SHS 基于能够在点燃时发生放热反应并维持其形成燃烧波的系统。燃烧温度可能非常高（如 5000 K），波传播速率可能非常快（如 25 cm/s）,工艺极其简单、能量需求相对较低、获得的产品纯度高、获得亚稳态相的可能性以及同时合成和致密化的可能性，颗粒材料之间的反应是生产各种类型材料的另一种方法。

自蔓延高温燃烧合成法是指利用物质反应热的自传导作用，使不同的物质之间发生化学反应，在瞬间形成化合物的一种高温合成法。

SVS技术(Self-Propagating High-Temperature Synthesis under Vacuum)和SHS技术(Self-Propagating High-Temperature Synthesis)都是利用金属、非金属粉末等物质在短时间内进行高温反应生成新材料的技术，它们之间的区别主要有以下几个方面：
1. 反应环境不同：SHS技术需要在大气压下进行反应，而SVS技术要在真空环境下进行反应。

2. 反应速度不同：由于在SVS技术中，真空环境下反应物的挥发率较高，因此反应速度相对于SHS技术更快。

3. 反应产物性质不同：由于反应环境不同，SVS技术所制备的产物可能会受到真空对产物结构和性能的影响，与SHS技术所制备的产物性质略有不同。

4. 设备构造不同：SVS技术需要使用真空下反应装置，而SHS技术则可以使用普通的气氛炉进行反应。这也导致了SVS技术的设备成本相对较高。

5. 应用领域不同：由于其特殊的反应条件和反应方式，SVS技术被广泛应用于制备高性能陶瓷材料和金属基复合材料，而SHS技术则主要应用于制备硬质合金、非晶态合金等材料。

自蔓延高温合成——苏联生产陶瓷材料的方法,

总结和启示

陶瓷材料具有独特的性能组合，这使得它们对于满足许多高科技应用的材料要求不可或缺。陶瓷的主要军事用途之一是装甲系统。一些陶瓷兼具高硬度、高弹性模量和低密度，使其能够非常有效地对抗小型武器射弹。由于陶瓷的特性在高温下得以保留，因此是热力发动机应用的绝佳选择。

通过传统粉末固结方法大规模生产陶瓷体有些麻烦，因为需要高温炉（1200°至1800°C）和相对较长的处理时间（几个小时）。结果，难以实现并保持高生产率。此外，粉末混合物在高温炉中的固态反应往往不完全，未反应的物质会成为杂质，导致产品质量较差。苏联人认识到传统陶瓷生产技术的缺点，并在 20 世纪 70 年代初期发起了多项计划，以开发更好、更具成本效益的生产方法。这些技术包括气相电镀、低温等离子体合成和冲击波压缩，* SVS 方法是苏联人发现的一种简单、经济的工艺，通过燃烧波通过初始反应物自发传播引起的放热反应来生产高质量陶瓷和其他耐火化合物。该过程也称为无气燃烧、高温链聚变或自旋燃烧，与常见的铝热反应非常相似，并具有以下优点：

• 无需高温炉和复杂的加工设备；
• 可以快速且廉价地生产大量高纯度陶瓷；和能源消耗大大降低。

到 1976 年，已有 30 个不同的苏联工厂开始研究 SVS 工艺以及研究用该技术制造的陶瓷产品。到 1974 年，已合成了 70 种化合物，到 20 世纪 70 年代末，已生产出 200 多种陶瓷和耐火化合物。据苏联人介绍，几乎所有已知的陶瓷都可以通过 SVS 方法生产。这项SVS技术被认为是苏联科学院的一项杰出成就，并被誉为可以替代生产许多耐火材料的传统粉末固结方法。1980年，计划将SVS技术整合到工业生产中。 现在看来MoSi 2加热元件和 TiC 磨料正在通过 SVS 工艺进行商业化生产。

