專利名稱：電磁場輔助快速燃燒合成材料的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁場輔助燃燒合成材料的裝置和方法，屬于制備金屬間化合物及無機(jī)非金屬材料的裝置和方法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)、航天技術(shù)的等高精尖科學(xué)的發(fā)展，對材料在滿足使用性能的基礎(chǔ)上提出了輕量和微型化要求，例如熱緩沖梯度材料，在不到幾毫米的厚度上需要承受從近2000K過渡到室溫的溫度劇變的沖擊。同時(shí)，隨著功能材料不斷向復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展，需要大量制備各種具有非平衡態(tài)化學(xué)組成和特殊微觀結(jié)構(gòu)材料，而傳統(tǒng)材料制備工藝已經(jīng)難以滿足要求。
自1967年Merzhanov等發(fā)現(xiàn)“固體火焰”(US Patent，No.3726643)并由此發(fā)展起來自蔓延高溫燃燒合成技術(shù)(簡稱SHS)以來，由于SHS具有耗能少、效率高、產(chǎn)物純凈和工藝相對簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了各國科研人員的高度關(guān)注，使得SHS合成技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。利用該技術(shù)合成的碳化物、硼化物、硅化物、氮化物、金屬間化合物等化合物，數(shù)量超過500種，其中許多在工業(yè)上得到了應(yīng)用。但是，由于SHS反應(yīng)是利用反應(yīng)體系自身放出的熱量來維持反應(yīng)進(jìn)行的，因此無法應(yīng)用于低放熱的反應(yīng)體系，限制了SHS方法的推廣應(yīng)用。如專利ZL 932168.7雖然能夠完成低放熱體系的自蔓延高溫合成反應(yīng)，但僅適用于某些相對較低的放熱體系，對于大多數(shù)低放熱體系仍無法使用；其秒表法計(jì)時(shí)亦過于簡單與粗糙以，操作上存在不可避免的人為誤差等缺陷。另外，常規(guī)的SHS設(shè)備也無法滿足一些特殊成分和結(jié)構(gòu)材料的合成要求。
SHS與電磁場活化、微波預(yù)熱、快速成像和數(shù)據(jù)計(jì)算處理等技術(shù)的結(jié)合是SHS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。這不僅可以大大提高自蔓延高溫燃燒合成技術(shù)的實(shí)用性，而且還可以拓寬該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將自蔓延合成設(shè)備與電磁場活化和快速成像技術(shù)結(jié)合起來，提出了一種電磁場輔助燃燒合成材料的裝置及方法。具體地說本發(fā)明(1)利用電磁場降低反應(yīng)體系的化學(xué)能勢壘，活化反應(yīng)體系，以實(shí)現(xiàn)低放熱體系材料的合成；(2)利用電磁場的作用抑制反應(yīng)過程中的重力效應(yīng)，影響合成過程反應(yīng)模式、熱損失及合成反應(yīng)的質(zhì)量傳遞和毛細(xì)管流動(dòng)等過程，從而實(shí)現(xiàn)對所合成材料最終形貌和粒度的控制，來合成常規(guī)制備方法難以合成的材料；(3)利用電磁場提供的能量延長后燃燒階段的溫度，從而提高體系的轉(zhuǎn)化程度；(4)通過對合成反應(yīng)前端進(jìn)行淬冷，使中間反應(yīng)產(chǎn)物得以保留，并結(jié)合快速攝影成像系統(tǒng)和時(shí)間、溫度記錄系統(tǒng)等，可以模擬和解析反應(yīng)模式和反應(yīng)過程、研究反應(yīng)機(jī)理，并計(jì)算反應(yīng)活化能和擴(kuò)散活化能等多項(xiàng)理化參數(shù)。
1.實(shí)現(xiàn)上述目的的一種電磁場輔助燃燒合成材料裝置，它主要由真空系統(tǒng)、反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)、電磁場發(fā)生裝置、實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)、溫度曲線和反應(yīng)時(shí)間記錄系統(tǒng)、快速攝影成像系統(tǒng)、液氮冷淬裝置、循環(huán)水冷系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等裝置組成。其特征在于
(1)位于真空室(6)的反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)(1)、電磁場發(fā)生系統(tǒng)(2)、溫度時(shí)間記錄系統(tǒng)(3)依次相連；載物平臺(tái)(9)位于反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)下端；(2)真空室(10)下部與真空/氣氛系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)(5)以及液氮冷淬系統(tǒng)相接；(3)快速攝影成像系統(tǒng)(8)位于真空室的另一區(qū)。
