Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) — метод получения как неорганических , так и органических соединений путем экзотермических реакций горения в твердых телах различной природы. ^{[ 1 ]} Реакции могут происходить между твердым реагентом в сочетании с газом, жидкостью или другим твердым веществом. Если все реагенты, промежуточные продукты и продукты представляют собой твердые вещества, это называется твердым пламенем. ^{[ 2 ]} Если реакция происходит между твердым реагентом и реагентом газовой фазы, ее называют инфильтрационным горением. Поскольку процесс происходит при высоких температурах, метод идеально подходит для производства огнеупорных материалов, включая порошки, металлические сплавы или керамику.

Современный процесс СВС был описан и запатентован в 1971 году. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} хотя некоторые СВС-подобные процессы были известны и ранее.

Преимущества и недостатки

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — это экологически чистый метод синтеза, который очень энергоэффективен и практически не использует токсичных растворителей. Был проведен экологический анализ, который показал, что SHS оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные методы обработки на этапе растворения. ^{[ 5 ]} Этот метод использует меньше энергии для производства материалов, а экономия затрат на электроэнергию увеличивается по мере увеличения размера партии синтеза.

СВС не подходит для производства наночастиц. Обычно высокотемпературный характер процесса приводит к спеканию частиц во время и после реакции. Высокие температуры, возникающие во время синтеза, также приводят к проблемам с рассеиванием энергии и подходящими реакционными сосудами, однако некоторые системы используют это избыточное тепло для управления другими заводскими процессами.

Методология

В обычном формате СВС проводится с использованием тщательно измельченных в порошок реагентов. В некоторых случаях реагенты измельчаются в мелкий порошок, тогда как в других случаях их спекают , чтобы минимизировать площадь их поверхности и предотвратить неинициированные экзотермические реакции, которые могут быть опасными. ^{[ 6 ]} В других случаях частицы механически активируются с помощью таких методов, как высокоэнергетическое шаровое измельчение (например, в планетарной мельнице), в результате чего образуются нанокомпозитные частицы, содержащие оба реагента в отдельных химических ячейках. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} После приготовления реагентов синтез инициируют точечным нагревом небольшой части (обычно верхней) образца. После начала волна экзотермической реакции прокатывается по оставшемуся материалу. СВС также проводили с тонкими пленками, жидкостями, газами, системами порошок-жидкость, газовзвесями, слоистыми системами, системами газ-газ и другими. Реакции проводились в вакууме и в среде инертных или химически активных газов. Температуру реакции можно снизить добавлением инертной соли , поглощающей тепло в процессе плавления или испарения, например хлорида натрия , или добавлением «химической печи» — сильно экзотермической смеси — для уменьшения степени охлаждения. ^{[ 9 ]}

Примеры

Реакция халькогенидов щелочных металлов (S, Se, Te) и пниктидов (N, P, As) с галогенидами других металлов приводит к образованию соответствующих халькогенидов и пниктидов металлов. ^{[ 10 ]} синтез нитрида галлия из трииодида галлия и нитрида лития Показательным является :

GaI ₃ + Li ₃ N → GaN + 3 LiI

Процесс настолько экзотермичен (ΔH = -515 кДж/моль), что LiI испаряется, оставляя остаток GaN. При использовании GaCl ₃ вместо GaI ₃ реакция настолько экзотермична, что продукт GaN разлагается. Таким образом, выбор галогенида металла влияет на успех метода.

Другие соединения, полученные этим методом, включают дихалькогениды металлов, такие как MoS ₂ . Реакцию проводят в реакторе из нержавеющей стали с избытком Na ₂ S. ^{[ 6 ]}

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез также может проводиться в искусственной среде высокой гравитации для контроля фазового состава продуктов. ^{[ 11 ]}

СВС использовался для остеклования различных потоков ядерных отходов, включая золу от сжигания, отработанные неорганические ионообменники, такие как клиноптилолит, и загрязненные почвы. ^{[ 12 ]}

Кинетика реакции

Благодаря твердотельному характеру процессов СВС, можно измерить кинетику реакции на месте , используя различные экспериментальные методы, включая электротермический взрыв, дифференциальный термический анализ , подходы к скорости горения и другие. ^{[ 13 ]} Были изучены различные системы, в том числе интерметаллические, термитные, карбиды и другие. С помощью СВС было показано, что размер частиц оказывает существенное влияние на кинетику реакции. ^{[ 14 ]} Далее было показано, что эти эффекты связаны с соотношением площади поверхности и объема частиц и что кинетику можно контролировать с помощью высокоэнергетического измельчения в шарах. ^{[ 15 ]} В зависимости от морфологии реагентов можно инициировать реакцию СВС, при которой жидкая фаза возникает до образования фазы, или непосредственно привести к образованию твердофазных продуктов без какого-либо расплава. ^{[ 16 ]}