讨论与分析

简介和背景

用于生产陶瓷材料的 SVS 方法于 1967 年在诺金斯克科学中心的宏观动力学实验室发现，该科学中心是切尔诺戈洛夫卡化学物理研究所的一个主要分支机构。该实验室的负责人 AG Merzhanov 被誉为 SVS 的发现者，并对这项技术的推广负有较大的贡献。IP Borovinskaya 和 VM Shkiro 是该研究所的其他主要研究人员，也参与了这一发现。托木斯克国立大学应用数学与力学研究所的YI Maksimov也为SVS的研发做出了巨大贡献。附录中提供了苏联主要研究人员和研究设施的概要。

SVS 的发现是苏联在 20 世纪 60 年代进行的关于凝聚固态系统燃烧研究的副产品。AF Beliaev 和 LD Komkova 观察到铝热剂的燃烧速率似乎与压力无关后，更早提出了无气燃烧理论。1967年，梅尔扎诺夫正在研究无气燃烧并将经典的燃烧热理论应用于铝热反应。这些研究试图证明燃烧速率仅由燃烧分解阶段发生的反应决定。然而，传统铝热剂的分解过于复杂，因此为了简化模型，考虑了其他成分。梅尔扎诺夫和他的同事选择了 Ti 和 Ti 的混合物感谢他们的实验，他们希望获得简单的、无气体的燃烧。令他们惊讶的是，燃烧产物保持了原来的形状，而且异常坚硬且致密。通常用作工业磨料的纯TiB 2就是通过这种简单的过程形成的。

苏联研究人员很快意识到这种简单生产工艺的潜力，并开始研究过渡金属（例如Ti、W、Zr、Nb等）的各种碳化物、氮化物、硼化物和硅化物。人们发现初始物质可以处于任何物理状态（例如气态、液态或固态）。起初，SVS 被大多数苏联科学界认为只是实验室的好奇心。直到 20 世纪 70 年代初期，大量耐火化合物被合成后，SVS 的全部潜力以及这种方法对陶瓷材料工业生产的影响才被认识到。

SVS的特点

通过SVS方法生产陶瓷材料的一大优点是不需要在高温炉中进行长时间的处理。例如，为了制造 TiC，将 Ti 和С粉末混合并压制成颗粒，然后放置在由不锈钢制成的简单圆柱形反应容器或反应器中。颗粒的一端被电热线圈点燃，提供热脉冲以引发 Ti 和С之间的化学反应在加热的表面层。该反应形成燃烧波或合成波，该波沿着圆柱形样品的轴线快速传播，形成 TiC（图 1）。该反应自发地持续进行，是由燃烧过程释放的高热引起的。可以使用各种反应器改进来实现高压或低压、恒压和/或低温操作。例如，可以在低温反应器中通过液N 2的蒸发获得高压。这种类型的反应器如图 2 所示，用于制造 TiN 等陶瓷。理论上，可以生产的材料数量仅取决于反应器的大小。1972 年初，足够尺寸的反应器每次反应可合成多达 10 公斤的材料。

合成过程的结构如图3所示。当初始物质进入加热区时，尚未发生化学反应。然后合成波传播到热释放区，在那里开始产生反应产物。波传播速率是在该区域中确定的。其余区域完成反应和结构化，导致产物相的形成。SVS 过程特征参数的典型值为：

• 温度可达：1500°C至4000°C；
• 波传播速率，0.1 至 15 cm/s；
• 合成区厚度：0.1～5.0mm；
• 加热速率：1000°C/s 至 1 000 000°C/s；
• 引发强度：42至418 hW/(m·K)（10至100 cal/cm·s）；和启动持续时间：0.05 至 4.0 秒。

如果波传播速率较低或者该过程发生在相对较低的温度下，则可以认为 SVS 过程处于平衡状态。在这些条件下，后处理区与放热区合并，形成一个称为合成区的单一转变区。化学键形成的合成和产物相形成的结构化同时发生。