(4)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與電磁場發(fā)生系(2)和時(shí)間記錄系統(tǒng)(3)與總控制臺(tái)相連，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理處理系統(tǒng)與控制臺(tái)相連。
上述燃燒合成裝置利用①電磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生電磁場，使反應(yīng)體系處于電磁場的作用之下，原料體系在電磁場的激活下，降低了反應(yīng)引發(fā)溫度，并有可能改變反應(yīng)的微觀過程；②攝影成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄反應(yīng)體系的燃燒模式，溫度曲線和時(shí)間記錄系統(tǒng)記錄反應(yīng)體系的各項(xiàng)參數(shù)，并由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到燃燒過程的反應(yīng)活化能和擴(kuò)散活化能等多項(xiàng)理化參數(shù)；③循環(huán)水冷系統(tǒng)使反應(yīng)室始終處于較低溫度，而不受高發(fā)熱體系所產(chǎn)生的高溫、超高溫的影響；④在快速攝影成像系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高壓燃燒合成，合成具有特殊結(jié)構(gòu)和形貌的材料等。
一種使用電磁場輔助燃燒燃燒合成材料裝置的制備方法(a)通過調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的高度，使反應(yīng)體系的原坯處于合適的位置，完成測溫?zé)犭娕己痛郎y溫位置的對接；(b)啟動(dòng)循環(huán)水冷系統(tǒng)和真空/氣氛系統(tǒng)，使反應(yīng)室處于要求的環(huán)境；然后開啟電磁場發(fā)生裝置和反應(yīng)引發(fā)裝置完成反應(yīng)體系的活化、引發(fā)，反應(yīng)體系開始進(jìn)行自身的燃燒反應(yīng)。
(c)當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到設(shè)定位置(上部熱電偶)，溫度曲線和時(shí)間記錄系統(tǒng)在體系反應(yīng)熱的沖擊下啟動(dòng)，并實(shí)時(shí)記錄相對應(yīng)的溫度、時(shí)刻以及時(shí)間(下部熱電偶)。快速攝影成像系統(tǒng)則顯現(xiàn)/存儲(chǔ)相應(yīng)反應(yīng)過程、狀態(tài)以及反應(yīng)模式等。
(d)溫度、時(shí)間、狀態(tài)及形貌等參數(shù)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)化和傳輸，可以進(jìn)行有關(guān)計(jì)算機(jī)處理和模擬，以及解析反應(yīng)模式等。
(e)如果需要對合成反應(yīng)前端進(jìn)行冷淬和保留中間產(chǎn)物，則可以在(c)步驟中的某個(gè)相應(yīng)時(shí)刻開啟液氮冷淬系統(tǒng)，完成反應(yīng)體系的淬熄。
在上述制備方法中，本發(fā)明利用(1)溫度記錄儀分別顯示、記錄第一和第二測溫點(diǎn)在燃燒合成反應(yīng)中的溫度變化及其曲線；時(shí)間記錄儀記錄反應(yīng)體系兩測溫點(diǎn)之間的燃燒合成時(shí)間，如必要，還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。
(2)通過快速攝影成像系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察和記錄燃燒合成全過程；(3)通過計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，可以模擬和解析反應(yīng)模式和反應(yīng)過程、研究反應(yīng)機(jī)理，并計(jì)算反應(yīng)活化能和擴(kuò)散活化能等多項(xiàng)理化參數(shù)。與現(xiàn)有合成方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.在電磁場的作用下使反應(yīng)體系活化，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)SHS方法由于受到熱力學(xué)和/或動(dòng)力學(xué)條件限制而無法完成的低放熱體系的燃燒合成反應(yīng)(詳見實(shí)施例)；2.通過電磁場影響合成過程中的的重力效應(yīng)，影響合成過程反應(yīng)模式、熱損失及合成反應(yīng)的質(zhì)量傳遞和毛細(xì)管流動(dòng)等過程，從而實(shí)現(xiàn)對所合成材料最終形貌和粒度的控制，來合成常規(guī)制備方法難以合成的材料，并實(shí)現(xiàn)對合成材料最終形貌和粒度的控制；3.真空/氣氛系統(tǒng)可以改變反應(yīng)體系的環(huán)境壓力，并實(shí)現(xiàn)對氣態(tài)反應(yīng)物流量等的控制；4.