1.5 Методы получения матричных материалов

Существует несколько способов получения цирконолита с зафиксированными РАО: метод индукционной плавки в холодной тигле, метод горячего прессования, обеспечивающего максимальную плотность образцов и минимальную скорость выщелачивания, метод холодного прессования с последующим спеканием, метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Анализ систем исследованных способов получения керамического цирконолита показывает, что методы горячего, холодного прессования, индукционной плавки в холодном тигле обладают рядом существенных недостатков.

Одной из перспективных материаловедческих технологий является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), основанный на способности ряда неорганических элементов и соединений вступать в экзотермическую реакцию, распространяющуюся по объему реакционной среды в волновом режиме. Основным преимуществом СВС является возможность получения материалов с заранее заданными свойствами.[9]

2. Описание процесса свс. Основные определения

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет собой разновидность направленного горения, осуществляемого между металлами, их оксидами, тугоплавкими неорганическими соединениями, протекающего без выделения газообразных продуктов. Реакция протекает в экзотермическом режиме и способна самоподдерживать себя, т.е. осуществляется процесс горения, в котором образование продуктов является и причиной и следствием горения.

СВС процесс представляет собой распространение волны горения в горючей смеси или распространение пламени с высокотемпературной волной горения. Для осуществления реакции предварительно формованная смесь из порошков (причем один из компонентов играет роль горючего, а другой - окислителя) подвергается локальному инициированию процесса (например, через пропускание электрического тока, тепловой нагрев в печи). После инициирования процесса волна горения начинает распространяться по всему объему образца без внешних воздействий. Теплота реакции при этом расходуется на нагревание смеси и спекание образующегося материала. В таких процессах горения обычно четко различаются зона пламени и зона догорания. При этом благодаря тепло- и массопереносу перед зоной пламени образуется зона подогрева. В результате химических реакций в зоне пламени происходит частичное превращение компонентов горючей смеси в продукты реакции.

Одной из важнейших характеристик СВС процесса является скорость распространения волны горения. Скорость распространения реагирующего слоя и температура реакции зависит от целого ряда физико – химических параметров. К ним относятся: термодинамические параметры (теплота образования нового химического соединения, теплоемкости продуктов реакции, теплоемкости продуктов реакции, начальная температура процесса, состав смеси); физические параметры (теплопроводность смеси порошков, плотность брикета, внешнее давление газа, форма и размер частиц порошков, полидисперсность порошков, дефектность структуры частиц компонентов); технологические (равномерность перемешивания компонентов смеси, степень активации порошков); химические (степень увлажненности порошков, концентрация в них адсорбированных примесей и растворенных газов).

Необходимо отметить, что скорость распространения пламени и скорость горения – это разные величины. Скорость распространения пламени (относительно лабораторной системы координат) обычно несколько отличается от скорости горения, поскольку при распространении пламени необходимо учитывать смещение, связанное с коэффициентом термического расширения высокотемпературной зоны догорания. Скорость распространения пламени складывается из скорости горения и скорости термического расширения зоны догорания.

Данный метод синтеза обладает рядом специфических черт, которые отличают его от существующих способов получения неорганических соединений. К ним следует отнести высокие температуры и малые времена синтеза, возможность управлять процессом, незначительные внешние энергетические затраты и простота оборудования, возможность синтеза больших количеств продукта и его чистота.