根据给定 SVS 系统的合成温度以及相应试剂的熔点和沸点，SVS 工艺可分为以下三种情况之一：

1) 无气情况，其中材料在之前、期间和之后合成仅在固相或凝聚相中进行；

2）过滤箱，非金属气态试剂通过压制金属粉试剂的孔隙“过滤”后自发进入反应区；3)冷凝情况，其中反应在气相中进行并伴随着产物的冷凝。

燃烧过程中产生的高温导致初始物质几乎完全转化为产品。未反应的元素仅占产物的 0.01 至 0.2 wt%。因此，高纯度是 SVS 技术固有的另一个优势。产品的纯度本质上是初始元素纯度的函数。通常不会发生污染。事实上，燃烧的高温通过蒸发那些易挥发的杂质并通过还原过程去除金属颗粒上的氧化膜来提供“自净化”功能。SVS 形成的碳化钛的 O 含量通常在 0.02 至 0.2 wt% 之间，而在大多数氮化物中，O 含量很少超过 0.5 wt%。

SVS 反应产物的物理结构主要取决于产物的合成温度与熔化温度之比。样本尺寸是次要的。粉末、烧结样品和熔体固化材料都在各种系统中形成。未粉碎的粉末产品在几何形状上通常与初始金属粉末相似。颗粒尺寸范围在 10 至 500 m m 之间。烧结产品呈块状，易于加工。由熔体固化的产物能够在反应过程中生产出具有高熔点的材料成品。苏联人认为，或许可以实际铸造一些耐火材料。

SVS研究方向

继 1967 年切尔诺戈洛夫卡化学物理研究所发现 SVS 后，该研究所的研究人员开始更详细地研究无气燃烧的机制。通过实验确定了燃烧参数对所需产物形成的影响。在 SVS 作为一种可行的材料技术被整个科学界接受后，研究就开始认真进行。1972年，开始开发以提高SVS生产方法的制造技术。化学物理研究所建立了生产各种耐火化合物粉末的实验装置。反应容器和辅助设备是由该研究所的研究人员定制的。该设备随后被其他苏联研究机构采用，这些机构也参与了这项新技术的进一步开发。20 世纪 70 年代初期的研究和开发包括 N 影响的研究2压力对氮化物合成的影响，金属粉末与В粉末的比例对硼化物成分的影响，以及TiC等高性能碳化物合成的较好条件研究。

到 1976 年，至少有 30 个不同的组织从事 SVS 研发。主要工作仍在切尔诺戈洛夫卡化学物理研究所以及托木斯克国立大学应用数学和力学研究所进行。研究项目本质上变得更加分析性和更少实证性。SVS 过程的传热、化学反应、产物形成和动力学机制是当时正在研究的一些主题。开发具有较好性能值（例如硬度大）的化合物具有实际意义。两种或多种二元化合物的非化学计量组合物和固溶体都显示出提供这些特性的潜力，

到 20 世纪 70 年代末，已经合成了 200 多种不同的化合物，苏联人相信可以生产几乎所有已知的难熔化合物。甚至铍化物、磷化物和稀土金属的生产似乎也是可行的。弱放热化合物，包括SiC和B 4 C，其特点是原子之间的键能低，需要额外的热源或炉预热来增强燃烧热。苏联人观察到弱放热反应与强放热SVS过程联合进行是可能的。这种方法在经济上是有吸引力的。也可以使用催化剂作为促进反应的手段。

1978年，SVS技术获得国家认可和进一步的财政支持。制定了在切尔诺戈洛夫卡建造一个新的、更大的研发设施的计划。苏联国家科学技术委员会 (GKNT) 成立了一个科学委员会来解决与 SVS 工艺理论和实践相关的问题。该委员会由该技术的创始人 AG Merzhanov 领导。该委员会发现的几个问题包括人员培训和 SVS 设备的生产。显然，满足大批量工业生产需要的反应堆和其他设备在苏联并不容易获得。1980年，这些设备的生产仍然是一个问题。高等技术学校尚未启动 SVS 技术专家培训计划。