液氮冷淬系統(tǒng)對合成反應(yīng)前端進(jìn)行冷淬，使中間反應(yīng)產(chǎn)物得以保留，并結(jié)合快速攝影成像系統(tǒng)和時(shí)間、溫度記錄系統(tǒng)等，可以模擬和解析反應(yīng)模式和反應(yīng)過程、研究反應(yīng)機(jī)理，并計(jì)算反應(yīng)活化能和擴(kuò)散活化能等多項(xiàng)理化參數(shù)；5.循環(huán)水冷系統(tǒng)使反應(yīng)室始終處于較低溫度，而不受高放熱體系所產(chǎn)生的高溫、以及超高溫對設(shè)備的熱沖擊影響，并縮短合成反應(yīng)的周期。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1.反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)；2.電磁場發(fā)生系統(tǒng)；3.溫度曲線和反應(yīng)時(shí)間記錄系統(tǒng)；4.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；5.循環(huán)水冷系統(tǒng)；6.真空/氣氛系統(tǒng)；7.液氮冷淬系統(tǒng)；8.快速攝影成像系統(tǒng)；9.載物平臺(tái)；10.反應(yīng)室；11.反應(yīng)體系 12總控制臺(tái)
具體實(shí)施例方式
下面接合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的工作原理和實(shí)施程序(1)工作原理通過點(diǎn)火系統(tǒng)向反應(yīng)體系提供初始的能量，對于有特殊要求或低放熱反應(yīng)體系，則采用電磁場活化和預(yù)熱等輔助手段，使體系獲得開始反應(yīng)所需的能量要求并發(fā)生反應(yīng)。由于體系反應(yīng)時(shí)自身放熱，使得反應(yīng)一旦開始便可以自行維持，實(shí)現(xiàn)材料的合成。
通過本裝置的液氮冷淬輔助系統(tǒng)可以改變反應(yīng)體系的環(huán)境，因而可以控制反應(yīng)產(chǎn)物的相序、組分及均一性?？焖贁z影成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)讀取和處理系統(tǒng)及監(jiān)測控制系統(tǒng)使得對反應(yīng)過程的參數(shù)的控制，以及進(jìn)行相關(guān)的深入研究成為可能(2)實(shí)施程序首先，將原料粉體按要求的比例均勻混合，并采用常規(guī)的工藝方法壓制成反應(yīng)體系11的原坯，置于反應(yīng)室10內(nèi)的可調(diào)載物平臺(tái)9上，通過調(diào)整載物平臺(tái)高度使其處于合適的位置(完成測溫?zé)犭娕紝拥?。隨后打開設(shè)備主電源和啟動(dòng)循環(huán)水冷系統(tǒng)，開始對設(shè)備進(jìn)行循環(huán)水冷。然后，啟動(dòng)真空/氣氛系統(tǒng)6，使反應(yīng)體系處于所要求的環(huán)境和壓力下。根據(jù)反應(yīng)體系的熱力學(xué)特點(diǎn)和對目標(biāo)產(chǎn)物組分、結(jié)構(gòu)的要求，確定是否啟動(dòng)電磁場發(fā)生系統(tǒng)2。做好這些準(zhǔn)備工作之后，打開溫度曲線和反應(yīng)時(shí)間記錄系統(tǒng)3和快速攝影成像系統(tǒng)8，然后啟動(dòng)反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)1，反應(yīng)體系開始發(fā)生燃燒合成反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到設(shè)定位置(上部熱電偶)，溫度曲線和時(shí)間記錄系統(tǒng)在體系反應(yīng)熱的沖擊下啟動(dòng)，并實(shí)時(shí)記錄相對應(yīng)的溫度、時(shí)刻以及時(shí)間(下部熱電偶)?？焖贁z影成像系統(tǒng)則顯現(xiàn)/存儲(chǔ)相應(yīng)反應(yīng)過程、狀態(tài)以及反應(yīng)模式等各項(xiàng)參數(shù)。如果需要對燃燒合成反應(yīng)體系的前端進(jìn)行冷淬以及保留中間反應(yīng)產(chǎn)物，可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候啟動(dòng)液氮冷淬系統(tǒng)7，使整個(gè)發(fā)應(yīng)體系在瞬間淬熄。最后，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)4可以通過有限元的方法，模擬和解析反應(yīng)模式和反應(yīng)過程、研究反應(yīng)機(jī)理，并可計(jì)算反應(yīng)活化能和擴(kuò)散活化能等多項(xiàng)理化參數(shù)。
(3)利用本發(fā)明提供的合成裝置制備材料的具體實(shí)施例合成常規(guī)SHS無法合成的材料，如ZrSi2，TiB2，Ba4C等材料，用電磁場輔助燃燒能夠較為容易燃燒合成。
理論上，只有絕熱燃燒溫度大于1800K的放熱反應(yīng)才能發(fā)生自燃燒合成反應(yīng)，而上述幾種材料的絕熱燃燒溫度分別只有Tad ZrSi2＝1790K、TadTiB2＝1400K、TadBa4C＝1000K，顯然無法進(jìn)行簡單的燃燒合成；但是通過施加電磁場，突破了上述缺陷，可以較為容易地合成上述材料。
