Феноменология горения и синтеза
Методика получения сложных оксидных материалов (керамики) методом СВС существенно отличается от традиционной. Общепринятый способ синтеза оксидных материалов основан на спекании смеси простых оксидов с образованием сложного по схеме:
где а — стехиометрический коэффициент; т, п — индексы, I и и — число компонентов.
Синтез проводят в печах при высоких температурах в кислородсодержащей среде в течение длительного времени. Иногда в качестве реагентов используют 'карбонаты, нитраты, пероксиды. Специфика СВС требует наличия в исходной смеси горючего и окислителя для осуществления процесса в режиме горения. Как правило, горючим при синтезе оксидных материалов может быть металл, иногда применяют его гидрид или другое соединение. Роль окислителя выполняет кислород. Реакция окисления металла является основной, она обеспечивает необходимое для СВС выделение теплоты. При этом кислород может быть использован из двух источников: внутреннего (конденсированный легко разлагающийся нитрат, пероксид и т. д.) и внешнего (например, кислород воздуха или баллонный кислород). Во многих случаях для управления процессом возможны также комбинированные варианты. При синтезе сложных оксидов, как правило, в исходную смесь добавляют активный оксидный наполнитель, наличие которого дает возможность регулировать условия горения, а также способствует формированию конечного продукта, выступая в роли кристаллической матрицы для него. Кроме того, с помощью оксидных добавок можно варьировать электромагнитные или другие свойства продуктов.
Таким образом, для получения оксидов методом СВС применяется следующая общая химическая схема:
Методика СВС проста: из порошков реагентов готовится смесь, которая помещается (в виде свободной засыпки или спрессованных таблеток) в установку, куда подается кислород (при необходимости) и проводится инициирование. Установка снабжена устройствами для гравиметрических измерений, а также для измерения скорости и температуры горения. После прохождения волны горения (синтеза) и остывания продукта экспериментатор имеет дело с готовым продуктом.
Основными величинами, характеризующими распространение фронта горения, являются линейная скорость горения (Цг) и развивающаяся при горении максимальная температура (Тт), которую определяют термоэлектрическим методом с применением ППР-термопар, расположенных в середине образцов. Скорость распространения волны синтеза в простейших случаях измеряют двумя термопарами, размещенными на определенном расстоянии друг от друга, а также с помощью оптико-фотографических методов.
Обычно в задачу исследований входит определение параметров, наиболее сильно влияющих на СВС-про-цесс и на качество синтезируемых оксидов. Такими основными параметрами оказались: состав исходной смеси (особенно содержание в ней горючего), дисперсность компонентов, размеры и плотность исходных образцов, давление кислорода. Последние два фактора имеют важное значение,особенно для систем с применением внешнего кислорода.
Из практики СВС-процессов известно, что в гибридных системах типа металл—газ повышение давления обычно приводит к увеличению температуры и скорости горения (при отсутствии плавления). В оксидных системах влияние давления оказывалось не всегда одинаковым. При синтезе ниобата и танталата лития, ферритов увеличение давления приводит к повышению температуры и росту скорости горения с последующим достижением постоянного значения. Такое влияние давления связано с улучшением условий фильтрации кислорода в зону реакции. В опытах по синтезу ВТСП состава YВа2Сu3O7-x давление кислорода варьировалось в пределах 0,1 — 1,0 МПа. При больших давлениях процесс затухал (не инициировался). Такая;ситуация типична для низкокалорийных (слабоэкзотермических) СВС-составов и обусловлена ростом конвективных теплопотерь из горящего образца в окружающий газ при увеличении-давления. В данном случае эффект может быть усилен повышением термической стойкости пероксида бария с ростом давления П5]. Приведем некоторые значения характери- стик: Р0, = 0,1 МПа, {/г=1,0 мм/с, Гт = 950°С; Р02=1,0 МПа, {/г = 0,2 мм/с, Гт = 780°С. Уменьшение ит и Тт с ростом РО2 отражает тенденцию к погасанию.
Смотрите также
Творческая работа по химии: кислород
...
Химия в сельском хозяйстве и её направления
Химизация — это одно из направлений научно-технического прогресса,
основанное на широком применении химических веществ, процессов и методов в
различных отраслях, например в сельском хозяй ...
Химия лантаноидов
Судя
по последним публикациям, нынче довольно трудно отметить те стороны жизни, где
бы не находили применение лантаноиды.
На
основе лантаноидов получают многие уникальные материалы, кото ...