SVS研究成果及应用

到 1976 年，至少 50 种具有化学计量组成的常见二元耐火化合物已通过强放热 SVS 反应合成：

碳化物 - TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、Ta 2 C 和 TaC；

硼化物-TiB、TiB 2、ZrB 2、HfB 2、VB、V 3 B 2 、 VB 2、NbB、NbB 2、TaB、TaB 2和MoB；

氮化物 - Mg 3N 2 、BN、AlN、SiN、TiN、ZrN、HfN、 VN、NbN、Ta 2N、TaN（六方晶系）和 TaN（立方晶系）；

硅化物 - TiSi 3、ZrSi 、ZrSi 2和 MoSi 2；

硫属化物-MgS、NbSe 2、TaSe 2、MoS 2、MoSe 2、WS 2和Wse 2；

氢化物-TiH 2、ZrH 2、NdH 2、CsH 2、PrH 2和IH 2；和

铝化物 - NiAl 和 CoAl。

还生产了至少七种非化学计量材料：

碳化物 - TiC 0.60 至 0.99和 ZrC 0.60 至 0.99；和

氮化物：TiN 0.91～0.97、ZrN 0.71～0.96、NbN 0.92～1.02、HfN 0.81～1.07、TaN 0.90～1.06。

还制备了一系列由两种离散二元化合物组成的固溶体，包括TiC-TiN、ZrC-ZrN、NbC-NbN、TaC-TaN、TiB 2 -MoB 2、TiB 2 -CrB 2 、 ZrB 2 -CrB 2、TiC-WC、MoS 2 -NbS 2、WS 2 -NbS 2、TiN-ZrN和Zr-Nb-CN。

单独分类的是由弱放热反应形成的化合物：

碳化物 - B 4 C、Al 4 C 3、SiC 和 Mo 2 C；

硼化物-MoB 4、MoB 2、WB、W 2 B 5和WB 4；

硅化物 - TaSi 2和 Mo 3 Si；

铝化物-NbAl 3；和

锗化物-NbGe 2。

据报道，独特的材料特性是 SVS 制造方法的直接结果。1969年，SVS技术产生了TaN的立方多晶型物，其显微硬度为31 400 MPa。这种陶瓷通常仅形成六方晶体结构，典型显微硬度为 11 080 MPa。SVS 固有的这些特性进一步增强了该材料技术的实用性。由于 SVS 工艺的独特特征，还直接获得了其他独特的材料。例如，SVS生产的MoS 2与Nb合金化可生产超导体。

20 世纪 70 年代初期，在对 SVS 生产的 TiC 和碳氮化钛进行表征后，人们设想这些 SVS 材料将能够替代机床应用中昂贵的含 W 陶瓷。SVS技术具有成本效益，苏联人已经预见到W将成为稀缺资源，应该予以保存。这一见解导致 SVS 于 1973 年被苏联高层认可为苏联科学院的一项显着成就。1977 年至 1979 年间，化学物理研究所、材料科学研究所和波尔塔瓦人造金刚石和金刚石工具厂研究了使用 SVS 生产的 TiC 作为某些金刚石产品替代品的效果。据报道，在测试期间节省了 3900 万卢布的成本，仅 1979 年就节省了 2900 万卢布。1980年，该计划被转移到机床和工具工业部的全联盟生产协会Soyuzabraziv，以完全引入苏联工业部门。一种名为 KT 的新型研磨膏现已上市。KT 由 SVS 生产的颗粒分级 TiC 粉末、粘合剂和润滑剂组成。据报道，这些抛光膏主要用于抛光和珩磨，可节省高达 80% 的人力并改善表面光洁度；它们减少了磨料磨入零件的程度。该计划被转移到机床和工具工业部的全联盟生产协会Soyuzabraziv，以完全引入苏联工业部门。一种名为 KT 的新型研磨膏现已上市。KT 由 SVS 生产的颗粒分级 TiC 粉末、粘合剂和润滑剂组成。据报道，这些抛光膏主要用于抛光和珩磨，可节省高达 80% 的人力并改善表面光洁度；它们减少了磨料磨入零件的程度。该计划被转移到机床和工具工业部的全联盟生产协会Soyuzabraziv，以完全引入苏联工业部门。一种名为 KT 的新型研磨膏现已上市。KT 由 SVS 生产的颗粒分级 TiC 粉末、粘合剂和润滑剂组成。据报道，这些抛光膏主要用于抛光和珩磨，可节省高达 80% 的人力并改善表面光洁度；它们减少了磨料磨入零件的程度。据报道，可节省高达 80% 的人力并改善表面光洁度；它们减少了磨料磨入零件的程度。据报道，可节省高达 80% 的人力并改善表面光洁度；它们减少了磨料磨入零件的程度。