試驗(yàn)表明，簡單燃燒合成TiC時(shí)，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和形貌，化學(xué)計(jì)量的TiC只占整個(gè)反應(yīng)物的8％左右，但是，通過施加電磁場，并且電磁場槽路電壓(決定電磁場強(qiáng)度)從0變化到8kV，其化合碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)從8.0％左右提高到15.0％左右，提高合成轉(zhuǎn)化率達(dá)90％。
此外，針對合成WSi2等低放熱難合成材料，電磁場的作用降低發(fā)應(yīng)體系的化學(xué)能勢壘，實(shí)現(xiàn)此類低放熱體系材料的合成。
權(quán)利要求
1.一種電磁場輔助燃燒合成材料裝置，其特征在于(5)位于真空室(6)的反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)(1)、電磁場發(fā)生系統(tǒng)(2)、溫度時(shí)間記錄系統(tǒng)(3)依次相連；載物平臺(tái)(9)位于反應(yīng)引發(fā)系統(tǒng)下端；(6)真空室(10)下部與真空/氣氛系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)(5)以及液氮冷淬系統(tǒng)相接；(7)快速攝影成像系統(tǒng)(8)位于真空室的另一面。(8)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與電磁場發(fā)生系(2)和時(shí)間記錄系統(tǒng)(3)與總控制臺(tái)相連，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理處理系統(tǒng)與控制臺(tái)相連。
2.按權(quán)利要示1所述的一種電磁場輔助燃燒合成材料裝置，其特征在于反應(yīng)時(shí)間和溫度控制聯(lián)動(dòng)。冷卻水系統(tǒng)與系統(tǒng)源聯(lián)動(dòng)。
3.使用權(quán)利要求1所述電磁場輔助快速燃燒合成材料裝置的制備方法，主要步驟如下(1)通過調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的高度，使放在平臺(tái)上反應(yīng)體系的坯體處于合適的位置，完成測溫?zé)犭娕己痛郎y溫位置的對接；(2)啟動(dòng)循環(huán)水冷系統(tǒng)和真空/氣氛系統(tǒng)，使反應(yīng)室處于要求的環(huán)境；然后開啟電磁場發(fā)生裝置和反應(yīng)引發(fā)裝置完成反應(yīng)體系的活化、引發(fā)，反應(yīng)體系開始進(jìn)行自身的燃燒反應(yīng)；(3)當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到上部熱電偶設(shè)定位置，溫度曲線和時(shí)間記錄系統(tǒng)在體系反應(yīng)熱的沖擊下啟動(dòng)，并實(shí)時(shí)記錄相對應(yīng)的溫度、時(shí)間，快速攝影成像系統(tǒng)則顯現(xiàn)/存儲(chǔ)相應(yīng)反應(yīng)過程、狀態(tài)以及反應(yīng)模式；(4)溫度、時(shí)間、狀態(tài)及形貌參數(shù)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)化和傳輸，可以進(jìn)行有關(guān)計(jì)算機(jī)處理和模擬，以及解析反應(yīng)模式；
4.按權(quán)利要求3所述一種電磁場輔助燃燒合成材料裝置方法，其特征在于反應(yīng)進(jìn)行過程開啟液氮冷淬系統(tǒng)，完成反應(yīng)體系的淬熄或特定產(chǎn)物的合成或保留。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種快速燃燒合成粉體材料的裝置及方法，涉及一種控制精度高、快速高效節(jié)能的合成裝置和粉體成分、結(jié)構(gòu)可控的燃燒合成技術(shù)，其特征在于電磁場活化技術(shù)、快速攝影成像、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等多種手段，并采用真空/氣氛系統(tǒng)、液氮冷淬和循環(huán)水冷系統(tǒng)、點(diǎn)火及反應(yīng)溫度曲線和反應(yīng)時(shí)間記錄儀等輔助裝置與設(shè)備，能夠完成常壓和高壓下固—固、固—?dú)獾头艧峄蚋叻艧狍w系的燃燒合成反應(yīng)。主要應(yīng)用于合成有價(jià)值的難熔化合物和高溫新材料技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C01B31/30GK1548364SQ0311705
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者吳歷斌, 郜劍英, 江莞 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所