温反 应形成的NITiZ会与Ni继续反应生成NITi，从而导致NITi。的含量减少。增加 体系降温梯度，高温反应产物NITi会出现不同程度的非晶化。在降温过程中形 成的空间温度分布使产物晶粒沿垂直于温度变化方向有规则地排列。这种影响 程度与 SHS艺和体系的性质有关。 O）在主要是以固相扩散燃烧进行的SHS过程中，SHS这种非平衡的工艺条件对产 物的结构和物相组成影响不明显。这主要是由于扩散粒子迁移的速度和结构转 变的过程较快，因而即使存在着中间的转变过程，在SHS这样的工艺条件下也 很难对这个过程产生影响。