1980年，托木斯克大学的研究人员报道了用SVS制备了Ti-Ni金属间化合物。这种材料表现出与所使用的生产方法无关的记忆效应，但 SVS 方法更具成本效益，并且生产的产品纯度更高，这对于获得高质量的 Ti-Ni 非常重要。通过这种方法已经生产了数百公斤这种材料。苏联人正在未指定的飞机上使用这种材料，并通过燃油和空气管路中的热缩接头来利用记忆效应。（钛镍已在美国海军的F-14战斗机中用于类似的应用。）苏联研究人员也报告说，他们现在已经通过SVS工艺直接获得熔融钛镍产品，从而可以将该材料铸造成锭。****

苏联人注意到的SVS产品的应用包括磨料、高温加热元件和电极、固体润滑剂、半导体材料和抛光膏。SVS 技术已用于在金属基材上涂敷各种保护涂层，并用于生产氮肥和磷肥等多种应用。一些苏联研究人员设想 SVS 是实际铸造高温耐火材料的一种可能方法。其他可能产生重大影响的潜在用途包括有色金属粉末的生产、从黑色矿石中直接还原铁以及高合金高温金属的熔炼。

显然至少有两种 SVS 材料现已实现工业化生产。如前所述，TiC 磨料目前在波尔塔瓦人造金刚石和金刚石工具厂广泛使用，作为金刚石产品的替代品。在亚美尼亚化学物理研究所和切尔诺戈洛夫卡化学物理研究所的共同努力下，二硅化钼加热元件也开始商业化生产。使用 SVS 技术，生产周期“缩短了 50%”。MoSi 2加热元件的工作特性得到改善，使用寿命延长了一倍。诸如此类的成功无疑将促进SVS技术的更多工业应用。

与 SVS 相关的问题

尽管苏联已经清楚地展示了SVS的突出特点，但一些问题限制了SVS技术的商业应用的近期程度。利用SVS技术进行陶瓷材料的工业化生产才刚刚开始。如前所述，为解决 SVS 问题而成立的科学委员会认为，SVS 设备生产的缺乏和 SVS 培训人员的缺乏是两个主要问题。苏联在广泛采用 SVS 过程中面临的较大问题可能在于其生产金属粉末的能力。到 1976 年，苏联已经认识到扩大金属粉末生产的必要性；然而，额外的供应可能会转移到粉末冶金行业，该行业在苏联越来越受到重视

结论

苏联人已经证明，SVS 是一种生产各种陶瓷材料的经济有效的方法。由于 SVS 工艺的独特性，一些材料表现出卓越的性能。这种材料技术已经展示了其工业规模生产耐火化合物的潜力，并且就 TiC 和 MoSi 2而言，正在取代消耗大量能源的传统陶瓷生产工艺。

自蔓延高温合成装置是什么？

自蔓延高温合成装置称为自蔓延高温合成反应釜、自蔓延高温合成烧结炉。

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