Ссылки

^ «Краткая энциклопедия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. История, теория, технология и продукты» . 1-е изд., Редакторы: И.Боровинская, А.Громов, Е.Левашов и др., Выходные данные: Elsevier Science, 2017 [1]
^ Мукасян Александр Сергеевич; Шак, Кристофер Э.; Паулс, Джошуа М; Манукян, Хачатур В. (2018-12-02). «Феномен твердого пламени: новый взгляд» . Передовые инженерные материалы . 174 (2–3): 677–686. дои : 10.1016/j.cej.2011.09.028 .
^ " Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений ", А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская. Доклады Академии наук СССР. 204, № 2, стр. 366-369, май 1972 г.
^ Патент СССР № 255221, Бюлл. Изобр. № 10
^ Пини, Мартина; Роза, Роберто; Нери, Паоло; Бондиоли, Федерика; Феррари, Анна Мария (2015). «Экологическая оценка восходящего гидролитического синтеза наночастиц TiO». Зеленая химия . 17 (1): 518–531. дои : 10.1039/C4GC00919C . hdl : 11380/1074899 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Филипп Р. Бонно, Джон Б. Уайли, Ричард Б. Канер «Путь метатетического предшественника дисульфида молибдена» Неорганический синтез 1995, том. 30, стр. 33–37. два : 10.1002/9780470132616.ch8
^ Мукасян Александр Сергеевич; Хина, Борис Б.; Ривз, Роберт В.; Сын, Стивен Ф. (01 ноября 2011 г.). «Механическая активация и безгазовый взрыв: Наноструктурные аспекты». Химико-технологический журнал . 174 (2–3): 677–686. дои : 10.1016/j.cej.2011.09.028 .
^ Шак, Кристофер Э.; Манукян Хачатур В.; Рувимов, Сергей; Рогачев Александр Сергеевич; Мукасян, Александр С. (01.01.2016). «Твердое пламя: Экспериментальная проверка» . Горение и пламя . 163 : 487–493. дои : 10.1016/j.combustflame.2015.10.025 .
^ Курбаткина Виктория; Пацера, Евгений; Левашов Евгений; Воротило, Степан (2018). «СВС-обработка и консолидация карбидов Ta–Ti–C, Ta–Zr–C и Ta–Hf–C для применения при сверхвысоких температурах» . Передовые инженерные материалы . 20 (8): 1701065. doi : 10.1002/adem.201701065 .
^ Ричард Г. Блэр, Ричард Б. Канер «Синтез твердотельных метатезисных материалов» http://www.sigmaaldrich.com/sigma-aldrich/technical-documents/articles/chemfiles/solid-state-metathesis.html
^ Инь, Си; Чен, Кэсинь; Нин, Сяошань; Чжоу, Хэпин (2010). «Горючий синтез композитов Ti3SiC2/TiC из элементарных порошков в условиях высокой плотности». Журнал Американского керамического общества . 93 (8): 2182–2187. дои : 10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x .
^ М.И. Оджован, В.Е. Ли. Самоподдерживающаяся витрификация для иммобилизации радиоактивных и токсичных отходов. Технология стекла, 44 (6) 218-224 (2003)
^ Мукасян А.С.; Шак, CE (23 сентября 2017 г.). «Кинетика реакций СВС: обзор». Международный журнал самораспространяющегося высокотемпературного синтеза . 26 (3): 145–165. дои : 10.3103/S1061386217030049 . S2CID 139194446 .
^ Хант, Эмили М.; Пантойя, Мишель Л. (август 2005 г.). «Динамика воспламенения и энергии активации металлических термитов: от композитов из частиц нано- и микронного масштаба». Журнал прикладной физики . 98 (3): 034909. дои : 10.1063/1.1990265 .
^ Шак, Кристофер Э.; Мукасян, Александр С. (февраль 2017 г.). «Реактивные нанокомпозиты Ni/Al: структурные характеристики и энергия активации». Журнал физической химии А. 121 (6): 1175–1181. дои : 10.1021/acs.jpca.6b12314 . ПМИД 28099018 .
^ Мукасян А.С.; Уайт, JDE; Ковалев Д.Ю.; Кочетов Н.А.; Пономарев В.И.; Сон, Сан-Франциско (январь 2010 г.). «Динамика фазовых превращений при тепловом взрыве в системе Al – Ni: Влияние механоактивации». Физика Б: Конденсированное вещество . 405 (2): 778–784. дои : 10.1016/j.physb.2009.10.001 .

Внешние ссылки

ИСМАН О СВС
о синтезе горения от Европейского космического агентства Информация
«Синтез горения Бентама» Электронная книга Максимилиана Лакнера
[2] Материалы, формируемые СВС для нужд лунных колоний.

[1] «Краткая энциклопедия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. История, теория, технология и продукты» . 1-е изд., Редакторы: И.Боровинская, А.Громов, Е.Левашов и др., Выходные данные: Elsevier Science, 2017 [1]

[2] Мукасян Александр Сергеевич; Шак, Кристофер Э.; Паулс, Джошуа М; Манукян, Хачатур В. (2018-12-02). «Феномен твердого пламени: новый взгляд» . Передовые инженерные материалы . 174 (2–3): 677–686. дои : 10.1016/j.cej.2011.09.028 .

[Merzhanov-3] " Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений ", А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская. Доклады Академии наук СССР. 204, № 2, стр. 366-369, май 1972 г.

[4] Патент СССР № 255221, Бюлл. Изобр. № 10

[5] Пини, Мартина; Роза, Роберто; Нери, Паоло; Бондиоли, Федерика; Феррари, Анна Мария (2015). «Экологическая оценка восходящего гидролитического синтеза наночастиц TiO». Зеленая химия . 17 (1): 518–531. дои : 10.1039/C4GC00919C . hdl : 11380/1074899 .

[Kaner-6] Перейти обратно: ^а ^б Филипп Р. Бонно, Джон Б. Уайли, Ричард Б. Канер «Путь метатетического предшественника дисульфида молибдена» Неорганический синтез 1995, том. 30, стр. 33–37. два : 10.1002/9780470132616.ch8

[7] Мукасян Александр Сергеевич; Хина, Борис Б.; Ривз, Роберт В.; Сын, Стивен Ф. (01 ноября 2011 г.). «Механическая активация и безгазовый взрыв: Наноструктурные аспекты». Химико-технологический журнал . 174 (2–3): 677–686. дои : 10.1016/j.cej.2011.09.028 .

[8] Шак, Кристофер Э.; Манукян Хачатур В.; Рувимов, Сергей; Рогачев Александр Сергеевич; Мукасян, Александр С. (01.01.2016). «Твердое пламя: Экспериментальная проверка» . Горение и пламя . 163 : 487–493. дои : 10.1016/j.combustflame.2015.10.025 .

[9] Курбаткина Виктория; Пацера, Евгений; Левашов Евгений; Воротило, Степан (2018). «СВС-обработка и консолидация карбидов Ta–Ti–C, Ta–Zr–C и Ta–Hf–C для применения при сверхвысоких температурах» . Передовые инженерные материалы . 20 (8): 1701065. doi : 10.1002/adem.201701065 .

[10] Ричард Г. Блэр, Ричард Б. Канер «Синтез твердотельных метатезисных материалов» http://www.sigmaaldrich.com/sigma-aldrich/technical-documents/articles/chemfiles/solid-state-metathesis.html

[11] Инь, Си; Чен, Кэсинь; Нин, Сяошань; Чжоу, Хэпин (2010). «Горючий синтез композитов Ti3SiC2/TiC из элементарных порошков в условиях высокой плотности». Журнал Американского керамического общества . 93 (8): 2182–2187. дои : 10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x .

[12] М.И. Оджован, В.Е. Ли. Самоподдерживающаяся витрификация для иммобилизации радиоактивных и токсичных отходов. Технология стекла, 44 (6) 218-224 (2003)

[13] Мукасян А.С.; Шак, CE (23 сентября 2017 г.). «Кинетика реакций СВС: обзор». Международный журнал самораспространяющегося высокотемпературного синтеза . 26 (3): 145–165. дои : 10.3103/S1061386217030049 . S2CID 139194446 .

[14] Хант, Эмили М.; Пантойя, Мишель Л. (август 2005 г.). «Динамика воспламенения и энергии активации металлических термитов: от композитов из частиц нано- и микронного масштаба». Журнал прикладной физики . 98 (3): 034909. дои : 10.1063/1.1990265 .

[15] Шак, Кристофер Э.; Мукасян, Александр С. (февраль 2017 г.). «Реактивные нанокомпозиты Ni/Al: структурные характеристики и энергия активации». Журнал физической химии А. 121 (6): 1175–1181. дои : 10.1021/acs.jpca.6b12314 . ПМИД 28099018 .

[16] Мукасян А.С.; Уайт, JDE; Ковалев Д.Ю.; Кочетов Н.А.; Пономарев В.И.; Сон, Сан-Франциско (январь 2010 г.). «Динамика фазовых превращений при тепловом взрыве в системе Al – Ni: Влияние механоактивации». Физика Б: Конденсированное вещество . 405 (2): 778–784. дои : 10.1016/j.physb.2009.10.001 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]